Nanoosakeste süntees

Nanoosakeste süntees on 1–100 nanomeetri suuruste osakeste kontrollitud loomine. Põhilised nanoosakeste sünteesi meetodid jagatakse keemilisteks, füüsikalisteks ja bioloogilisteks. Lisaks kombineeritakse nende alamliike ka ühe sünteesi eri etappideks.
Nanoosakesi saab luua kahel moel: suuremaid osakesi purustades või väikseid osakesi lähteainetest kasvatades. Neid nimetatakse vastavalt ülalt alla ja alt üles meetoditeks. Esimesel juhul õnnestub osakesi toota väga suurtes kogustes, teisel mõõdetakse saadusi grammides, kuid nende suurust saab tekkeprotsessi jooksul juhtida.
Keemilised sünteesimeetodid.
Sooli-geelimeetod.
Sooli-geelimeetodil tekib polükondensatsioonireaktsioonide ja hüdrolüüsi tulemusena sooliks nimetatavast kolloidlahusest geelisarnane kahefaasiline nanoosakestest koosnev süsteem, mis sisaldab nii vedelat kui ka tahket faasi. Segu vanandamisel materjal tiheneb, samal ajal saavad aga lahkuda ainest orgaanilised lisandid. Seda protsessi saab kontrollida pH-d, temperatuuri, rõhku, solvendi keskkonda ja lähteaine koostist varieerides. Geeli kuivatamisel jääb järele kindla struktuuriga poorne materjal. Meetod on küllaltki lihtne ja ei vaja eriaparatuuri. Puudusena ei teki protsessis aga mitte eraldiseisvad osakesed, vaid struktuur, mille komponentideks on nanoosakesed.
Keemilise redutseerimise meetod.
Keemilisel redutseerimisel kasutatakse lähteainena metallide soolasid ja redutseerijaid. Tavaliselt kuumutatakse reaktsioonisegu umbes 100 °C juures, et protsessi kiirendada. Kui tekkivad nanoosakesed võivad õhuhapnikuga reageerida, lisatakse segusse ka pindmist kihti kaitsvaid aineid, näiteks PVP-d, mis seda passiveerivad. Meetod on laialt kasutatav ja tööstuses rakendatav, kuid probleemiks on tugevad redutseerijad, mis on valdavalt mürgised.
Mikroemulsioonmeetod.
Mikroemulsioonmeetodi korral koostatakse dispergeeriv lahus, mis koosneb kahest teineteises mittesegunevast lahusest ning pindaktiivsest ainest ehk pindisest. Mikroemulsioon tekib, sest pindis alandab vedelike pindpinevust ja tekitab ühe lahuse tilgakesi teises. Tekkivatel tilkadel on ümber kiht pindaktiivset ainet ning nende kuju on enamasti ümmargune, sest sel juhul on pinnaenergia minimaalne. Mida paksem on pindaktiivne kiht, seda suuremaks tilgad kasvavad ning pindise lisamisega saab juhtida tekkivate osakeste suurust. See-eest on saagis madal ja meetod pigem kallis.
Ultrahelimeetod.
Ultrahelimeetodi korral segatakse reaktsioonisegu seda kõrgsagedusel väristades. Osakesed hakkavad seetõttu lokaalselt kiiresti ümber paigutuma, mille tulemusena tekivad väga lühikesteks ajahetkedeks alarõhuga piirkonnad. Nende mullilaadsete tühimike kokkukukkumisel toimub rõhu äkiline kasv, millega kaasneb temperatuuri kiire tõus, mis reaktsiooni käivitab, seejärel äkiline langus, kui rõhk taas normaliseerub. Ligikaudu nanosekundi pikkuse reaktsiooni käigus jõuavad tekkida ainult väga väiksed osakesed. Selle meetodi rakendamine on suhteliselt odav, kuid ka madala saagisega. Kuna lahustiks on enamasti vesi, ei tule kasutada suuri koguseid ohtlikke kemikaale.
Mikrolainemeetod.
Reaktsioonisegu on võimalik kuumutada ka mikrolainetega, mis on võrreldes hariliku kuumutamisega kiirem. Sobilike tingimuste korral ei mõjuta mikrolained mitte solventi, vaid peamiselt reagente, mis võib reaktsiooniaega mitu korda lühendada. Puuduseks on seadmete kõrge hind.
Termiline lagundamine.
Termilisel lagundamisel suletakse reaktsioonisegu autoklaavi või mõnda muud sorti õhutihedasse anumasse. Kuna gaasid mahutist välja ei pääse, siis õnnestub lahustit kuumutada üle selle tavalise keemistemperatuuri. Segu viiakse ülekriitilisse olekusse, mis tähendab, et sellel on korraga nii gaasilise kui ka vedela oleku omadused, mis suurendab lähteainete reageerivust. Nii õnnestub lahustada selliseid ühendeid, mis tavatingimustes lahustuvad pole. Kuumutamise aega muutes saab kontrollida tekkivate osakeste kuju ja suurust. Selle meetodi kasuks räägivad üle keskmise saagis ja võimekus valmistada suure puhtusastmega väga väikesi osakesi, mille kõik kristallid on ühes faasis. Teisalt on aparatuur suhteliselt kallis – kvaliteetsete autoklaavide hinnad algavad 2013. aasta seisuga tuhandest eurost.
Füüsikalised sünteesimeetodid.
Mehaaniline jahvatamine.
Jahvatamist kasutatakse olemasoleva tahke aine peenestamiseks. Tavaliselt on lähteaineks mikromõõtmetes osakesed, mida veskis väiksemaks kulutatakse. Tegemist on ühe põhilise sünteesiviisiga, sest osakesi saab toota väga suurtes kogustes – isegi kümneid kilogramme ühe seadmega korraga. Meetodi puuduseks võib pidada aga asjaolu, et jahvatamisel tekkivad osakesed on alati erineva läbimõõduga ja terade suurus varieerub oluliselt. Teine puudus antud meetodi juures on proovi saastumine, mis tuleneb sellest, et mehaanilisel töötlemisel kuluvad ka seadme detailid, millelt maha lihvitud tükikesed segunevad valmistatava ainega. Kui need puudused on talutavad, on tegu kõige odavama tänapäeval kasutatava tööstusliku lähteaine tootmise viisiga.
Lasersüntees.
Laserite abil saab luua nanoosakestega kolloidlahuseid. Reaktsioonisegusse suunatakse võimas laserkiir, mis tekitab selles plasma. Plasmast moodustuvad jahtumisel nanoosakesed. Laserimpulsside pikkuse ja kordade varieerimise teel saab neid sobiva suuruseni kasvatada. See meetod vajab aga kallist aparatuuri ja on energiamahukas. Seetõttu on meetod majanduslikult ebaotstarbekas.
Vaakumsadestamine.
Selle meetodiga saab valmistada ainult metallilisi nanoosakesi. Lähtemetallist traati kuumutatakse kõrgepingeelektrivoolu toimel vaakumkambris aurustumiseni. Seejärel metalliaurud jahutatakse inertgaasi, näiteks argooni pealejuhtimisel ning kogutakse väljuva gaasi filtritele suunamise teel. Kuna kasutatakse väga spetsiifilisi seadmeid, on meetod kallis. Siiski on tegu kiire meetodiga, mis annab puhtaid osakesi.
Bioloogiline süntees.
Bioloogilisel sünteesil kasutatakse ära organismide omadust ümbritsevast keskkonnast anorgaanilisi ühendeid omandada ja talletada. Sisuliselt toimuvad neis samasugused oksüdeerumise ja redutseerumise protsessid nagu keemiliste meetodite kasutamise korral, kuid seda juhivad ensüümid. Nanoosakeste kättesaamiseks tuleb organismid kokku koguda ja ümber töödelda. Kuna elutsükli seisukohalt on tegu loomuliku protsessiga, on see ka loodussõbralikum kui teised sünteesimisvõtted. Praegu tegeletakse nii bakterite, seente kui ka taimede rakendamisvõimaluste uurimisega. Edukaid tulemusi on saadud hariliku päevalille ("Helianthus annus") ja sarepta kapsasrohu ehk sarepta sinepiga ("Brassica juncea"), kahjuks on saagis küllaltki väike, kuid reaktsiooniaeg pikk. Need probleemid võivad siiski ületatavad olla, sest bioloogilise sünteesi uurimine on alles algusjärgus.