استفاده از امواج صوتی برای تبدیل آهن و آب به نانوذرات مغناطیسی

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

آهن به خودی خود زنگ می زند، به آرامی، طی ماه ها یا سال ها. اکنون، محققان دانشگاه توهوکو راهی برای فشرده‌سازی فرآیند واکنش فلز با آب برای تشکیل اکسید پیدا کرده‌اند که تنها ساعت‌ها طول می‌کشد و چیزی جز فراصوت استفاده نمی‌شود. جزئیات در مجله Ultrasonics Sonochemistry منتشر شد.

نانوذرات اکسید آهن از نوع اسپینل به طور گسترده در مواد مغناطیسی، جاذب ها، کاتالیزورها، جداسازی مغناطیسی و تحقیقات زیست پزشکی استفاده می شود. روش‌های سنتز مرسوم معمولا با نمک‌های آهن محلول شروع می‌شوند که سپس با استفاده از مواد شیمیایی مانند آمونیاک یا هیدروکسید سدیم به ذرات تبدیل می‌شوند.

تیم دانشگاه توهوکو رویکرد متفاوتی در پیش گرفت و نانوذرات را مستقیما از پودر آهن و آب فعال شده توسط امواج فراصوت تولید کرد.

در این مطالعه، 1.0 گرم پودر آهن در آب پراکنده شد و با امواج فراصوت در فرکانس 23 یا 43 کیلوهرتز، با دمای واکنش و زمان درمان در آزمایش‌ها متفاوت بود. ذرات حاصل با استفاده از پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی و اندازه‌گیری‌های مغناطیسی آنالیز شدند. تحت یک مجموعه از شرایط، ذرات به طور متوسط ​​در حدود 32 نانومتر اندازه، با مغناطیسی 85.6 emu/g در حداکثر میدان اعمال شده بودند.

در 43 کیلوهرتز طی 24 ساعت، تبدیل تخمینی آهن به اکسید آهن نوع اسپینل به 36.1 درصد در 30 درجه سانتی گراد، 68.5 درصد در 40 درجه سانتی گراد و 63.7 درصد در 60 درجه سانتی گراد رسید. اندازه ذرات بین 40 درجه سانتیگراد و 60 درجه سانتیگراد تغییر کمی داشته است، که نشان می دهد که دما در درجه اول بر میزان اکسیداسیون تأثیر می گذارد تا اندازه ذرات تشکیل شده.

برای جداسازی نقش اولتراسوند، محققان همچنین همزن مکانیکی همان مخلوط را در دمای 40 درجه سانتیگراد به مدت 72 ساعت آزمایش کردند. اکسیداسیون همچنان رخ می دهد، اما اکسید حاصل تا حد زیادی به عنوان ذرات زیر میکرومتری متصل به سطح آهن باقی می ماند. برعکس، تحت سونوگرافی، ذرات بسیار کوچکتر از سطح جدا شده و در آب اطراف پراکنده می شوند.

این تفاوت به کاویتاسیون آکوستیک نسبت داده می شود: تشکیل سریع و فروپاشی حباب های کوچک تحت سونوگرافی. این فروپاشی می‌تواند ریزجت‌ها و امواج ضربه‌ای ایجاد کند که قادر به شکستن و تجدید سطح آهن هستند، همراه با مناطق مختصر و موضعی دمای بالا، فشار بالا و گونه‌های شیمیایی واکنش‌پذیر.

تصور می شود که این اثرات به صورت ترکیبی عمل می کنند تا واکنشی بین آهن جامد و آب ایجاد کنند که در غیر این صورت به کندی پیش می رفت. مسیر واکنش دقیق هنوز تایید نشده است و منطقه ای برای مطالعه بیشتر است.

یاماتو هایاشی، دانشیار دانشکده مهندسی فارغ التحصیل، که به رهبری این مطالعه کمک کرد، گفت: «یافته اصلی در اینجا صرفا یک مسیر سنتز بدون واکنش نیست.

آنچه که ما نشان می‌دهیم، تبدیل مستقیم جامد-مایع از فلز به اکسید است – امواج فراصوت رابط بین آهن فلزی و آب را فعال می‌کند و ذرات اکسید در مقیاس نانو مستقیما در آن مرز تشکیل می‌شوند.

این فرآیند نیازی به نمک های آهن محلول، عوامل رسوب دهنده و مواد شیمیایی برای تنظیم pH ندارد. در این مطالعه از مرحله شستشو استفاده نشد. با نگاهی به آینده، این رویکرد ممکن است مسیری را برای تبدیل پودرهای ریز آهن یا ضایعات آهن به مواد اکسیدی با ارزش بالاتر ارائه دهد و به طور بالقوه می‌تواند به سایر سیستم‌های اکسید فلزی گسترش یابد، اگرچه این کاربردها باید نشان داده شوند.

کار آینده بر شفاف سازی مکانیسم واکنش متمرکز خواهد بود، از جمله اندازه گیری Fe2+ و Fe3+ محلول، رادیکال های هیدروکسیل و پراکسید هیدروژن در طول واکنش.

محققان همچنین قصد دارند بازیافت ذرات، تعادل جرم، سرعت واکنش و مصرف انرژی را در هر واحد محصول، در کنار بهینه‌سازی طراحی راکتور، چگالی توان صوتی و پیکربندی مبدل، کمی کنند که امیدواریم تولید در مقیاس بزرگ‌تر را ممکن کند.

مادوکا یوشیکاوا و همکاران، سنتز سونوشیمیایی بدون معرف نانوذرات اکسید آهن از پودر آهن و آب که توسط کاویتاسیون آکوستیک ارتقا یافته است، Ultrasonics Sonochemistry (2026). DOI: 10.1016/j.ultsonch.2026.108028

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →