فهرست مطالب

1- مقدمه. 1

1-1- نانو فناوری.. 1

1-2- تاریخچه­ی نانو فناوری.. 2

1-3- اهمیت نانو تکنولوژی.. 3

1-4- نانو­مواد. 4

1-5- تقسیم ­بندی نانومواد. 4

1-6- نانومواد و انواع روش­های تولید آن. 5

1-6-1- روش بالا به پایین.. 6

1-6-2- روش پایین به بالا. 7

1-7- سنتز هیدرو(سولو)ترمال. 9

1-8- بیو نانو تکنولوژی.. 10

1-9- سرامیک­های کلسیم فسفاتی.. 11

1-10- سیمان­های کلسیم فسفاتی.. 13

1-11- کلسیم فسفات­ها 13

1-11-1- مونو کلسیم فسفات (MCP) 14

1-11-2- دی کلسیم فسفات (DCP) 15

1-11-3- اکتا کلسیم فسفات (OCP) 16

1-11-4- تری کلسیم فسفات (TCP) 17

1-11-5- کلسیم فسفات آمورف (ACP) 18

1-11-6- هیدروکسی آپاتیت (HAp) 19

1-11-6-1- ساختار هیدروكسی آپاتیت.. 20

1-11-6-2- رفتار حرارتی هیدروكسی آپاتیت.. 23

1-11-6-3- موارد مصرف و کاربرد. 24

1-11-7- تترا کلسیم فسفات (TTCP) 24

1-11-8- کلسیم پیرو فسفات (CPP) 25

1-12- تاریخچه­ی کلسیم فسفات­ها 27

1-13- مولکولارسیو (غربال مولکولی) 33

1-14- آلومینیوم فسفات (APO) 34

1-15- تاریخچه­ی آلومینوم فسفات­ها 38

2- بخش تجربی.. 42

2-1- دستگاه­ها و مواد شیمیایی.. 43

2-1-1- دستگاه­های مورد استفاده. 43

2-1-2- مواد شیمیایی مورد استفاده. 44

2-2- روش کار آزمایشگاهی.. 45

2-2-1- تهیه­ نانوساختارهای آلومینیوم فسفات و کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 45

2-2-2- تهیه­ نانوساختارهای کلسیم فسفات و آلومینیوم فسفات سنتز شده از آلکیل فسفات­ها 49

2-2-2-1- تهیه­ نانوساختارهای کلسیم فسفات.. 49

2-2-2-2-تهیه­ نانوساختارهای آلومینیوم فسفات.. 54

3- بحث و نتیجه ­گیری.. 58

3-1- شناسایی نانوساختارهای آلومینیوم فسفات و کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 59

3-1-1- شناسایی نانوساختارهای آلومینیوم فسفات.. 59

3-1-2- شناسایی نانوساختارهای کلسیم فسفات.. 64

3-2- شناسایی نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از آلکیل و آریل فسفات­ها 68

3-2-1- شناسایی نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 68

3-2-2- شناسایی نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری بوتیل فسفات.. 76

3-2-3- شناسایی نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تریس(2‐اتیل­هگزیل)فسفات.. 77

3-2-4- شناسایی نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری فنیل فسفات.. 79

3-3- شناسایی نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از آلکیل و آریل فسفات­ها 80

3-3-1- شناسایی نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 80

3-3-2- شناسایی نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری بوتیل فسفات.. 84

3-3-3- شناسایی نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تریس(2‐اتیل­هگزیل)فسفات.. 86

3-4- نتیجه ­گیری.. 88

مراجع. 89

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

شکل 1-1- مقایسه روش بالا به پایین و پایین به بالا. 8

شکل 1-2- شبكه بلوری هیدروكسی آپاتیت كه بر قاعده منشور آن تصویر شده است.. 21

شکل 1-3- ساختار شبیه سازی شده هیدروكسی آپاتیت در طول جهت [٠٠٠١][31]. 22

شکل 1-4- ساختار آپاتیت و فلوروآپاتیت.. 23

شکل 1-5- ساختار کریستالی α و β- کلسیم پیروفسفات.. 26

شکل 1-6- تصویرSEM کلسیم پیروفسفات تترا هیدرات.. 29

شکل 1-7- تصویرSEM کلسیم فسفات­های آپاتیتی.. 29

شکل 1-8- تصویر SEM نانو­ذرات کلسیم فسفات.. 30

شکل 1-9- تصویرSEM نانو کامپوزیت­های دو­فازی کلسیم فسفات.. 30

شکل 1-10- تصویر TEM ترکیبات کلسیم فسفات.. 31

شکل 1-11- تصویر SEM نانو­ساختارهای کلسیم فسفات.. 31

شکل 1-12- تصاویر SEM بیوسرامیک­های کلسیم فسفات.. 32

شکل 1-13- تصویر SEM نانوذرات تری کلسیم فسفات.. 33

شکل 1-14- تصویر SEM نانوذرات هیدروکسی آپاتیت.. 33

شکل 1-15- ساختار آلومینوم فسفات­های مختلف.. 35

-5. 35

-5 مشاهده شده درطول جهت [٠٠١]. 36

-5 مشاهده شده در طول جهت [٠٠١]. 36

 

شکل 1-19- تصویر SEM نانوکریستال­های آلومینیوم فسفات.. 39

شکل 1-20- تصویر SEM کریستال­های هگزاگونال آلومینیوم فسفات.. 40

شکل 1-21- تصاویر SEM نمونه­های تهیه شده در pH برابر با 9. 41

-5. 41

شکل 2-1- الگوی XRD نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 46

شکل 2-2- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 47

شکل 2-3- طیف FT-IR نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 47

شکل 2-4- الگوی XRD نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 48

شکل 2-5- تصویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 48

شکل 2-6- طیف FT-IR نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 49

شکل 2-7- الگوی XRD نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 50

شکل 2-8- تصویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 50

شکل 2-9- طیف FT-IR نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 50

شکل 2-10-طیف EDX نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 51

شکل 2-11- تصویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری بوتیل فسفات.. 52

شکل 2-12- الگوی XRD نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 53

شکل 2-13- تصویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 53

شکل 2-14- الگوی XRD نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 54

شکل 2-15- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 55

شکل 2-16- طیف FT-IR نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 55

شکل 2-17-طیف EDX نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 55

شکل 2-18- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری بوتیل فسفات.. 56

شکل 2-19- الگوی XRD نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 57

شکل 2-20- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 57

شکل 3-1- الگوی XRD آلومینوم فسفات آمورف.. 59

شکل 3-2- الگوی XRD آلومینوم فسفات آمورف پس از کلسینه شدن در دمای 600 درجه. 60

شکل 3-3- الگوی XRD نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 61

شکل 3-4- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 63

شکل 3-5- طیف FT-IR نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 64

شکل 3-6- الگوی XRD نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 65

شکل 3-7- تصاویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 67

شکل 3-8- طیف FT-IR نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از فسفر تری کلرید. 68

شکل 3-9- الگوی XRD کلسیم فسفات آمورف.. 69

شکل 3-10- تصویر SEM کلسیم فسفات آمورف.. 70

شکل 3-11- الگوی EDX کلسیم فسفات آمورف.. 71

شکل 3-12- الگوی XRD نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 72

شکل 3-13- تصاویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات در مقیاس­های 300 نانومتر و 1 میکرومتر. 74

شکل 3-14- طیف FT-IR نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 75

شکل 3-15-طیف EDX نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 76

شکل 3-16- تصویر SEM میکروساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری بوتیل فسفات.. 77

شکل 3-17- الگوی XRD نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 78

شکل 3-18- تصویر SEM نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 79

شکل 3-19- الگوی XRD نانوساختارهای آلومینوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 81

شکل 3-20- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 82

شکل 3-21- طیف FT-IR نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 83

شکل 3-22-طیف EDX نانوساختارهای آلومینوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 84

شکل 3-23- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری بوتیل فسفات.. 85

شکل 3-24- الگوی XRD نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 86

شکل 3-25- تصویر SEM نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تریس­(2‐اتیل­هگزیل)­فسفات.. 87

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست جدول­ها

جدول1-1- خواص فیزیکی نمک­های مختلف کلسیم فسفات[20،23]. 14

26

جدول 1-3- مثال­هایی از ترکیبات حفره­دار آلومینوم فسفات.. 37

جدول 2-1- مواد شیمیایی مصرفی.. 44

جدول 3-1- پارامترهای شبکه کریستالی ترکیب آلومینیوم فسفات در سه ساختار ارتورومبیک، آنورتیک و هگزاگونال. 62

جدول 3-2- پارامترهای شبکه کریستالی ترکیب  تتراگونال کلسیم فسفات.. 66

جدول 3-3- داده ­های طیفی حاصل از آنالیز EDX کلسیم فسفات آمورف.. 71

جدول 3-4- پارامترهای شبکه کریستالی ترکیب ارتورومبیک کلسیم فسفات.. 73

جدول 3-5- داده ­های طیفی حاصل از آنالیز EDX نانوساختارهای کلسیم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 76

جدول 3-6- پارامترهای شبکه کریستالی ترکیب ارتورومبیک آلومینیوم فسفات.. 80

جدول 3-7- داده ­های طیفی حاصل از آنالیز EDX نانوساختارهای آلومینیوم فسفات سنتز شده از تری متیل فسفات.. 84

 

 

 

 

 

 

 

 

اختصارات

(α/β-) TCP – (Alpha/Beta-) Tricalcium Phosphate

ACP – Amorphous Calcium Phosohate

BCP – Bisphasic Calcium Phosphate

CA – Carbonated Apatite

CDHA – Calcium-deficient Hydroxyapatite

DCP – Dicalcium Phosphate

DCPA – Dicalcium Phosphate Anhydrate

DCPD – Dicalcium Phosphate Dehydrate (Brushite)

EDS – Energy Dispersive System

FTIR – Fourier Transform Infrared Spectroscopy

HA – Hydroxyapatite

MCPA – Monocalcium Phosphate Anhydrous

MCPM – Monocalcium Phosphate Monohydrate

OCP – Octacalcium Phosphate

SEM – Scanning Electron Microscopy

TTCP – Tetracalcium Phosphate

XRD – X-ray Diffraction

 

 

 

 

 

 

 

 

1- مقدمه

 

 

 

1-1- نانو فناوری

نانو فناوری دانش و فنی است که اخیراً توجه زیادی را به خود معطوف کرده است. این فناوری که یک رویکرد جدید در تمامی رشته­هاست، توانایی تولید مواد، ابزار و سیستم­های نوین را با دست­کاری در سطوح اتمی و مولکولی دارد. امروزه حوزه­ کاربردی این فناوری به تمامی علوم کشیده شده و محبوبیت بین­رشته­ای یافته است؛ به طوری که گستره­ی کاربردی این فناوری در علوم پزشکی، فناوری زیستی، مواد، فیزیک، مکانیک، برق، الکترونیک و شیمی به حدی است که می­توان از آن به عنوان یکی از انقلاب­های بزرگ علمی دنیا نام برد. این فناوری، روشی نو برای حل مشکلات و پاسخگویی به بسیاری از سوالات مطرح در علوم مختلف ارائه می­ کند که تا کنون، بشر موفق به رفع و یا پاسخ دادن به آن­ها نشده است.

رفتار­های جدیدی که در مقیاس نانو مشاهده می‌­گردند، لزوماً بر­اساس رفتار­های مشاهده شده در ابعاد بزرگ­‌تر قابل پیش­‌بینی نیستند. تغییرات مهم رفتاری که عمدتاً ناشی از اثرات کوانتومی کاهش ابعاد هستند، به ‌علت نزدیکی و قابل مقایسه بودن اندازه­ ذرات یا ریزساختار­ها، با مقیاس طولی میانگین پدیده­‌های فیزیکی و شیمیایی، رخ می­‌دهد. خصوصیات موجی­شکل الکترون­‌ها (مکانیک کوانتومی) در درون مواد و اتم­ها، توسط تغییرات مواد در مقیاس نانو­متری تحت­‌تأثیر قرار می­‌گیرد. با ایجاد ساختار­های نانو­متری، کنترل خصوصیات اساسی مواد، مانند دمای ذوب، رفتار مغناطیسی، ظرفیت شارژ و حتی رنگ آن­ها بدون تغییر ترکیب شیمیایی مواد، ممکن خواهد بود[1].

 

1-2- تاریخچه­ی نانو فناوری

استفاده از نانوفناوری توسط انسان، برخلاف تصور عمومی، دارای سابقه­ تاریخی طولانی می­باشد. در این رابطه شواهدی مبنی بر نانوساختاری بودن رنگ آبی به کار برده شده توسط قوم مایا، وجود دارد. پس از آن رومی­ها از این مواد در ساخت جام­هایی با رنگ­های زنده استفاده کردند، به این صورت که آن­ها از ذرات طلا برای رنگ آمیزی این جام­ها بهره می­گرفتند. نمونه ­ای از این جام­ها که برای اولین بار کشف شد، جام لیکورگوس[1] می­باشد؛ که متعلق به قرن چهارم قبل از میلاد بوده و دارای ذرات نانومتری طلا و نقره است که در هنگام قرار گرفتن در نورهای مختلف رنگ­های گوناگونی را از خود نشان می­دهد. بعدها در قرون وسطی از این روش برای ساخت شیشه کلیساها استفاده می­کردند.

تحقیقات اولیه بر روی نانوذرات به سال ۱۸۳۱ برمی­گردد، وقتی که مایکل فارادی[2] روی کلوئید قرمزرنگ طلا کار می­کرد و اعلام کرد که رنگ کلوئید مزبور، به اندزه ذرات فلزی بستگی دارد. شاید بتوان بزرگترین تحول در تاریخ نانوفناوری را سخنرانی فیزیکدان بزرگ، ریچارد فاینمن[3]، درکنفرانس انجمن فیزیک آمریکا در سال ۱۹۵۹ دانست. در این کنفرانس، وی با ارائه مقاله­ای به نام “در آن پایین فضاهای خالی زیادی وجود دارد”[4]؛ درباره دستکاری مواد در ابعاد اتمی صحبت نمود. این مقاله امروزه به عنوان سرلوحه­ی انجمن نانوفناوری درآمده است. کمی بعد از آن در سال ۱۹۷۴ ناریو تانیگوچی[5]، یک محقق در دانشگاه توکیوی ژاپن، هنگام کار تحقیقاتی بر روی مواد در ابعاد نانومتری، از عبارت نانوفناوری استفاده کرد. امروزه مهندسی نانو به سرعت در حال گسترش است و امکان اداره­ی قابلیت­های مکانیکی کاتالیزوری، الکتریکی، مغناطیسی، نوری و الکترونیکی را فراهم می­ کند[2].

 

1-3- اهمیت نانو تکنولوژی

شاید این ﺳﺆال در ذهن پدید آید که چه چیزی در مقیاس نانو­متری وجود دارد که یک تکنولوژی بر پایه آن بنا نهاده­شده­است. آن­چه باعث ظهور نانو­تکنولوژی شده، نسبت سطح به حجم بالای نانو­مواد است. این موضوع یکی از مهم­ترین خصوصیات مواد تولید شده در مقیاس نانو می­باشد. در مقیاس نانو، اشیاء شروع به تغییر رفتار می­ کنند و رفتار سطوح بر رفتار توده­ای ماده غلبه می­ کند. در این مقیاس برخی روابط فیزیکی که برای مواد معمولی کاربرد دارند، نقض می­شوند؛ برای مثال، یک سیم یا اجزای یک مدار در مقیاس نانو لزوماً از قانون اهم پیروی نمی­ کنند. قانون اهم، به جریان، ولتاژ و مقاومت بستگی دارد، اما در مقیاس نانو وقتی عرض سیم فقط به اندازه یک یا چند اتم باشد، الکترون­ها لزوماً باید در صف و به ترتیب و یک به یک از سیم رد شوند، بنابراین ممکن است قانون اهم در این مقیاس تا حدودی نقض شود. در حقیقت در این مقیاس، قوانین فیزیک کوانتوم وارد صحنه می­شوند و امکان کنترل خواص ذاتی ماده بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده وجود خواهد داشت[3].

 

1-4- نانو­مواد

نانو­مواد دروازه­ی ورود به دنیای نانو، و اولین گام برای رسیدن به اهداف بعدی نانو­تكنولوژی می­باشند و بدون توسعه­ مواد جدید نانو­متری، ورود به عرصه­ نانو­تكنولوژی غیرممكن خواهد بود. طبق یک تعریف، نانو­مواد، موادی هستند كه حداقل یكی از ابعاد آن­ها كوچك­تر از ١٠٠ نانومتر باشد.. در حالت کلی بنابر دلایل زیر خواص نانو­مواد به ابعاد­شان وابسته اند:

• نسبت سطح به حجم بالا
• تغییر در ساختار كریستالی
• كاهش نقص­های شبكه[4].

 

1-5- تقسیم ­بندی نانو­مواد

نانو­مواد را می­توان برحسب ابعاد آن­ها به صورت زیر تقسیم ­بندی نمود:

الف- نانو­مواد صفر­بعدی(0D)

نانو­موادی هستند كه هر سه بعد آن­ها كمتر از ١٠٠ نانو­متر می­باشد، و شامل نانو­پودرها[7] و نانو­ذرات[8] می­شوند. اگر نانو­مواد صفر­بعدی، نیمه­هادی باشند، به آن­ها نقطه كوانتومی[9] می­گویند.

ب- نانو­مواد یك­بعدی(1D)

نانو­موادی هستند كه دو بعد آن­ها زیر ١٠٠ نانو­متر بوده و در بعد دیگر بیش از 100 نانو­متر می­باشند. برخی از نانو­مواد یك­بعدی عبارتند از: نانو­لوله­ها[10]، نانو­سیم­ها[11]، نانو­میله­ها[12]، نانو­تسمه­ها[13]، نانو­نوار­ها[14]، نانو­كابل­ها[15] و نانو­فنر­ها[16].

 

ج- نانو­مواد دو­بعدی(2D)

نانو­موادی هستند كه فقط یک بعد آن­ها زیر ١٠٠ نانومتر بوده و دو بعد دیگرشان بیش از ١٠٠ نانومتر می­باشد. مانند نانولایه ­ها[17] و نانو­حلقه­ها[18]

 

د- نانو­مواد سه­بعدی(3D)

نانو­ساختار­هایی هستند كه اجزاء آن­ها نانو­مواد صفر، یك، و یا دو­بعدی می­باشند. مثل؛   نانو­كامپوزیت­ها، مواد نانو­كریستالی و قطعاتی كه نانو­ذرات در آن­ها پراكنده شده ­اند[5].

[1] Lycurgus

[2] Michael Faraday

[3] Richard Feynman

[4] “There are plenty of rooms at bottom.”

[5] Norio Taniguchi

[6] Dimension

[7] Nanopowders

[8] Nanoparticles

[9] Quantum dot

[10] Nanotubes

[11] Nanowires

[12] Nanorods

[13] Nanobelts

[14] Nanoribbons