نانو سیلیکا چیست؟

در جهانی زندگی می کنیم که نانوذرات با ابعاد ریز و کوچک خود در آن، ایفای نقش های مهم و پر رنگی را به عهده دارند. نانو سیلیکا یکی از مهمترین نانوذرات می باشد که در واقع نام اصلی آن نانو ذرات اکسید سیلیکون است. این ماده دارای پایداری بالایی بوده، درجه سمیت آن بسیار کم است و در تحقیقات زیست پزشکی می تواند نقش بسیار مهم و کلیدی ایفا کند.

نانو سیلیکا با توجه به ساختاری که دارا می باشد می تواند در دو دسته مختلف P-Type و S-Type قرار گیرد. نانو ذراتی که دارای ساختار P هستند نرخ حفره شان برابر با  0.61 ml/g می باشد در حالی که نانوذرات سیلیکا با ساختار S دارای سطح ویژه کوچکتری هستند. به همین دلیل است که می توان نانو سیلیکا در نوع P را در بازتاب فرابنفش موثر تر و قوی تر دانست.

از جمله مواردی استفاده نانو سیلیکا می توان به اجرای بتن در ساحل دریا، اسکله های ساحلی و پل ها اشاره کرد. این پودر در ساخت بتن هایی که دارای مقاومت بسیار بالا هستند استفاده می شود. بنابراین می توان گفت یکی از کاربردهای اصلی نانو سیلیکا استفاده از این ماده در پروژه های ساختمانی در ابعاد گسترده می باشد.

در ساخت بتن سدها، تونل ها، کانال ها و مخازن آب می توان شاهد استفاده از این پودر بود. به قدری پودر نانو سیلیکا در حوزه های عمرانی کاربرد داشته که در حوزه کف سازی و نماسازی نیز ورود کرده و در این عرصه نیز پر قدرت ظاهر شده. استفاده از نانو سیلیکا در ساخت بتن هایی که قرار است در برابر خوردگی مقاومت بالای از خود نشان دهند بسیار موثر و مفید خواهد بود.

پودر نانو سیلیکا در صنایع دیگری چون پزشکی، صنایع غذایی، کشاورزی، دامپروری، تولید محصولات آرایشی بهداشتی، صنایع غذایی و لاستیک و پلیمر نیز درخشان ظاهر شده است.

کاربرد نانو سیلیکا

نانوذرات کاربرد وسیعی در صنعت لاستیک و پلاستیک برای خود دست و پا کرده اند. یکی از این نانو ذرات نانو سیلیکا است. این نانوذره شیمیایی دارای کاربردهای  وسیعی در صنعت لاستیک و پلاستیک بوده و برای مقاوم سازی و افزایش استحکام محصولات پلیمری در تولید آن ها استفاده می شود. از طرفی در صنعت ساخت تایر و لاستیک ماشین نیز می توان کاربردهای وسیعی از نانو سیلیکا را دید.

یک پر کننده قوی برای تقویت بتن، سیمان و سایر مصالح ساختمانی است. به کمک نانو سیلیکا می توان مصالح ساختمانی را با استحکام و مقاومت بیشتری به تولید رساند و در پروژه های عمرانی حساس از آن استفاده کرد. نانو سیلیکا می تواند در تثبیت خاک نیز نقش موثری داشته باشد. این را نتایج تحقیقات صورت گرفته نشان می دهد.

نانو سیلیکا در حوزه دارورسانی می تواند نقش حامل دارو را ایفا کند. در چند وقت اخر نه تنها غیر سمی بودن نانو سیلیکا برای بدن انسان به اثبات رسیده بلکه این ماده توانسته کاربردهای پزشکی و دارویی خاصی از خود نشان دهد. مهمترین کاربردهای نانو سیلیکا را می توان کاربردهای بیوتکنولوژی مانند پر کردن دندان، ساخت کامپوزیت های دندان، داروهای درمان سرطان و حامل های دارویی دانست. بنابراین نانو سیلیکا به نوبه خود خدمت بزرگی به جامعه پزشکی کرده است.

کاربرد نانو سیلیکا در تحویل دارو از بارزترین کاربردهای پزشکی نانو سیلیکا می باشد. این نانوذرات می توانند در تحویل دارو و تحویل ژن ها بسیار قوی ظاهر شوند. منافذی که در سطح نانو سیلیکا وجود دارد می تواند برای نگه داشتن مولکول های دارو و حمل آن ها عالی باشد.

از دیگر کاربردهای اساسی نانو سیلیکا در حوزه پزشکی باید به کاربرد مهم آن در تصفیه DNA اشاره کرد. از نانو سیلیکا برای تشخیص و جداسازی DNA استفاده می شود. ذرات نانو سیلیکا می توانند DNA را جذب کنند. این جاذبه تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد که از جمله آن ها می توان به نیروهای دافع الکترواستاتیک ضعیف، کم آبی و پیوند هیدروژنی اشاره کرد. سنجش DNA توسط نانو سیلیکا به واسطه عملکرد این ذرات با الیگونوکلئوتیدها به کمک هیبرید شدن با پروب های DNA و RNA می باشد. در نتیجه می توان شدت فلورسنت متغیر را حاصل نمود.

از نانو سیلیکا به طور گسترده به عنوان پر کننده و تقویت کننده نانوکامپوزیت های سیلیس پلیمر استفاده می شود. ساده ترین راه برای سنتز نمودن نانو سیلیکا روش SOL-GEL می باشد.

نانو سیلیکا در جذب و جداسازی پروتئین نقش مهمی دارد. از این ماده به دلیل دسترسی راحت و هزینه اقتصادی و مقرون به صرفه استفاده فراوانی می شود. این ذرات دارای سطح ویژه خاصی هستند و قابلیت عملکرد سطحی متنوعی و بهینه ای دارند. به عنوان مثال نانو سیلیکا قادر است از طریق اتصال کووالانسی با پروتئین آلبومین سرم انسانی یا همان HSA اتصال برقرار نماید. در نتیجه این رخداد، ذرات نانو سیلیکا می توانند لخته سازی خون را تشخیص دهند. بنابراین می توان از نانو سیلیکا به عنوان ابزاری برای سنجش های تشخیصی و حسگرهای زیستی استفاده کرد. این ذرات می توانند منجر به بی حرکتی پروتئین شوند و در حوزه علوم بیولوژیکی نقش مفیدی ایفا کنند.

خواص نانو سیلیکا

نانو سیلیکا همانند تمامی نانوذرات دیگر دارای خواص شیمیایی و فیزیکی خاص خود می باشد. همین خواص فیزیکی و شیمیایی موجب شده تا این ماده دارای کاربردهای متنوعی در جهان پزشکی، صنعتی، دارویی، ساختمانی و صنعت نور و تصفیه باشد. خواص شیمیایی نانو سیلیکا با خواص ذرات معمولی این ماده متفاوت است. چگالی نانو سیلیکا برابر با 2.4 گرم بر سانتیمتر مکعب بوده و جرم مولی آن مساوی با 59.6 گرم بر مول است. این در حالی است که سیلیکای معمولی چنین ارقامی را به خود اختصاص نمی دهد. چگالی ذرات سیلیکای معمولی برابر با 2.56 گرم بر سانتیمتر مکعب و جرم مولی این ماده مساوی با 60.8 گرم بر مول می باشد. طبیعی است که این خواص شیمیایی در نانو سیلیکا و ذرات معمولی سیلیکا متفاوت باشد.

از مهمترین خواص نانو سیلیکا باید به خواص فیزیولوژیکی آن اشاره کرد. این ماده در سایز ذرات کوچکتر است و میزان اتم های ساکن در سطح آن بیشتر هستند. سایز ذرات در نانو سیلیکا از 5 نانومتر کمتر است و نیمی از اتم های سطح را اتم های Si یا همان اتم های سیلیسیم تشکیل می دهند. به همین دلیل این نانوذرات از لحاظ شیمیایی بسیار واکنش پذیر هستند و می توان از آنها به عنوان کاتالیزور در آزمایش های شیمیایی و صنعتی استفاده کرد.

نانو سیلیکا جاذب قوی آب می باشد و به منظور تولید سوسپانسیون کلوئیدی آن را در حلال هایی مانند آب، اتانول، ایزوپروپانول و الکل حل می کنند. ممکن است نانو سیلیکا را با نام هایی مانند نانو نقره، پودر نانو سیلیکا آب دوست و پودر نقره هم در بازار به فروش برسانند.

نانو سیلیکا دارای خواص نوری است. این ماده به دلیل نقص شبکه SiO4 از جمله خلا اکسیژن و سیلیکون تحت مطالعه و تحقیقات قرار گرفته است. نانو سیلیکا دارای نقص های نقطه ای مختلفی می باشد که می توان آن ها را در دو دسته بندی کلی Paramagnetic وDiamagnetic  قرار داد. نقص اول که به نقص پارامغناطیسی معروف است دارای جذب نوری می باشد که بیانگر سطح انرژی نیمه اشغال شده در شکاف باند نوری می باشد. بنابراین هدایت الکترون به باند ظرفیت میسر شده است. از طرف دیگر نقص دیا مغناطیسی را داریم که دارای نوار جذب به همراه انتقال الکترون به باند انتقال می باشد. وجود این نقص های نوری در نانو سیلیکا منجر به این شده تا تنوع بالایی از باندهای جذب پدید آید. خواص نوری نانو سیلیکا کاربردهای مختلفی را از این ماده در صنعت اپتیک به وجود آورده است.

نانو سیلیکا دارای خواص حرارتی و مکانیکی خاص خود می باشد. این نانوذرات می توانند باعث کاهش شکنندگی شوند و شکل پذیری را بالا ببرند. به همین دلیل در صنعت سرامیک، پلیمر و تقویت بتن در حوزه ساختمان سازی از این ماده استفاده می شود. موادی که از نانو سیلیکا ساخته می شوند نسبت به سرامیک های معمولی دارای مقاومت به شدت بالاتری هستند و دوام آن ها در برابر شکنندگی بسیار بیشتر است. این از خواص نانو سیلیکا در حوزه خصوصیات مکانیکی می باشد.

از خصوصیات حرارتی این نانوذرات نیز اگر بخواهیم بگوییم باید به کاهش دمای چشمگیر در زمان پخت این ذرات اشاره کرد. دمای لازم برای رسیدن به شفافیت در پالایش ذرات نانو سیلیکا چیزی در حدود 400 درجه سانتیگراد کمتر از دمای لازم برای پالایش ذرات سیلیکا در ابعاد میکرو می باشد. در نتیجه پودرهای نانو می توانند به راحتی فشرده شوند و در مصرف انرژی صرفه بیشتری ایجاد نمایند.

 نانو سیلیکا دارای دیسپرس عالی در آب بوده، غیر محرک برای انسان است، با محیط زیست سازگاری بالایی دارد، درجه سمیت آن کم است، حساسیت زایی کمی دارد، ابعاد آن بین 10 تا 100 نانومتر است، رنگ آن سفید مایل به خاکستری است و نقطه ذوب برابر با 1600 درجه سانتیگراد دارد. مورفولوژی این ذرات معمولا کروی و مکعبی می باشد و می تواند با سایر مولکول ها عامل دار شود. این ها بخش مهمی از خواص نانو سیلیکا هستند.

فرمول شیمیایی نانو سیلیکا

نانو ذرات سیلیکا و سیلیکا دارای فرمول شیمیایی یکسان هستند. بنابراین فرمول شیمیایی نانو سیلیکا نیز همان SiO4 است. تنها تفاوتی که در نانو سیلیکا وجود دارد سایز ذرات این ماده است که در ابعاد نانو هستند. با این حال اگر جایی نماد SiO4 NPS را مشاهده کردید بدانید که منظور همان نانو سیلیکا است چرا که NPS مخفف Nano Particles می باشد.

<sp