کاربردهای الکتروشیمی در علوم و فناوری نانو

[P O U R I A]

الکتروشیمی و واکنش‌های اکسایش-کاهش
تمایل مواد مختلف به اکسایش و کاهش
پتانسیل های کاهشی استاندارد و کاربردهای واکنش‌های اکسایش-کاهش
ساخت پوشش‌های نانومتخلخل آلومینا

---

[SUP]​[/SUP]

• 1 - نوید حق مرادی (نویسنده اول) - کارشناسی ارشد - مهندسی مواد - دانشگاه تهران پردیس دانشکده های فنی دانشکده مهندسی متالورژی و مواد

​

 

[P O U R I A]

الکتروشیمی و واکنش‌های اکسایش-کاهش

الکتروشیمی و واکنش‌های اکسایش-کاهش

مقدمه
قوانین حاکم بر دانش الکتروشیمی و کاربرد آن ها در علوم مختلف، در طی سالیان متمادی مورد مطالعه و تحقیق قرار گرفته است. علوم و فناوری نانو نیز از این قاعده مستثنی نیست. از فرآیندهای الکتروشیمیایی استفاده های گوناگونی در حوزه فناوری نانو می شود. ساخت و سنتز انواع مختلفی از نانومواد، ساخت ادوات مطالعه مواد نانومتری و مطالعه واکنش های الکتروشیمیایی در این مقیاس از آن جمله‌اند. یکی از موضوعات مهمی که در فناوری نانو به آن توجه خاصی می شود، روش-های تولید نانومواد و مواد نانوساختار است. محققین همواره در پی دستیابی به روش‌های تولید با کارایی بالاتر هستند که به تجهیزاتی با پیچیدگی کمتر نیاز داشته باشند و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه باشند. همچنین این روش‌ها باید توانایی ایجاد خواص مورد نظر را در ماده داشته باشند. در این خصوص روش‌های الکتروشیمی توانمندی‌های بسیار بالایی را از خود نشان داده‌اند. همچنین شناخت خواص مواد نانومتری از اهمیت بالایی در فناوری نانو برخوردار است. ساخت برخی ابزار مورد نیاز برای شناسایی خواص نانومواد به طور غیر مستقیم و بررسی خواص الکتروشیمیایی نانومواد به طور مستقیم به دانش و فناوری الکتروشیمی مرتبط است. در این مجموعه از مقالات ابتدا مفاهیم و اصول کلی دانش الکتروشیمی ارائه خواهد شد و در ادامه نمونه‌هایی از کاربردهای آن در فناوری نانو بیان می‌گردد. مثال‌هایی مانند ساخت انوع نانوسیم ها و نانومیله‌ها با استفاده از روش¬های الکتروشیمیایی، ساخت انواع سنسورها، ساخت پروب میکروسکوپ های SPM و ... از آن جمله‌اند.

 

[P O U R I A]

الکتروشیمی
همانطور که از نام آن پیداست، الکتروشیمی علمی است که از یک طرف به الکتریسیته و از طرف دیگر به شیمی مرتبط است. آنچه که دو علم شیمی و الکتریسیته را به هم مرتبط می سازد، موجودی به نام الکترون است. شما در کتاب‌های دبیرستان با این موجود سر و کار داشته‌اید و می‌دانید آنچه که باعث پیوند بین اتم‌های مختلف شده و باعث تشکیل مولکول ها و ترکیب های مختلف می شود، همین الکترون است. از طرفی مسئولیت انتقال بار الکتریکی در مدارهای الکتریکی و مواد رسانا نیز بر عهده الکترون است. پس به بیان ساده، الکتروشیمی علمی است که در آن همزمان با استفاده از انرژی الکتریکی می‌توان باعث انجام واکنش شیمیایی شد، و یا با انجام یک واکنش شیمیایی، جریان الکتریکی تولید کرد. مثال-هایی از این دست در زندگی روزمره ما وجود دارد که هر روز با آن‌ها مواجه هستیم. روشن شدن چراغ قوه یا استارت زدن برای روشن کردن خودرو نمونه هایی هستند که در آن ها واکنش های شیمیایی صورت گرفته در باتری منجر به تولید الکتریسیته می شود. این واکنش های شیمیایی که در آن‌ها نقل و انتقال الکترون صورت می¬گیرد به واکنش های اکسایش کاهش و یا اکسیداسیون-احیا معروف هستند. مطالعه شیمی باتری ها (شکل های 1 و 2)، الکترولیز یا تجزیه الکتروشیمیایی (برقکافت) (شکل 3) ، پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری) (شکل‌های 4 تا 7) و خوردگی که از چالش برانگیزترین مسائل صنایع مختلف است (شکل های 8 تا 12)، همگی در سایه شناخت واکنش های الکتروشیمیایی و عوامل موثر بر آن ها امکان-پذیر است.

واکنش­های اکسایش کاهش و یا اکسیداسیون احیا، واکنش­هایی شیمیایی هستند که در آن‌ها نقل و انتقال الکترون صورت می­ گیرد.

برقکافت به فرآیندی گفته می­شود که در آن با استفاده از جریان الکتریکی، یک ماده (محلول یا مذاب) به ترکیبات سازنده آن تجزیه می شود.

خوردگی فرآیندی است که در آن مواد مختلف اعم از فلزات و غیرفلزات در حضور عوامل مختلف تخریب می شوند . زنگ زدن آهن یک فرآیند خوردگی است.

شکل1: شناخت انواع مختلف باتری های قابل شارژ و غیر قابل شارژ، و روش های افزایش طول عمر و توان آن ها با شناخت پدیده های الکتروشیمیایی و عوامل موثر بر آن ها امکان پذیر است.

شکل2: باتری اتومبیل.

شکل3: الکترولیز (برقکافت) آب و تولید گازهای اکسیژن و هیدروژن.

شکل4: نمای ساده ای از پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری) قطعات مختلف با استفاده از فلز طلا.

شکل5: ایجاد پوشش نقره روی یک قاشق با استفاده از روش پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری).

شکل6: پوشش دهی بدنه خودرو با یکی از روش های مختلف پوشش دهی الکتروشیمیایی (آبکاری).

شکل7: پوشش دادن قطعات مختلف صنعتی با استفاده از روش آبکاری.

شکل8: خوردگی لنگر یک کشتی در محیط آب دریا، یکی از خورنده ترین محیط های طبیعی.

شکل9: تخریب قطعات مختلف صنعتی به دلیل زنگ زدن و خوردگی.​

​

 

[P O U R I A]

شکل10: خوردگی لوله های انتقال نفت و گاز سالیانه هزینه هنگفتی را بر صنایع مرتبط تحمیل می کند.

شکل11: خوردگی مخازن نگه داری مواد مختلف از لحاظ ایمنی و نشت این مواد به طبیعت حائز اهمیت بسیاری است

شکل12: خوردگی قطعات و لوله های مختلفی که در معرض محیط های خورنده قرار دارند.​

واکنش های اکسایش و کاهش
برای معرفی بهتر واکنش های شیمیایی اکسایش-کاهش می توان به مثال سوختن منیزیم که در اصل ترکیب منیزیم با اکسیژن و تولید اکسید منیزیم است اشاره کرد. این واکنش به دلیل شعله و نور شدیدی که تولید می کند معروف است (شکل13).

شکل13: سوختن منیزیم (Mg) در اکسیژن (O2) موجود در هوا و تولید اکسید منیزیم (MgO).​

در برخی واکنش های شیمیایی الکترون یا الکترون هایی از یک اتم به اتم دیگر منتقل می شوند و این انتقال خود باعث پیوند بین دو نوع اتم گوناگون خواهد شد. به طور کلی برخی مواد به صورت اتمی وقتی در کنار برخی دیگر از مواد قرار می گیرند، تمایل دارند که الکترون های اتم دیگر را به سمت خود بکشند و آن ها را تصاحب نمایند. در اینجا نیز اتم اکسیژن یکی از الکترون های منیزیم را به سمت خود می کشد و اتم منیزیم یک الکترون از دست می دهد. هر چند در واکنش نشان داده شده در زیر این نقل و انتقال الکترون دیده نمی شود و تنها واکنش دهنده ها و محصول واکنش که اکسید منیزیم است، دیده می شود.​

در این واکنش ها که با انتقال الکترون همراه است، اکسایش یعنی از دادن الکترون و کاهش نیز یعنی به دست آوردن الکترون. دو نیم واکنش زیر که از واکنش اصلی فوق مشتق شده اند نحوه از دست دادن الکترون در منیزیم و به دست آوردن الکترون اکسیژن را نشان می دهد.

همانطور که می بینیم در طی این واکنش منیزیم دارای بار مثبت می شود (که در بالای نام اختصاری آن با علامت + نشان داده شده است) و اکسیژن داری بار منفی. نیم واکنش نخست، نیم واکنش اکسایش نامیده می شود که در آن منیزیم اکسایش یافته و نیم واکنش دوم، نیم واکنش کاهش است که در آن اکسیژن کاهش یافته است. تفکیک واکنش اصلی به دو نیم واکنش به منظور درک آسان تر این واکنش هاست. در واقع، الکترون به طور همزمان از منیزیم به اکسیژن انتقال می یابد.

در این مقاله به طور مختصر با صنایع مختلفی که با پدیده های الکتروشیمیایی سروکار دارند آشنا شدیم. اولین نکته ای که در مطالعه پدیده های الکتروشیمیایی باید به آن پرداخت، بررسی قوانین حاکم بر واکنش های اکسایش-کاهش است. در این واکنش ها اتم های مختلف تمایل به از دست دادن الکترون و برخی دیگر از اتم ها تمایل به گرفتن الکترون های اتم های دیگر دارند. در مقاله آینده به بررسی دقیق تر نقل و انتقال الکترون در واکنش های اکسایش کاهش و معرفی معیاری برای اندازه-گیری تمایل یک اتم به ازدست دادن یا گرفتن الکترون در حضور نوع دیگری اتم می پردازیم.
​

​

​

​

 

[P O U R I A]

تمایل مواد مختلف به اکسایش و کاهش

تمایل مواد مختلف به اکسایش و کاهش

مقدمه
در مقاله قبلی آموختیم که اتم‌های مختلف نسبت به دریافت (کاهش) و یا از دست دادن الکترون (اکسایش) از خود تمایل نشان می‌دهند. واضح است که عناصر مختلف میزان تمایل یکسانی نسبت به این موضوع ندارند. بنابراین برای تحلیل بیشتر و درک واکنش های اکسایش-کاهش، باید تمایل نسبی مواد مختلف به این نوع واکنش ها را مورد بررسی قرار دهیم. آیا می‌دانید چگونه می‌توانیم بین این تمایل مواد مختلف، تمایز قائل شویم و تفاوت‌های آن‌ها را درک کنیم؟

دانشمندان و مهندسان برای این کار یک معیار و مبنا را در نظر می‌گیرند. ایشان تمایل مواد مختلف را نسبت به هیدروژن سنجیده و از این معیار برای مقایسه بین عناصر مختلف استفاده می‌کنند. به منظور بررسی دقیق¬تر این موضوع به مثال زیر توجه کنید.

 

[P O U R I A]

مقایسه رفتار فلزات «مس» و «روی»
فرض کنید محلولی حاوی یون‌های 2بار مثبت مس ([SUP]+[/SUP]Cu[SUP]2[/SUP]) وجود دارد. اگر یک قطعه فلز «روی» (Zn) را داخل این محلول فرو کنیم، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

با وارد نمودن قطعه‌ای از جنس Zn در این محلول، یون های[SUP]+ [/SUP]Cu[SUP]2[/SUP] در کنار اتم های Zn روی سطح فلز قرار می گیرند. با توجه به طبیعت این دو ماده در کنار هم، یون های[SUP]+[/SUP]Cu[SUP]2[/SUP] تمایل دارند از اتم های فلز Zn الکترون بگیرند و طی فرآیند کاهش، تبدیل به اتم های Cu شوند. در این صورت این اتم های جدید از حالت محلول در آمده و روی تیغه و یا نزدیکی آن رسوب می کنند (یعنی از حالت محلول به جامد تبدیل می‌شوند). اتم های Zn واقع بر سطح قطعه نیز تمایل دارند الکترون های خود را از دست داده و آن ها را به یون¬های ([SUP]+[/SUP]Cu[SUP]2[/SUP]) منتقل نمایند. در این صورت اتم های Zn که موفق به این تبادل الکترونی می‌شوند، به یون های[SUP]+[/SUP]Zn[SUP]2[/SUP] تبدیل شده و وارد محلول شوند (شکل1).

در اینجا فلز «روی» دچار اکسایش شده و نقش کاهنده دارد و یون¬های مس دچار کاهش شده و نقش اکسنده را دارند. تمایل به اکسایش یا کاهش مواد در کنار هم بستگی به نوع دو ماده دارد. مثلا در اینجا مس نسبت به روی، نقش اکسنده دارد و بر عکس. یعنی اکسایش مس در کنار روی اتفاق نمی¬افتد. از طرفی فلز مس خود ممکن است در کنار فلزی دیگر نقش کاهنده را داشته باشد. اما مشخص می شود که اگر دو قطعه از جنس Cu و Zn در تماس با یکدیگر و در یک محیط خورنده قرار بگیرند، آنگاه اولویت اکسید شدن با قطعه از جنس Zn است.

پرسش: با توجه به تمایل بیشتر Zn به اکسایش در برابر Cu، آیا می‌توانید کاربردهایی را برای این فلز متصور شوید؟ اگر فلزاتی دیگر چنین رفتاری را نسبت به آهن داشته باشند، چطور؟ به خصوص با توجه به اینکه آهن در صنایع مختلف و در ساخت سازه‌های مهندسی بسیار پر کاربرد است.

شکل1: قرارگیری قطعه از جنس «روی» در محلول حاوی یون های مس منجر به احیا شدن (کاهش) یون های مس بر روی قطعه از جنس «روی» می‌شود.

با توجه به این مطالب می توان نتیجه گرفت که قدرت کاهندگی فلزات مختلف با میزان تمایل آنها برای از دست دادن الکترون برابر است. برای درک این پدیده و نشان دادن آن به صورت کمی، می توان از آزمایش زیر بهره برد.

سلول الکتروشیمیایی
فرض کنید قطعه ای از فلز «روی» را در محلولی که حاوی یون های این فلز است قرار دهیم (این محلول را می توان از حل کردن روی سولفات (ZnSO4) در آب به دست آورد). این مجموعه یک نیم سلول نام دارد. در این نیم سلول، برای برقرار شدن تعادل بین اتم هایی که روی سطح قطعه ی Zn قرار دارند (که به این قطعه الکترود می گویند) با یون های [SUP]+[/SUP]Zn[SUP]2[/SUP] که در محلول هستند (که به این محلول الکترولیت می گویند)، تعدادی از اتم های روی سطح الکترود، الکترون های خود را از دست می دهند و خود به صورت یون[SUP]+[/SUP]Zn[SUP]2[/SUP] وارد محلول می شوند.

در اینجا «روی» در دو محیط متفاوت وجود دارد، یکی در حالت جامد فلزی به صورت اتم Zn، و دیگری به صورت یون Zn[SUP]2+[/SUP] در یک محلول. به دلیل تفاوت در ماهیت فیزیکی و شیمیایی این دو محیط، اتم Zn و یا یون Zn[SUP]2+[/SUP] تمایل به ترک محیط خود و رفتن به محیط دیگری را دارند. فرآیند رد و بدل کردن «روی» بین دو محیط، بعد از مدتی که گفته شد، به تعادل می­رسد. بنابراین تعدادی الکترون روی سطح الکترود باقی خواهند ماند. در نتیجه الکترودی وجود خواهد داشت که دارای بار الکتریکی منفی است و الکترولیتی که برآیند بارهای آن مثبت شده و دارای بار الکتریکی مثبت است.

نکته: بر اساس آنچه از ساختار فلزات آموخته‌اید، یک قطعه فلز «روی» در حالت طبیعی از یون‌های مثبت فلزی در دریایی از الکترون­ها تشکیل شده است. مسئول انتقال الکتریسیته نیز در فلزات این الکترون­ها هستند. تعداد الکترون­ها و تعداد پروتون‌های این قطعه فلز در حالت طبیعی و خارج از محلول با هم برابرند و بار کل فلز خنثی است.

نکته: محلول سولفات روی (ZnSO4)، از حل کردن این ماده در آب به دست می­آید. پس از حل شدن، در کنار مولکول­های آب (H2O)، به تعداد مساوی از یون های Zn[SUP]2+[/SUP] و SO4[SUP]2-[/SUP] وجود خواهند داشت. پس مجموع بارهای مثبت و منفی در محلول همدیگر را خنثی می کنند. با ورود یون­های جدید Zn[SUP]2+[/SUP] به محلول (از قطعه فلز) تعداد بارهای مثبت بیشتر می­شود. در این صورت الکترولیت دارای بار الکتریکی مثبت خواهد بود.

الکترولیت، محیطی رسانای الکتریسیته است که مسئولیت انتقال الکتریسیته در آن بر عهده یون­های آن می باشد.

پس یک اختلاف پتانسیل بین الکترود و الکترولیت به وجود خواهد آمد که به آن پتانسیل الکترودی می گویند. تعادل به وجود آمده بین الکترود و الکترولیت به صورت زیر نشان داده می شود.

در اینجا علامت [ (کروشه) نشان دهنده ی سطح الکترود و در واقع همان مرز جداکننده دو محیط است. مشابه چنین شرایطی در مورد الکترودی از جنس مس که داخل الکترولیتی (حاوی یون های مس) باشد، وجود دارد. تعادل ذکر شده در بالا، برای این مورد به صورت زیر نشان داده می شود:

در این سیستم نیز یک اختلاف پتانسیل بین الکترود و الکترولیت به وجود می آید. به این اختلاف پتانسیل، پتانسیل الکترودی آن الکترود می گویند. پتانسیل های الکترودی برای فلزات مختلف مقادیر متفاوتی هستند که این مقدار به نوع فلز بستگی دارد.

در نتیجه دو الکترود داریم، در دو محیط مختلف که هر یک پتانسیل مخصوص به خود را دارند. اگر این دو نیم سلول را مانند شکل 2 با استفاده از یک سیم رسانا به هم متصل کنیم، مجموعه ای جدید خواهیم داشت که با عنوان سلول الکتروشیمیایی شناخته می شود. در این حالت نیز واکنش زیر به وقوع خواهد پیوست (که در قسمت قبل در صورت وارد کردن فلز روی در محلول حاوی یون های مس اتفاق افتاد):

شکل2: سلول الکتروشیمیایی روی- مس؛ در اینجا برای الکترولیت مس از محلول مس (II) سولفات و برای الکترولیت روی از محلول روی سولفات استفاده شده است. این محلول ها به ترتیب یون های [SUP]+[/SUP]Cu[SUP]2[/SUP] و [SUP]+[/SUP]Zn[SUP]2[/SUP] را در مجاورت الکترودهای مس و روی تامین می کنند.

در اینجا جریان الکترون ها از سمت فلز روی به سمت مس از طریق سیم رسانای بیرونی اتفاق می افتد و نشان دهنده ی تمایل فلز روی به از دست دادن الکترون است. نکته در اینجاست که دو الکترود نسبت به هم دارای اختلاف پتانسیلی خواهند شد که در شکل 2 نشان داده شده است. این اختلاف پتانسیل به عنوان عاملی برای انتقال الکترون ها در مدار عمل می کند. همانطور که در این مثال دیده می شود اختلاف پتانسیل بین الکترود روی و مس در محلول های مشخص شده، برابر 1.10 ولت است. این عدد تنها اختلاف پتانسیل دو الکترود را نشان می دهد و اطلاعاتی در مورد پتانسیل هر الکترود در اختیار قرار نمی دهد. به طور مثال پتانسیل الکترود روی می تواند هر عددی باشد و به نسبت آن پتانسیل الکترود مس 1.10 ولت با آن اختلاف داشته باشد. بر اساس آنچه در فیزیک دبیرستان آموخته اید، در یک مدار الکتریکی، الکترون ها از پتانسیل های کمتر به پتانسیل های بیشتر می روند. در نتیجه در اینجا پتانسیل الکترود روی کمتر از الکترود مس است.

همانطور که در فیزیک دبیرستان دیدیم، برای ارتفاع یک جسم نمی توان عدد مشخصی قائل شد، مگر اینکه یک مبنای مشخص را برای آن در نظر گرفته باشید. مثلا سطح زمین، محلی است که معمولا به عنوان ارتفاع صفر و در نتیجه به عنوان سطح پتانسیل گرانشی صفر در نظر گرفته میشود. اما در عین حال بسته به مسئله ای که در دست بررسی داریم، می توانیم سقف اتاق را به عنوان ارتفاع صفر در نظر بگیریم و بنابراین ارتفاع ما (که در اتاق و زیر سقف قرار گرفته‌ایم) عددی منفی خواهد شد. همانطور که مشخص است، در مورد پتانسیل، مقدار دقیق اهمیت زیادی ندارد؛ بلکه موضوع اساسی و با اهمیت، همان «اختلاف پتانسیل» است. برای مثال در جاری شدن جریان الکتریسیته، اختلاف ولتاژ (اختلاف پتانسیل الکتریکی)، در منتقل شدن گرما از یک جسم به جسم دیگر، اختلاف دما و در غلتیدن یک توپ روی سطح شیب یک تپه (تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی)، اختلاف ارتفاع مهم است.

​

​

نکته ای که باید در مورد شکل 2 به آن اشاره کرد استفاده از پل نمکی است. پل نمکی وسیله ای است که باعث جریان یافتن الکتریسیته می شود. در حقیقت پل نمکی با یون های مختلفی که در خود دارد باعث به جریان انداختن یون ها بین دو محلول می شود تا مدار الکتریکی کامل شده و جریان الکتریکی برقرار گردد.

در این مقاله، به تمایل مواد مختلف به اکسایش و یا کاهش پرداختیم. دیدیم که با اتصال الکتریکی دو الکترود غیر هم جنس که در الکترولیت قرار دارند، جریان الکتریکی برقرار می شود. دلیل آن، اختلاف پتانسیل به وجود آمده از پتانسیل های الکترودی متفاوت دو الکترود است. در مقاله بعد که ادامه همین مبحث است، روش بیان عددی یک پتانسیل الکترودی با استفاده از پتانسیل استاندارد الکترود هیدروژن معرفی خواهد شد
​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

پتانسیل های کاهشی استاندارد و کاربردهای واکنش‌های اکسایش-کاهش

پتانسیل های کاهشی استاندارد و کاربردهای واکنش‌های اکسایش-کاهش

مقدمه
در مقاله قبل تمایل مختلف فلزات به اکسایش یا کاهش مورد بحث قرار گرفت. آموختیم که فلزات مختلف نسبت به هم رفتار متفاوتی در گرفتن یا از دست دادن الکترون دارند که این رفتار به نوع دو فلز بستگی دارد. در این مقاله ابتدا به یافتن مبنا و معیاری برای دسته‌بندی الکترودهای فلزی مختلف بر حسب تمایلشان به اکسایش یا کاهش می پردازیم. در نتیجه این روش می‌توانیم به هر الکترود یک عدد مشخص (پتانسیل استاندارد) نسبت دهیم که با الکترود دیگر متفاوت بوده و مقایسه تمایل آن دو به از دست دادن الکترون یا به دست آوردن آن را آسان می کند. در قسمت دوم مقاله نیز به برخی از کاربردهای متنوع از پدیده های مختلف الکتروشیمیایی در صنایع مختلف می پردازیم.

 

[P O U R I A]

پتانسیل های کاهشی استاندارد
برای استانداردسازی تمایل نسبی کاهندگی و اکسندگی فلزات مختلف نسبت به هم و نسبت دادن یک عدد مشخص به پتانسیل هر الکترود، از روش زیر استفاده می‌شود. در این روش پتانسیل نیم سلولی که الکترود آن از جنس هیدروژن باشد، برابر با صفر در نظر گرفته می‌شود (در مقاله قبل نیم سلول مس و روی معرفی شد). بدین ترتیب هر نیم سلول دیگر با الکترود مخصوص به خود که در یک مدار الکتریکی با نیم سلول هیدروژن قرار بگیرد، سلولی الکتروشیمیایی تشکیل می‌دهد. با توجه به اینکه پتانسیل الکترود هیدروژن صفر در نظر گرفته می‌شود، عدد اختلاف پتانسیل اندازه‌گیری شده در این سلول، پتانسیل الکترود مورد نظر است. الکترود استاندارد هیدروژن را با SHE )Saturated Hydrogen Electrode)نشان می‌دهیم. شاید این سوال مطرح باشد که هیدروژن در دمای اتاق حالت گازی دارد و ساخت الکترودی از آن عملا غیر ممکن است. بدین جهت از یک فلز که تقریبا در محیط‌های مختلف خنثی بوده و واکنش‌پذیری کمی از خود نشان می‌دهد، استفاده می‌شود. پلاتین برای این منظور یک گزینه بسیار مناسب است. روش کار بدین ترتیب است که گاز هیدروژن در محلول اسیدی حاوی یون‌های[SUP]+[/SUP] H روی سطح پلاتین دمیده می‌شود. در حقیقت سطح پلاتین محلی برای کاهش یا اکسایش هیدروژن خواهد بود.

شکل1: استفاده از الکترود استاندارد هیدروژن (با استفاده از سیم پلاتینی که داخل یک لوله فلزی قرار داده شده) برای تعیین تمایل اکسایش یا کاهش فلز روی نسبت به فلزات دیگر.

​

در الکترود استاندارد هیدروژن می‌توان نوشت:

همانطور که مشاهده می‌شود پتانسیل این الکترود (E) را به صورت قراردادی برابر 0.00 ولت در نظر می‌گیریم.
به پتانسیل نسبی هر فلز نسبت به پتانسیل استاندارد هیدروژن، پتانسیل کاهشی استاندارد آن فلز می‌گوییم. در صورت مرتب کردن فلزها به ترتیب افزایش این پتانسیل کاهشی استاندارد، یک سری الکتروشیمیایی به دست می‌آید. این سری الکتروشیمیایی اطلاعات سودمندی از واکنش‌پذیری فلزها و مقایسه آن‌ها با یکدیگر فراهم می‌آورد. اگر E سلول محاسبه شود (E سلول برابر است با تفاضل پتانسیل الکترود اول و دوم) و این مقدار مثبت باشد، واکنش از سمت الکترودی که پتانسیل کمتری دارد به سمت الکترودی که پتانسیل بیشتری دارد، انجام پذیر خواهد بود. یعنی اگر پتانسیل الکترودی بیشتر باشد، الکترون به سمت آن می رود و برای واکنش اکسید شدن مصرف می شود. جدول 1 پتانسیل‌های کاهشی استاندارد را نشان می‌دهد (کتاب شیمی دوره پیش دانشگاهی).
​

جدول1: برخی از پتانسیل‌های کاهشی استاندارد

تا اینجا به واکنش‌های اکسایش-کاهش که پایه اصلی فرآیندهای الکتروشیمیایی را تشکیل می‌دهند، پرداخته شد. در ادامه این مقاله به برخی از موضوعات که در صنایع مختلف وجود دارند و برای مطالعه آن‌ها نیاز به دانش الکتروشیمی است، می‌پردازیم.
​

کاربردهای الکتروشیمی در صنایع
1 و 2- سلول‌های الکتروشیمیایی
به طور کلی دو نوع سلول الکتروشیمیایی وجود دارد:
دسته اول: سلول‌هایی هستند که واکنش‌های الکتروشیمیایی به طور خود به خود بر روی الکترودهای آن‌ها صورت می‌گیرد و انجام این واکنش‌ها باعث تولید انرژی الکتریکی می‌شود. این دسته از سلول‌های الکتروشیمیایی به سلول‌های گالوانی مشهورند.
دسته دوم: سلول‌هایی هستند که با اعمال انرژی الکتریکی بیرونی باعث انجام یک واکنش الکتروشیمیایی دلخواه بر روی الکترودهای آن‌ها خواهیم شد. این دسته از سلول‌های الکتروشیمیایی به سلول‌های الکترولیتی مشهورند.
سلول‌های گالوانی به عنوان منابعی برای تولید انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع مختلف باتری‌ها از این نوع سلول‌های الکتروشیمیایی هستند. به طورکلی دو نوع سلول گالوانی وجود دارد. دسته اول باتری‌های معمولی هستند که با تمام شدن واکنش‌دهنده‌های موجود درونشان غیر فعال می‌شوند و امکان شارژ و دوباره پرکردن آن‌ها وجود ندارد. دسته دوم شامل باتری خودرو و یا باتری‌های قابل شارژ هستند که می‌توان آن‌ها را چندین بار شارژ کرده و دوباره مورد استفاده قرار داد.
علاوه بر سلول‌های گالوانی که در آن‌ها وقوع یک واکنش الکتروشیمیایی باعث تولید جریان الکتریکی می‌شود، در سلول‌های الکترولیتی می‌توان با عبور دادن جریان الکتریکی درون محلول یک واکنش شیمیایی روی الکترودها انجام داد. در این روش با ایجاد یک میدان الکتریکی بین دو الکترود (آند و کاتد) اجزای باردار محلول که همان یون‌های مختلف هستند به سمت قطب‌های با بار مخالف خود حرکت می‌کنند که در نهایت اجزای مختلف از هم جدا می‌شوند. برقکافت (تجزیه الکتروشیمیایی) نمونه‌ای از کاربردهای سلول‌های الکترولیتی است. علاوه بر این، سلول‌های الکترولیتی در تجزیه محلول‌ها و مواد مذاب، خالص‌سازی مواد مختلف مانند مس و هم چنین در آبکاری فلزات (که نوعی روش برای ایجاد پوشش‌های فلزی است) کاربرد دارند. الکترودی که به قطب مثبت وصل شده است و آند نامیده می‌شود، محل انجام واکنش‌های اکسایش است. یعنی گونه‌های با بار منفی روی آن الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و یا اتم‌های خود الکترود، الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و به صورت یون با بار مثبت وارد محلول می‌شوند. الکترود دوم که به قطب منفی منبع تغذیه متصل است و کاتد نام دارد، محل انجام واکنش‌های کاهش است. یعنی گونه‌های با بار مثبت در محلول با جذب به روی این الکترود، الکترون‌هایی که از منبع تغذیه آمده‌اند را جذب کرده و احیا می‌شوند یا به اصطلاح کاهش پیدا می‌کنند. یون‌های با بار منفی که به سمت آند می‌روند، آنیون و یون‌های با بار مثبت که به سمت کاتد می‌روند، کاتیون نامیده می‌شوند.
​

​

​

​

 

[P O U R I A]

3- خوردگی آهن و روش‌های جلوگیری از آن
یکی از مشکلات بسیار پرهزینه‌ای که در صنایع پیشرفته و غیر پیشرفته در جهان وجود دارد، مسئله خوردگی فلزات است. خوردگی فلزات، به خصوص آهن در صنایع هزینه هنگفتی بر دوش کشورها می‌گذارد؛ به طوری‌که در کشورهای صنعتی 20درصد از آهن و فولاد تولیدی برای جایگزین کردن قطعات خورده شده مصرف می‌شود. به دلیل واکنش‌پذیری شدید اکسیژن، این ماده می‌تواند هر فلزی به جز فلزات نجیب را اکسید کند. فلزات نجیب، فلزاتی هستند که واکنش‌پذیری کمی از خود نشان می‌دهند، مانند طلا، پلاتین و پالادیم. به علاوه تمایل طبیعی برخی فلزات مانند آهن به زنگ زدن و ترکیب آن‌ها با اکسیژن، سبب ترد شدن، خرد شدن و فرو ریختن این فلزها می‌شود. به طور کلی به ترد شدن، خرد شدن و فرو ریختن فلزات بر اثر اکسایش، خوردگی گفته می‌شود. علاوه بر اکسیژن خالص، محیط‌های دیگری نیز مانند آب یا یک محلول اسیدی می‌توانند فلزات را دچار خوردگی کنند.
در حال حاضر روش‌های مختلفی برای محافظت قطعات آهنی و فولادی در مقابل خوردگی استفاده می‌شود. رنگ کردن قطعات ساده مانند در و پنجره تا قطعات پیچیده صنعتی، قیر اندود کردن سطح لوله‌های نفتی و یا استفاده از دیگر پوشش‌های پلیمری و استفاده از پوشش‌های مختلف بر روی فلزات از این روش‌ها هستند (شکل2). اصول کلی این روش‌ها بر دو مبنا استوار است. نوع اول روش‌هایی هستند که در آن‌ها سعی می‌شود که محیط خورنده از فلز مورد نظر دور نگه داشته شود و از تماس محیط خورنده با فلز جلوگیری شود. بدین ترتیب یکی از اجزای اصلی واکنش‌های الکتروشیمیایی که الکترولیت است، حذف شده و در نهایت خوردگی اتفاق نمی‌افتد. انواع پوشش‌های پلیمری و رنگ‌ها از این نوع هستند. در نوع دوم از روش‌های جلوگیری از خورده شدن آهن، در کنار قطعه یا فلز اصلی که باید از خوردگی محافظت شود، ماده یا قطعه‌ای تعبیه می‌شود که تمایل بیشتری به خورده شدن داشته و به اصطلاح فدای قطعه اصلی می‌شود.

​

​

(الف)

​

​

(ب)

(ج)
شکل2: استفاده از رنگ‌ها و پوشش‌های پلیمری برای حفاظت از قطعات مختلف فولادی در مقابل خوردگی

در قسمت‌های قبل گفته شد که اگر فلزات مختلف را بر اساس پتانسیل کاهشی استاندارد مرتب کنیم، به اطلاعات و کاربردهای ارزشمندی خواهیم رسید. به طور مثال فلز آهن نسبت به فلز منیزیم دارای پتانسیل کاهشی مثبت‌تری است (مقدار 0.44v برای آهن در برابر 2.38v- برای منیزیم؛ گرچه هر دو منفی هستند، اما آهن مقداری مثبت‌تر دارد!). در نتیجه اگر این دو فلز در اتصال با هم، چه به صورت یک مدار الکتریکی با یک سیم رابط و چه به صورت چسبیده به هم، در یک محیط خورنده که نقش الکترولیت را داشته باشد قرار بگیرند، آهن نقش اکسنده را بازی می‌کند و منیزیم نقش کاهنده را. در نتیجه فلز منیزیم الکترون خود را از دست داده، به صورت یون در آمده و خورده می‌شود، و فلز آهنی یا فولادی در برابر خوردگی محافظت می‌شود. این ساز و کار در حفاظت از آهن (فولاد) از طریق فرآیند گالوانیزه کردن (پوشش دادن لایه¬ای از فلز «روی» بر روی فولاد) نیز مشاهده می شود (شکل 3). در اینجا حتی اگر پوشش Zn دچار خراش شود و محلول خورنده به فلز زیرلایه که عموما فولادی است برسد، باز این Zn است که نقش فداشوندگی دارد و از خورده شدن آهن جلوگیری می‌کند. یکی دیگر از روش‌های حفاظت از خوردگی که از این نوع ساز و کار بهره می‌برد، حفاظت کاتدی از لوله‌های نفتی است. در این روش یک قطعه از فلز روی، آلومینیوم یا منیزیم (فلزاتی که در جدول پتانسیل‌های کاهشی استاندارد، با مقادیر منفی‌تر از آهن، بالاتر از آن قرار می‌گیرند و برای خورده شدن اشتیاق بیشتری از خود نشان می‌دهند.) با استفاده از یک سیم رابط به لوله فولادی متصل می‌شود. به این ترتیب هنگامی‌که این لوله در معرض محیط خورنده قرار می‌گیرد، قطعه فدا شونده از خورده شدن لوله فولادی جلوگیری می‌کند. با توجه به اینکه در این روش‌ها فلز تحت محافظت نقش کاتد را بازی می‌کند و فلز محافظت کننده (همان فلزی که فدای فلز اصلی شده و خورده می‌شود) نقش آند را، به این روش‌ها به اصطلاح محافظت کاتدی گفته می‌شود (شکل4).
​

​

​

​

(الف)



​

​

​

​

​

(ب)

(ج)
شکل3: قطعات مختلف فولادی که با فلز Zn پوشش داده شده اند.

(الف)

(ب)
شکل4: (الف) تصویر شماتیک و (ب) تصویر واقعی از حفاظت کاتدی لوله‌های زیرزمینی. در اینجا محیط خاک به عنوان الکترولیت عمل می‌کند. قسمت نشان داده شده با حرف A در شکل (الف) به عنوان فلز فداشونده برای لوله مورد نظر عمل می-کند. آند با یک سیم به کاتد یا همان لوله متصل است. در شکل (ب) لوله تحت محافظت در سمت راست و دو محل قرارگیری آند فدا شونده در سمت چپ دیده می‌شوند.
​

​

​

 

[P O U R I A]

4- پوشش‌دهی الکتروشیمیایی (آبکاری)

یکی از روش‌های ایجاد پوشش از مواد مختلف به خصوص فلزها، استفاده از یک سلول الکترولیتی است. به این روش، پوشش‌دهی الکتروشیمیایی یا آبکاری می‌گویند. در این روش قطعه‌ای که قرار است پوشش‌دهی شود به قطب منفی منبع تغذیه الکتریکی متصل شده و به عنوان کاتد عمل می‌کند. بر روی کاتد یون‌های مثبت محلول کاهش می‌یابند و به صورت پوشش مورد نظر روی کاتد رسوب می‌کنند (تبدیل از حالت محلول به جامد). بنابراین جسمی که این روکش یا پوشش فلزی روی آن ایجاد می‌شود یا باید خود رسانای الکتریسیته باشد و یا به طریقی الکتریسیته را از خود عبور دهد تا نقش کاتد داشته باشد. در این روش محلول الکترولیتی که استفاده می‌شود باید دارای یون‌های فلز پوشش باشد. به طور مثال در پوشش‌دهی با فلز روی (Zn) محلول دارای کلرید روی یا سولفات روی است. همچنی برای آبکاری نیکل، محلول مورد استفاده دارای کلرید یا سولفات نیکل است. مثال دیگر مربوط به پوشش‌دادن نقره روی قطعه مورد نظر است. برای این کار می‌توان از محلول حاوی نمک نیترات نقره استفاده نمود. شکل 5 سلول الکترولیتی ساده‌ای را نشان می‌دهد که برای پوشش‌دهی نقره استفاده می‌شود.

شکل5: آبکاری یک قاشق با فلز نقره

در ابتدای این مقاله روش استاندارد سازی تمایل فلزات مختلف به اکسایش یا کاهش در کنار هم معرفی شد. گفتیم که مبنای این روش استفاده از نیم سلول الکترودی هیدروژن است. در ادامه مقاله به چند مبحث مهم از صنایع مختلف که به طور مستقیم با پدیده‌های الکتروشیمیایی درگیر هستند، پرداخته شد. برای تحلیل فرآیندهایی نظیر واکنش‌های شیمیایی که در انواع باتری‌ها اتفاق می‌افتد، خوردگی فلزات و راهکارهای حفاظت از آن، پوشش‌دهی الکتروشیمیایی مواد و ... مطالعه دانش الکتروشیمی ضروری است. در مقاله‌های بعدی به طور مشخص‌تر به تولید مواد و ساخت محصولات مختلف در حوزه فناوری نانو با استفاده از فرآیندهای الکتروشیمیایی خواهیم پرداخت.
​

​

 

[P O U R I A]

ساخت پوشش‌های نانومتخلخل آلومینا

ساخت پوشش‌های نانومتخلخل آلومینا

مقدمه
در مقالات قبلی اصول حاکم بر دانش الکتروشیمی را آموختیم و کاربردهای آن را در زمینه‌های مختلف مشاهده نمودیم. در ادامه این مقالات به طور متمرکز تر به کاربردهای الکتروشیمی در علوم و فناوری نانو خواهیم پرداخت. یکی از موضوعاتی که در فناوری نانو بسیار مورد توجه است و تحقیقات زیادی در مورد آن صورت می‌گیرد، مهندسی سطح و پوشش ها و همچنین روش‌های ساخت مواد نانومتری مرتبط با این حوزه است. در این مقاله به معرفی ساختارهای منظم اکسید آلومینیوم (آلومینا) می‌پردازیم. این ساختارهای منظم را می توان با استفاده از فرآیندی الکتروشیمیایی بر روی آلومینیوم تشکیل داد.

 

[P O U R I A]

آرایه‌های نانومواد یک بعدی
در پژوهش‌هایی که در زمینه نانوفناوری صورت می‌گیرد، اهمیت زیادی به ساخت ساختارهای نانومتری در قالب الگوهای منظم از مواد نانومتری بر روی سطح داده می‌شود. این الگوها در واقع نانوموادی هستند که به تعداد زیاد به صورت آرایه ای منظم و در کنار هم بر روی یک سطح تشکیل شده‌اند. مثالی از این ساختارها، دسته‌های نانولوله های کربنی هستند که به طور همزمان بر روی سطح رشد کرده‌اند (شکل 1).

شکل1: رشد تعداد زیادی از نانولوله های کربنی به صورت آرایه ای بر روی سطح.

این دسته از ساختارها خواص و کاربردهای مختلفی دارند. از این میان می‌توان به خواص الکترونیکی، مغناطیسی، مکانیکی و شیمیایی آن ها اشاره کرد. به طور مثال به کارگیری این نانوساختارها در سنسور های مورد استفاده در صنایع مختلف، موجب افزایش دقت و حساسیت این سنسورها شده است. همچنین در سخت افزارها و ادوات ذخیره اطلاعات، مانند هارد دیسک‌ها، داشتن سطوحی با ساختار های نانومتری، کارایی آن‌ها را در ذخیره اطلاعات به شدت افزایش می دهد. دیگر مثال در این زمینه ساخت آرایه ای از حفرات نانومتری (nanochannel) بر روی سیلیکون است. از این حفرات می توان برای رهاسازی دارو در نقاط مختلف بدن استفاده کرد.


قالب‌های نانومتخلخل
برای ساخت یک الگوی منظم و تکرار شونده از ساختارهای نانومتری (مانند نانوسیم ها، نانولوله ها و نانومیله ها) بر روی سطح، روش های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش ها استفاده از قالب های نانومتری (الگو یا Template) بر روی سطح است. از لایه‌ها یا پوشش‌های متخلخل با حفرات زیاد می‌توان به عنوان الگو استفاده نمود. در چنین ساختاری هر یک از این حفرات می توانند به عنوان محلی برای تشکیل و رشد یک نانولوله یا نانوسیم نقش بازی کنند. یک گزینه مناسب برای این منظور لایه‌ای از اکسید آلومینیوم (آلومینا) است که به صورت متخلخل تشکیل می شود. به مجموعه تصاویر از شکل 2 تا شکل 6 دقت کنید.


​

​

شکل 2: از قالب های متخلخل نانومتری می توان برای ساخت نانولوله ها، نانومیله ها و یا نانوسیم ها استفاده کرد. تصویر سمت راست، شماتیکی از یک قالب متخلخل را نشان می‌دهد. تصویر سمت چپ، شماتیکی از مراحل تشکیل نانومیله‌ها درون یک قالب متخلخل و سپس حذف قالب و باقی ماندن نانومیله‌ها را نشان می‌دهد.

شکل 3: استفاده از قالب ها برای ساخت نانومیله‌ها و نانولوله‌ها

شکل 4: تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از سطح پوشش متخلخل آلومینا

شکل 5: تصویر عرضی از کنار (cross section) و از سطح (surface) لایه مشبک و متخلخل آلومینا با استفاده از SEM

شکل 6: از قالب‌های متخلخل آلومینا می‌توان به عنوان پایه‌ای برای رشد نانوسیم‌ها استفاده نمود. تصویر سمت راست نانوسیم‌های کبالت را نشان می دهد که در قالب متخلخل آلومینا (تصویر سمت راست) رشد یافته اند.

فرآیند ساخت نانوسیم ها، نانولوله ها و ... با استفاده از الگوهای متخلخل، به دو مرحله کلی تقسیم می شود. اولین مرحله ساخت قالب مشبک و مرحله بعد ساخت ساختار مورد نظر بر روی آن است. در ادامه به تشریح ساخت قالب متخلخل یا مشبک آلومینا با استفاده از روش الکتروشیمیایی می پردازیم.
​

​

​

 

[P O U R I A]

آلومینای نانومتخلخل
ساخت آلومینای متخلخل با حفرات نانومتری، با استفاده از اکسیداسیون آلومینیوم در یک الکترولیت امکان پذیر است. در این روش، از آلومینیوم به عنوان آند استفاده می‌شود. در اینجا آلومینا (Al2O3) محصول واکنش اکسایش آندی آلومینیوم است و به صورت یک لایه چسبیده روی آلومینیوم تشکیل می‌شود. به فرآیند اکسیداسیون آندی آلومینیوم، به اصطلاح آندایزینگ گفته می‌شود. به دلیل کاربرد آلومینا در ساخت خازن های الکتریکی، افزایش مقاومت آلومینیوم به خوردگی و سایش و همچنین استفاده از آن در تزئینات، فرآیند آندایزینگ آلومینیوم برای سال‌های طولانی توسط بشر مورد استفاده بوده است (شکل 7).

​

شکل 7: قطعات مختلف از جنس آلومینیوم که عمل آندایزینگ روی آن ها انجام شده است در صنعت و زندگی روزمره استفاده می شود (ساختار متخلخل آلومینا و قابلیت وارد کردن رنگ‌دانه های مختلف به حفرات آن، امکان رنگ‌آمیزی ساده تر قطعات آلومینیومی را فراهم می‌آورد).

پرسش: دلیل استفاده از آلومینیوم برای تولید آلومینای متخلخل به منظور استفاده به عنوان قالب برای رشد نانومواد چیست؟ آیا می‌توان از دیگر مواد فلزی به این منظور استفاده کرد؟ آیا آلومینیوم مزایایی نسبت به دیگر فلزات در این زمینه دارد؟

محققین در بررسی‌ها خود علاوه بر Al از Si، Ti، Zr، Nb، Hf و Sn نیز به منظور تولید مواد متخلخل و قالب‌ها استفاده کرده‌اند. ولی به دلیل اینکه فلز Al نسبت به دیگر گزینه‌ها ارزان‌تر است و اکسیداسیون آندی آن راحت‌تر انجام می‌شود، علاقه به استفاده از این فلز بیشتر است.

آندایزینگ آلومینیوم
در فرآیند آندایزینگ آلومینیوم به روش الکتروشیمیایی، به یک الکترولیت نیاز داریم که آند (آلومینیوم) و کاتد داخل آن قرار گرفته اند. با استفاده از یک منبع تغذیه در بیرون، یک مدار الکتریکی تشکیل می شود (شکل 8).

شکل 8: فرآیند آندایزینگ آلومینیوم

در اینجا نیز واکنش اکسایش بر روی آند که همان قطعه (part) آلومینیومی است، اتفاق می افتد. در طی این واکنش، آلومینیوم با اکسیژن ترکیب شده و اکسید آلومینیوم (Al2O3) ایجاد می‌شود. این ترکیب به صورت یک لایه چسبنده بر روی آلومینیوم تشکیل می شود. شدت اسیدی بودن یا قلیایی بودن الکترولیت مورد استفاده تاثیر مهمی در تشکیل این لایه متخلخل دارد. اگر از الکترولیتی استفاده شود که میزان pH آن در محدوده خنثی (5 تا 7) باشد، لایه ای پیوسته و بدون حفره تشکیل می شود. برخی الکترولیت هایی که به منظور ساخت لایه اکسید آلومینیوم پیوسته و بدون تخلخل مورد استفاده قرار گرفته‌اند عبارتند از: بوریک اسید (boric acid)، آمونیوم بورات (ammonium borate)، آمونیوم تارتارات (ammonium tartrate) و ... . ولی برای ساخت لایه آلومینا به صورت متخلخل، از الکترولیت های به شدت اسیدی (با مقادیر pH پایین) استفاده می شود. این الکترولیت ها می توانند سولفوریک اسید (sulfuric acid)، اگزالیک اسید (oxalic acid)، فسفریک اسید (phosphoric acid) و کرمیک اسید (chromic acid) باشند. در سال های اخیر الکترولیت های دیگری نیز برای این کار مورد استفاده قرار گرفته اند. علاوه بر نوع الکترولیتی که در این فرآیند استفاده می شود، عوامل دیگری نظیر بر خواص نهایی لایه متخلخل تاثیر گذار هستند. از این میان می‌توان به طول زمان فرآیند و میزان جریانی که منبع تغذیه تولید می کند اشاره نمود.
بعد از انجام فرآیند آندایزینگ آلومینیوم، با توجه به نوع الکترولیت و دیگر عوامل درگیر در فرآیند، لایه متخلخل به دست آمده ویژگی های مخصوص به خود را خواهد داشت. این ویژگی ها با تغییر پارامترهای بالا تغییر خواهند کرد. همانطور که در شکل 9 دیده می شود، می توان یک لایه متخلخل آلومینا را به صورت شبکه‌ای به هم فشرده از سلول های 6 وجهی که به هم چسبیده اند، نشان داد. در مرکز هر یک از این سلول‌های 6 وجهی، یک حفره قرار دارد.

شکل 9: نمای شماتیک پوشش آلومینا بر روی آلومینیوم.

برای توصیف یک لایه متخلخل آلومینا که با استفاده از شرایط و پارامترهای مشخصی ساخته شده است، از پارامترهای زیر استفاده می‌شود: قطر حفره (Pore diameter)، ضخامت دیواره هر سلول (Wall thickness)، ضخامت لایه انتهایی که در پایین قرار دارد (barrier layer thickness) و در نهایت اندازه یک سلول (Interpore distance). این پارامترها در شکل 10 مشخص شده‌اند.

شکل 10: موارد مهم برای توصیف یک لایه آلومینای تشکیل شده با استفاده از روش آندایزینگ بر روی آلومینیوم.

با کنترل شرایط و انتخاب مناسب پارامترهای فرآیند، می توان لایه ای با قطر حفرات چند نانومتر تا چند صد نانومتر به دست آورد. علاوه بر آن امکان ساخت سلول هایی با عمق داخلی 100 میکرومتر نیز وجود دارد. در این صورت نسبت منظر (aspect ratio) این حفرات بسیار زیاد خواهد بود. در واقع این حفرات در دو بعد (در راستای شعاعی، یعنی همان اندازه قطر) در اندازه‌های نانومتری و در یک بعد (در راستی طولی، یعنی همان ارتفاع استوانه) در اندازه‌های میکرونی و بیشتر (یعنی بیش از 1000 برابر بیشتر از اندازه قطر) قرار دارند.

نسبت منظر یا نسبت ابعاد که بیشتر واژه انگلیسی آن یعنی aspect ratio شناخته شده است، برای یک شکل هندسی تعریف می‌شود. این مقدار برابر با نسبت بلندترین طول به کوتاه‌ترین طول آن شکل هندسی است. برای مثال، این مقدار برای یک کره همیشه برابر با یک است. همچنین این مقدار برای مکعب مستطیلی با اضلاع 20، 10 و 5 سانتی‌متر برابر با 4 است.

در این مقاله به اهمیت و نیازی که در فناوری نانو به ساخت آرایه ای از ساختارهای نانومتری بر روی سطوح مختلف وجود دارد اشاره شد. از این ساختارها می توان به نانولوله ها، نانومیله‌ها و نانوسیم ها اشاره کرد. یکی از روش های ساخت این آرایه ها استفاده از یک قالب مشبک یا متخلخل روی سطح است تا از حفرات موجود بر آن بتوان به عنوان محلی برای تشکیل و رشد مواد نانومتری مورد نظر استفاده کرد. پوشش آلومینایی که بر روی آلومینیوم تشکیل می شود، یک گزینه مناسب برای این منظور است. این پوشش با استفاده از اکسیداسیون آندی آلومینیوم در یک الکترولیت با استفاده از یک فرآیند الکتروشیمیایی به دست می آید. با تغییر شرایط فرآیند الکتروشیمیایی می توان ساختار آلومینایی با شرایط دلخواه به دست آورد. در مقاله بعد به موارد مورد استفاده از این ساختار متخلخل در ساخت نانومواد اشاره خواهد شد.




​

​