نانو ذرات طلا، خواص، کاربرد و بازار جهانی
طلا عنصری در گروه فلزات میانی با ساختار مکعبی وحوه مرکز پر (FCC) است که در جواهرات، سکه، پزشکی، دندان پزشکی و تجهیزات الکترونیکی استفاده شده است. طلا یک فلز خنثی است که زنگ نزده و کدر نمی شود و دارای هدایت الکتریکی و حرارتی خوبی است. قرن ها طلا به عنوان فلزی ارزشمند و نانو ذرات کلوییدی آن که حضور ذراتی با ابعاد نانو در بستری از حلال است، به عنوان رنگ های درخشان توسط هنرمندان مورد استفاده قرار می گرفت [۱].
شکل ۱- رنگ های بکار رفته در نقاشی حضرت مسیح روی شیشه [۲].
اطلاعات شیمیایی |
|
| نشانه شیمیایی | Au |
| شماره CAS | ۷۴۴۰-۵۷-۵ |
| گروه | ۱۱ |
| آرایش الکترونی | [Xe] 4f142 ۵d106s1 |
خواص فیزیکی |
|
| چگالی | g/cm3 ۳۰/۱۹ |
| جرم مولی | g/mol ۹۷/۱۹۶ |
خواص حرارتی |
|
| نقطه ذوب | C° ۴۳/۱۰۶۴ |
| نقطه جوش | C° ۲۸۰۷ |
نانو ذرات طلا در زمینه کاربردهای زیستی و پزشکی در چند سال گذشته توجه بسیاری را جلب کرده است. پروب های حسی، تحویل دارو و روش های درمانی از جمله کاربردهای نانو ذرات طلا در فناوری های زیستی هستند. همچنین این ذرات با جذب مادون قرمز نور برانگیخته شده و برای کاربردهای تشخیصی و نوردرمانی مثل تصویر برداری اشعه دو فوتون، پراش نور، پراش بهبودیافته سطحی رامان و درمان های نوری-حرارتی به کار می رود. با تغییر در اندازه ذرات ، شیمی سطح یا حالت تجمع، خواص نوری و الکترونیکی نانو ذرات طلا بر اساس زمینه مورد استفاده قابل تغییر است [۳].
خواص:
زمانی که نانو ذرات طلا در برابر طول موج مشخصی از نور قرار گیرند نوسان ناحیه الکترومغناطیس نور، مجموعه نوسانات هم سیمایی از الکترون آزاد ایجاد می کند که منجر به جدایش بار بر اساس ساختار یونی شده و یک نوسان دو قطبی در طول ناحیه الکترونیک نور ایجاد می کند. دامنه نوسان در فرکاس مشخصی به حداکثر میزان رسیده که رزونانس پلاسمای سطحی (SPR) نامیده می شود.
زمانی که اندازه ذرات طلا از ۱۰ به ۵۰ نانو متر تغییر می کند، حداکثر SPR از ۵۱۷ نانو متر به ۵۴۲ نانو متر که در ناحیه مرئی است می رسد. برای مثال نانو ذرات طلا/ اکسید تیتانیم، کاتالیزور نوری موثری برای برخی واکنش ها هستند.
شکل ۳- نوسانات الکترونی طلا در اثر نور.
۲- خواص الکتروشیمیایی
خواص الکتریکی نانو ذرات طلا فقط به اندازه و محیط اطراف بستگی دارد که برای کاربردهای بسیاری مثل حسگرهای زیستی الکتریکی و تراشه های الکترونیکی به کار می رود.
کاربردها:
۱- درمان
به طور موثر، جذب نور توسط فرایند سریع الکترون به فوتون و فوتون به الکترون می تواند به گرما تبدیل شود که در درمان های نوری-حرارتی سرطان یا بیماری های دیگر کاربرد دارد. برای مثال زمانی که ذرات با نوری با طول موج ۷۰۰ تا ۸۰۰ نانو متر بر انگیخته می شوند قادر به آزادسازی گرما هستند که این امر موجب از بین بردن تومورها می شود.
۲- تحویل دارو و ژن
حضور توام نانو ذرات طلا و عوامل درمانی، جذب و پخش داروهای آزاد را بهبود بخشیده و خاصیت پخش کنترل شده و پایداری محلول را ایجاد می کند. نسبت سطح به حجم بالا در نانو ذرات طلا این امکان را فراهم کرده است که سطح ذرات با صدها ملکول از جمله درمانی، عوامل هدف گیری و پلیمرهای ضد رسوب پوشش داده شود.
۳- پروب ها
به طور گسترده نانو ذرات طلا به علت دارا بودن چگالی بالای الکترونی، برای پوشش ایمن طلا در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) به کار می روند. ظرفیت پراش نور بر پایه SPR نانو ذرات طلا، آنها را پروب های خوبی برای تصویر نگاری میکروسکوپی زمینه تیره و طیف سنجی رامان قرار داده است. همچنین مطالعات مختلفی اثبات کرده است که نانو ذرات طلا شناساگر موثری برای تصویر برداری سرطان بر اساس کاربردهای تصویر برداری اشعه دو فوتون، پراش نور و پراش بهبودیافته سطحی رامان است.
۴- حسگرها
نانو ذرات طلا همچنین در پروب های سنجش رنگ استفاده شده است. حسگرهای زیستی نانو ذرات طلا بر پایه بر هم کنش عامل میانی با گیرنده ملکولی روی نانو ذرات یا بر هم کنش بین نانو ذرات حاوی گیرنده زمانی که عامل میانی اضافه می شود، است. این شیوه می تواند برای تشخیص پروتیین ها، آلاینده ها و سایر ملکول ها استفاده شود.
۵- تشخیص بیماری
جهت تشخیص بیماری های قلبی، سرطان و عوامل عفونی استفاده می شود. برای مثال با استفاده از نانو ذرات طلا، تصاویر X-ray با وضوح بالاتری می توان گرفت.
۶- کاتالیزور نوری
در بسیاری از واکنش های شیمیایی به علت خاصیت رزونانس پلاسمای سطحی ویژه، سطح طلا برای اکسیداسیون یا احیای انتخابی یک واکنش قابل استفاده است. عموما نانو ذرات طلا به همراه اکسید تیتانیم به عنوان کاتالیزور نوری در صنعت شیمیایی استفاده می شود[۴] .
بازار:
تخمین زده شده است که بازار نانو ذرات طلا در محدوده ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۴ با نرخ چشم گیری رشد کند. انتظار می رود که آمریکای شمالی رشد عمده ای در تقاضای نانو ذرات طلا به علت رشد بخش تکنولوژی پزشکی در آمریکا و کانادا در دوره پیش بینی شده شاهد باشد[۵] .
شکل ۴- بازار نانو ذرات طلا: سهم درآمد (٪) توسط مصرف کننده نهایی جهانیو ۲۰۱۷.
کاربردهای پزشکی و دندان پزشکی در سال ۲۰۱۳ ۵۰٪ درآمد بازار جهانی نانو ذرات طلا را بر عهده داشت و پیشبینی می شود که از سال ۲۰۱۴ به ۲۰۲۰ به ۸/۲۳٪ افزایش یابد. افزایش حوزه های کاربردی در زمینه درمانی، تشخیصی و تصویر برداری پزشکی، فاکتور بحرانی در توسعه است. محصولات پزشکی با تکنولوژی نانو از ۲۰۱۰ بیش از ۱۵٪ افزایش یافته اند.
انتظار می رود که درآمد صنعت نانو ذرات طلا در کاربردهای الکترونیکی به یک میلیارد دلار آمریکا تا سال ۲۰۲۰ برسد. این تقاضا توسط تولیدات حوزه آسیا و تحقیق و توسعه فراوان روی محصولات نانو تکنولوژی در ذخیره گرهای فشرده و فتوولتاییک به پیش رانده شده است. کاربردهای کلیدی دیگر: شامل کاتالیزوری، آرایشی، فتومتری و تولید شیشه و غیره است [۶].
شکل ۵- مقدار (Kg) بازار نانو ذرات طلا در اروپا بر اساس کاربرد سال های ۲۰۱۲ تا ۲۰۲۰.
طریقه سنتز نانو ذره طلا:
دو روش عمده برای سنتز نانو ذرات طلا وجود دارد که ۱-با کاهنده تری سدیم سیترات و یا ۲-سدیم بورهیدرات انجام می‌شوند. در روش اول واکنش به راحتی با حرارت دادن نمک طلا تا نقطه جوش و سپس اضافه کردن نمک سیترات انجام می‌شود. نانوذرات بدست امده از این روش معمولا اندازه بزرگتری نسبت به استفاده از نمک سدیم بورهیدرات دارند. سنتز نانوذرات طلا با کاهنده سدیم بورهیدرات نیازی به حرارت‌دهی ندارد و اندازه ذرات کوچکتر است اما کلویید نانوذرات پاییداری کمتری دارد و برای رفع این مشکل معمولا از پایدارکننده های مختلف استفاده می‌شود.
References:
[۲] www.sciencedirect.com/topics/engineering/lycurgus-cup
