مورد كريات السيليكا المجهرية في الصين

كرات السيليكا الدقيقة مادة مهمة، وهي مُعلق أبيض حليبي محب للماء. مجموعات هيدروكسيل السيليكون على سطحه قادرة على الارتباط تساهميًا مع مجموعات أخرى. يتميز بخصائص فيزيائية وكيميائية مستقرة، ويتحمل درجات حرارة عالية تصل إلى 1000 درجة مئوية، ويبقى ثابتًا في المذيبات العضوية، ولكنه يذوب في المحاليل القلوية القوية أو محاليل حمض الهيدروفلوريك.

الكريات الدقيقة المصنوعة من السيليكا غير مسامية، وهي كروية الشكل، ولها أحجام موحدة للغاية. تبلغ كثافة الكريات الدقيقة المصنوعة من السيليكا 1.96 جم/سم3، وقد تم استخدامها لامتصاص الحمض النووي والحمض النووي الريبي من محاليل الخلايا. كما يمكنها توفير مجموعات وظيفية مثل الإيبوكسي والكربوكسيل والأفيدين والستربتافيدين والبروتين أ.

تتميز كريات السيليكا الدقيقة بخصائص ممتازة متنوعة، مثل مساحة سطحها النوعية القابلة للتحكم، ومتانتها الميكانيكية العالية، وخواصها الحرارية والفيزيائية والكيميائية المستقرة. لذلك، تُستخدم على نطاق واسع في حاملات المحفزات، والمواد الماصة، ووسائط الفصل الكروماتوغرافي، وغيرها من المجالات. يُعدّ تحضير كريات السيليكا الدقيقة وأبحاث تطبيقاتها موضوعًا هامًا في مجال أبحاث المواد.

في الوقت نفسه، يُمكن للتحكم المُعتمد على بنية سطح السيليكا أن يُحسّن بفعالية المساحة السطحية النوعية للكرات الدقيقة، وأن يتمتع بخصائص بنية ومساحة دقيقة مُتعددة، مما يُوسّع نطاق استخدامات الكرات الدقيقة السيليكا في مجالات البصريات، وتوصيل الأدوية، والتجميع الذاتي، وغيرها. ولتلبية الطلب المتزايد على التطبيقات المُتنوعة، تطورت استراتيجية تحضير الكرات الدقيقة السيليكا تدريجيًا من بنية كروية واحدة إلى بنية مُتعددة المستويات ذات مورفولوجيا مُعقدة.

في مجال السيليكا، يُقدَّر حاليًا نوعان من البنى النانوية بتقدير كبير: الأول هو كريات السيليكا المجهرية المجوفة متوسطة المسام، والثاني هو ثاني أكسيد السيليكون الكروي أحادي التشتت. يتميز الأول بمساحة سطح نوعية عالية وحجم مسام كبير، وهو محفز جيد وناقل للأدوية؛ أما الثاني فيتميز بمساحة سطح نوعية كبيرة، وقابلية تشتت جيدة، وخواص بصرية وميكانيكية ممتازة، وله تطبيقات مهمة في السيراميك والطلاء والإلكترونيات البصرية وغيرها من المجالات.

حاليًا، يمكن تقسيم طرق تحضير كريات السيليكا الدقيقة بشكل رئيسي إلى فئتين: الطريقة الجافة والطريقة الرطبة. تشمل الطريقة الرطبة طريقة السول-جيل، وطريقة القالب، وطريقة الترسيب، وطريقة تفاعل الجاذبية الفائقة، وطريقة المستحلب الدقيق، وطريقة التخليق الحراري المائي. بينما تشمل الطريقة الجافة طريقة الطور الغازي وطريقة القوس.

طريقة تحضير الكريات الدقيقة من السيليكا

1. طريقة السول-جل

تعتبر طريقة السول-جل حاليًا الطريقة الرئيسية لإعداده. تتضمن العملية عمومًا تقليب إيثيل أورثوسيليكات والإيثانول اللامائي بنسبة مولية معينة لتكوين محلول مختلط موحد، وإضافة كمية مناسبة من الماء منزوع الأيونات ببطء أثناء التحريك، ثم ضبط قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول، ثم إضافة مادة فعالة سطحية مناسبة. يتم تقليب المحلول الناتج وتعتيقه في درجة حرارة الغرفة للحصول على هلام، ثم يتم الحصول على مسحوق SiO2 المطلوب من خلال خطوات مثل التجفيف.

تتميز الكرات الدقيقة من السيليكا المحضرة بطريقة هلام السول بقدرة جيدة على التشتت ويمكن التحكم في حجمها، ولأن مجموعات هيدروكسيل السيليكون على سطح السيليكا مناسبة جدًا لاستخدامها كجسر للتعديل، مما يجعلها وظيفية، فإن تقنية التعديل المتطورة باستمرار توفر فرصًا جديدة لمجالات تطبيقها المتوسعة بشكل متزايد، مثل استخدام الكرات الدقيقة من السيليكا أحادية التشتت كنواة أو غلاف لإعداد بعض المواد ذات الأداء الممتاز.

2. طريقة القالب

تعتبر طريقة القالب من الطرق المهمة لتحضير هذه الكرات الدقيقة، حيث تستخدم بشكل أساسي المواد الخافضة للتوتر السطحي كقوالب، وتقوم بشكل متناوب بامتصاص بوليمرات إلكتروليت ذات شحنات معاكسة وجسيمات SiO2 ذات أحجام جسيمات مختلفة عليها لتوليد كرات دقيقة من السيليكا النانوية. ثم يتم حرق المنتج الناتج في درجة حرارة عالية للحصول على كرات دقيقة من السيليكا النانوية ذات بنية مسامية.

إن طريقة القالب التقليدية لإعداد الكرات المجهرية النانوية السيليكا معقدة، حيث أن بنية غلاف الكرات المجهرية المجوفة الناتجة فضفاضة نسبيًا وسهلة الكسر، والظروف قاسية نسبيًا أثناء العملية، ومن الصعب التحكم في مورفولوجيا الكرات المجهرية المجوفة الناتجة. إن سمك الغلاف ومورفولوجيا الكرات المجهرية المركبة الناتجة عن طريقة القالب المحسنة يسهل التحكم فيها، كما أن سطح الكرات المجهرية المركبة الناتجة موحد والبنية كثيفة.

3. طريقة الترسيب

طريقة الترسيب هي خلط محلول المتفاعل مع عوامل مساعدة أخرى، ثم إضافة عامل حمضي إلى المحلول المختلط للترسيب. ثم يتم تجفيف الرواسب الناتجة وحرقها للحصول على كرات ميكروية نانوية من السيليكا. عملية تحضير كرات ميكروية من السيليكا بطريقة الترسيب الكيميائي بسيطة، مع مجموعة واسعة من مصادر المواد الخام، ومتطلبات منخفضة للمعدات التجريبية، واستهلاك منخفض للطاقة، وعملية بسيطة. ومع ذلك، يصعب التحكم في خصائص المنتج وتتأثر بالعديد من العوامل المتغيرة، الأمر الذي يتطلب المزيد من البحث المتعمق.

4. طريقة الجاذبية الفائقة

طريقة تفاعل الجاذبية الفائقة لإعداد هذه الكرات الدقيقة هي استخدام عملية النقل والخلط الدقيق بين المراحل في مجال الجاذبية الفائقة ليتم تعزيزها قدر الإمكان، وبالتالي تقصير وقت التفاعل وتحسين معدل التفاعل بشكل كبير. عملية تحضير الكرات الدقيقة النانوية السيليكا بواسطة الجاذبية الفائقة بسيطة، والمواد الخام سهلة الحصول عليها، وفي بيئة الجاذبية الفائقة، يتم تعزيز عملية نقل الكتلة وعملية الخلط الدقيق بشكل كبير، مما يقلل بشكل كبير من وقت التفاعل. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها متطلبات عالية للمفاعل ومكلفة.

5. طريقة المستحلب الدقيق

طريقة المستحلب الدقيق العكسي هي طريقة مهمة لإعداد هذا تم تطويرها في السنوات الأخيرة. في المستحضر الدقيق W/O، يتكون بشكل عام من مادة خافضة للتوتر السطحي، ومادة خافضة للتوتر السطحي، وزيت (عادةً مادة عضوية ذات قطبية صغيرة) وماء. في النظام، تحيط المواد الخافضة للتوتر السطحي بالطور المائي وتنتشر في طور زيتي مستمر، ويكون قلب الماء المحيط "مفاعلًا دقيقًا" مستقلًا. نظرًا للتفاعل المتحكم فيه في قلب الماء، تتمتع الجسيمات النانوية المحضرة بمزايا مثل تشتت الجسيمات الجيد، وتوزيع حجم الجسيمات الضيق، والتنظيم السهل مقارنة بالطرق التقليدية.

يتم التحكم في تفاعل تحضير جزيئات السيليكا النانوية بطريقة المستحضر الدقيق في قلب الماء، ويرتبط حجم وشكل جزيئات المنتج ارتباطًا وثيقًا بحجم قلب الماء. بالمقارنة مع طرق التحضير التقليدية، فإن طريقة المستحلب الدقيق أكثر ملاءمة للتحكم في حجم جزيئات السيليكا النانوية الدقيقة، والجسيمات الناتجة لها قابلية تشتت جيدة. لذلك، تتمتع طريقة المستحلب الدقيق بآفاق واسعة في تحضير جزيئات السيليكا النانوية الدقيقة للغاية.

6. طريقة الطور الغازي

طريقة الطور الغازي لإعداد هذه الكرات الدقيقة هي تحلل الهالوسيلانات (مثل رباعي كلوريد السيليكون، رباعي فلوريد السيليكون، ثلاثي كلوريد السيليكون الميثيل، إلخ) عند درجة حرارة عالية في لهب الهيدروجين والأكسجين لتوليد جزيئات السيليكا.

        7.طرق أخرى

نظرًا للطلب المتزايد على هذه الكرات الدقيقة في السنوات الأخيرة، فقد تنوعت أيضًا سيناريوهات تطبيقها وطرق تحضيرها. قام ديشر وآخرون بإعداد كرات دقيقة من السيليكا النانوية باستخدام طريقة التجميع الذاتي طبقة تلو الأخرى (LBL)، حيث يتم ترسيب اللب طبقة تلو الأخرى من خلال الخصائص الفيزيائية للامتصاص. هناك العديد من الطرق لإعداده في بيئة تجريبية للجاذبية الفائقة. يتم تحسين كفاءة التفاعل بشكل كبير، ومن ثم يطلق عليه طريقة تفاعل الجاذبية الفائقة. العملية بسيطة، لكنها تتطلب معدات تجريبية عالية ولها حجم جسيم كبير نسبيًا، مما يحد من تطورها.

في الوقت الحاضر، تطور تحضير هذه الكريات الدقيقة إلى نظام كامل، ولكن الطرق المختلفة لها مزاياها وعيوبها. إن العائد المنخفض والتكلفة العالية لطريقة هلام السول تحد من تطبيقها وهي مناسبة فقط للتحضير المختبري. في السنوات الأخيرة، تلقت طرق مثل الأكسدة في الطور الغازي والبلازما أيضًا درجة معينة من الاهتمام، وكلها مخصصة لحل مشكلة العائد المنخفض. ومع ذلك، لا تزال هناك فجوة معينة في القدرة على التحكم والتشتت والتحكم في الكريات الدقيقة مقارنة بالطرق التقليدية.

 

إن نطاق اختيار حجم الجسيمات للكرات المجهرية السيليكا واسع، ويتراوح من 0.1 ميكرومتر إلى 1 ميكرومتر. يتمتع هذا النوع من الكرات المجهرية بخصائص امتصاص غير محددة منخفضة للجزيئات الحيوية ولا يمتص البروتينات، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات الطبية الحيوية مثل الاختبارات المناعية. بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم جسيماتها موحد للغاية، مع وجود اختلافات صغيرة بين الدفعات وقابلية جيدة للتكرار.

يمكن استخدام الكريات الدقيقة من السيليكا في مجالات البحث العلمي، مثل تحضير الكريات الدقيقة من السيليكا الموسومة بالستربتافيدين/الكرات الدقيقة المجوفة من السيليكا المسامية المحملة بالألياف الحريرية. وفي المجال الصناعي، لها أيضًا مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل حاملات المحفزات، والمواد الماصة، والحشوات، ومستحضرات التجميل، والطلاءات.

تتميز كريات السيليكا الدقيقة بخواص محبة للماء بشكل طبيعي، لذا يُفترض أن يكون امتصاص البروتينات غير النوعي عليها منخفضًا. تؤدي الكثافة العالية للسيليكا (2.0 غ/مل لـ PS و1.05 غ/مل لـ PS) إلى اختلاف كبير في سرعة الترسيب. ونظرًا لأن الترسيب في الماء يعتمد على الفرق بين كثافة الكرات الدقيقة وكثافة الماء (السيليكا 2.00-1.00 = 1.00، بينما PS 1.05-1.00 = 0.05)، فإن معدل ترسيب كريات السيليكا الدقيقة يساوي تقريبًا 0 ضعف معدل ترسيب PS!

قد يؤدي هذا الاختلاف المهم إلى بعض الاختبارات والنتائج المهمة، إذ تستقر الكريات الدقيقة المتجمعة بسرعة أكبر. ويمكن استخدام الكريات الدقيقة الصغيرة في اختبارات التكتل. ستبقى الكريات الدقيقة غير المتجمعة معلقة، بينما ستتساقط الكريات الدقيقة المتجمعة بسرعة من المحلول.