آلومینای آندی نانو متخلخل

آلومینای متخلخل تقریباً به مدت یک قرن است که برای کاربردهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است. البته افزایش فزاینده‌‌ای در تقاضا برای این آلومینا با ابعاد نانو در کاربردهای مختلف مانند جداسازی مولکلول‌‌ها، کاتالیست، تولید و ذخیره انرژی، الکترونیک، فوتونیک، سنسورها و بیوسنسورها، رهایش دارو و سنتز الگو وجود داشته است. آلومینای نانو متخلخل خصوصاً به دلیل نظم یافتگی تخلخل‌‌ها در صنایع مختلف مورد توجه است.

این ساختارهای منظم به روش ارزان آندایزینگ الکتروشیمیایی قابل تهیه است. فرآیند خود نظم یافتگی نانو تخلخل‌‌ها بدون نیاز به لیتوگرافی یا الگو سازی انجام می‌‌گیرد. برآیند این فرآیند نیز محصولی با هندسه مشخص و نانو حفراتی نظم یافته است. تحقیقات اخیر سعی در اصلاح سطح آلومینای نانومتخلخل و ساخت نمونه‌‌هایی با ویژگی‌‌های ساختاری مشخص مانند شاخه‌‌ای، چند لایه و یا معماری خاصی از حفرات داشته‌‌اند. در شکل زیر شمایی از ساختار آلومینای آندی نانو متخلخل  و کاربردهای اصلی آن را مشاهده می‌‌کنید.

ساختار آلومینای متخلخل را می‌‌توان به صورت آرایه‌‌ای از هگزوگونال فشرده با نانو حفرات لوله‌‌ای شکل به موازات یکدیگر و عمود بر بستری از آلومینیوم توصیف کرد. ساختار حفرات با پارامترهایی مانند سازماندهی حفره (هگزاگونال)، قطر حفره، فاصله بین حفره‌‌ای (قطر شبکه)، ضخامت دیواره، ضخامت لایه مانع و طول حفره مشخص می‌‌شود. با کنترل شرایط آندایز این پارامترها دقیقاً در محدوده خاصی قابل تنظیم هستند که عبارتست از: قطر حفره nm 400-10، فاصله بین حفره nm 600-50، نسبت ابعادی حفره از 10 تا 5000، ضخامت لایه متخلخل بین nm 10 تا µm 150، دانسیته حفره cm^-2 10¹¹– 10⁹ و تخلخلی بین 5 تا 50 درصد.

 

 

 

همان‌‌‌طور که در بالا ذکر شد این اکسید فلزی ارزشمند با حفراتی در ابعاد نانو در بسیاری از صنایع کاربرد دارد که برخی از آن‌‌ها را جزیی‌‌تر در ذیل شرح می‌‌دهیم.

• سنتز الگو: این نوع سنتز رویکردی عمومی برای ساخت موادی با ابعاد نانو است. مزیت این روش این است که نیازی به ابزار پیچیده ندارد و برای ساخت ابعاد یکنواختی از نانو مواد با راندمان بالا مناسب است. مزایای استفاده از آلومینای آندی نانو متخلخل به عنوان الگو به این ترتیب است: (1) ساختارهای حفره‌‌ای با خواص ساختاری کنترل شده (قطر حفره، طول و ساختار حفره‌‌ای تنظیم شده)؛ (2) یکنواختی قطر حفرات با دانسیته حفره بالا (cm^-2 10¹¹)؛ (3) حفرات استوانه‌‌ای با نسبت ابعادی بالا و (4) انحلال آسان این ماده در محلول‌‌های اسیدی و قلیایی بدون تأثیر بر نانو ساختار ماده محصور در حفرات الگو. ماده درون حفرات همچنین می‌‌تواند در همان محل بماند و برای کامپوزیت سازی استفاده شود. از سویی دیگر پایداری حرارتی و مکانیکی بالای غشای آلومینای آندی متخلخل، آن را گزینه مناسبی جهت استفاده به عنوان الگو در دماهای نسبتاً بالا مانند رسوب فاز بخار می‌‌سازد.
• سنسورها: تقاضا برای وسایل فشرده، قابل حمل و ارزان قیمت برای تشخیص سریع بیو مارکرهای کلینیکی همواره رو به افزایش است. بعضی از این وسایل بدون تکیه بر تجهیزات و روش‌‌های گران و زمان‌‌بر آزمایشگاهی به تشخیص زود هنگام بیماری‌‌ها کمک می‌‌کنند. آلومینای آندی نانومتخلخل به دلیل خواص ذاتی اپتیکی و الکتروشیمیایی، سادگی ساخت، مساحت سطح زیاد، خواص قابل تنظیم و پایداری بالا در محیط مایع همواره برای تهیه بیوسنسورها مورد توجه بوده است.
• از این ماده برای ساخت انواع سنسورهای نوری، شیمیایی و زیستی استفاده می‌‌شود. اصلی‌‌ترین مزیت این ماده به عنوان سنسور، خنثی بودن آن به لحاظ شیمیایی و مساحت سطح بالاست. به علاوه شفافیت نسبی غشاهای تهیه شده از این ماده در محدوده فرابنفش و مادون قرمز امکان دید مستقیم به وسیله جاذب‌‌ها در حالت تشعشع را فراهم می‌‌کند.
• انواع بیومولکول‌‌ها شامل پروتئین‌‌ها (مانند هموگلوبین، میوگلوبین، سیتوکروم)، آنزیم‌‌ها (مانند کلسترول اکسیداز، پروکسیداز)، آنتی‌‌بادی‌‌ها، DNA و سلول‌‌ها در توسعه بیوسنسورهای نوری بر پایه آلومینای آندی نانو متخلخل انتخاب شده‌‌اند. بیوسنسورهای الکتروشیمیایی نیز دسته دیگری از سنسورهای زیستی هستند که از آلومینای نانو متخلخل برای ساخت آن‌‌ها استفاده می‌‌شود. بیومولکول‌‌هایی مانند آنزیم‌‌ها به صورت کوالانسی و غیر کووالانسی روی سطح الکترود تثبیت می‌‌شوند. این سطح حاوی غشای آلومینای نانو متخلخل پوشش داده شده با فلز است. آنزیم‌‌های گلوکز اکسیداز و هورس رادیش پراکسیداز (HRP) سیستم‌‌های غالب برای تبدیل واکنش اکسایش-کاهش به سیگنال الکتریکی با استفاده از یک مبدل الکتریکی هستند. به علاوه، آنزیم‌‌هایی مانند اکسیداز کلسترول و اکسیداز کولین نیز در بیوسنسورهای بر پایه این ماده استفاده شده‌‌اند. سایر اجزا زیستی مانند آنتی‌‌بادی‌‌ها، نوکلئیک اسیدها، سلول‌‌ها و میکروارگانیسم‌‌ها نیز در این بیوسنسورهای استفاده شده‌‌اند.
• غشاهای آلومینای نانو متخلخل برای جداسازی مولکولی: انتقال مولکولی از طریق ساختارهای حفره‌‌ای در حفراتی به قطر nm 100-1 می‌‌تواند کاربرد چنین غشاهایی باشد. این غشاها برای جداسازی، انتقال و کاتالیز انواع مولکول‌‌ها مانند یون‌‌های چند ظرفیتی، پروتئین‌‌ها و DNA استفاده می‌‌شوند. خواص انتقالی و انتخابی این غشاها تحت تأثیر عواملی مانند اندازه، بار الکتریکی و میزان آب گریزی مولکول‌‌هاست. بنابراین لازم است برای افزایش راندمان غشا اندازه حفرات و بار سطحی آن‌‌ها را با روش‌‌های موجود برای انتقال مولکول مورد نظر در محدوده خاصی تنظیم کنند. در انتقال یون‌‌ها علاوه بر عوامل ذکر شده، فاکتورهایی مانند pH محلول، استحکام یونی و غلظت نیز تأثیرگذارند.
• جداسازی DNA در بسیاری از حوزه_‌‌‌‌های بیوتکنولوژی و پزشکی کاربرد دارد. برای مثال جداسازی DNA و کمی سازی طول آن‌‌ها در تشخیص زود به هنگام بسیاری از بیماری‌‌های ضروری است. اگر چه جداسازی آن‌‌ها کار سختی بوده و نیازمند تجهیزاتی پیچیده و گران قیمت است. یکی از چالش‌‌های مهم در این زمینه مسدود شدن ابزار در هنگام جدا کردن مولکول‌‌های DNA است که عملکرد آن را محدود می‌‌کند. بنابراین وجود انتقال‌‌دهنده‌‌هایی با اندازه حفرات نانو و ویژگی‌‌های سطحی و بار الکتریکی مناسب با قیمت مناسب در این زمینه بسیار مهم هستند.
• کاتالیزور: غشاهای بر پایه آلومینای نانو متخلخل با مساحت سطح بالا در واحد حجم و بی اثر بودن به لحاظ شیمیایی، پلتفرم‌‌های ایده‌‌الی برای کاربردهای کاتالیستی محسوب می‌‌شوند. بسیاری از فرآیند‌‌های کاتالیزوری صنعتی در دمایی بالا و محیط‌‌های سخت شیمیایی انجام می‌‌شوند. با استفاده از این غشاها فرآیند کاتالیز می‌‌تواند به همراه جدایش مولکولی انجام شود. بسیاری از مطالعات بر قرار دادن اجزای فعال کاتالیزگر مانند نانوذرات فلزات یا اکسید فلزات، کاتالیزورهای آلی یا آنزیم‌‌ها درون نانو حفرات آلومینای متخلخل تمرکز کرده‌‌اند.
• کاربردهای پزشکی: همان ‌‌طور که به طور کلی در مورد آلومینا گفته شد سازگاری زیستی این ماده، آن را گزینه‌‌ای مناسب برای کاربردهای مهندسی بافت و ساخت ایمپلنت‌‌های اورتوپدی کرده است. استفاده از بیومواد نانو ساختار برای مهندسی بافت استخوان با توجه به ماهیت طبیعی این بافت بسیار مطلوب است. این بافت از دو فاز آلی و معدنی به همراه هم تشکیل یافته که در ابعاد نانو و به شکلی منظم در کنار هم قرار گرفته‌‌اند. طبق مطالعات اکسیدهای سرامیکی با سطوح متخلخل و اندازه حفرات حدود µm 100 برای رگزایی و رشد بافت مناسب هستند. اخیراً در پژو‌‌هش‌‌هایی در این راستا رشد مطلوبی از بافت استخوان در حفرات بسیار کوچک‌‌تر AAO با حفرات نانو دیده شد. این مواد به طور کلی بستری به دلیل ساختار نانو بستری مناسب برای رشد و چسبندگی سلول فراهم می‌‌کنند. از آلومینای نانو متخلخل برای کپسوله کردن سلول‌‌ها در کاربردهای مهندسی بافت نیز استفاده می‌‌شود.
• رهایش دارو: از آلومینای نانو متخلخل به عنوان حاملی برای رهایش انواع مولکول‌‌های زیستی در موضع ضایعه می‌‌توان استفاده کرد. این ساختارهای نانو با حفرات زیاد که به روش ارزان قیمت به دست می‌‌آیند، محفظه بسیار خوبی برای به دام انداختن انواع داروها هستند. دارو می‌‌تواند به شکل فیزیکی یا شیمیایی و با اتصالات کووالانسی یا غیر کووالانسی در حفرات به دام بیفتد. به این ترتیب زمان ماندگاری و دسترسی زیستی به آن افزایش یابد. با قرار دادن آلومینای آندی نانو متخلخل حاوی دارو، مولکول‌‌های زیستی به صورت کنترل شده در بافت مورد نظر رها می‌‌شوند. در بسیاری از مطالعات از این ماده برای رهایش هوشمند دارو با حساسیت به عواملی مانند pH، دما، میدان مغناطیسی، نور و اولتراسون استفاده شده است.