سیلیسیوم دومین عنصر فراوان در پوسته زمین و سیلیس (اکسید سیلیسوم) جزء اصلی بیش از 95 درصد از سنگ­های زمین است (5). سیلیس در دو ساختار بلوری و آمورف وجود دارد که شکل بلوری آن در پوسته زمین فراوان­تر است (6). در میان بسیاری از نانوذرات تولید شده، نانوذرات سیلیس با ساختار آمورف به­دلیل کاربرد­های مختلف در بخش­های علمی و صنعتی مانند کشاورزی، کاتالیزورها، انرژی، محیط­زیست، سلامت انسان، فتوکاتالیست­ها، جاذب­ها، عایق حرارتی، مکمل لوازم آرایشی، مواد غذایی و حشره­کش­ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است (7، 6(. علاوه­براین، نانوذرات سیلیس دارای کاربردهای زیست­پزشکی و بیوتکنولوژی است و برای کنترل رهایش داروها و در بیوسنسورها به­خصوص در درمان سرطان و برای انتقالDNA  استفاده می­شود (11-7). بنابراین، نیاز به تولید نانوذرات سیلیس در مقیاس صنعتی وجود دارد (12).

در بیش­تر پژوهش­ها، نانوذرات سیلیس در بیش­تر اوقات از پیش ماده­های سیلیکاتی مانند آلکوکسیدهای سیلیسوم و با استفاده از روش­های مختلف مانند فرآیندهای شیمیایی شامل واکنش­های فاز بخار و سل-ژل تولید می­شود (15-13). این فرآیندها به­علت نیاز به دما و فشار بالا، انرژی زیادی مصرف می­کنند. هم­چنین، دوست­دار محیط­زیست نیستند. بنابراین، تلاش برای جست­وجوی منابع و روش­های جدید تولید نانوذرات سیلیس آمورف با کیفیت بالا و هم­چنین با هزینه­های کم­تر به کمک فرآیندهای سازگار با محیط­زیست در حال انجام است.

بعضی از گیاهان، جلبک­ها و حیوانات می­توانند سیلیس را در بافت­های خود (به طور عمده به­صورت نانوساختار) جمع­آوری کنند. این نوع از سیلیس، سیلیس بیوژنیکی نامیده می­شود. گیاهان و حیوانات، سیلیس را از طریق جذب اسید اورتوسیلیک موجود در آب یا خاک (با محدوده غلظت کم­تر از 6/0-1/0 میلی­مولار و در  pHکم­تر از 9) به دست می­آورند.

علی­رغم این­که سیلیس برای رشد طبیعی تمامی گیاهان ضروری نیست، اما به­نظر می­رسد برای برخی از اثرهای ثانویه مانند نقش ساختاری و عملکردی به­ صورت یک سد معدنی برای جلوگیری از حمله پاتوژن­ها مفید باشد(16). از سوی دیگر، زیست­توده (مواد لیگنوسلولزی) توانایی تجمع مقدار زیادی از سیلیس را دارند و بنابراین از زیست­توده گیاهان می­توان برای تولید نانوذرات سیلیس استفاده کرد (18، 17). گزارش­های متعددی وجود دارد که به تولید نانوذرات سیلیس از زیست­توده اشاره دارند. اصلی­ترین منابع زیست­توده مورد استفاده تا به امروز برای تولید نانوذرات سیلیس عبارتند از قسمت­های مختلف (ساقه، پوست و الیاف) گیاهانی مانند موز، کنف، برگ­های آناناس، سیزال و پسماندهای کشاورزی و صنعتی مانند سبوس برنج (23-19)، تفاله نیشکر و پوسته قهوه (21).  

گونه­های اکوئی ستوم[1] به­عنوان گیاهانی با تجمع بالای سیلیس شناخته می­شوند. این گیاهان در مقایسه با بسیاری از گیاهان دیگر، سیلیس را به شکل سیلیس آمورف هیدراته ذخیره می­کنند. به­علت وجود برآمدگی­های سیلیکایی روی ساقه این گیاهان، گونه­های اکوئی ستوم در گذشته به­منظور صیقل دادن صفحات فلزی و محصولات قلع مورد استفاده قرار می­گرفتند (19). سیلیس در تمام بخش­های اکوئی­ستوم آرونس[2] مشاهده می­شود (24). هولژوتر[3] و همکاران نشان دادند که بیش­تر سیلیس به­صورت یک لایه نازک روی سطح داخلی دیواره سلول گیاهی قرار می­گیرد که در آن ضخامت لایه سطحی از چند نانومتر تا حدود 7 میکرومتر متفاوت است (16). لایه­های سیلیس از ذرات متراکم با اندازه 40-25 نانومتری تشکیل شده­اند. این لایه­ها می­توانند برای تولید نانوذرات سیلیسی مورد استفاده قرار گیرند. امکان به­دست آوردن سیلیس در حدود 25 درصد وزن خشک گیاه در این گونه­های گیاهی وجود دارد و مقدار آن به شرایط آب و هوایی و خاک مورد استفاده برای رشد گیاه بستگی دارد (19،18). از آنجاکه گیاه دم­اسب علاوه­بر ماده مناسب برای استخراج نانوذرات سیلیس، یک عصاره هیدروالکلی با چندین عملکرد ضددرد، ضد التهاب، حفاظت هپاتیکی، ضدقارچ و خواص آنتی­متوتوکسینژیک ایجاد کند، از این نظر نیز مورد توجه قرار گرفته است (25). هم­چنین بیش از 70 درصد زیست­توده دم­اسب شامل کربوهیدرات­هایی است که طی فرآیند تخمیر می­تواند به مواد مفیدی مانند سوخت­های مایع، اسیدهای ارگانیک، بیوپلی­مرها و سایر مواد شیمیایی سبز تبدیل گردد (26).

باتوجه­به مباحث مطرح شده در بالا، هدف اصلی این پژوهش تولید ارزان قیمت و کارآمد نانوذرات سیلیس با خلوص بالا با استفاده از گیاه اکوئی­ستوم آرونس و بررسی ویژگی- های محصول به­دست آمده است.

مواد و روش­ها

به­منظور استخراج نانوذرات سیلیس از گیاه دم­اسب، مراحل زیر در این تحقیق انجام گرفت (27): در این تحقیق گیاه موردنظر از شمال ایران و شهر تنکابن تهیه گردید. کد هرباریومی برای این گیاه در سال 1891 در کالیفرنیا، 3518377 به­دست آمده است که این گیاه توسط یک گیاه­شناس با این کد هرباریومی تأیید شد. لازم­به ذکر است که برای این گیاه چندین کد باریومی وجود دارد و گیاه مورد استفاده در این پژوهش، دارای کد هرباریومی ذکر شده در بالاست.

ابتدا ساقه­های خشک گیاه دم­اسب، به­طور کامل خرد شد. سپس به­طور کامل با آب دیونیزه شسته شده تا گرد و غبار از آن خارج شود. بعد از آن در آون و در دمای110 درجه سانتی­گراد به­مدت ۲۴ ساعت قرار داده شد تا به­طور کامل خشک شود. به­منظور حذف ناخالصی­ها که ممکن است خلوص سیلیس تولید شده را تحت تأثیر قرار دهند، گیاه دم‌اسب خشک شده با محلول اسیدی (M ۱/۰) HCl به­مدت دو ساعت رفلاکس گردید. سپس به­مدت ۲۰ ساعت به­همان صورت باقی ماند تا خنک شود. در مرحله بعد، از طریق شستشو با آب مقطر، اسید مورد استفاده خارج گردید و سپس نمونه در آون و در دمای 103 درجه سانتی­گراد به­مدت ۲۴ ساعت قرار داده شد تا خشک شود. نمونه خشک شده در دمای 500 درجه سانتی­گراد به­مدت ۴۸ ساعت در کوره الکتریکی قرار داده شد (کلسینه کردن) تا پودر به­نسبت سفید رنگی حاصل شود. سپس، 20 گرم از نمونه به ۱۶۰ میلی­لیتر محلول (M ۵/۲) NaOH اضافه گردید. محلول در یک ظرف در بسته به­مدت ۳ ساعت بر روی هم­زن و در دمای 40 درجه سانتی­گراد نگهداری شد. پس از صاف کردن، محلول باقی­مانده در زیر صافی با ۴۰ میلی­لیتر آب مقطر شسته شد. سپس اسیدسولفوریک ( M۵) تحت شرایط کنترل­شده در حین هم­خوردن محلول تا ۲ pH< اضافه گردید. سپس آمونیوم هیدروکسید اضافه گردید تا ۵/۸ pH> شود. محلول به­مدت ۳ ساعت در دمای اتاق نگهداری شد. رسوب به­دست آمده چندین مرتبه با آب دیونیزه گرم شسته شد و در نهایت در ۵۰ درجه سانتی­گراد به­مدت ۴۸ ساعت در آون خشک گردید.

در نهایت ویژگی­های مورفولوژیکی، ساختار کریستالی، ترکیب شیمیایی، مساحت سطح ویژه و اندازه ذرات پودر سیلیس سنتز شده توسط روش­های مختلفی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش اشعه ایکس (XRD)، فلوئورسانس اشعه ایکس (XRF)، پراکندگی نور دینامیکی (DLS) و تکنیک BET ارزیابی گردید.

از روش SEM می­توان برای دست­یابی به اطلاعاتی مانند شکل، اندازه و حتی ترکیب شیمیایی نانوذرات استفاده کرد. هم­چنین، تکنیک XRD برای تعیین ساختار کریستالی مواد و تعیین درصد فازها بسیار پرکاربرد است. از سوی دیگر، از روش XRF می­توان عناصر موجود در یک نمونه را شناسایی کرد و هم­چنین مقدار کمی آن­ها را نیز تعیین کرد. این روش به­خصوص برای نمونه­های معدنی نتایج خوبی را ارائه می­کند. روش XRF به­دلیل سرعت عمل، دقت مناسب و عدم وابستگی­به شخص آنالیز کننده، جایگزین مناسبی برای سایر روش‌های آنالیز شیمی در شناسایی مواد است. علاوه­بر این، از روش DLS برای تعیین توزیع ذرات موجود در محلول‌ها و سوسپانسیون­ها استفاده می­شود. در نهایت، سیستم BET براساس سنجش حجم گاز (به­طور معمول نیتروژن) جذب و واجذب شده توسط سطح ماده در دمای ثابت (نیتروژن مایع) کار می­کند. این روش برای اندازه­گیری مساحت سطح ویژه و تعیین میزان تخلخل نانومواد استفاده می­شود.

یافته­ها

پودر سیلیس به­ دست آمده بعد از مرحله کلسینه کردن، رنگ خاکستری مایل به سفید دارد. می­ توان گفت که بخش آلی (به­طور عمده کربن) موجود در گیاه به­طور کامل در این مرحله حذف شده است. طبق تحقیقات صورت گرفته بر روی خاکستر گیاه دم‌اسب، رنگ قهوه­ای بیانگر این است که مقدار زیادی از مواد ارگانیک در خاکستر وجود دارد و در نتیجه سیلیس با درصد خلوص کم­تری به­دست می­آید (28).

در جدول 1 نتایج آزمون XRF (S4 PIONEER از شرکت Bruker آلمان) استفاده شده برای تعیین درصد عناصر تشکیل دهنده ذرات ₂Sio به دست آمده از گیاه دم‌اسب ارائه شده است. از این جدول به­خوبی مشاهده می­گردد که ترکیب اصلی خاکستر گیاه دم‌اسب پس از مراحل متعدد شست­و­شو حاوی حدود 97 درصد ₂Sio است. اما هم­چنان برخی از عناصر دیگر در ترکیب باقی مانده­اند که مجموع آن­ها در حدود 5/2 درصد است. در تحقیقی دیگر بر روی گیاه دم‌اسب که در دمای 500 درجه سانتی_­­گراد کلسینه شده است، مشاهده گردید که ترکیب اصلی خاکستر گیاه دم‌اسب حاوی 6/59 درصد ₂Sio است. در همان تحقیق پس از کلسینه در دمای 500 درجه سانتی_­­گراد و شست­وشو با اسید، این مقدار به 5/93 درصد رسیده است (28،19). هم­چنین طبق تحقیقات مقدار درصد ₂Sio به­دست آمده از خاکستر پوسته برنج پس از کلسیناسون و اسیدشویی در حدود 5/98 به­دست آمده است (29).

جدول 1- ترکیب شیمیایی پودر به­دست آمده از گیاه دم‌اسب بعد از کلسیناسیون و اسیدشویی

شکل 1 الگوی XRD پودر سیلیس به­دست آمده با خلوص بالا را نشان می­دهد. همان­طورکه از الگو مشاهده می­گردد، تنها یک پیک پهن در محدوده 15 تا 30 درجه وجود دارد که نشان­دهنده ساختار آمورف سیلیس به­دست آمده است. به­عبارت دیگر عدم وجود پیک­های باریک با شدت بالا، نشان­دهنده عدم وجود ساختارهای کریستالی سیلیس مانند کوارتز یا کریستوبالیت است. نتیجه به­دست آمده با دیگر مشاهدات گزارش شده، برای سیلیس به­دست آمده از سبوس برنج مطابقت دارد. هم­چنین با گزارش­های دیگر، بر روی سیلیس به­دست آمده از پوسته برنج و آندوکرپ نارگیل مطابق است (30). محققان دیگری نیز این پیک را برای نانوسیلیس به­دست آمده از سبوس برنج پس از فرآیند اسیدشویی در همین محدوده مشاهده کردند (31).

شکل 1- الگوی XRD ترکیب پودر به­دست آمده از گیاه دم­اسب پس از کلسناسیون و اسیدشویی

نمودار به­دست آمده از آزمون DLS (Nano Partice Analyzer SZ-100) برای خاکستر به­دست آمده از گیاه دم‌اسب پس از شست­و­شو در شکل 2 ارائه شده است. از این شکل می­توان به این نتیجه رسید که توزیع اندازه ذرات تنها در یک گستره قرار دارد و میانگین به­دست آمده برای آن­ها در حدود 150 نانومتر است.

شکل 2- نتیجه آزمون DLS برای پودر به-دست آمده از گیاه دم اسب

مورفولوژی نانوذرات سیلیس توسط روش SEM (ZEISS SIGMA 500 VP) مشاهده گردید. در شکل 3 نمونه­ای از تصاویر به­دست آمده ارائه شده است. توزیع اندازه ذرات کمابیش یکنواخت و میانگین اندازه‌ی آن­ها در حدود 30 نانومتر است. هم­چنین شکل ذرات کمابیش کروی است. البته میانگین اندازه‌ به­دست آمده برای ذرات در مقایسه با آزمون DLS به مراتب کوچک­تر است. علت این امر تأثیر قطر هیدرودینامیکی بر نتایج DLS است. به­عبارت ساده­تر قطر به­دست آمده از آزمون DLS به­طور معمول بزرگ­تر از مشاهده­های مستقیم میکروسکوپی است. در مطالعه­ای با استفاده از SEM گزارش شده است که نانو ذرات سیلیس به­دست آمده از گیاه دم‌اسب در حالت خشک به­طور معمول به­هم پیوسته­اند. علاوه­براین، اندازه ذرات تجمع یافته مشاهده شده در آن مطالعه در حدود 300 نانومتر گزارش شده است (4).

شکل 3- تصویر SEM نانوذرات سیلیس به­دست آمده از گیاه دم­اسب

نتایج به­دست آمده از آزمون BET در جدول 2 ارائه شده است. همان­گونه که مشاهده می­گردد، مقدار به-دست آمده برای مساحت سطح ویژه در نمونه‌ سنتز شده در این پژوهش، به­نسبت بالا است. در سایر مطالعه­های صورت گرفته بر روی گیاه دم‌اسب کلسینه شده در دمای 500 درجه سانتی_­­گراد، این مقدار برای مساحت سطح ویژه /g² m 54، برای قطر حفرات 28/50  نانومتر به­دست آمده است. هنگامی که خاکستر این گیاه علاوه­بر کلسینه شدن در دمای 500 درجه سانتی_­­گراد با اسید نیز شسته شد، مساحت سطح به­ ویژه به حدود /g² m330 و قطر حفرات به 21/8 نانومتر رسیده است (19). بالا بودن عدد مساحت سطح ویژه در پژوهش فعلی می­تواند به تعدد مراحل شست­وشو در هنگام آماده‌سازی سیلیس از خاکستر گیاه دم‌اسب مربوط باشد. به­عبارت دیگر این مراحل منجر به خروج بیش­تر ناخالصی­ها از ساختار سیلیس و ایجاد تخلخل در نانوذرات شده است.

جدول 2 -نتایج آزمون BET پودر به­دست آمده از گیاه دم اسب

بحث

نانوذرات سیلیکا می­توانند توسط طیف­های گسترده­ای از روش­ها، شامل روش سل-ژل، روش سنتز هیدروترمال، سنتز flame، تکنیک میکروامولسیون برگشتی تهیه شوند. عامل­دار کردن نانوذرات سلیکا، ممکن است توسط روش­های پیوندی و هم­رسوبی انجام شود.

طبق تحقیقات انجام گرفته بر روی گیاه Equisetum arvense، خاکستر این گیاه بیش­تر از ₂Sio تشکیل شده است (98-81 درصد) (32) که درصد ₂Sio به­دست آمده در این پژوهش (5/97 درصد) برای گیاه دم­اسب مورد استفاده، نزدیک به بالاترین درصد، گزارش شده است. سایر نویسندگان با انجام تیمار اسیدی خاکستر پوسته برنج، سطوح مشابهی از سیلیس خالص (بیش از 96 درصد) را به­دست آوردند(6).  

گزارش شده است که pH مراحل آماده­سازی و دمای کلسینه کردن بر کیفیت سیلیس به­دست آمده از زیست­توده گیاهان تأثیر می­گذارند (32). کلسینه کردن منجر به تجزیه ترکیب­های کربنی به مونوکسیدکربن و خروج آب ساختاری می­گردد و ترکیب­های سیلیکاتی را به سیلیس تبدیل می­کند (28). سیلیس به­دست آمده از این طریق شبیه به لیگنین و زیست تقلید شده است و بنابراین از ذرات متخلخل نانومتری تشکیل است. این نانوذرات می­توانند بسته به دمای کلسینه شدن به ذرات میکرومتری تبدیل شوند. در واقع دمای کلسینه کردن، مساحت سطح ویژه سیلیس و رنگ آن را تعیین می­کند. براساس تحقیقات (28)، کم­ترین دمای کلسیه کردن در فرایند استخراج سیلیس از زیست­توده گیاهان که منجر به تولید نانوذرات سیلیس سفید رنگ با بیش­ترین مساحت سطح ویژه می­گردد، دمای حدود 500 درجه سانتی_­­گراد است. افزایش دمای کلسینه شدن، باعث کاهش مقدار مساحت سطح ویژه می­شود که این کاهش می­تواند به­دلیل نفوذ و به­هم پیوستن ذرات ریز و رشد ذرات درشت و در نتیجه افزایش میانگین اندازه ذرات و کاهش سطح کلی مرتبط باشد. در بررسی صورت گرفته بر روی نمونه‌های Equisetum hyemale در محدوده دمای کلسینه شدن از350 تا 700 درجه سانتی­گراد، بهترین نتیجه برای سطح ویژه در دمای 500 درجهی سانتی­گراد به­دست آمده است (19). اگرچه، در مطالعه دیگری بر روی خاکستر ضایعات نیشکر به­دست آمده از سوزاندن ضایعات نیشکر، که می­تواند شامل بسیاری از ناخالصی­های مختلف، به­ویژه نمک و گونه­های کربن باشد، پس از انجام مراحل پیش تیمار، تحت دمای400 درجه سانتی­گراد و توسط واکنش با سدیم­هیدروکسید، سیلیکا از خاکستر ضایعات نیشکر استخراج شد (34). در این مطالعه نیز سیلیکا با خلوص بالایی (بیش از 99 درصد) به­دست آمد.

در پژوهش حاضر، چندین مرتبه شست­و­شو با اسید انجام گرفت. دلیل چندین مرتبه شست­و­شو با اسید این است که پژوهشگران نشان دادند که درست است که آب می­تواند مقدار زیادی از پتاسیم را از بافت گیاه حذف کند. با این حال، دیگر فلزات مانند کلسیم برای حذف مؤثر، نیاز به اسیدی شدن دارند (32). در واقع، شست­وشو با اسید یکی دیگر از مراحل اصلی تأثیرگذار بر روند تولید نانوذرات سیلیس متخلخل از منابع زیست­توده است. در نتیجه عامل مهم بعدی در سنتز نانوذرات سیلیس با خلوص بالا، تعداد چرخه شست­وشو با اسید است که بر روی مساحت سطح ویژه پودر سیلیس تأثیر می­گذارد. گزارش شده است که افزایش چرخه شست­وشو با اسید منجر به افزایش مساحت سطح ویژه می­شود (32).

در نتایج به­دست آمده از این تحقیق به­خوبی مشهود است که مساحت سطح ویژه به­دست آمده (/g²m 414) در مقایسه با دیگر پژوهش­های صورت گرفته قبلی (/g²m 54) به­طور قابل ملاحظه­ای بالاتر است (19). pH مراحل فرآوری نیز بر روی مساحت سطح ویژه ذرات سیلیس به­دست آمده تأثیر می­گذارد. به­عبارت دیگر، هنگامی­که نمونه گیاهی با اسید شسته شود، نه تنها مواد معدنی نظیر سدیم، پتاسیم و کلسیم حذف می­شوند، بلکه این امر ممکن است پکتین­ها و همی­سلولز­های موجود در ساختار نمونه گیاهی را نیز حل کند (31). هم­چنین در طی این فرآیند، ممکن است سلولز آمورف نیز حل شود (31). هم­چنین در طی این فرآیند، ممکن است سلولز آمورف نیز حل شود (33). در این فرآیند، حدود 95 درصد مواد معدنی و 65 درصد مواد آلی حذف می­شوند. در نتیجه، محصول به­دست آمده پس از اسیدشویی، یک ماده متخلخل است (35،32،19).

نتیجه­گیری

در این تحقیق، از گیاه دم­اسب Equisetum telmateia Ehrh. به­عنوان منبع سیلیس برای تهیه نانوذرات سیلیس متخلخل استفاده شد. نتایج به­دست آمده نشان داد که این گیاه را می­توان به­عنوان مواد اولیه برای تولید نانوذرات سیلیس استفاده کرد. پودر سیلیس به­دست آمده از خاکستر گیاه دم­اسب پس از کلسینه کردن در دمای 500 درجه سانتی­گراد و مراحل متعدد اسیدشویی دارای خلوص بالا (5/97 درصد)، ساختار آمورف، سطح ویژه به نسبت بالا (حدود /g2m 410) و متوسط اندازه ذرات حدود 30 نانومتر است. بنابراین، بیوسیلیس به­دست آمده از گیاه دم­اسب می­تواند یک گزینه مناسب به­عنوان مواد اولیه در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرد.