فهرست مطالب

مجله مواد و فناوری های پیشرفته
سال دوازدهم شماره 2 (تابستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/07/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • معصومه شهریاری کله مسیحی، محمدرضا لقمان استرکی*، حجت الله منصوری، حسین جمالی، مهران سرداریان صفحات 1-11

    در این پژوهش، سرامیک آلومینای شفاف با فرایند تف جوشی جرقه ای پلاسما (SPS) تولید شد. دراین راستا، در تحقیق حاضر، فرایند تولید این سرامیک ها با استفاده از روش رسوب شیمیایی در حضور کمک تف جوش های نیترات منیزیم و نیترات لانتانیوم و با استفاده از پودر آلفا-آلومینا با اندازه ذرات (200 و 1000 نانومتر) انجام شد. دوغاب حاصل از پودر آلومینا، نیترات منیزیم و نیترات لانتانیوم، در دمای 80 درجه سلسیوس خشک شد و کلسیناسیون در 800 درجه سلسیوس انجام شد. به این منظور، سوسپانسیون از نانوذرات آلومینا با ppm 100 اکسید منیزیم و ppm 100 اکسید لانتانیوم با استفاده از نمک های نیترات منیزیم و نیترات لانتانیوم تولید شدند. به منظور ارزیابی خواص ساختاری و ریزساختاری پودرهای تولیدشده، بر روی نمونه ها آزمون های پراش پرتوی ایکس (XRD) و میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) انجام شد. تف جوشی در دمای 1500 درجه سلسیوس، مدت زمان نگهداری 15 دقیقه و فشار 70 مگاپاسکال انجام شد. آزمون عبور نور مادون قرمز نشان داد که در حضور کمک تف جوش های اکسیدهای منیزیم و لانتانیوم، عبور نور در نمونه 200 نانومتر، 65 درصد حاصل شد. نمونه 1000 نانومتر SPS شده، از شفافیت بسیار کمی برخوردار شد و دانسیته بالک این نمونه 96 درصد دانسیته تیوری آلفا-آلومینا را شامل شد. از سوی دیگر، حضور کمک تف جوش ها به واسطه افزایش چگالی نمونه ها و نیز جلوگیری از رشد دانه در مرحله تف جوشی سبب ایجاد شفافیت در سرامیک تولیدی شد. به منظور تعیین سازوکار کمک تف جوش ها آنالیز EDS-Line انجام شد و نشان داد که اکسید لانتانیوم در مرزدانه های آلومینا قرار گرفته و از رشد دانه آلومینا در طی تف جوشی ممانعت کرده است و اکسید منیزیم با تشکیل شبکه اسپینل افزایش چگالی آلفا-آلومینا را درپی داشته است و همین سازوکار منجر به شفافیت در نمونه ها شده است. همچنین، تنظیم pH و عملیات کلسیناسیون در روش رسوب شیمیایی منجر به افزایش عبور نور مادون قرمز از 60 به 65 درصد در عدد موجی 1/cm  1550 شده است.

    کلیدواژگان: آلومینا، رسوب شیمیایی، شفاف، عبور، کمک تف جوش
  • الهام دانش مقانلو، مهسا سادات میرعلینقی*، الهام منیری صفحات 13-28

    در این پژوهش، بیونانوکامپوزیت گرافن اکسید پیوندخورده با یک پلیمر مشتق از سلولز طبیعی (CCG) تهیه شد و کارایی آن به عنوان یک حامل هدفمند برای بارگذاری داروی ضدسرطان کورکومین مورد مطالعه قرار گرفت. ویژگی های سطحی و ساختاری CCG با آنالیزهای FESEM، BET، و FTIR بررسی شد. روش سطح پاسخ (RSM) و طرح کامپوزیت مرکزی برای بهینه سازی عوامل موثر شامل pH، زمان تماس، و غلظت اولیه دارو بر درصد جذب دارو روی کامپوزیت استفاده شد. نتایج حاصل از طراحی کامپوزیت مرکزی نشان داد که یک مدل درجه دوم با ضریب تعیین 9845/0 و 0001/0 > p برای برازش داده های تجربی مناسب است و بیشینه جذب (70 درصد) در شرایط 6 = pH، زمان تماس 60 دقیقه و غلظت اولیه 20 میلی گرم بر لیتر پیش بینی شد. درصد رهایش دارو از نانوحامل CUR@CCG در6/5 = pH به میزان چشمگیری بیش از 4/7 = pH بود که نشان دهنده اثربخشی سامانه در محیط سلول سرطانی است. اثر سمیت سلولی CUR، CCG، و CUR@CCG روی دو رده سلولی سالم (MCF 10A) و سرطانی (MDA-MB 231) پستان به روش MTT بررسی شد. اثر سمیت سلولی CUR@CCG در غلظت 96 میکروگرم بر میلی لیتر و در زمان 24 ساعت بر سلول های MDA-MB 231، در حدود 45 درصد و کمی کمتر از CUR آزاد (50 درصد) بود. بر اساس نتایج حاصل، بیونانوکامپوزیت CCG می تواند به عنوان یک نانوحامل زیست سازگار و هدفمند برای داروی ضد سرطان CUR مورد استفاده قرار گیرد.

    کلیدواژگان: کامپوزیت پلیمری، طرح مرکب مرکزی، بقای سلولی، دارورسانی هدفمند
  • محمدرضا رحیمی پور*، افشین همتا صفحات 29-38

    در این پژوهش، سیستم های دوفازی آبی بر پایه دکستران به عنوان یک سیستم دوستدار محیط زیست برای استخراج یون های فلزی بکار رفته است که در آن برای ایجاد منطقه دوفازی از نمک سدیم سیترات یا سدیم فسفات استفاده شده است. دما، pH، میزان یون فلزی موجود در پساب و میزان استخراج کننده ازجمله عوامل تاثیرگذار بر استخراج در سیستم های دوفازی آبی هستند که در این تحقیق موردبررسی قرارگرفته است. بدین منظور اثر pH بر استخراج یون های فلزی سرب، آرسنیک و کادمیوم در سطوح 7 تا 10 بررسی شده و آزمایش ها در دماهای 5 تا 45 درجه سانتیگراد تکرار شده است. نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن است که در سیستم دکستران/سدیم فسفات، یون های فلزی کادمیوم و سرب میتواند تا 100 درصد حذف شوند ولی یون فلزی آرسنیک حداکثر 88% قابلیت جداسازی دارد. در سیستم دکستران/سدیم سیترات، امکان جدسازی 100 درصدی یون های فلزی کادمیوم و آرسنیک وجود دارد ولی حداکثر جداسازی سرب60% خواهد بود. برای بررسی تعادل ترمودینامیکی در سیستم های دوفازی آبی، از مدل UNIQUAC استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که این مدل توانایی مدل سازی سیستم های دوفازی آبی حاوی یون های فلزی را داشته و میزان خطای آن ها از نتایج تجربی حدود 1% است. خط برازش شده بین ضریب توزیع تجربی و ضریب توزیع به دست آمده از داده های مدل سازی، دارای R2 بالاتر از 99/0 است. این نتایج نشان دهنده توانایی مدل پیشنهادی برای پیش بینی ضریب توزیع یون فلزی برای سیستم بررسی شده است.

    کلیدواژگان: فلزات سنگین، پساب پالایشگاهی، سیستم های دو فازی آبی، مدل سازی ترمودینامیکی
  • فاطمه بنافتی زاده، علی زمانیان* صفحات 39-54
    گلیسیدوکسی پروپیل تری متوکسی سیلان (GPTMS)، افزون بر بهبود عملکرد زیست فعالی و سلولی داربست ها، به افزایش پایداری و استحکام هیدروژل ها در کاربردهای استخوانی منجر می شود. درصد عامل شبکه ای کننده افزوده شده یکی از عوامل موثر در خواص داربست است. به همین دلیل، در این مطالعه، داربست های کیتوسان و ژلاتین با درصدهای وزنی گوناگون GPTMS به روش خشکاندن انجمادی آماده و ارزیابی شدند. نتایج میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشانگر دستیابی به داربست های متخلخل است که اندازه تخلخل ها، با افزایش مقدار عامل شبکه ای کننده، به حدود 290 میکرون رسیدند. نتایج طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه نشان داد که پلیمر ها و فرایند شبکه ای شدن با تشکیل گروه های سیلانه برهم کنش دارند. همچنین، زاویه تماس با افزایش مقدار عامل شبکه ای کننده کاهش یافت و نمونه دارای 75 درصد وزنی GPTMS دارای زاویه تماس مطلوب 5/3 ± 7/60 درجه بود و درصد تورم و تخریب کاهش یافت. بااین حال، خواص مکانیکی با افزودن GPTMS تا 267 ± 1590 کیلوپاسکال افزایش یافت. همچنین، GPTMS به افزایش خواص زیست فعالی و رسوب لایه هیدروکسی آپاتیت منجر شد که الگوی تفرق پرتو ایکس نیز این ادعا را تایید می کند. به نظر می رسد که داربست ژلاتین - کیتوسان، با 75 درصد وزنی GPTMS، بهترین نمونه برای استفاده در مهندسی بافت استخوان است.
    کلیدواژگان: ژلاتین، کیتوسان، عامل شبکه ای کننده، مهندسی بافت استخوان
  • راضیه حیاتی*، ایمان فریدون پور، رضا فدایی صفحات 55-71

    در این پژوهش، الیاف PZT با استفاده از پودر تجاری PZT-5A و افزودنی های پلیمری و حلال آب دیونیزه تهیه شد. رفتار ریولوژی خمیرهای مختلف با مقادیر جامد و افزودنی های متفاوت بررسی شد و بهترین خمیر برای تزریق توسط سرنگ (فرایند اکستروژن) انتخاب شد. در این میان خمیر حاوی 85٪ جامد و 1٪ وزنی گلیسرول که با استفاده از محلول 15٪ وزنی PVA تهیه شد دارای بهترین رفتار ریولوژی بود. الیاف به دست آمده در دمای C100 خشک شده و فرایند چسب زدایی در دمای C600 با نرخ C/min1 به مدت 2 ساعت انجام گردید. فرایند تف جوشی در محدوده دمای C1270-1220 در زمان های 4-5/2 ساعت انجام شد. بررسی های فازی انجام شده توسط آنالیز پراش اشعه X نشان داد که الیاف به دست آمده در دمای C1220 دارای ساختار تک فاز پروسکایت PZT می باشد، اما با افزایش دمای تف جوشی پیک های ثانویه مربوط به اکسیدهای زیرکونیوم و تیتانیوم در الگوهای پراش الیاف مشاهده شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی از سطح الیاف نشان داد الیاف تف جوشی شده در دمای C1220 به مدت 2 ساعت عاری از هرگونه ترک و دارای چگالی قابل قبول بود. بعلاوه، بر اساس تصاویر SEM میانگین قطر این نمونه حدود µm300 محاسبه شد. تصاویر سطح شکست الیاف نشان داد که این نمونه دارای ریزساختاری با دانه های مکعبی با میانگین اندازه دانه μm5/1 بود که حدود نصف میانگین دانه های PZT بالک با دانه های کروی در دمای بهینه تف جوشی بود.

    کلیدواژگان: پیزوالکتریک، الیاف، PZT، تف جوشی، ریزساختار
  • سولماز امیرشکاری، رضا ریاحی فر*، بابک رئیسی دهکردی، مازیار صهبا یغمایی صفحات 72-87

    مواد کاتدی اکسیدی لایه ای غنی از نیکل LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM) به دلیل چگالی انرژی و ظرفیت بالا به طور فزاینده ای در صنعت خودروهای الکتریکی مورد توجه قرار دارند. با وجود این، با افزایش مقدار نیکل،  واکنش شیمیایی لایه سطحی و اختلاط کاتیونی Li+/Ni2+افزایش و پایداری ساختاری و حرارتی ماده کاتدی کاهش می یابد. راهبرد تک کریستالیزاسیون ذرات می تواند پایداری ساختاری و عملکرد الکتروشیمیایی مواد کاتدی را بهبود بخشد، ولی سازوکار آن کاملا شناخته شده نیست. در این پژوهش، با ارایه مدلی محاسباتی، نشان می دهیم که سرعت جوانه زنی ذرات هیدروکسیدی با کاهش pH و کنترل نسبت فوق اشباع کاهش می یابد و درنتیجه تعداد جوانه های تشکیل شده کم می شود. براساس نتایج این مدل، تعداد جوانه های هیدروکسیدی تشکیل شده در پایان سنتز هم رسوبی در pH 5/11، 11 و 5/10 به ترتیب 73/5، 3/4 و 27/2 برابر تعداد جوانه های تشکیل شده در سنتز هم رسوبی در pH 10 است. لذا، با کاهش مقدار pH در حین فرایند سنتز از 5/11 به 10، به ریزذرات تولیدشده در سیستم اجازه داده می شود تا به طور کامل به کریستال های بزرگ تر تبدیل شوند و به سمت تک کریستال شدن تمایل یابند و مشکلات فصل مشترک کاتد/الکترولیت در آن ها کاهش یابد. نتایج حاصل از این مدل می تواند نتایج تجربی پژوهش هایی را که مواد کاتدی تک کریستال سنتز کرده اند توجیه کند.

    کلیدواژگان: هم رسوبی، NCM، کاتد تک کریستال، مدل محاسباتی، باتری لیتیم-یون
|
  • Masoumeh Shahriari Kallemasihi, MohammadReza Loghman Estarki *, Hojjatollah Mansouri, Hossein Jamali, Mehran Sardarian Pages 1-11

    In this research, transparent alumina ceramic was synthesized through the Spark Plasma Sintering (SPS) process. In this respect, its chemical deposition in the presence of Magnesium Nitrate and Lanthanum Nitrate, as the sintering agents, was surveyed. For this purpose, two types of alpha alumina powders (200 and 1000 nm) were used to prepare samples containing 100 ppm Magnesium Oxide and 100 ppm Lanthanum Oxide. In the chemical deposition process, the pH factors were compared, and the absence of powder calcination was investigated. In order to evaluate the phases, the samples were compared before and after SPS using X-Ray Diffraction (XRD) analysis, and deliberation of the microstructure was done using Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) analysis. Further, SPS was performed at 1500 °C at the rate of 50 °C/min under the pressure of 70 MPa for 15 min. The results of the IR transmittance test showed that the pH was adjusted and calcination was performed in 65 % of the 200-nm sample. EDS-Line analysis was then done to determine the mechanism of the sintering aids. The obtained results revealed the placement of Lanthanum oxide along the Alumina grain boundaries and the exclusion of the growth of Alumina grains during the sintering process while Magnesium oxide formed a spinel lattice to increase the density of alpha Alumina. Of note, pH adjustment and calcination reaction had significant effects on the enhanced transparency of the samples produced through the chemical deposition process.

    Keywords: Alumina, Chemical Deposition, Transparency, Transmission, Sintering aid
  • Elham Daneshmoghanlou, Mahsa sadat Miralinaghi *, Elham Moniri Pages 13-28

    In the present research, cellulose-conjugated graphene oxide (CCG) was prepared, and its efficiency as a targeted carrier was explored for loading curcumin, an anti-cancer drug. The structural and surface properties of CCG were examined by FESEM, BET, and FTIR techniques. Response surface method (RSM) with the central composite design was employed to optimize the effective parameters, such as pH, contact time, and initial drug concentration, on the drug adsorption on the composite. The central composite design results indicated that a second-order equation can properly fit the experimental data with a coefficient of determination of 0.9845 and p < 0.0001. The maximum adsorption (70%) was achieved at pH = 6, contact time of 60 min, and initial concentration of 20 mg L−1. The drug release from the CUR@CCG nanocarrier at pH = 5.6 was significantly higher than pH = 7.4, demonstrating the effectiveness of the system in the cancer cell environment. The MTT assay was used to assess the cytotoxicity of CUR, CCG, and CUR@CCG on two cell lines, including normal (MCF 10A) and breast cancer (MDA-MB 231). The cytotoxicity of CUR@CCG at a concentration of 96 μg mL−1 for 24 h on MDA-MB 231 was almost 45%, slightly lower than free CUR (50%). Based on these results, the CCG bio-nanocomposite can be utilized as a biocompatible nanocarrier for targeted delivery of the CUR anti-cancer agent.

    Keywords: polymer composite, Central composite design, Cell Viability, targeted drug delivery
  • MohammadReza Rahimipoor *, Afshin Hamta Pages 29-38

    In this study, dextran-based Aqueous Two-Phase Systems (ATPS) were used as the environmentally-friendly systems for extraction of metal ions. To this end, sodium citrate or sodium phosphate was used to create the two-phase region. The temperature, pH, metal ion concentration in wastewater, and amount of extractant were among the factors affecting the extraction efficiency in aqueous two-phase systems that were investigated in this study. For this purpose, the effect of pH on the extraction of lead, arsenic, and cadmium ions was investigated at the pH levels of 7-10, and the experiments were repeated at the temperatures ranging from 5 to 45 degrees Celsius. The laboratory results showed that cadmium and lead ions could be removed up to 100 % in the dextran/sodium phosphate system while the maximum separation of the lead ions was 60 % in the dextran/sodium citrate system. The maximum separation of arsenic ions was found to be 88 %. The UNIQUAC model was used to investigate the thermodynamic equilibrium in the aqueous two-phase systems. According to the obtained results, the proposed model could accurately predict the distribution coefficient of the metal ions in the ATPS. The error rate of the model was approximately 1 %. The proposed model can also be used to predict the distribution coefficient of the metal ions in the ATPS.

    Keywords: heavy metals, Refinery Effluent, Two-Phase Aqueous System, Thermodynamic Modeling
  • Fatemeh Banafatizadeh, Ali Zamanian * Pages 39-54
    Use of γ-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTMS) enhances the stability and strength of hydrogels and improves the bioactivity and cellular performance of the scaffolds in bone applications. Given that one of the leading factors that affects the properties of the scaffold is the percentage of the cross-linking agent, chitosan and gelatin scaffolds with different percentages of GPTMS were prepared and evaluated through freeze-drying method. The results from Scanning Electron Microscope (SEM) confirmed the achievement of porous scaffolds with open pores and upon increasing the amount of cross-linking agent, the size of the pores reached approximately 290 microns. The results of the infrared spectrum showed the interaction among the polymers and process of cross-linking with the formation of silane groups. In this study, upon increasing the amount of the transverse bonding agent, the contact angle decreased, the optimal contact angle of the sample with 75 (weight percent) GPTMS reached 60.7 ± 3.5 degrees, and the percentages of both swelling and degradation ultimately decreased. It should be noted that the mechanical properties were improved by adding GPTMS up to 1590 ± 267 kPa. According to the findings of this study, application of GPTMS led to an enhancement in the bioactivity properties and deposition of the hydroxyapatite layer, and the X-ray diffraction pattern confirmed this claim. The obtained results support the hypothesis that gelatin-chitosan scaffolds with 75 (wt %) GPTMS seem to be the best samples for use in bone tissue engineering.
    Keywords: Gelatin, Chitosan, Cross-Linker, Bone tissue engineering
  • Raziye Hayati *, Iman Fereydoonpoor, Reza Fadaei Pages 55-71

    In this research, PZT fibers were fabricated using PZT-5A commercial powder, polymeric additives and deionized water as solvent. The rheological behavior of different pastes with various amounts of solids and additives was investigated and the best paste was selected for syringe injection (extrusion process). Meanwhile, the paste containing 85wt% solid content and 1wt% glycerol, which was prepared using a 15wt% PVA solution, showed the best rheological behavior. The obtained fibers were dried at 100°C and the burnout process was carried out at 600°C with heating rate of 1°C/min for 2 hours. The sintering process was carried out in the temperature range of 1220-1270 ͦC for 2.5-4 hours. The phase investigations conducted by X-ray diffraction analysis showed that the fibers sintered at 1220°C have a single-phase perovskite structure and peak splitting confirms the ferroelectric nature of fiber. However, at higher sintering temperature, secondary peaks related to zirconium and titanium oxides were observed in the fiber diffraction patterns. Scanning electron microscope (SEM) images from the surface of the fibers showed that the fibers sintered at 1220°C for 2 hours were free of any cracks and had an acceptable density. In addition, based on the SEM images from the fracture surface of the fibers, the microstructure of this sample consisted of cuboid grains with average size of 1.5 μm, which is half of the average grain size of bulk PZT with spherical grains at its optimum sintering temperature.

    Keywords: Piezoelectric, Fiber, PZT, Sintering, Microstructure
  • Solmaz Amirshekari, Reza Riahifar *, Babak Raissi Dehkordi, Maziar Sahba Yaghmaee Pages 72-87

    Nickel-rich layered oxide cathode materials with the chemical formula of LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (NCM) are increasingly utilized in the electric vehicle industry owing to their high energy density and high capacity. Although increasing the nickel concentration would enhance the chemical reaction between the surface layer and Li+/Ni2+ cationic mixing, the structural and thermal stability of the cathode material would be degraded. The single crystallization strategy of the particles can improve the structural stability and electrochemical performance of the cathode materials; however, their mechanism is not well understood yet. In this research, a computational model was proposed to show that by reducing the pH and controlling the amount of supersaturation, the nucleation rate of hydroxide particles and consequently the number of formed nuclei would decrease. Based on the results of this model, the numbers of hydroxide nuclei formed at the end of co-precipitation synthesis at pH 11.5, 11, and 10.5 were, respectively, 5.73, 4.3, and 2.27 times the number of nuclei formed in co-precipitation synthesis at pH 10. According to the observations, by reducing the pH during the synthesis process from 11.5 to 10, the fine particles produced in the system will be completely transformed into larger crystals, thus tending to become single crystals. As a result, the problems of the cathode/electrolyte intermediate layer will be minimized. The results of this model can justify the experimental results obtained by other researchers who synthesized single-crystal cathode materials.

    Keywords: Co-precipitation, NCM, Single crystal cathode, Computational model, Lithium-ion battery