مقاله پژوهشی: بررسی سیال اطراف نانوذرات به روش استوکس و محاسبه شعاع هیدرودینامیکی نانو ذرات طلا سنتز شده به روش احیاء

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، خراسان رضوی، ایران

2 دانش‌آموختۀ کارشناسی، گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، خراسان رضوی، ایران

چکیده

در این مقاله بررسی کاملی بر سیال اطراف نانوذرات و اندازه هیدرودینامیکی آن­ها خواهیم داشت. در ابتدا روابط کامل معادلات سرعت و میدان برداری سرعت در اطراف یک نانو ذره کروی را به دست می­آوریم. به این منظور  از روش تحلیلی استوکس همراه با شرایط مرزی سود می­بریم. به کمک معادلات بردار سرعت، به مؤلفه­های تانسور تنش روی سطح کره و نیروی مقاومت سیال بر روی نانو ذره خواهیم رسید. در گام بعد قطر هیدرودینامیکی ذره را، قطری در نظر می­گیریم که سیال دیگر به صورت تاثیرگذار همراه ذره حرکت نمی­کند. همچنین، از معادلات سرعت به تعریفی برای این کمیت می­رسیم و تاثیرات سرعت نسبی ذره به سیال و گرانروی سیال بر این کمیت را بررسی و به ارتباطی معنا­دار بین این مقادیر خواهیم رسید. در بخش تجربی، نانو ذرات طلا با قطر 12 نانومتر به روش ترکویچ سنتز و مشخصه­یابی می­شوند. اندازه حقیقی و اندازه هیدرودینامیکی ذرات به کمک میکروسکوپ گذار الکترونی (TEM) و پراکندگی نور دینامیکی (DLS) اندازه­گیری می­شوند. با برازش عددی در کد برنامه نویسی به زبان فرترن 90 و استفاده از داده­های تجربی، توانستیم سرعت نسبی ذرات نسبت به سیال را برآورد کنیم. این مطالعات می­تواند روشی مفید برای مطالعه تجربی و تئوری مقاومت و پخش نانو ذرات در محیط­های کلوئیدی باشد و کاربردهای فراوانی در استفاده­های تجربی از نانو کلوئیدها مانند دارو­رسانی به کمک نانوذرات داشته باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Research Paper: Investigation of Fluid around Nanoparticles via Stokes Method and Calculation of Hydrodynamic Radius of Gold Nanoparticles Synthesized by Reduction Method

نویسندگان [English]

  • Ehsan Koushki 1
  • Adel Zare Tazarghi 2
1 Assistant Professor, Department of Physics, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Razavi Khorasan, Iran
2 B. Sc. Graduated, Department of Physics, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Razavi Khorasan,
چکیده [English]

In this paper, we are going to study the fluid around nanoparticles and their hydrodynamic size, completely. First, we obtain the complete set of relations of the velocity equations and the velocity vector field around a spherical nanoparticle. For this, we use Stokes' analytical method with boundary conditions. Using the velocity vector field equations, we obtain the stress tensor components on the sphere surface and the fluid resistance force on the nanoparticle. In the next step, we consider the hydrodynamic diameter of the particle to be the diameter at which the fluid no longer moves effectively with the particle, and we obtain a description for this quantity from the equations of velocity. We will examine and find a significant correlation between these values. In the experimental part, gold nanoparticles with a diameter of 12 nm are synthesized and characterized by the Turkevich method. The diameter and hydrodynamic diameter of particles are measured using an electron microscope (TEM) and dynamic light scattering (DLS). By numerical fitting the Fortran 90 programming code and using experimental data, we were able to estimate the relative velocity of the particles relative to the fluid. These studies can be a useful method for the experimental and theoretical study of resistance force and dispersion of nanoparticles in colloidal media and have many applications in experimental applications of nano colloids such as nanoparticle drug delivery.

کلیدواژه‌ها [English]

  • velocity vector filed
  • fluid
  • Au nanoparticles
  • Hydrodynamic diameter
  • Dynamic light scattering
 [1] Akherat Doost H., Ghasedi A., Koushki E., Electrical effects of Au NPs and PVA polymers on optical band gap and thermo-optical properties of TiO2 nanoparticles, Journal of Molecular Liquids,323. 115074. 2021.
[3] Pengzhi L. and Philip L.F. Liu, Internal Wave-Maker for Navier-Stokes Equations Models, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering,125. 207. 1999.
[4] Gaitan F., Finding flows of a Navier–Stokes fluid through quantum computing, npj Quantum Information, 6. 61. 2020.
[5] Koushki E., Effect of conjugation with organic molecules on the surface plasmon resonance of gold nanoparticles and application in optical biosensing, RSC Adv., 11. 23390.2021.
[6] Perera M., A. Wijenayaka L., Siriwardana K., Dahanayake D., de Silva K.M.N., Gold nanoparticle decorated titania for sustainable environmental remediation: green synthesis, enhanced surface adsorption and synergistic photocatalysis, RSC Adv., 10. 29594. 2020.
[7] Akherat Doost H., Majles Ara M.H., Ghasedi A., Koushki E., Effects of Gold and Silver Nanoparticles on Optical Bistability of Titanium Dioxide Nanocolloid, Physics of the Solid State, 62. 318. 2021.
[8] Kadivar E., A numerical study of droplet deformation in a flat funnelform microchannel, Iranian Journal of Physics Research, 75. 197-205.2019.
[9] Happel J., H. Brenner, Low Reynolds number hydrodynamics, volume 1, springer. (1983)
[10] S. Ozarkar S., S. Sangani A., A method for determining Stokes flow around particles near a wall or in a thin film bounded by a wall and a gas-liquid interface,  Physics of Fluids. 20.063301.2008.
[11] Dey S., Ali SZ., Padhi E., Terminal fall velocity: the legacy of Stokes from the perspective of fluvial hydraulics. Proc. R.Soc.A.475.20190277. 2019.
[12] Moridpour M., Razeghizadeh A.R., Rafee V., Synthesis and Experimental Study of the Effect of Volume Fraction and Temperature on Thermal Conductivity Coefficient of Copper Oxide-Water Nanofluid, Iranian Journal of Applied Physics. 9. 71-89.2019.
[13] Dev Sharma B., Stresses due to a nucleus of thermo-elastic strain (i) in an infinite elastic solid with spherical cavity and (ii) in a solid elastic sphere, Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik ZAMP, 8. 142–150. 1957
[14]  Ji  X.,  Li  A. Q., Zhou S. J.,  The Strain Gradient Elasticity Theory in Orthogonal Curvilinear Coordinates and its Applications, Journal of Mechanics , 34. 311–323.2018
[15] Turkevich J., StevensonP.L., HillierJ. A study of the nucleation and growth process in the synthesis of colloidal gold. Discuss. Faraday Soc.11. 55–75. 1951
[16] Darweesh R.S., Ayoub M.N., Nazzal S., Gold nanoparticles and angiogenesis: molecular mechanisms and biomedical applications, Int J Nanomedicine. 14. 7643–7663. 2019.
[17] Ojea-Jiménez I., BastN. G., Puntes V., Influence of the Sequence of the Reagents Addition in the Citrate- Mediated Synthesis of Gold Nanoparticles. J. Phys. Chem. C. 115. 15752–15757. 2011.
[18] Koushki E., Mirzaei Mohammadabadi F., Baedi J., Ghasedi A., The effects of glucose and glucose oxidase on the Uv-vis spectrum of gold nanoparticles: A study on optical biosensor for saliva glucose monitoring, Photodiagnosis and Photodynamic Therapy 30. 101771. 2020.
[19] Maguire C.M., Rösslein M., Wickc P., Prina-Mello A., Characterisation of particles in solution – a perspective on light scattering and comparative technologies, CIENCE AND TECHNOLOGY OF ADVANCED MATERIALS, 19. 732–745.2018.
[20] Peskir G., On the Diffusion Coefficient: The Einstein Relation and Beyond, STOCHASTIC MODELS, 19. 383–405. 2003.
[21] Momeni Heravi M. E., Effects of Hydrodynamic Diameter of Nanoparticles on Antibacterial Activity and Durability of Ag-treated Cotton Fabrics, Fibers and Polymers, 21. 1173–1179. 2020.
[22] Hai-Lang Zh., Shi-Jun H., Viscosity and Density of Water + Sodium Chloride + Potassium Chloride Solutions at 298.15 K, J. Chem. Eng. Data, 41. 516-520. 1996.