 |
Классифиция методов получения ультрадисперсных материалов
|
|
|
|
А. Искусственные.
1. Получение металлов по схеме испарение-конденсация.
2. Плазмохимические методы.
3. Химические методы.
4. Взрывающиеся проволочки.
5. Ударно-волновые методы.
6. Детонационные методы.
Б. Техногенные.
1. Заводские металлургические процессы.
2. Производства, использующие мельницы.
В. Природные.
1. Вулканическая деятельность.
2. Ветровая эрозия.
Схемы получения дисперсных материалов импульсным методом.
1. Монолит материала А+(Р,T) → наночастицы мат. А
2. Монолит(порошок) мат. Х+(Р,T) + реагирующий газ(кислород, азот) на стадии расширения →наночастицы оксида(нитрида) мат.Х
3. Химическое соединение У+(Р,Т) → наночастицы вещества А, входящего в У+ газ+жидкость
4. Химическое соединение L+(Р,Т)+газ→наночастица оксида(нитрида) вещества В, входящего в L+ газ+ жидкость
5. Монолит(порошок) материала Х+ химическое соединение F+(Р,Т)+реагирующий газ на стадии расширения→ наночастицы окисла(натрида) материала Х, допированное веществом D,входящего в F +газ+жидкость
6. Реагирующая смесь горючего и окислителя +химическое соединение Q+(Р,Т) → наночастицы вещества G,входящего в Q +газ +жидкость
7. Комбинирование схем в различном сочетании
Допирование ультрадисперсных частиц ионами химических элементов в процессе синтеза.
Суть метода получения ультрадисперсного порошка заключается в том, что слой метала нагружается от контактного заряда взрывчатого вещества ударной волной, осуществляется разогрев и метание слоя в реагируемую атмосферу. При использовании порошка с высокой начальной пористостью слой ударно-сжатого вещества нагревается до высоких температур. При разлете происходит взаимодействие материала слоя с газами во взрывной камере с образование ультрадисперсного порошка.
|
|
|
Перспективность импульсных методов получения наночастиц.
Большой интерес представляет порошковые материалы, допированные ионами химических элементов, которые широко используются в качестве активаторов при изготовлении люминофоров, а синтезе активированных лазерных кристаллов. Физико-химические и оптические свойства порошковых материалов зависят от способа их получения. Ультрадисперсные порошки, полученные динамическим методом синтеза, характеризуется набором необычных физ-хим. Свойств. Так же отличаются и оптические свойства.
Процессы происходящие при электрическом взрыве проводников.
Явление это сопровождается яркой вспышкой света, резким звуком, ударной волной, распространяющейся в окружающей проводник среде. Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения
Электрическая схема используемая в установках для получения порошков с помощью ЭВП.
Физические основы диспергирования металлов с помощью импульсов электрического тока.
Электрический взрыв проводников является одним из примеров воздействия концентрированного потока энергии (КПЭ) или энергии высокой плотности мощности (108–109 Вт/см3) на материалы. К настоящему времени считается, что на начальной стадии ЭВП джоулев нагрев проводника сопровождается его линейным расширением, происходящим с относительно малой скоростью (в типичных условиях (1–3)*102 см/с). На стадии собственно взрыва расширение вещества взрываемого проводника происходит со скоростью (1–5)*103 м/с и вызывает в окружающей среде возмущения, формирующие так называемую головную или первичную ударную волну. Максимальная температура вещества на стадии собственно взрыва определяется скоростью ввода энергии в проводник и значением выделившейся в металле энергии и может изменяться в достаточно широком диапазоне от 1 эВ при характерном времени ввода энергии (t < 1 мкс) и до 10 эВ в режиме t < 0,1 мкс.
|
|
|
Отличия свойств нанопорошков, получаемых методом электровзрыва в вакууме и в различных средах.
ЭВП как метод диспергирования металлов характеризуется следующими существенными особенностями:
• время взрыва составляет 10–5–10–8 с;
• величина развиваемой мощности превышает 1013 Вт/кг;
• температура в момент взрыва может достигать значения 104 К и выше,
• давление – 109 Па;
• скорость разлета продуктов составляет от 1 до 5 км/с;
• одной из важнейших характеристик ЭВП является введенная в проводник энергия, определяющая скорость разлета продуктов взрыва;
• увеличение вводимой в проводник энергии приводит к увеличению доли металла, перешедшего в пароподобное состояние, но получение чисто паровой фазы считается невозможным;
• частицы формируются как за счет конденсации паровой фазы, так и за счет диспергирования жидкого металла.
Эти данные позволяют предположить, что свойства порошков, полученных методом ЭВП, будут существенно отличаться от свойств порошков с теми же размерами частиц, но приготовленных другими методами.
Электровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать порошки металлов и сплавов, а при введении в реактор дополнительных реагентов можно получать тонкодисперсные порошки оксидов, нитридов, карбидов или их смесей
Нанокластеры.
Ответ:
Под понятием кластер (англ. cluster – пучок, рой, скопление) понимают объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.
Нанокластеры - разновидность наночастиц, представляющая собой аморфную или поликристаллическую наноструктуру, хотя бы один характерный размер которой находится в пределах 1-10 нм. Нанокластеры - это наночастицы состоящие из десятков, сотен или тысяч атомов, которая может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.
|
|
|
Нанокластеры – частицы вещества еще меньшего размера, не превышающего 10 нм, и содержащие не более 1000 атомов. Иногда они представляют собой большие компактные молекулы с атомным весом более 1000 а.е. Такие молекулы, в отличие от наночастиц, имеют одинаковые размеры и формы. Свойства нанокластеров часто отличаются от свойств не только массивных образцов, но и наночастиц. Так, например, новый катализатор, полученный группой Ричарда Ламберта из Университета Кембриджа, не требует для окисления дополнительных окислителей – молекулы кислорода адсорбируются на поверхности частиц золота и диссоциируют на два атома кислорода, инициирующих окисление. Возможность селективного каталитического окисления углеводородов молекулярным кислородом в отсутствие добавок достаточно перспективна для промышленного использования. Катализатор представляет собой кластеры, содержащие по 55 атомов золота, образующие частицы размером 1-2 нм на твердой подложке. Кластеры Au55 представляю собой так называемые «магические» кластеры – число атомов золота в них позволяет частицам принимать правильные геометрические формы, идеально подходящие для проявления каталитических функций. Размер частиц катализатора играет решающую роль для его активности. В то время как частицы с диаметром 1,4 нм представляют собой эффективные и устойчивые катализаторы, частицы, размер которых превышает 2 нм, не проявляют каталитической активности.
Свойства нанокластеров кардинально отличаются от с-ств макроскопических объёмов материала того же состава. Из нанокластеров, как из крупных строительных блоков, можно целенаправленно конструировать новые материалы с заранеезаданными свойствами и использовать их вкаталитических реакциях, для разделения газовых смесей, хранения газов и пр. Большой интерес представляют магнитные кластеры, состоящие из атомов переходныхметаллов, лантаноидов, актиноидов. Эти кластеры обладают собственным магнитным моментом, чтопозволяет управлять их свойствами с помощью внешнего магнитного поля.
|
|
|
Нанокластеры (размером порядка десятков нанометров) находят широкое применение, например, в органическом синтезе используют высокую каталитическую активность нанокластеров переходных металлов. В будущем найдут применение и необычные оптические и электронные свойства нанокластеров полупроводниковых материалов.
Особый практический интерес представляют магнитные нанокластеры – молекулы с одинаковым спиновым моментом, которые можно использовать для производства памяти для ЭВМ. Применяются нанокластеры также в медицине и парфюмерии.
Некоторые физические законы, справедливые в макроскопической физике, для наночастиц и нанокластеров нарушаются. Например, несправедливы известные формулы для сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении. Вода в нанопорах горных пород не замерзает до –20 …-30 оС, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше по сравнению с массивным образцом. Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частиц. Для наночастиц и, в особенности, нанокластеров, практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика.
Нанокластеры - соединения двух и/или более атомов одного вещества, или разных веществ, имеющие наноразмерную структуру, аморфную или поликристаллическую структуру и обладающие определенными свойствами.
Методы получения нанокластеров:
Метод сверхзвукового сопла
Метод газовой агрегации
Метод лазерной абляции
Метод сверхзвукового сопла - метод образования кластерных соединений в сверхзвуковом пучке. Это сложный процесс, который может быть рассмотрен на основе моделей тройных столкновений или термодинамической модели нуклеации из газовой фазы.
Метод газовой агрегации - метод получения кластерных соединений, основывающийся на испарении твердого тела или жидкости в холодный газ, который охлаждает испаряемые атомы до их конденсации в кластеры.
Метод лазерной абляции - метод получения кластерных соединений, основывающийся на удалении с поверхности твердого тела поверхностных слоев под действием лазера.
Коллоидные кластеры - кластеры, образующиеся в растворах в результате химических реакций, имеющие размеры 1-100 нм. Коллоидные кластеры разделяет на две группы - лиофильные (гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные).
|
|
|
В чем их различие.
Гидрофильные коллоидные кластеры могут сорбировать на своей поверхности молекулы окружающей среды и образовывать с ними прочные сольватные комплексы. Кластеры этого типа окружены оболочкой, которая частично сохраняется и при коагуляции отдельных кластеров, и при переходе из в гелевую наносистему.
Представители: оксиды кремния, оксиды железа.
Гидрофобные коллоидные кластеры не адсорбируют на своей поверхности молекулы растворителя. Однако их поверхность можно модифицировать ионами из раствора, при этом она приобретет положительный или отрицательный заряд.
Твердотельные нанокластеры - кластеры, формирующиеся в результате различных реакций в твердой фазе. Способы получения твердотельных нанокластеров:
в ходе твердотельных химических реакций
в результате спекания
под действием фотохимических реакций
в процессе перехода от аморфной структуры к кристаллической структуре
в ходе механических реакций
под действием высоких давлений со сдвигом
Например: разложение солей и сомплексов металлов и образование зародышей металлов (или оксидов металлов) и далее рост этих зародышей за счет спекания.
Некоторые физические и химические законы для нанокластеров нарушаются, вследствии их определенного строения и размеров в нанодиапазоне.
Одиночный кластер железа
| 
Кластер железа с растущими углеродными нанотрубками
| 
Скопление кластеров железа
|
| Рис. 2.1. Металлические кластеры |
Наночастицы, размер которых меньше 10 нм, называют нанокластерами. Слово кластер произошло от английского «cluster» – скопление, гроздь. Обычно, в нанокластере содержится до 1000 атомов.
Многие физические законы, справедливые в макроскопической физике (макроскопическая физика «имеет дело» с объектами, размеры которых много больше 100 нм), для наночастиц нарушаются. Например, несправедливы известные формулы сложения сопротивлений проводников при их параллельном и последовательном соединении. Вода в нанопорах горных пород не замерзает до –20…–30оС, а температура плавления наночастиц золота существенно меньше по сравнению с массивным образцом.
В последние годы во многих публикациях приводятся эффектные примеры влияния размеров частиц того или иного вещества на его свойства – электрические, магнитные, оптические. Так, цвет рубинового стекла зависит от содержания и размеров коллоидных (микроскопических) частиц золота. Коллоидные растворы золота могут дать целую гамму цвета – от оранжевого(размер частиц меньше 10 нм) и рубинового (10-20 нм) до синего (около 40 нм). В Лондонском музее Королевского института хранятся коллоидные растворы золота, которые получены еще Майклом Фарадеем в середине XIX века, впервые связавшим вариации их цвета с размером частиц.
Доля поверхностных атомов становится все больше по мере уменьшения размеров частицы. Для наночастиц практически все атомы «поверхностные», поэтому их химическая активность очень велика. По этой причине наночастицы металлов стремятся объединиться. Вместе с тем в живых организмах (растениях, бактериях, микроскопических грибах) металлы, как оказалось, часто существуют в виде кластеров, состоящих из объединения сравнительно небольшого числа атомов.
Корпускулярно-волновой дуализм позволяет приписать каждой частице определенную длину волны. В частности, это относится к волнам, характеризующим электрон в кристалле, к волнам, связанным с движением элементарных атомных магнитиков и пр. Необычные свойства наноструктур затрудняют их тривиальное техническое использование и одновременно открывают совершенно неожиданные технические перспективы.
Существует много разных способов классификации нанообъектов. Согласно простейшей из них все нанообъекты подразделяют на два больших класса – сплошные («внешние») и пористые («внутренние») (схема).
Классификация нанообъектов
Сплошные объекты классифицируют по размерности: 1) объемные трехмерные (3D) структуры, их называют нанокластерами (cluster – скопление, гроздь); 2) плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки; 3) линейные одномерные (1D) структуры – нанонити, или нанопроволоки (nanowires); 4) нульмерные (0D) объекты – наноточки, или квантовые точки. К пористым структурам относят нанотрубки и нанопористые материалы, например аморфные силикаты.
Одни из наиболее активно изучаемых структур – нанокластеры – состоят из атомов металлов или относительно простых молекул. Поскольку свойства кластеров очень сильно зависят от их размеров (размерный эффект), для них разработана своя классификация – по размерам (таблица).
Таблица
|
|
|
