Какого способа получения наночастиц не существует
Способы получения наночастиц
Разработано огромное множество методов получения наночастиц, позволяющих весьма точно регулировать размеры частиц, их форму и строение. Мы не будем утомлять читателя
подробностями и описывать каждый метод в отдельности. Ограничимся лишь описанием общих принципов, хотя надо признать, что все разработанные методы по своему уникальны и заслуживают самого пристального внимания.
Итак, по принципу воздействия все методы получения можно разделить на две большие группы:
· диспергационные методы , или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца;
· конденсационные методы , или методы “выращивания” наночастиц из отдельных атомов.
Первая группа – это подход “сверху вниз”. Исходные тела измельчают до наночастиц. Это самый простой из всех способов создания наночастиц, своего рода “мясорубка” для макротел. Вторая – подход “снизу вверх”, то есть получение наночастиц путем объединения отдельных атомов. Этот принцип основан на феномене конденсации, с которым все хорошо знакомы.
По определению, конденсация (от лат. condensatio – уплотнение, сгущение) – это переход вещества из газообразного состояния в конденсированное (твердое или жидкое) вследствие его охлаждения. Если хорошенько подышать на стеклышко, оно запотеет. На самом деле это означает, что на нем образуется множество крошечных, не видимых глазу капелек воды. Если температура воздуха в помещении ниже температуры выдыхаемого нами пара, то при дальней-шем охлаждении микроскопические капельки будут собираться в более крупные и явные капли.
Примерно то же самое происходит и при конденсационном способе получения наночастиц. Исходные макротела сначала испаряют, после чего образующийся пар конденсируют до об_
разования наночастиц нужного размера. В результате компактное вещество превращается в ультрадисперсное. Нечто похожее происходит и при восстановлении наночастиц из ионных раст
воров, только используется не пар, а жидкость.
Во всех методах получения наночастиц требуется мощный приток энергии от внешнего источни-ка, поскольку эти методы приводят к получению наночастиц в неравновесном метастабильном состоянии.
Как только приток энергии прекращается, система стремится вернуться к равновесию. Почему это происходит?
Рассмотрим, например, конденсационный метод : монокристалл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем образовавшийся пар резко охлаждается. По мере охлаждения зарождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упорядочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить такую систему самой себе, то постепенно границы между наночастицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрокристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор,пока в системе не воссоздастся исходный монокристалл.
В течение всего интервала времени от момента, когда в паре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момента, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм,
система находится в наносостоянии. Затем она переходит в равновесие, появление наночастиц прекращается. И если не создать искусственные условия для их консервации, то возникшие
частицы тоже могут перейти в стадию компактного вещества.
В биохимическом, фотохимическом и радиационно_химическом синтезе конденсация наночастиц происходит не из пара, а из раствора в специальных условиях, обеспечивающих за-щиту наночастиц от слипания и реакций с раствором.
При диспергационном способе , в условиях достаточного притока механической энергии, размер фрагментов, на которые распадается монокристалл, уменьшается. Пока приток меха-нической энергии велик, большинство фрагментов имеют нанометровый размер и система остается в наносостоянии. Когда же “мясорубка” останавливается, нескомпенсированность поверхностных связей приводит к тому, что нанофрагменты начинают срастаться и укрупнятся. Все это продолжается до тех пор,пока в системе не будет воссоздан исходный монокристалл.
Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систему вводится некоторый стабилизатор , который обычно представляет собой молекулярный раствор белков, полимеров или поверхностно активных веществ (ПАВ). На определенной стадии агрегации стабилизатор вступает в действие: его молекулы облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препятствует ее дальнейшему росту. Регулируя состав и концентрацию стабилизатора, можно получать наночастицы любого диаметра.
Итак, мы выяснили, что большинство наносистем, получаемых промышленными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремить-ся вернуться в свое компактное состояние. Но как же тогда объяснить стабильность некоторых наночастиц, например, уже известных нам фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмотря на свои на
нометровые размеры, они превосходно существуют и “по одиночке”, отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными.
Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанотрубки и некоторые другие нано-частицы были названы “ магическими ”, а числа входящих в них атомов – “ магическими числами ” . Например, для щелочных металлов магические числа – 8,20 и 40, для благородных металлов – 13, 55, 137 и 255, для углеродных кластеров – 60, 70, 90 и т.д.
Все атомы «магических» наночастиц крепко связаны между собой, что придает им необхо-димую стабильность.
Измельчать вещество в наночастицы можно не только механически. Российская компания «Передовые порошковые технологии» получает наночастицы взрывая металлическую нить мощным импульсом тока (см. рисунок 71).
Рис 71. Электровзрывной метод получения наночастиц
Существуют и более экзотические способы обзавестись наночастицами. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и по-местили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действовали как химический восстановитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя наночастицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.
Источник
Какого способа получения наночастиц не существует
Способы получения наночастиц
Разработано огромное множество методов получения наночастиц, позволяющих весьма точно регулировать размеры частиц, их форму и строение. Мы не будем утомлять читателя
подробностями и описывать каждый метод в отдельности. Ограничимся лишь описанием общих принципов, хотя надо признать, что все разработанные методы по своему уникальны и заслуживают самого пристального внимания.
Итак, по принципу воздействия все методы получения можно разделить на две большие группы:
· диспергационные методы , или методы получения наночастиц путем измельчения обычного макрообразца;
· конденсационные методы , или методы “выращивания” наночастиц из отдельных атомов.
Первая группа – это подход “сверху вниз”. Исходные тела измельчают до наночастиц. Это самый простой из всех способов создания наночастиц, своего рода “мясорубка” для макротел. Вторая – подход “снизу вверх”, то есть получение наночастиц путем объединения отдельных атомов. Этот принцип основан на феномене конденсации, с которым все хорошо знакомы.
По определению, конденсация (от лат. condensatio – уплотнение, сгущение) – это переход вещества из газообразного состояния в конденсированное (твердое или жидкое) вследствие его охлаждения. Если хорошенько подышать на стеклышко, оно запотеет. На самом деле это означает, что на нем образуется множество крошечных, не видимых глазу капелек воды. Если температура воздуха в помещении ниже температуры выдыхаемого нами пара, то при дальней-шем охлаждении микроскопические капельки будут собираться в более крупные и явные капли.
Примерно то же самое происходит и при конденсационном способе получения наночастиц. Исходные макротела сначала испаряют, после чего образующийся пар конденсируют до об_
разования наночастиц нужного размера. В результате компактное вещество превращается в ультрадисперсное. Нечто похожее происходит и при восстановлении наночастиц из ионных раст
воров, только используется не пар, а жидкость.
Во всех методах получения наночастиц требуется мощный приток энергии от внешнего источни-ка, поскольку эти методы приводят к получению наночастиц в неравновесном метастабильном состоянии.
Как только приток энергии прекращается, система стремится вернуться к равновесию. Почему это происходит?
Рассмотрим, например, конденсационный метод : монокристалл нагревают до плавления и последующего испарения. Затем образовавшийся пар резко охлаждается. По мере охлаждения зарождаются и укрупняются наночастицы. Они начинают упорядочиваться и объединяться в наноагрегаты. Если предоставить такую систему самой себе, то постепенно границы между наночастицами в агрегатах исчезают и они превращаются в микрокристаллы. При длительном выдерживании микрокристаллов в паре наиболее мелкие и дефектные из них испаряются, а более крупные и совершенные продолжают расти. И так до тех пор,пока в системе не воссоздастся исходный монокристалл.
В течение всего интервала времени от момента, когда в паре уже накопилось заметное количество наночастиц, до момента, когда большинство наночастиц достигнет размера 100 нм,
система находится в наносостоянии. Затем она переходит в равновесие, появление наночастиц прекращается. И если не создать искусственные условия для их консервации, то возникшие
частицы тоже могут перейти в стадию компактного вещества.
В биохимическом, фотохимическом и радиационно_химическом синтезе конденсация наночастиц происходит не из пара, а из раствора в специальных условиях, обеспечивающих за-щиту наночастиц от слипания и реакций с раствором.
При диспергационном способе , в условиях достаточного притока механической энергии, размер фрагментов, на которые распадается монокристалл, уменьшается. Пока приток меха-нической энергии велик, большинство фрагментов имеют нанометровый размер и система остается в наносостоянии. Когда же “мясорубка” останавливается, нескомпенсированность поверхностных связей приводит к тому, что нанофрагменты начинают срастаться и укрупнятся. Все это продолжается до тех пор,пока в системе не будет воссоздан исходный монокристалл.
Чтобы предотвратить этот нежелательный эффект, в систему вводится некоторый стабилизатор , который обычно представляет собой молекулярный раствор белков, полимеров или поверхностно активных веществ (ПАВ). На определенной стадии агрегации стабилизатор вступает в действие: его молекулы облепляют растущую наночастицу со всех сторон, что препятствует ее дальнейшему росту. Регулируя состав и концентрацию стабилизатора, можно получать наночастицы любого диаметра.
Итак, мы выяснили, что большинство наносистем, получаемых промышленными методами, нестабильны, и если не создать необходимых условий для их консервации, они будут стремить-ся вернуться в свое компактное состояние. Но как же тогда объяснить стабильность некоторых наночастиц, например, уже известных нам фуллеренов и нанотрубок? Ведь несмотря на свои на
нометровые размеры, они превосходно существуют и “по одиночке”, отнюдь не стремясь объединяться с себе подобными.
Ввиду этой уникальной особенности, фуллерены, нанотрубки и некоторые другие нано-частицы были названы “ магическими ”, а числа входящих в них атомов – “ магическими числами ” . Например, для щелочных металлов магические числа – 8,20 и 40, для благородных металлов – 13, 55, 137 и 255, для углеродных кластеров – 60, 70, 90 и т.д.
Все атомы «магических» наночастиц крепко связаны между собой, что придает им необхо-димую стабильность.
Измельчать вещество в наночастицы можно не только механически. Российская компания «Передовые порошковые технологии» получает наночастицы взрывая металлическую нить мощным импульсом тока (см. рисунок 71).
Рис 71. Электровзрывной метод получения наночастиц
Существуют и более экзотические способы обзавестись наночастицами. Американские ученые в 2003 году собрали с листьев фигового дерева микроорганизмы Rhodococcus – и по-местили их в золотосодержащий раствор. Бактерии действовали как химический восстановитель, собирая из ионов серебра аккуратные наночастицы диаметром около 10 нм. Строя наночастицы, бактерии чувствовали себя нормально и продолжали размножаться.
Источник
Основные методы получения наночастиц
Основные теоретические сведения
Нанотехнология и наноматериалы
Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие системы большого масштаба.
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
Классификация нанообъектов
Размерность нанообъекта — основа классификации нанообъектов.
В соответствии с размерностью различают:
1) 0-D нанообъекты — те, у которых все 3 пространственных размера лежат в нанометровом диапазоне (грубо: все 3 размера
3) 2-D нанообъекты — те, которые имеют нанометровый размер только в одном измерении, а в двух остальных этот размер будет макроскопическим. К таким объектам относят: тонкие приповерхностные слои однородного материала: плёнки, покрытия, мембраны, многослойные гетероструктуры. Их квазидвумерность дает возможность изменить свойства электронного газа, характеристики электронных переходов (p-n переходов) и т.д. Именно 2-D нанообъекты позволяют придумать основу для разработки принципиально новой элементной базы радиоэлектроники. Это будет уже наноэлектроника, нанооптика и т.д.
В настоящее время 2-D нанообъекты чаще всего служат в качестве всевозможного рода покрытий антифразионных, антикоррозионных и т.д. Большое значение они имеют и для создания различного рода мембран в молекулярных фильтрах, сорбентах и т.д.
Физические основы специфического поведения веществ при уменьшении размеров до наномасштабного уровня
Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от отдельных атомов (R
Новая парадигма в технологии — “снизу вверх”, вытесняющая и дополняющая старую — “сверху вниз” (т.е. от большой заготовки — к готовому изделию путем отсечения лишнего материала), — базируется на глубоких знаниях свойств каждого атома из таблицы Менделеева и использует силы притяжения между ними при нанометровых расстояниях. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации, стабильность которых определяется типом и прочностью внутренних связей, абсолютной температурой и характером окружения. Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые качества. Свойства наночастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах Rc Ј 10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений (монотонный-немонотонный) при R 2 /R 3
1/R (здесь S — поверхность частички, V — ее объем). Также общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от “объемных”, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. В результате на поверхности может произойти атомная реконструкция и возникнет другой порядок расположения атомов. Для атомов, оказавшихся на краях моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, возникают совершенно особые условия. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния (уровни Тамма). Все это вместе взятое заставляет рассматривать приповерхностный слой как некое новое состояние вещества.
Рассматривая любой процесс переноса (протекание электрического тока, теплопроводность, пластическую деформацию и т.п.), мы приписываем носителям некоторую эффективную длину свободного пробега Rf. При R >> Rf рассеяние (или захват и гибель) носителей происходит в объеме и слабо зависит от геометрии объекта. При R
Дата добавления: 2018-11-24 ; просмотров: 3170 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник
