Нанотехнологии. Лекция 7. Классификация способов получения наноматериалов

(bottom-up approach).

Способы получения наноматериалов (3 модуль)

Практические занятия:
Особенности С-С связей, аллотропия углерода.
Углеродные наноматериалы. Классификация. Фуллерены и их производные, полифуллерены.
Углеродные нанотрубки и нановолокна. Функционализация УНТ.
Графен, наноалмазы, онионы. Строение и свойства.
Наноструктуры в биологических материалах.

размеров путем:
атомной (молекулярной) сборки,
самосборки и самоорганизации.
методы конденсации

Уменьшение физического тела (крупных частиц, порошков) до наноразмерных параметров
методы диспергирования

масштаба (0, 1, 2 D)
Основные отличия между методами:
∙ в способе испарения прекурсора;
∙ в способе конденсации и стабилизации образующихся наночастиц.

Различают:
PVD (physical vapor deposition);
CVD (chemical vapor deposition)

Прекурсор – вещество, участвующее в реакции, приводящей к образованию нанообъекта

содержащее нанообъекты, агрегаты или агломераты нанообъектов либо их смесь (ISO);
2. Это ансамбль наночастиц;
3. Это порошок, размер частиц которого менее 100 нм.

Нанопорошок серебра
для 3D печати

Нанопорошок оксида цинка: адсорбция, косметика, зубные цементы, электроды солнечных батарей

Нанопорошок меди
для металлургии

и распределением кристаллитов по размерам;
степенью агломерации частиц;
удельной площадью поверхности;
химическим составом объёма частиц;
составом по сечению для частиц ядро-оболочка;
морфологией частиц;
кристаллической структурой наночастиц;
сыпучестью (текучестью);
насыпной плотностью;
цветом.

Микрофотография частицы PbS/S

сбора полученного
наноматериала и т.д.

Испарение может происходить:
из тигля;
металл поступает в зону нагрева в виде проволоки;
впрыскивание металлического порошка в струе жидкости и т.д.

Нагрев испаряемого материала:
термический;
лазерное излучение;
электронно-лучевой нагрев;
нагрев токами высокой частоты и т.д.

Рабочая среда:
вакуум,
неподвижный интертный газ,
поток инертного газа и т.д.

Размер и форма образующихся наночастиц зависят от:
температура,
давление,
скорость потока инертного газа

нескольких сотен нм.
Применение:

авиационные материалы - статистически распределенные металлические нанопорошки придают радиопоглощающие свойства материалам;
присадки к моторным маслам – суспензии металлических малых частиц (от 30 нм до 1 – 2 мкм);
композиционные материалы,
красящие пигменты, магнитные компоненты и т.д.

Смазка для инструментов
бурения, содержащая
порошок меди

discharge) - образование фуллеренов, УНТ при распылении графитового электрода в электрической дуге, горящей в атмосфере гелия.

Лазерная абляция (Laser ablation) – образование УНТ при испарении графитовой мишени под действием лазерным лучом.

Пиролиз углеводородов (CVD) –химическое осаждениие
углеродсодержа-
щего газа на поверхности металлического катализатора.

графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких давлениях.

Схема установки для получения фуллеренов:
1 – графитовые электроды;
2 – охлаждаемая медная шина;
3 – медный кожух; 4 - пружины

В процессе эрозии электрода на стенках камеры оседает сажа, содержащая некоторое количество молекул фуллеренов С60 и С70, малое количество высших фуллеренов. При оптимизации процесса испарения электродов выход фуллеренов составляет в среднем 3-12 %.

с тем отличием, что электроды находятся на расстоянии 1-2 мм во время горения дуги.

давление инертного газа
до 500 торр;
между электродами напряжение
10–35 В ;
сила тока 60–100 А;
  плотность тока ~ 1,5·106 А/м2.

Графитовая сажа содержит фуллерены и МУНТ в количестве ~10 %.
Депозит – МУНТ и аморфный углерод.
МУНТ «растут» на поверхности катода, собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм, длиной до 40 мкм.
При добавлении в материал анода Fe, Сo, Ni, Cd образуется небольшое количество ОУНТ.

Недостатки: высокая энергоемкость, получение малых количеств УНТ

– испарение графитовой мишени (в виде сплава металла с графитом) с помощью лазерного луча в атмосфере аргона при повышенном давлении и температуре около 1200 С.

В состав сажи входят: 30…35 % УНТ, около 20 % аморфного углерода; 12…15 % фуллеренов, 5…10 % графитизированных наночастиц, до 10 % металлов и др.
В качестве катализатора, чаще всего Ni–Co, Ni–Fe, Co–Fe.
Достоинства: высокая чувствительность характеристик УНТ (диаметр) к параметрам лазерного излучения (мощность излучения).
Недостатки: относительно невысокая производительность, трудность масштабирования.

РАН, г. Новосибирск,
Северо-Восточный университет, г. Бостон, США.

Прекурсор:
предельные (этан, пропан, пентан, циклогексан);
непредельные (этилен, ацетилен, метилацетилен);
ароматические (бензол, толуол).

1 – кварцевая труба; 2 – печь;
3 – тигель с катализатором;
4 – поток буферного газа

подобные минеральные структуры;
∙ дендримеры и др.

Метод синтеза наночастиц в нанореакторах
предполагает использование пространственно-ограниченных систем наномасштаба

Благодаря пространственному ограничению реакционной зоны,
в которой происходит образование нанофазы, синтезируются
преимущественно монодисперсные частицы

металлов;
смеси частиц металлов.

А – соль металла; В – восстановитель; С - наночастица металла

Металлы в ультрадисперсном состоянии (размеры частиц порядка нанометров)
новые эффективные катализаторы
препараты с высокой биологической активностью для применения в экологии, медицине и сельском хозяйстве.

металлических кластеров или агрегатов:
Mn+ + [Red] → M0 + [Ox], где
Mn+ – ион металла, [Red] – восстановитель, M0 – нуль-валентный металл,
[Ox] – продукт окисления восстановителя.

Стадии образования наночастиц в обратной микроэмульсии:
I - слияние водных ядер сталкивающихся мицелл (kex);
II - химическая реакции между компонентами (kchem);
III - нуклеация (kn); IV рост зародышей в наночастицы (kg)

сферические наночастицы. Наночастицы, синтезированные в несферических мицеллах, имеют удлиненную форму.

при н.у.
Аэрогель впервые получен в 1920-1922г.г. 
Стенфордском университете С.С.Кистлером
из диоксида кремния.

Аэрогели прозрачны и однородны и даже самые легкие (при соблюдении предосторожностей) можно брать в руки

Практическое использование аэрогелей:
теплоизолятор, т.к. структура задерживает тепло
лучше любых пен или стекловаты
(скафандры для миссии NASA на Марс,
тепловой "щит" для перспективных моделей «Шаттла»)