Introducere

1 Apariția și dezvoltarea nanotehnologiei

2 Fundamentele tehnologiei nanomaterialelor

2.1 Caracteristici generale

2.2 Tehnologia materialelor consolidate

2.2.1 Tehnologii pulbere

2.2.2 Deformare plastică severă

2.2.3 Cristalizare controlată dintr-o stare amorfă

2.2.4 Tehnologia foliilor și a acoperirilor.

2.3 Tehnologia nanomaterialelor polimerice, poroase, tubulare și biologice

2.3.1 Materiale hibride și supramoleculare

2.3.2 Materiale nanoporoase (site moleculare)

2.3.3 Materiale tubulare

2.3.4 Materiale polimerice

3 Caracteristici generale ale aplicării nanomaterialelor

Concluzie

În ultimii câțiva ani, nanotehnologia a ajuns să fie văzută nu numai ca una dintre cele mai promițătoare ramuri ale înaltei tehnologii, ci și ca un factor de formare a sistemului în economia secolului XXI - o economie bazată pe cunoaștere, și nu pe utilizarea resurselor naturale sau prelucrarea acestora. Pe lângă faptul că nanotehnologia stimulează dezvoltarea unei noi paradigme a tuturor activităților de producție („de jos în sus” - de la atomi individuali - la produs, și nu „de sus în jos", precum tehnologiile tradiționale, în care produsul este obținut prin tăierea excesului de material dintr-o piesă mai masivă), este în sine o sursă de noi abordări pentru îmbunătățirea calității vieții și rezolvarea multor probleme sociale într-o societate post-industrială. Potrivit majorității experților în domeniul politicii și investițiilor în știință și tehnologie, revoluția nanotehnologiei care a început va acoperi toate domeniile vitale ale activității umane (de la explorarea spațiului la medicină, de la securitatea națională la ecologie și agricultură), iar consecințele ei vor fi mai amplu si mai profund.decat revolutia informatica din ultima treime a secolului XX. Toate acestea pun sarcini și întrebări nu doar în sfera științifică și tehnică, ci și în fața administratorilor de la diferite niveluri, a potențialilor investitori, a sectorului educațional, a organismelor guvernamentale etc.

Nanotehnologia a fost formată pe baza schimbărilor revoluționare în tehnologia computerelor. Electronica ca direcție holistică a apărut în jurul anului 1900 și a continuat să se dezvolte rapid de-a lungul secolului trecut. Un eveniment excepțional de important în istoria sa a fost inventarea tranzistorului în 1947. După aceea, a început perioada de glorie a tehnologiei semiconductoare, în care dimensiunea dispozitivelor de siliciu create era în continuă scădere. În același timp, viteza și volumul dispozitivelor de stocare magnetice și optice au crescut continuu.

Cu toate acestea, pe măsură ce dimensiunea dispozitivelor semiconductoare se apropie de 1 micron, în ele încep să apară proprietăți mecanice cuantice ale materiei, de exemplu. fenomene fizice neobișnuite (cum ar fi efectul de tunel). Se poate presupune cu siguranță că, menținând ritmul actual de dezvoltare a puterii computerelor, toată tehnologia semiconductoarelor în aproximativ 5-10 ani se va confrunta cu probleme de natură fundamentală, deoarece viteza și gradul de integrare în calculatoare vor atinge unele „fundamentale” limite determinate de legile fizicii cunoscute nouă. Astfel, progresul în continuare al științei și tehnologiei necesită cercetătorilor să facă o „recunoaștere” semnificativă a noilor principii de funcționare și a noilor metode tehnologice.

O astfel de descoperire poate fi realizată numai prin utilizarea nanotehnologiilor, care vor face posibilă crearea unei game întregi de procese de producție, materiale și dispozitive fundamental noi, cum ar fi nanoroboții.

Calculele arată că utilizarea nanotehnologiilor poate îmbunătăți caracteristicile de bază ale dispozitivelor de calcul și stocare cu semiconductori cu trei ordine de mărime, i.e. de 1000 de ori.

Cu toate acestea, nanotehnologia nu ar trebui redusă doar la o descoperire revoluționară locală în electronică și tehnologia computerelor. Au fost deja obținute o serie de rezultate excepțional de importante, permițându-ne să sperăm la progrese semnificative în dezvoltarea altor domenii ale științei și tehnologiei.

La multe obiecte din fizică, chimie și biologie, s-a demonstrat că trecerea la nanonivel duce la apariția unor modificări calitative ale proprietăților fizico-chimice ale compușilor individuali și ale sistemelor obținute pe baza acestora. Vorbim despre coeficienții rezistenței optice, conductivității electrice, proprietăților magnetice, rezistenței, rezistenței la căldură. În plus, conform observațiilor, noile materiale obținute folosind nanotehnologie sunt semnificativ superioare ca proprietăți fizice, mecanice, termice și optice față de omologii la scară micrometrică.

Pe baza materialelor cu proprietăți noi, sunt deja create noi tipuri de celule solare, convertoare de energie, produse ecologice și multe altele. Au fost deja creați senzori (senzori) biologici extrem de sensibili și alte dispozitive, care fac posibil să se vorbească despre apariția unei noi științe - nanobiotehnologia și care au perspective mari de aplicare practică. Nanotehnologia oferă noi oportunități pentru microprelucrarea materialelor și crearea pe această bază de noi procese de producție și noi produse, care ar trebui să aibă un impact revoluționar asupra vieții economice și sociale a generațiilor viitoare.

2.1 Caracteristici generale

Structura și, în consecință, proprietățile nanomaterialelor sunt formate în stadiul fabricării lor. Importanța tehnologiei ca bază pentru asigurarea unei performanțe stabile și optime a nanomaterialelor este destul de evidentă; acest lucru este important și din punctul de vedere al economiei lor.

Tehnologia nanomaterialelor, în concordanță cu diversitatea acestora din urmă, se caracterizează printr-o combinație, pe de o parte, de metode metalurgice, fizice, chimice și biologice și, pe de altă parte, de metode tradiționale și fundamental noi. Deci, dacă marea majoritate a metodelor de obținere a nanomaterialelor consolidate sunt destul de tradiționale, atunci operațiuni precum fabricarea, de exemplu, de „pixuri cuantice” folosind un microscop cu scanare tunel, formarea de puncte cuantice prin auto-asamblarea atomilor sau folosirea tehnologiei de cale ionică pentru a crea structuri poroase în materiale polimerice se bazează pe metode tehnologice fundamental diferite.

Metodele biotehnologiei moleculare sunt, de asemenea, foarte diverse. Toate acestea complică prezentarea fundamentelor tehnologiei nanomaterialelor, ținând cont de faptul că multe detalii tehnologice („know-how”) sunt descrise de autori doar în termeni generali, iar adesea mesajul este de natură publicitară. În plus, sunt analizate doar principalele și cele mai caracteristice metode tehnologice.

2.2.1 Tehnologii pulbere

O pulbere este înțeleasă ca un set de corpuri solide individuale (sau agregatele acestora) în contact cu dimensiuni mici - de la câțiva nanometri până la o mie de microni. În ceea ce privește fabricarea nanomaterialelor, ca materii prime se folosesc pulberi ultrafine; particule cu o dimensiune de cel mult 100 nm, precum și pulberi mai mari obținute în condiții de măcinare intensivă și constând din cristalite mici cu o dimensiune similară cu cele indicate mai sus.

Operațiile ulterioare ale tehnologiei pulberilor - presare, sinterizare, presare la cald etc. - sunt concepute pentru a oferi o probă (produs) de forme și dimensiuni date cu structura și proprietățile corespunzătoare. Totalitatea acestor operațiuni este adesea numită, la sugestia lui M.Yu. Balshina, consolidare. În ceea ce privește nanomaterialele, consolidarea ar trebui să asigure, pe de o parte, compactarea aproape completă (adică absența macro și microporilor în structură) și, pe de altă parte, să păstreze nanostructura asociată cu dimensiunile inițiale ale ultrafinei. pulbere (adică dimensiunea granulelor din materialele sinterizate ar trebui să fie cât mai mică posibil și, în orice caz, mai mică de 100 nm).

Metodele de obținere a pulberilor pentru fabricarea nanomaterialelor sunt foarte diverse; ele pot fi împărțite condiționat în chimice și fizice, cele principale, dintre care, cu indicarea celor mai caracteristice pulberi ultrafine, sunt date în tabelul 1.

tabelul 1. Principalele metode de obținere a pulberilor pentru fabricarea nanomaterialelor

Metodă	varianta metodei	materiale
Metode fizice
Evaporare și condensare	Vacuum sau gaz inert	Zn, Cu, Ni, Al, Be, Sn, Pb, Mg, Ag, Cr, MgO, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrO 2 , SiC
	în gazul de reacție	TiN, AlN, ZrN, NbN, Zr03, Al203, Ti02.
Distrugerea Energiei Înalte	Măcinare	Fe-Cr, Be, Al2O3, TiC, Si3N4, NiAl, TiAl, AlN
	Tratament de detonare	BN, SiN, TiC, Fe, diamant
	explozie electrică	Al, Cd, Al203, Ti02.
Metode chimice
Sinteză	Produse chimice plasmatice	TiC, TiN, Ti(C,N), VN, AlN, SiC, Si3N4, BN, W
	laser	Si3N4, SiC, Si3N4-SiC
	Termic	Fe, Cu, Ni, Mo, W, BN, TiC, WC-Co
	Temperatură ridicată cu autopropagare	SiC, MoSi2, Aln, TaC
	mecanicochimic	TiC, TiN, NiAl, TiB2, Fe-Cu, W-Cu
	Electrochimic	WC, Ce02, Zr02, WB4
	mortar	Mo2C, BN, TiB2, SiC
	criochimic	Ag, Pb, Mg, Cd
Descompunere termică	Precursori condensați	Fe, Ni, Co, SiC, Si3N4, BN, AlN, ZrO2, NbN
	Precursori gazoși	ZrB2, TiB2, BN

Să luăm în considerare câteva dintre metodele de obținere a pulberilor ultrafine.

Metode de obținere a materialelor nanocristaline:

1. Sinteza în fază gazoasă a nanoparticulelor.

2. Sinteză plasma-chimică.

3. Precipitații din soluții coloidale.

4. Metode de mecanosinteză.

5. Sinteza detonativă a nanoparticulelor.

6. Răcire de mare viteză.

7. Metode de obţinere a unor grade mari de deformare.

8. Cristalizarea structurilor sticloase.

9. Descompunere termică și recuperare.

Depuneri din faze gazoase și lichide. Solidificare rapidă din topitură. Deformari plastice severe. Recristalizare din stare amorfă. Compactarea nanomaterialelor. Avantajele și dezavantajele diferitelor metode.

Sinteza în fază gazoasă a nanoparticulelor

Nanoparticulele individuale în sinteza în fază gazoasă sunt obținute în procesul de evaporare și condensare ulterioară a materialului într-un mediu gazos inert.

În stadiul de evaporare, se poate utiliza încălzirea materialului evaporat prin curenți de înaltă frecvență, descărcare de arc electric, fascicul laser sau de electroni, transmisie de curent, precum și încălzirea prin radiație.

Condensarea vaporilor rezultați apare atunci când se ciocnește cu moleculele de gaz inert, cu pereții camerei de reacție și, de asemenea, datorită expansiunii adiabatice atunci când intră într-o cameră de volum mare sau utilizării unei duze Laval.

Sinteza în fază gazoasă face posibilă obținerea de particule cu dimensiuni cuprinse între 2 și câteva sute de nanometri

Forma nanoclusterelor la o dimensiune mai mică de 20 nm este aproape sferică, la dimensiuni mari devine fațetată. Distribuția de mărime a nanoclusterelor respectă legea normală din punct de vedere logaritmic.

Pentru colectarea pulberilor rezultate se folosesc filtre speciale și sedimentare centrifugă; în unele cazuri, se folosește captarea filmului lichid.

Mărimea și locația regiunii de condensare depind de presiunea gazului inert din cameră. La presiune mare, regiunea de condensare este concentrată în apropierea evaporatorului; la o scădere a presiunii, limita exterioară este în afara camerei de reacție.

Utilizarea moleculelor de gaz inert mai grele duce la o creștere a nanoclusterelor.

În timpul formării în interiorul volumului camerei, se formează nanoclustere rotunjite, iar pe pereți, de regulă, se formează nanoclustere cu fațetare. În aceleași condiții de evaporare și condensare, materialele cu un punct de topire mai mare formează particule mai mici.

Dacă există mai mult de un element în cameră, atunci este posibil să se sintetizeze compuși și să se dea particulelor o formă diferită.

Una dintre instalațiile pentru sinteza cu jet de levitație, fază gazoasă (Fig.) este o coloană, în partea superioară a cărei evaporare are loc de pe suprafața unei picături de lichid la capătul firului.

Orez. 1.1. Instalație cu jet de levitare pentru obținerea pulberilor metalice foarte dispersate: 1 - evaporator, 2 - picătură, 3 inductor, 4 - aerosol, 5 - frigider, 6 - filtru, 7 - container, 8 - pompă, 9 - alimentator de sârmă

Topirea firului se realizează prin câmpul electromagnetic de înaltă frecvență al inductorului. Materialul atomizat este antrenat de fluxul de gaz inert în partea de mijloc a coloanei, care este camera de reacție. Ciocnind cu moleculele de gaz inert, precum și cu pereții camerei, atomii evaporați sunt decelerati odată cu formarea de nanoclustere. Creșterea debitului de gaz reduce dimensiunea medie a particulelor și îngustează distribuția mărimii particulelor

Nanoclusterele, după ce trec prin filtru, sunt colectate într-un recipient.

Fabrica produce pulberi cu o dimensiune de 5 până la 200 nm.

Nanoclusterele mai mici pot fi obținute folosind un analizor de masă magnetic sau de timp de zbor.

Principiul de funcționare al unui spectrometru magnetic de masă se bazează pe forța Lorentz F care acționează asupra unei sarcini pozitive q care se mișcă cu viteza v într-un câmp magnetic cu inducție B, perpendicular pe liniile magnetice de forță.

Se știe că în acest caz o particulă de masă m cu sarcină q se va deplasa de-a lungul unui cerc cu raza R

După ce am determinat astfel masa particulei m, putem estima dimensiunea transversală a acesteia d, cunoscând densitatea r și forma acesteia.

Spectrometrul de masă (Fig.) constă dintr-o sursă de particule ionizate, un analizor de masă și un colector de particule.

Orez. analizor de masă

In sursa se intampla:

ionizarea particulelor prin bombardament cu fascicul de electroni 1,

accelerarea particulelor de către un câmp electric cu o diferență de potențial U pentru a da o viteză constantă v, care se bazează pe egalitatea energiilor potențiale (U*q) și cinetice (mv 2 /2) ale particulei.

focalizarea cu lentile magnetice 2.

Particulele cu aceeași sarcină q, care zboară în vid cu viteza v, cad în câmpul magnetic B al analizorului de masă, unde sunt selectate în funcție de masa m. Ieșind din analizorul de masă, particulele ajung la detectorul din colectorul de ioni. Particulele cu o anumită masă m cad în fanta colectorului. Pentru a înregistra și colecta particule de diferite dimensiuni, puteți modifica valorile lui B sau U controlând traiectoria particulelor.

Într-un analizor de timp de zbor, vaporii de metal ionizat sunt trecuți printr-o celulă cu heliu la o presiune de aproximativ 1000-1500 Pa, accelerând până la o anumită viteză v într-un câmp electric cu diferența de potențial U, apoi sunt lăsați să intre. o cameră cu vid (~ 10 5 Pa), în care dimensiunea clusterului este stabilită prin masa sa în timpul zborului într-un câmp electric de decelerare E.

Pentru sinteza diamantului se creează o fază gazoasă, de exemplu CO 2 , suprasaturat în conținut de carbon. Ca urmare, la interfața solid-gaz are loc condensarea carbonului din faza gazoasă și formarea nucleelor ​​de diamant. Sinteza din faza gazoasă se realizează în condiții care sunt metastabile pentru diamant: la o presiune de la câțiva Pa până la câteva sute de GPa și o temperatură de 870–1070 K. Datorită ratei scăzute de creștere (~ 100 nm/h), acesta este posibil să se obțină particule de diamant nanodimensionate. Depunerea de nanoparticule de diamant a găsit cea mai mare aplicație pentru crearea de pelicule și acoperiri asemănătoare cu diamante și diamante...

Nanoparticulele de argint, litiu și cupru depuse pe sticlă au fost obținute prin evaporarea metalelor într-o atmosferă inertă la o presiune de 0,01-0,13 Pa. Oxizii nanocristalini Al 2 O 3 , ZrO 2 , Y 2 O 3 au fost obținuți prin evaporarea semifabricatelor de oxid într-o atmosferă de heliu, pulverizarea cu magnetron a zirconiului într-un amestec de argon și oxigen, oxidarea controlată a nanocristalelor de ytriu.

Una dintre cele mai eficiente metode de depunere a filmului în tehnologia plană este metoda de pulverizare prin magnetron a materialelor. Această metodă este un fel de pulverizare ionică-plasmă. Pulverizarea materialului în aceste sisteme are loc datorită bombardării suprafeței țintă cu ioni ai gazului de lucru. Rata de pulverizare în sistemul magnetron este de 50 - 100 de ori mai mare decât în ​​pulverizarea convențională cu ion-plasmă. Rata mare de pulverizare a materialului din sistemul de pulverizare cu magnetron este determinată de densitatea mare a curentului ionic pe țintă. O densitate mare de curent ionic este obținută prin localizarea plasmei lângă suprafața țintă folosind un câmp magnetic transversal puternic.

Orez. 1.1. Schema sistemului de pulverizare cu magnetron:

1 - tinta; 2 - sistem magnetic; 3 - zona de pulverizare; 4 - linii de forță magnetice; 5 - debitul substanței pulverizate; 6 - substrat; 7 - suport substrat.

Diagrama sistemului de pulverizare cu magnetron este prezentată în Figura 1.1. Elementele principale ale sistemului sunt ținta 1 și sistemul magnetic 2. Liniile de câmp magnetic 4 sunt închise între polii sistemului magnetic. Un câmp electric este aplicat între ținta 1 și suportul de substrat 7 și o descărcare de strălucire anormală este excitată. Un câmp magnetic închis lângă suprafața țintă localizează descărcarea în apropierea acestei suprafețe. Ionii pozitivi din plasma unei descărcări strălucitoare anormale sunt accelerați de un câmp electric și bombardează ținta (catodul). Sub acțiunea bombardamentului ionic, ținta este pulverizată. Electronii emiși de catod sub acțiunea bombardamentului ionic intră în regiunea câmpurilor electrice și magnetice încrucișate și rămân prinși. Traiectoriile electronilor din capcană sunt apropiate de cicloidale. Eficiența ionizării și densitatea plasmei în această regiune crește semnificativ. Acest lucru duce la o creștere a concentrației ionilor în apropierea suprafeței țintei, o creștere a intensității bombardamentului ionic al țintei și o creștere semnificativă a ratei de pulverizare a țintei.

Nanopulberile de nitrură de metal de tranziție au fost formate prin încălzirea cu fascicul de electroni și evaporarea ulterioară într-o atmosferă de azot sau amoniac la o presiune de 130 Pa.

Nanoparticulele de carburi, oxizi si nitruri se obtin si prin incalzirea cu laser pulsata a metalelor intr-o atmosfera rarefiata de gaze reactive: metan (carburi), oxigen (oxizi), azot sau amoniac (nitruri). Într-o atmosferă cu un gaz inert (He sau Ag) și un reactiv gazos (O 2 , N 2 , NH 3 , CH 4 ), amestecuri de nanoxizi ai diferitelor metale, precum și amestecuri de oxid-nitrură sau carbură-nitrură, sunt formate.

Compoziția și dimensiunea nanoparticulelor este controlată de presiunea și compoziția gazelor, de puterea impulsului laser și de diferența de temperatură dintre ținta evaporată și suprafața de depunere.

Într-o instalație pentru producerea de nanopulberi ceramice din precursori organometalici (Fig.), evaporatorul este un reactor tubular în care precursorul (un produs de reacție intermediar) este amestecat cu un gaz purtător inert și descompus. Fluxul continuu rezultat de clustere sau nanoparticule intră în camera de lucru din reactor și se condensează pe un cilindru rotativ rece. Formarea nanoclusterelor este asigurată de concentrația scăzută a precursorului în gazul inert, expansiunea și răcirea rapidă a fluxului de gaz pe măsură ce acesta iese din reactor în camera de lucru și presiunea scăzută în camera de lucru.

Fig. Schema echipamentului pentru obținerea pulberilor ceramice nanocristaline prin condensare de vapori (CVC) folosind precursori organometalici ca sursă de vapori condensabili

Sinteza chimică plasmatică

În prima etapă a sintezei chimice plasmatice, particulele active se formează în arc, de înaltă frecvență și microunde sub acțiunea unui arc electric, câmp de microunde în reactoarele cu plasmă.

În a doua etapă, nanoparticulele sunt eliberate ca urmare a răcirii.

Sinteza plasma-chimică este utilizată pentru a obține pulberi foarte dispersate de nitruri, carburi, boruri și oxizi.

Sinteza plasma-chimică este oportună pentru a realiza o viteză mare de răcire a fluxului de plasmă, în care are loc condensarea din nanoparticulele în fază gazoasă; reducând astfel dimensiunea particulelor generate, precum și suprimând coalescența particulelor la ciocnire.

Elementele chimice și compușii acestora, în special halogenurile, sunt utilizate ca materie primă. În această sinteză, se utilizează azot, amoniac, hidrocarbură, argon, plasmă la temperatură joasă de arc, strălucire, de înaltă frecvență sau descărcări cu microunde (40008000 K).

Particulele rezultate din pulberi chimice plasmatice sunt monocristale și au dimensiuni de la 10 la 200 nm sau mai mult. Dezavantajele sintezei chimice plasmatice (dimensiunea mare a particulelor, conținut ridicat de impurități) sunt compensate de productivitatea ridicată a procesului și de o mare varietate de compoziții de pulbere: (nitruri (titan, zirconiu, hafniu, vanadiu, niobiu, tantal, bor, aluminiu și siliciu), carburi (titan, niobiu, tantal, wolfram, bor și siliciu), oxizi (magneziu, ytriu și aluminiu).

Pulberile plasma-chimice de metal, bor și carburi de siliciu se obțin de regulă prin interacțiunea clorurilor elementelor corespunzătoare cu hidrogenul și metanul sau alte hidrocarburi în plasmă de argon de înaltă frecvență sau arc; nitrururile sunt obținute prin interacțiunea clorurilor cu amoniacul sau cu un amestec de azot și hidrogen într-o plasmă cu microunde la temperatură joasă. Cu ajutorul sintezei plasma-chimice se produc si pulberi submicrocristaline multicomponente care sunt amestecuri de carburi si nitruri, nitruri si boruri, nitruri de diverse elemente etc.

Sinteza oxizilor în plasma unei descărcări cu arc electric se realizează prin evaporarea metalului, urmată de oxidarea vaporilor sau oxidarea particulelor de metal într-o plasmă care conține oxigen.

Metoda plasma-chimica este folosita si pentru obtinerea de pulberi metalice. De exemplu, pulberile de cupru submicrocristalin cu o dimensiune a particulelor mai mică de 100 nm și o distribuție relativ îngustă a dimensiunii particulelor sunt obținute prin reducerea clorurii de cupru cu hidrogen într-o plasmă cu arc de argon cu temperaturi de până la 1800 K.

Sinteza în fază gazoasă

Sinteza în fază gazoasă este una dintre varietățile de sinteză chimică cu plasmă, în care încălzirea, evaporarea și fluxul de reacții în fază gazoasă a materiei prime sunt efectuate de un fascicul laser.

Încălzirea cu laser asigură formarea de nanoparticule uniforme ca mărime și compoziție.

Particulele de siliciu cu un diametru de 50 ± 20 nm sunt obținute din SiH4 gazos folosind un laser CO2. Granulele sferice de pulbere de Si au avut și constau din mai multe cristalite de dimensiunea de ~15 nm.

Pulberile de nitrură de siliciu Si3N4 au fost sintetizate dintr-un amestec gazos de silan SIH4 şi amoniac NH3. Pulberea rezultată a fost amorfă, granulele de pulbere aveau o formă sferică și o dimensiune medie de 17 ± 4 nm, iar distribuția granulometrică a fost mai îngustă decât în ​​pulberea de Si (pentru Si 3 N 4, distribuția granulometrică variază de la 10 la 25). nm). Spre deosebire de nanopulbere de siliciu, boabele de Si 3 N 4 nu aveau structură internă. Carbura de siliciu SiC a fost sintetizată folosind amestecuri gazoase de silan cu metan sau etilenă. Dimensiunea granulelor în pulberea cristalină de SiC obținută a variat de la 18 la 26 nm, dimensiunea medie a fost de 21 nm. Studiul a arătat că dimensiunea particulelor nanocristaline scade odată cu creșterea intensității (putere pe unitate de suprafață) a radiației laser din cauza creșterii temperaturii și a vitezei de încălzire a reactivilor gazos. Granulele de nanopulberi sintetizate prin încălzire cu laser se disting printr-o distribuție îngustă a dimensiunilor și o formă sferică.

Sinteza în fază gazoasă folosind radiația laser pentru a crea și menține o plasmă în care are loc o reacție chimică s-a dovedit a fi o metodă eficientă pentru obținerea clusterelor moleculare.

Grupurile moleculare ocupă un loc cu totul special printre substanțele cu o nanostructură. Cea mai faimoasă dintre ele este o nouă modificare alotropică a carbonului împreună cu grafitul și diamantul.

Clusterele de Ti8C12 au fost obținute prin sinteză plasmă-chimică în fază gazoasă. Heliul a fost folosit ca gaz inert; reactanții au fost hidrocarburi (metan, etilenă, acetilenă, propilenă și benzen) și vapori de titan; presiunea amestecului de gaze din reactor a fost de 93 Pa. Radiația laser Nd focalizată cu o lungime de undă de 532 nm a fost utilizată pentru a evapora o tijă de metal de titan rotativă și a crea un fascicul de vapori de metal ionizat. Spectrele de masă ale produselor de reacție au arătat un vârf ascuțit corespunzător moleculei de Ti8C12. Stabilitatea ridicată a clusterului Ti 8 C 12 este aparent o consecință a structurii geometrice și electronice speciale inerente acestor clustere.

Stările de legare ale clusterului Ti 8 C 12 sunt formate dintr-o combinație de orbitali Ti 3d și orbitali moleculari C 2, iar nivelul umplut cu cea mai mare energie este situat între stările de legare și antilegare ale titanului, ceea ce asigură stabilitatea clusterului.

Tehnologia Sol-gel

ZOLI(liosoluri) - sisteme coloidale foarte dispersate cu un mediu de dispersie lichid. Particule din faza dispersată a solului, împreună cu învelișul de solvat din jur de molecule (ioni) ale mediului de dispersie numit. micelii.

Ei participă liber și independent unul de celălalt la mișcarea browniană și umplu uniform întregul volum al mediului de dispersie. Dimensiunea particulelor de liosol este de obicei în intervalul 10 -7 -10 -5 cm Soli cu un mediu de dispersie apos numit. hidrosoli, cu org. mediu - organosoluri. Solurile sunt împărțite în liofile și liofobe (interacționând puternic și slab D.F. cu D.S.). Structura unei micele, de exemplu, un hidrosol AgBr stabilizat cu KBr, poate fi scrisă folosind chimia. caractere: (t pBr - (n - x) K + ) xK +

GELURI- sisteme dispersate în gel cu un mediu de dispersie lichid, în care particulele fazei dispersate formează spații. grilă structurală. Sunt corpuri asemănătoare solide ("gelatinoase") capabile să-și mențină forma, având elasticitate (elasticitate) și plasticitate. Gelurile tipice au o structură coagulativă, adică. particulele fazei dispersate sunt legate la punctele de contact prin forțele intermolului. interacțiuni direct sau printr-un strat subțire al mediului de dispersie. Ele se caracterizează prin capacitatea de izotermă. condițiile îi refac spontan structura după blană. distrugere.

Tehnologia Sol-gel (tehnologia gelului) este o tehnologie de obținere a materialelor, inclusiv obținerea unui sol și transformarea acestuia într-un gel. Tehnologiile Sol-gel sunt utilizate la producerea de absorbanți anorganici, catalizatori și purtători de catalizatori, zeoliți sintetici, lianți anorganici, ceramică cu proprietăți termofizice, optice, magnetice și electrice speciale, sticlă, ceramică din sticlă, fibre etc. În prima etapă, tehnologia sol-gel se formează compoziția chimică a produsului, care se obține sub formă de soluție coloidală foarte dispersată - un sol. Mărimea particulelor fazei dispersate în cenușă stabilă este de 1 - 1000 nm. O creștere a concentrației fazei dispersate duce la apariția contactelor de coagulare între particule și la începutul structurării - gelificare (a doua etapă a tehnologiei sol-gel). Pentru a crește stabilitatea structurilor și a controla procesele de formare a structurii, rezistența contactelor este afectată prin modificarea suprafeței particulelor cu aditivi ai agenților tensioactivi sau prin crearea unei structuri spațiale a unui polimer organic cu molecul înalt într-o soluție. Sistemele de dispersie foarte concentrate sunt utilizate la producerea lianților anorganici și a diferitelor paste. Astfel de sisteme sunt foarte flexibile. Forțele de coagulare sunt capabile nu numai să mențină forma gelului, care este importantă în formarea produselor, ci și să provoace o compactare treptată a gelului, însoțită de eliberarea fazei dispersate din porii gelului, o scăderea volumului său și o creștere a densității și rezistenței. Când mediul de dispersie este îndepărtat (a treia etapă a procesului), apar contacte puternice de fază. Când este uscat, gelul se transformă într-un corp solid, fin poros (xerogel). În timpul procesului de uscare, poate apărea o compactare vizibilă a gelului și o modificare a structurii acestuia. Au fost dezvoltate metode de uscare care reduc acest efect și oferă materiale cu porozitate mare deschisă. Datorită dispersiei mari de xerogeluri (dimensiunea particulelor 10-100 nm), prin turnare și sinterizare sunt produse produse puternice, dense, cu o anumită formă geometrică, din materiale refractare.

Precipitații din soluții coloidale

Primirea solilor.

Dezvoltarea metodelor de sinteză a sistemelor coloidale foarte dispersate a început la mijlocul secolului al XIX-lea, după ce Faraday a obținut soluri stabile de aur (2–50 nm) prin reducerea unei sări de aur diluată cu fosfor galben.

AuCI3 + 3H20 + P® Au + P(OH)3 + 3HCI.

Ulterior, s-au dezvoltat metode clasice pentru sinteza solurilor de aur monodisperse cu un grad dat de dispersie prin reducerea aurului cu peroxid de hidrogen si formaldehida.

2 HAuCl 4 + 3H 2 O 2 ® 2 Au + 8HCl + 3O 2,

2 HAuCl 4 + 3HCHO + 11KOH ® 2Au + 3HCOOK + 8KCl + 8H 2 O

Procesul decurge în două etape. În primul rând, se formează nucleele unei noi faze, iar apoi se creează o suprasaturare slabă în cenușă, la care nu se formează nuclee noi, ci are loc doar creșterea lor. În acest fel, pot fi obținute soluri de aur galben (d ~ 20 nm), roșu (d ~ 40 nm) și albastru (d ~ 100 nm).

Pentru obținerea solurilor de oxizi și hidroxizi metalici se folosesc reacții de hidroliză a sărurilor metalice anorganice sau a aucoxizilor metalici. De exemplu, un sol de hidroxid de fier poate fi obținut prin reacția:

FeCl 3 + 3H 2 O + T (90 - 100ºC) "Fe (OH) 3 + 3HCl

Prezența în sistemele ultrafine a unui mare exces de energie asociat cu o interfață interfacială foarte dezvoltată facilitează procesele de agregare a particulelor coloidale. Pentru a obține particule dintr-o anumită dispersie, este necesar să opriți creșterea particulelor în timp. În acest scop, suprafața particulelor fazei dispersate este inhibată datorită formării unui strat protector de surfactant pe aceasta sau datorită formării de compuși complecși pe aceasta.

Formarea sistemelor micelare .

Pentru a obține sisteme micelare este necesar să se utilizeze surfactanți - substanțe organice (sintetice și naturale), care au solubilitate limitată în apă și pot fi adsorbite pe interfață, reducând tensiunea interfacială. Aceste substanțe au o structură amfifilă: o moleculă sau un ion de surfactant conține o parte hidrofobă și o grupare polară de o natură sau alta. Partea hidrofobă este un radical de hidrocarbură (C n H 2 n+1, C n H 2 n–1, C n H 2 n+1, C 6 H 4 și altele) care conține de la 8 la 18 atomi de carbon. Apa la temperatura camerei este un lichid structurat, are un ordin scurt (r< 0,8 нм). При растворении ПАВ происходит дальнейшее структурирование молекул воды вокруг неполярных углеводородных радикалов ПАВ, что приводит к уменьшению энтропии системы. Поскольку система стремится к максимуму энтропии, то при достижении определённой концентрации, называемой критической концентрацией мицеллообразования (ККМ), молекулы или ионы ПАВ начинают самопроизвольно мицелл. Образование мицелл фиксируется обычно по изменению какого либо физического свойства раствора ПАВ (например, поверхностного натяжения, электропроводности, плотности, вязкости, светорассеяния и т. д.) в зависимости от концентрации ПАВ. При концентрациях, близких к ККМ, мицеллы представляют собой примерно сферические образования, в которых полярные группы контактируют с водой, а гидрофобные радикалы находятся внутри, образуя неполярное ядро. Молекулы или ионы, входящие в состав мицеллы, находятся в динамическом равновесии с объёмом раствора. Это является одной из причин «шероховатости» внешней поверхности мицелл.

La concentrații de surfactant mai mari decât CMC, este posibilă formarea mai multor tipuri de micelii (Fig), care diferă ca formă: sferice, cilindrice, împachetate hexagonal, lamelare. Astfel, miceliile pot fi considerate nanoobiecte unidimensionale, bidimensionale și în vrac. În funcție de natura surfactantului, numerele de agregare ( n) poate varia de la zeci la câteva sute, iar dimensiunile micelilor se vor schimba, de asemenea.

Moleculele de surfactant insolubile în apă cu un radical lung de hidrocarbură și o grupare polară slabă se pot dizolva în faze lichide nepolare. În acest caz, la o anumită concentrație de surfactant, se observă și formarea micelilor, care se datorează interacțiunilor specifice dintre grupările polare ale surfactantului. Astfel de micelii sunt numite micelii inverse. Forma micelilor inverse depinde de concentrația surfactantului și poate fi diferită.

Figura 1. Structuri care apar în soluțiile de surfactant.

1 – monomeri, 2 – micelul, 3 – micelul cilindric, 4 – micelul cilindric împachetat hexagonal, 5 – micelul laminar, 6 – picături de apă împachetate hexagonal în sistem micelar invers.

Formarea de microemulsii

Microemulsiile sunt dispersii izotrope stabile termodinamic a două lichide nemiscibile. Atunci când astfel de lichide sunt amestecate, picături din unul dintre ele, stabilizate de un film interfacial de agenți tensioactivi și co-surfactanți, care sunt alcooli cu greutate moleculară mică, sunt distribuite în celălalt. Microemulsiile sunt sisteme dispersate liofile și pot fi obținute fie prin dispersia spontană a două lichide nemiscibile ca urmare a unei scăderi puternice a tensiunii interfaciale, fie prin solubilizare, așa cum s-a menționat mai sus. Stabilitatea termodinamică a sistemelor de microemulsie se datorează tensiunii interfațale scăzute, care poate fi de 10–5 mJ. m - 2 pentru surfactanți ionici și 10 - 4 mJ. m - 2 pentru surfactanții neionici. În funcție de ce fază este dispersată și care este continuă, microemulsiile pot fi directe - ulei în apă (o/w) - sau inversă - apă în ulei (w/m). Termenul „ulei” înseamnă un lichid organic nepolar. În ambele cazuri, faza dispersată constă din picături a căror dimensiune nu depășește 100 nm.

De regulă, microemulsiile sunt sisteme multicomponente formate din diferite structuri (bistrat, micelii cilindrice, sferice). În procesul de micelizare, pe lângă fazele micelare izotrope lichide, se formează faze micelare optic anizotrope, de exemplu, faze smectice și hexagonale stratificate, constând din agregate în formă de tijă de lungime infinită, adică microemulsiile au o microstructură internă, care este în prezent studiată intens prin diverse metode. În cazul în care conținutul de apă și ulei din sistem este comparabil, este posibilă formarea de sisteme bicontinue.

Proprietățile microemulsiilor sunt determinate în mare măsură de dimensiunea și forma particulelor fazei dispersate, precum și de proprietățile reologice ale straturilor de adsorbție interfacială formate din agenți tensioactivi. Deoarece microemulsiile au mobilitate ridicată și o interfață mare între faze, ele pot servi ca mediu universal pentru multe sinteze chimice, inclusiv producția de nanoparticule solide.

Formarea particulelor solide în microemulsii

Într-un sistem de microemulsie, particulele fazei dispersate se ciocnesc în mod constant, se unesc și se descompun din nou, ceea ce duce la un schimb continuu al conținutului lor. Procesul de coliziune a picăturilor depinde de difuzia picăturilor în faza uleioasă (pentru un sistem de microemulsie inversă), în timp ce procesul de schimb este determinat de interacțiunea straturilor de adsorbție a agentului tensioactiv și de flexibilitatea suprafeței interfațale (aceasta din urmă împrejurare este extrem de importantă atunci când chimicale). reacțiile sunt efectuate în astfel de sisteme)

Orez. Schema reacției care are loc în sistemul de microemulsie inversă.

Sistemele de microemulsie inversă sunt adesea folosite pentru a produce nanoparticule solide. În acest scop, se amestecă două sisteme identice cu microemulsie, ale căror faze apoase conțin substanțele A și B, care formează în timpul unei reacții chimice un compus puțin solubil C. Când picăturile se unesc în ele, se formează un nou compus C ca un rezultat al metabolismului (Fig. 1). Mărimea particulelor noii faze va fi limitată de dimensiunea picăturilor din faza polară.

Nanoparticulele metalice pot fi, de asemenea, obţinute prin introducerea unui agent reducător (de exemplu, hidrogen sau hidrazină) într-o microemulsie care conţine o sare de metal, sau prin trecerea unui gaz (de exemplu, CO sau H2S) prin emulsie. În acest fel (prin reducerea unei săruri a metalului corespunzător sau cu hidrazină) au fost obținute pentru prima dată particulele metalice monodisperse de Pt, Pd, Rh și Ir (cu o dimensiune a particulei de 3-5 nm). O metodă similară a fost folosită pentru a sintetiza nanoparticule bimetalice de platină și paladiu.

În prezent, reacțiile de precipitare în sistemele de microemulsie sunt utilizate pe scară largă pentru sinteza nanoparticulelor metalice, semiconductorilor, carbonaților și sulfaților de bariu, calciu, stronțiu, particule monodisperse de SiO2 și ceramică la temperatură înaltă.

În ciuda faptului că mecanismul de formare a nanoparticulelor nu a fost în cele din urmă stabilit, se pot distinge o serie de factori care afectează cursul reacției. Mărimea picăturilor de fază dispersată este, de asemenea, influențată de natura agenților tensioactivi, care sunt stabilizatori ai sistemului de microemulsie. Cu toate acestea, în toate cazurile, dimensiunea nanoparticulelor formate în cursul reacției este controlată de dimensiunea picăturilor emulsiei inițiale.

De asemenea, trebuie remarcată utilizarea sistemelor de microemulsie pentru producerea de compuși organici, care este importantă atunci când se creează noi forme de dozare.

Majoritatea cercetărilor în acest domeniu se referă la sinteza nanoparticulelor sferice. În același timp, obținerea particulelor asimetrice (filamente, discuri, elipsoide) și controlul precis asupra formei acestora prezintă un mare interes științific și practic. Sinteza în sisteme de microemulsie inversă a făcut posibilă obținerea de nanofibre de BaCO 3 precum și de nanoparticule asimetrice din diferite substanțe cu proprietăți magnetice neobișnuite.

De mare interes este sinteza nanocompozitelor constând din particule dintr-un material (dimensiunea particulelor 50–100 nm) acoperite cu un strat subțire din alt material.

Obținerea de straturi mono și polimoleculare.

Surfactanții sunt capabili să formeze filme monomoleculare pe diferite interfețe de fază: apă - aer; corp solid - lichid; lichidul este lichid. Astfel de filme pot fi considerate nanosisteme bidimensionale. Monostraturile de surfactant la interfața apă-aer au fost studiate pentru prima dată de Langmuir, care a dezvoltat o metodă experimentală pentru studierea unor astfel de filme (balanțele Langmuir).

Filmele monomoleculare de pe suprafața unui lichid pot fi în diferite stări: gazoasă, lichidă și solidă. Aceste stări sunt caracterizate de diferite energii de interacțiune între moleculele de surfactant.

În anumite condiții (pH, temperatură), la interfața apă-aer se formează în mod spontan structuri cu un grad ridicat de ordine, în care moleculele (sau ionii) de surfactant sunt aranjate în așa fel încât gruparea polară să fie în soluție, iar hidrocarbura. radicalul este orientat în aer la un unghi mic față de interfață. Procesele de autoorganizare în peliculă se datorează difilicității moleculelor de surfactant și pot fi analizate din punctul de vedere al interacțiunii grupului polar cu substratul apos și al interacțiunii radicalilor de hidrocarburi între ei.

De un interes considerabil sunt reacțiile chimice care apar în filmele monomoleculare. Prin variarea presiunii de suprafață, este posibil să se controleze orientarea moleculelor în stratul de suprafață și astfel să se influențeze în mod specific cursul reacțiilor. Astfel, filmele Langmuir-Blodgett sunt folosite pentru a obține nanoparticule solide solide de natură variată direct în procesul unei reacții chimice sau de reducere fotochimică a sărurilor metalice. Procese similare au loc în sistemele biologice.

Filmele depuse pe suprafața solidelor pot forma atât straturi mono cât și multistrat. De exemplu, dacă o placă de sticlă verticală este scoasă din apă printr-un monostrat de stearat de bariu pe suprafața apei, placa este acoperită cu un strat de surfactant în care radicalii de hidrocarburi sunt orientați spre exterior. Ca urmare, suprafața unei astfel de plăci devine hidrofobă. Puteți aplica următorul strat pe el. Prin aplicarea secvenţială a straturilor se pot obţine suprafeţe hidrofile sau hidrofobe. Filmele construite din straturi orientate identic se numesc filme X, iar cele construite din straturi orientate opus se numesc filme Y. În acest fel, este posibil să se obțină acoperiri multistrat a căror grosime se află în intervalul dimensiunilor nanometrice.

Structura și forma particulelor ultrafine.

Întrebările referitoare la mecanismele de formare și structura particulelor nanodimensionate sunt printre cele mai importante și fundamentale întrebări ale chimiei coloidului. Într-adevăr, particulele ultrafine sunt un fel de „particule elementare” ale chimiei coloidale. Trecerea de la o simplă definiție calitativă a conceptului de particule dispersate la definirea parametrilor și raporturilor lor cantitative necesită o elucidare detaliată a structurii particulelor ultrafine în diferite sisteme coloidale - soluri, soluții micelare, microemulsii, geluri și așa mai departe.

Conceptul timpuriu al structurii particulelor solide ultrafine sa bazat pe presupunerea că structura lor este similară cu structura macrofazei aceleiași substanțe. Cu toate acestea, studiul suplimentar al procesului de nucleare și creștere a unei noi faze a arătat că, în funcție de condițiile de cristalizare (mărimea suprasaturației sau suprarăcirii, prezența impurităților și o serie de alte motive), atât particulele ultrafine amorfe, cât și cele cristaline. se poate forma din solutii. Weimarn a descoperit deja că forma particulelor de BaS04 formate în timpul cristalizării dintr-o soluție depinde de gradul de suprasaturare al soluției. Astfel, a obținut soluri foarte dispersate, structuri fulgioase, microcristale bine fațetate și cristale asemănătoare acului. Temperatura la care sunt sintetizate nanoparticulele joacă, de asemenea, un rol important. De exemplu, nanoparticulele de dioxid de titan obținute prin metoda sol-gel au formă de baghete la temperaturi scăzute, iar cristale bipiramidale la temperaturi ridicate. O altă confirmare a diversității formelor de nanoparticule este formarea dendritelor în timpul cristalizării din topituri și soluții.

Varietatea formelor se datorează faptului că procesele de formare a unei noi faze (procese de autoorganizare) se desfășoară în condiții pur de neechilibru, iar gradul de perfecțiune al structurii depinde de cât de mult se abate condițiile de cristalizare. din echilibru. De exemplu, în sinteza diamantului dintr-o fază gazoasă densă și plasmă, se formează o structură mai perfectă în mai multe condiții de neechilibru.

Agenții tensioactivi prezenți în soluție pot avea o influență puternică asupra procesului de cristalizare. În funcție de natura și concentrația lor, ele pot modifica rata de formare și creștere a nucleelor ​​unei noi faze, distribuția mărimii nanoparticulelor și forma cristalelor. Toate aceste efecte sunt asociate cu adsorbția selectivă a moleculelor de surfactant sau a ionilor pe diferite fețe ale cristalelor rezultate și, în consecință, cu o încetinire a creșterii unor fețe în comparație cu altele. În plus, natura agenților tensioactivi afectează și polimorfismul compușilor rezultați.

O caracteristică importantă a proceselor de cristalizare care duc la formarea nanoparticulelor este că forma lor nu poate fi descrisă prin metode de geometrie convenționale. Pentru a descrie astfel de sisteme, se utilizează geometria fractală, deoarece cu abateri puternice de la echilibru și, în consecință, cu valori ridicate ale forței motrice a procesului de cristalizare, instabilitatea limitei de fază duce, de regulă, la formarea de structuri fractale.

De interes sunt rezultatele studiilor în care se arată că, în timpul cristalizării comune a halogenurilor de amoniu și iodurii de cesiu, din vapori foarte suprasaturați se formează mai întâi monocristale primare foarte dispersate. Datorită suprafeței interfațale dezvoltate, sistemul dispersat rezultat are un mare exces de energie; prin urmare, în el au loc procese de agregare, însoțite de creșterea internă a particulelor inițiale monocristaline de dimensiuni aproximativ egale. Ca rezultat al unei astfel de agregari, se formează pseudocristale simple.

Clasificarea metodelor fizice 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. sputtering (dispersie), metode de evaporare-condensare, tehnologia sublimării în vid, metode de transformări în stare solidă de sinteză în fază gazoasă explozia electrică a conductorilor încapsulare topitură răcire

Metodele de evaporare-condensare se bazează pe sinteza nano-obiectelor pulbere ca urmare a unei tranziții de fază vapor-solid sau vapor-lichid-solid într-un volum de gaz sau pe o suprafață răcită. Esența metodei constă în faptul că substanța inițială se evaporă prin încălzire intensă și apoi se răcește rapid.

Clasificarea metodelor de evaporare a condensului 1) în funcție de tipul de încălzire a materialului evaporat: rezistiv, laser, plasmă, arc electric, inducție, metode ionice 2) mediu: vid, gaz neutru 3) diverse metode de răcire

Schema de instalare pentru obtinerea nanopulberei prin metoda evaporare prin condensare 1 - substanta evaporanta; 2 - încălzitor; 3 - suprafata de decantare; 4 - evacuarea vasului Evaporarea creuzetului Substanța evaporată este de obicei plasată într-un creuzet sau barcă din materiale refractare, inerte chimic: wolfram, tantal, grafit sau carbon sticlos Evaporare fără creuzet folosind impulsuri puternice de curent, încălzire cu laser sau cu plasmă. Aceasta crește puritatea condensului.

Tehnologia cu plasmă Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat format ca urmare a ionizării termice a atomilor și moleculelor la temperaturi ridicate. Exista: plasma slab ionizata sau la temperatura joasa, plasma moderat ionizata, complet ionizata sau la temperatura ridicata. Procesele tehnologice folosesc de obicei plasmă la temperatură joasă obținută la temperaturi de 20.000 K și un interval de presiune de 10~5 103 MPa.

Pentru a genera plasmă, arc electric de mare putere, se folosesc torțe cu plasmă de înaltă frecvență, super-înaltă frecvență, care încălzesc gazul la temperaturi foarte ridicate. O plasmă stabilă de joasă presiune poate fi obținută folosind un gaz inert cu adaos de hidrogen.

Schema unei instalații de obținere a nanopulberilor prin metoda cu jet de plasmă. Încălzirea și evaporarea materialului de dispersat se realizează datorită energiei jetului de plasmă la temperatură joasă ejectat din plasmatron Substanța evaporată este introdusă în zona de plasmă sub formă a unei pulberi sau a unui electrod consumabil (anod) Se formează un gaz puternic încălzit, a cărui viteză de răcire este de o importanță decisivă pentru dispersie, structura pulberii, productivitate 1 - creuzet cu o probă; 2 - lanterna cu plasmă; 3 - plasma; 4 - zona de condensare; 5 - plăci colectoare de nanomaterial cu răcire cu apă; b - recipient pentru colectarea produsului

Condensarea substanței dispersate în procesele cu plasmă este produsă de fluxul de gaz de răcire de către suprafețele răcite. Viteza de răcire: mai mult de 10 5°C/m este suficientă pentru pulberile de metale refractare cu dimensiuni ale particulelor de 5 100 nm. 105 108 °C/s Pulberi de Al cu dimensiunea particulelor 0,5 50 nm și suprafață specifică Ssp (70 30) 103 m 2 /kg. materiale ceramice si intermetalice precum nitrura de bor (sinteza din faza de vapori-gaz cu BBr 3, H 2, N 2); carbură de titan (fazele inițiale Ti. CI4, CH4, H2); compoziţiile Ti Mo C şi Fe Ti C (substanţe iniţiale Ti. Cl 4, Mo. C 15, Fe (CO) 5). Forma particulelor obținute în plasmă este predominant sferică, uneori cu prezența particulelor cu fațetare pronunțată

Avantajul este posibilitatea de evaporare stabilă a materialelor cu punct de topire ridicat și presiune scăzută de vapori (wolfram, molibden, tantal, oxid de siliciu, carbon). Dezavantaje: problemele nerezolvate complet ale focalizării cu jet de plasmă la presiuni sub 25 k.

Unitate de plasmă cu electrod rotativ pentru producerea de pulberi, model UCR Conceput pentru producerea de pulberi metalice (granule) din metale foarte reactive, aliaje de titan prin pulverizarea centrifugă a pieselor de prelucrat, topite cu un încălzitor cu plasmă într-un mediu cu gaz inert. Producția de granule din aliaj de titan vizează producerea de produse pentru instalațiile de turbine cu gaz de energie staționară, stațiile de pompare ale conductelor principale de gaze, fabricarea de garnituri poroase (filtre, catalizatori etc.) în industriile chimice etc.

Metoda combinată cu plasmă. Evaporare mai eficientă a dispersantului. Metoda folosește două plasme: 1) plasmă de curent continuu pentru a încălzi materialul, 2) plasmă de descărcare de înaltă frecvență, care topește și evaporă pulberea grosieră sau așchiile inițiale. Folosit pentru a obține pulberi de multe metale și compuși metalici cu particule sferice cu o dimensiune mai mare de 50 nm

Metoda de încălzire cu laser Laserul este un generator cuantic optic. este o sursă de radiație optică coerentă, caracterizată prin directivitate ridicată și densitate mare de energie. Laserele sunt: ​​gaz, stare solidă lichidă. Utilizarea încălzirii cu laser face posibilă evitarea dezavantajelor inerente metodei cu plasmă, menținând în același timp nivelul temperaturilor de funcționare. Folosind această tehnologie de evaporare, s-au obținut nanopulberi de Ti, Ni, Mo, Fe, Al cu o dimensiune medie a particulelor de câteva zeci de nanometri.

Încălzirea prin arc electric Schema unui reactor cu pistol cu ​​plasmă cu arc electric de curent continuu: 1 - intrarea gazului plasmator; 2 - electrozi; 3 - plasma; 4 - intrarea unei substanțe dispersate; 5 - intrare gaz pilot rece; 6 - ieșirea produsului

1) Mediu inert 2) Mediu mixt, inert cu hidrogen (Ag H 2) - mai eficient. În acest caz, metalul interacționează cu hidrogenul atomic, a cărui solubilitate este mult mai mare decât cea a hidrogenului molecular. Suprasaturarea topiturii cu hidrogen duce la evaporarea accelerată a metalului. Productivitatea procesului crește de 10.104 ori față de versiunea tradițională. Folosit pentru a obține nanopulberi de Fe, Ni, Co, Cu și alte metale, precum și compoziții duble, cum ar fi Fe Cu, Fe Si. Forma particulelor este aproape sferică.

Explozia electrica a conductorilor Schema schematica a instalatiei de obtinere a nanopulberei prin explozia unui conductor: 1 - conductor; 2 - opritor; 3 - umplutură Fire subțiri de metal cu un diametru de 0, 1 1 mm sunt plasate într-o cameră, unde le este impulsionat un curent mare. Durata impulsului este de 10 5 10 7 s, densitatea de curent este de 104 106 A/mm 2. Firele se încălzesc instantaneu și se evaporă. Procesul se desfășoară în argon sau heliu la o presiune de 0,160 MPa. Explozia electrică a unui conductor este însoțită de o schimbare bruscă a stării de agregare a metalului ca urmare a eliberării intense de energie în acesta, precum și a generării de unde de șoc, în timp ce se creează condiții pentru rapid (la o viteză mai mare de 1 * 107 K/s) încălzirea metalelor la temperaturi ridicate (T > 104 K)

În stadiul de explozie, metalul se supraîncălzi peste temperatura de topire, 3 expansiunea substanței are loc cu o viteză de până la 5*10 m/s, iar metalul supraîncălzit este dispersat exploziv.Formarea particulelor are loc în zbor liber. Condensul metalic se depune pe pereții camerei sub formă de pulbere dispersată. Prin ajustarea condițiilor de explozie, este posibil să se obțină pulberi cu dimensiuni ale particulelor de la 100 µm la 50 nm. Dimensiunea medie a particulelor scade monoton odată cu creșterea densității curentului și scurtarea duratei pulsului. Pulberile sferice de Fe, Ti, W, Mo, Co cu o dimensiune a particulelor de 40–100 nm sunt un mediu inert, pulberile sunt piroforice (se aprind în aer), pasivarea lor se realizează prin oxidare lentă sau acoperire cu oxizi metalici Al, Ti, Zr, nitruri, carburi sau amestecuri ale acestora cu dimensiunea particulelor de 10-50 nm - mediu cu aer, apă distilată, parafină, ulei tehnic

Dispersia metalului este o consecință a dezvoltării instabilităților (magnetohidrodinamice, constricție sau cauzate de forțele de tensiune superficială). Distrugerea conductorului are loc neomogen pe lungime. Evaporarea este localizată în zone de constricție. În acest caz, înainte de distrugerea conductorului, o parte relativ mică din acesta se evaporă. Cea mai mare parte este pulverizată sub formă de picături de metal lichid, care apoi se pot evapora datorită energiei eliberate în arcurile care apar între picături. Densitatea de curent în timpul unei explozii electrice lente nu este mai mare de 107 A / cm2.

Explozie rapidă - timpul pentru intrarea energiei în conductor este mai mic decât timpul pentru dezvoltarea instabilităților. În procesul de expansiune, produsele de explozie păstrează simetria cilindrică fără îndoituri sau constrângeri. Acest lucru asigură uniformitatea încălzirii materialului conductor în timpul exploziei, care este unul dintre cei mai importanți factori care afectează formarea particulelor în condiții EEW. 7 O explozie rapidă are loc la densități de curent mai mari de 10 A/cm2.În acest caz, energia introdusă este, de regulă, suficientă pentru evaporarea completă a conductorului.

O explozie ultrarapidă are loc de obicei la densități de curent mai mari de 108 A/cm2, în principal pe conductori de diametru mare. În acest mod, procesul de distrugere se dezvoltă neomogen de-a lungul razei conductorului. Doar straturile sale de suprafață explodează secvenţial, în timp ce regiunile centrale pot rămâne relativ reci. X

Un alt tip de distrugere a conductorilor, care nu are legătură cu o explozie, dar care apare adesea atunci când un curent de descărcare trece printr-un conductor. Aceasta este dezintegrarea conductorului în picături după topirea acestuia, cazul în care energia furnizată nu este suficientă pentru a evapora conductorul.

În funcție de densitatea mediului (ϒ), exploziile electrice ale conductorilor sunt împărțite condiționat în trei clase: explozii la o densitate scăzută a mediului (în vid, ϒ 10 1 g/cm 3); explozii în medii condensate (în apă, alte lichide, solide, ϒ\u003e 0,6 0,8 g / cm 3) Plasarea conductorului într-un mediu mai dens întârzie dezvoltarea neomogenităților, expansiunea materialului evaporat

Instalația „UDP 150” pentru obținerea nanopulberilor prin metoda exploziei electrice a conductoarelor De la o sursă de energie de înaltă tensiune - 1, se încarcă un dispozitiv capacitiv de stocare a energiei - 2. Mecanismul de alimentare a sârmei - 3 asigură instalarea automată a unei bucăți de explozie de fir - 4 între doi electrozi. comutator - 5, acumulatorul este descărcat pe această bucată de sârmă și explodează. Pulberea rezultată este colectată în acumulator - 6, pasivată și trimisă pentru prelucrare ulterioară. Volumul camerei - 7 este evacuat și apoi umplut cu atmosferă de gaz.Aceste funcții sunt îndeplinite de sistemul de alimentare cu gaz – opt.

Sârmă metalică Capacitate de instalare, g/h Al 50 Cu 100 W 80 Micrografie particule de nanopulbere de wolfram (100 nm sau mai puțin)

Procesele Medium Vacuum sunt eficiente pentru obținerea de pulberi cu proprietăți deosebite, precum și pentru un număr mare de materiale nevolatile și refractare. Obțineți nanopulberi de metale Ni, Al, Zn, Pb, Mn, Fe, Co, precum și pulberi de aliaje cu o dimensiune a particulelor de 50 100 nm. Procesul într-un mediu cu gaz inert este de obicei menținut la o presiune de 10 102 Pa. Gaz inert heliu, argon, xenon sau azot. Obțineți pulberi de alcaline și alcalino-pământoase, adică metale reactive, la o presiune de aproximativ 1 atm, într-un mediu cu argon. Dimensiunea particulelor obţinute prin această metodă este de 10-100 nm.

Metode de răcire Eficiente în ceea ce privește reducerea dimensiunii particulelor. suprafețe de răcire Condensul în vid pe un substrat de ulei în mișcare face posibilă obținerea de particule cu un diametru de 10 nm și, în unele cazuri, chiar mai mici. Produsul procesului este o suspensie de pulbere în ulei, care poate fi adesea folosită fără separare suplimentară. Prin această metodă s-au obținut și pulberi metalice amorfe cu o suprafață specifică de 1025 m/g.

Protecția nanomaterialelor împotriva condensării prin oxidare în diverse medii Sinteza matriceală a nanoparticulelor metalice: condensarea atomilor de metal în vid pe suprafața filmelor de matrice organică staționară sau în creștere la temperaturi scăzute (~77 K). În acest caz, încălzirea rezistivă și cu fascicul de electroni este utilizată pentru a evapora metalele. Ca rezultat, se formează particule foarte fine cu dimensiunea de 1-10 nm sau precipitate amorfe. Această metodă a fost folosită pentru a obține particule de Cr, Ni și An într-o matrice de benzen. În comparație cu condensarea metalelor pe substraturi anorganice, metoda matricei are următoarele avantaje: prepararea relativ ușoară a compozitelor organometalice, din care în unele cazuri este posibilă izolarea pulberilor metalice posibilitatea catalizei direct în cursul procesului fără intermediar. etapele de izolare si preparare a catalizatorului

Avantajele metodelor de evaporare a condensului: productivitate ridicată; posibilitatea de dispersie fără contact cu echipamentul; posibilitatea producției într-o singură etapă de filme, acoperiri de protecție, emulsii, compozite. Dezavantaje ale metodelor: necesitatea de echipamente sofisticate, intensitate mare a muncii; utilizarea ca materie primă de metale gata făcute sau materiale cu compoziția dorită; distribuție largă a dimensiunilor particulelor

Tehnologia sublimării în vid Metoda se bazează pe modificarea stării agregate a unei substanțe – sublimare.Procesul de obținere a nanopulberilor cuprinde 3 etape principale. 1. Se pregătește soluția inițială a substanței prelucrate sau a mai multor substanțe. 2. Congelarea solutiei - are ca scop fixarea distributiei spatiale uniforme a componentelor inerente lichidului pentru a obtine cea mai mica dimensiune posibila a cristalitelor in faza solida. 3. A treia etapă este îndepărtarea cristalitelor de solvent din soluția înghețată prin sublimare.

În urma tuturor operațiunilor tehnologice se obține un corp poros, format din cristalite de substanțe dizolvate, slab interconectate prin intermediul unor „punți”. O ușoară acțiune mecanică distruge corpul poros, ducând la formarea unei pulberi, a cărei dimensiune a particulelor este de ordinul mărimii egală cu dimensiunea particulelor de săruri dizolvate formate în stadiul de înghețare. Eficacitatea tehnologiei de sublimare în vid depinde de etapa a 2-a, deoarece etapa de înghețare a soluției de substanțe inițiale determină structura produsului și proprietățile acestuia. De exemplu, cu o creștere a vitezei de înghețare, dimensiunea elementelor structurale formate, de regulă, scade, în timp ce uniformitatea distribuției spațiale a componentelor crește.

Principalele metode de congelare a soluției inițiale utilizate pentru obținerea nanopulberilor sunt: ​​1. pulverizarea în lichide criogenice (de obicei azot lichid), 2. pulverizarea în vid (congelarea evaporativă), cristalizarea) Eficiența suficientă și implementarea durabilă a procesului tehnologic - pentru Metoda a 2-a și a 3-a

Congelare prin evaporare 1 - mixer; 2 - camera de vid si frigider; 3 - încălzitor; 4 - acumulator Congelarea evaporativa (sau autocongelarea) solutiilor se realizeaza datorita evaporarii intensive a solventului in vid, la o presiune mai mica decat presiunea corespunzatoare punctului triplu. Artă. iar temperatura nu este mai mare de 40 ° C, soluția inițială este furnizată de la mixer. În acest caz, jetul de lichid este dispersat în picături, care sunt înghețate în zbor. Criogranulele rezultate umplu capacitatea încălzitorului, în care se realizează procesul de sublimare a solventului din ele. Rezultatul este un produs sub forma unei mase de granule sferice constând dintr-o substanță dizolvată.

Nanomateriale: ferite, oxizi, nitruri, carburi, compuși cu supraconductivitate la temperatură ridicată etc. Avantajele tehnologiei de sublimare în vid: granularitatea produsului, care facilitează transportul acestuia cu formare minimă de praf și promovează depozitarea pe termen lung fără modificarea vizibilă a proprietăților; formare scăzută de praf, ceea ce crește siguranța sintezei nanomaterialelor; premise favorabile pentru organizarea producţiei continue. Dezavantaje: restricțiile privind solubilitatea restrâng lista materialelor obținute prin această metodă; procesul de sublimare necesită echipamente speciale.

Obținerea nanomaterialelor folosind transformări în fază solidă Dispersia se realizează într-un solid fără modificarea stării de agregare Cristalizarea controlată dintr-o stare amorfă este una dintre metodele de obținere a nanomaterialelor în vrac. Metoda constă în obținerea unui material amorf, de exemplu, prin stingerea din stare lichidă și apoi cristalizarea acestuia în condiții de încălzire controlată. Această metodă poate fi utilizată pentru a obține nanomateriale predispuse la amorfizare: diferite aliaje de metale tranziționale cu nemetale, de exemplu, Fe B, Fe Si B, Fe Cr B, Fe Mo Si B, Ti Ni Si, Ni P, Fe Cn Nb B, precum și Se , Fe Zr, Al Cr Ce Co etc.

Dimensiunile cristalitelor obținute în urma procesului depind de natura materialului și de tipul tratamentului termic. De exemplu, mărimea granulelor în seleniul hexagonal, în funcție de temperatura de recoacere, a variat de la 3 la 70 nm, iar în aliajul FeMoSiB, de la 15 la 200 nm. Avantajele metodei de cristalizare controlată dintr-o stare amorfă: posibilitatea de a obține materiale nanocristaline și amorfe film și vrac; producerea de materiale neporoase. Restricții: asupra compozițiilor care sunt disponibile pentru amorfizare; in functie de marimea produsului.

Metodă de iradiere a aliajelor cu particule de înaltă energie Ca urmare a iradierii, se formează bucle de dislocare și sunt rearanjate în sublimite și limite ale nanocristalelor. Iradierea se efectuează cu ioni Kr cu o energie de 1,5 Me. B la temperaturi de 500–700°C într-o configurație care combină un microscop electronic și un accelerator de ioni. Formarea nanostructurii a fost realizată pe oțeluri austenitice Kh 15 N 15 MZT 1 și Kh 16 N 8 MZ. Dimensiunea granulelor nanomaterialelor a fost de 2085 nm.

Limitări în utilizarea nanomaterialelor

S-a dovedit că materialele cu granule nanodimensionate sunt casante. O limitare importantă pentru utilizarea materialelor structurale nanostructurate este tendința lor la coroziune intergranulară din cauza unei fracțiuni de volum foarte mare a granițelor. În acest sens, ele nu pot fi recomandate pentru funcționarea în condiții propice unei astfel de coroziuni. O altă limitare importantă este instabilitatea structurii nanomaterialelor și, în consecință, instabilitatea proprietăților lor fizico-chimice și fizico-mecanice. Deci cu termică, radiații, deformare etc. influențele, procesele de relaxare, segregare și omogenizare sunt inevitabile. La turnarea produselor din nanopulberi, problema aglomerării (lipirea nanoparticulelor) în aglomerate apare, de asemenea, destul de acut, ceea ce poate complica producția de materiale cu o anumită structură și distribuție a componentelor.

De menționat că piața comercială este în prezent

cele mai larg reprezentate nanomateriale sunt nanopulberile

metale și aliaje, nanopulberi de oxizi (siliciu, fier, antimoniu, aluminiu, titan), nanopulberi dintr-un număr de carburi, nanofibre de carbon, materiale fullerene.

Obiectele nanodispersate se obțin sub formă de sol, gel, dispersie concentrată sau pulbere, peliculă subțire, corp nanoporos. Gama de metode de obținere a acestora este extrem de largă. Metodele existente pentru obținerea nanoobiectelor sunt clasificate după următoarele criterii:

Strategia de sinteză: obținerea se poate baza fie pe procesul de dispersie, fie pe procesul de condensare - în literatura străină, aceste metode sunt împărțite în două grupe: „de sus în jos” - „de sus în jos”, adică. reducerea dimensiunii, măcinare și „de jos în sus” - „de jos în sus”, adică crearea de nanostructuri din componente inițiale mai mici, mai precis din atomi și molecule (ambele abordări sunt ilustrate vizual în Fig. 2.2);

Natura procesului de sinteză (fizică, chimică sau biologică);

Surse de energie utilizate în procesul de sinteză (laser, plasmă, încălzire, congelare, mecanică, hidrotermală, combustie etc.);

Mediu în care se formează nanoparticule sau nanocristale (NC) (gaz, lichid sau solid).

Alegerea unei anumite tehnologii este determinată de o serie de factori, inclusiv proprietățile fizice și chimice ale particulelor obținute, productivitatea, intensitatea energetică a procesului, compatibilitatea cu mediul etc.

Principalele metode de obținere a nanomaterialelor pot fi împărțite într-un număr de grupe tehnologice (Fig. 2.3): metode pe bază de pulbere

metalurgie, metode bazate pe producerea de precursori amorfi, tehnologii de suprafață (crearea de acoperiri și straturi modificate cu o nanostructură), metode bazate pe utilizarea deformării plastice severe și metode complexe folosind mai multe tehnologii diferite în serie sau în paralel.

Fulerenele sunt obținute prin diverse metode, printre care metoda arcului, producerea în flacără, încălzirea cu laser, evaporarea grafitului prin radiația solară focalizată și sinteza chimică.

Cel mai eficient mod de a obține fullerene este pulverizarea termică a unui electrod de grafit într-o plasmă cu descărcare în arc, arderea într-o atmosferă de heliu. Se aprinde un arc electric între doi electrozi de grafit, în care anodul se evaporă. Pe pereții reactorului se depune funingine, conținând de la 1 la 40% (în funcție de parametrii geometrici și tehnologici) fulerene. Pentru extracția fulerenelor din funingine care conțin fulerene se utilizează separarea și purificarea, extracția lichidă și cromatografia pe coloană. Productivitatea nu este mai mare de 10% din greutatea funinginei de grafit originală, în timp ce în produsul final raportul C 60: C 70 este de 90: 10. Până în prezent, toate fulerenele de pe piață au fost obținute prin această metodă. Dezavantajele metodei includ dificultatea izolării, purificării și separării diferitelor fulerene din negrul de fum, randamentul scăzut al fulerenelor și, ca urmare, costul ridicat al acestora.

Cele mai comune metode de sinteză a nanotuburilor sunt descărcarea cu arc electric, ablația cu laser și depunerea chimică în vapori.

Folosind descărcare cu arc are loc o evaporare termică intensă a anodului de grafit, iar pe suprafața de capăt a catodului se formează un depozit (~90% din greutatea anodului) cu o lungime de aproximativ 40 μm. Mănunchiurile de nanotuburi depuse pe catod sunt vizibile chiar și cu ochiul liber. Spațiul dintre grinzi este umplut cu un amestec de nanoparticule dezordonate și nanotuburi unice. Conținutul de nanotuburi din depozitul de carbon poate ajunge până la 60%, iar lungimea nanotuburilor cu un singur perete rezultate poate fi de până la câțiva micrometri cu un diametru mic (1-5 nm).

Dezavantajele metodei includ dificultăți tehnologice asociate cu implementarea purificării în mai multe etape a produsului de incluziuni de funingine și alte impurități. Randamentul nanotuburilor de carbon cu un singur perete nu depășește 20-40%. Un număr mare de parametri de control (tensiune, puterea și densitatea curentului, temperatura plasmei, presiunea totală în sistem, proprietățile și debitul gazului inert, dimensiunile camerei de reacție, durata sintezei, prezența și geometria dispozitivelor de răcire, natura și puritatea) a materialului electrodului, raportul dintre dimensiunile lor geometrice, precum și o serie de alți parametri care sunt greu de cuantificat, de exemplu, viteza de răcire a vaporilor de carbon) complică foarte mult controlul procesului, proiectarea hardware a instalațiilor de sinteză și previne reproducerea lor la scară de aplicare industrială. De asemenea, interferează cu modelarea sintezei arcului de nanotuburi de carbon.

La Ablația prin laserținta de grafit este evaporată într-un reactor la temperatură înaltă, urmată de condensare, cu randamentul de produs atingând 70%. Cu această metodă, sunt produse predominant nanotuburi de carbon cu un singur perete, cu un diametru controlat. În ciuda costului ridicat al materialului rezultat, tehnologia de ablație cu laser poate fi extinsă la un nivel industrial, așa că este important să ne gândim la cum să eliminați riscul ca nanotuburile să intre în atmosfera zonei de lucru. Acesta din urmă este posibil cu automatizarea completă a proceselor și excluderea muncii manuale în etapa de ambalare a produsului.

Depuneri chimice de vapori apare pe un substrat cu un strat catalizator de particule metalice (cel mai adesea nichel, cobalt, fier sau amestecuri ale acestora). Pentru a iniția creșterea nanotuburilor, în reactor sunt introduse două tipuri de gaze: gaz de proces (de exemplu, amoniac, azot, hidrogen) și gaz care conține carbon (acitilenă, etilenă, etanol, metan). Nanotuburile încep să crească pe particulele de catalizator metalic. Această metodă este cea mai promițătoare la scară industrială datorită costului său mai mic, simplității relative și controlabilității creșterii nanotuburilor folosind un catalizator.

Analiza detaliată a produselor obținute prin depunere chimică de vapori a arătat prezența a cel puțin 15 hidrocarburi aromatice, inclusiv 4 compuși de carbon policiclici toxici au fost detectați. Benzapirenul policiclic, un cunoscut cancerigen, a fost recunoscut ca fiind cel mai dăunător în compoziția subproduselor de producție. Alte impurități reprezintă o amenințare pentru stratul de ozon al planetei.

Mai multe companii rusești au început deja producția de nanotuburi de carbon. Astfel, centrul științific și tehnic „GraNaT” (regiunea Moscova) dispune de o instalație pilot dezvoltată de forțele proprii pentru sinteza nanomaterialelor de carbon prin precipitare chimică cu o capacitate de până la 200 g/h. JSC „Uzina Tambov” Komsomolets „numit după. Din 2005, N. S. Artemova dezvoltă producția de nanomaterial de carbon Taunit, care este un nanotuburi de carbon cu pereți multipli, obținute prin depunerea chimică în vapori pe un catalizator metalic. Capacitatea totală a reactoarelor pentru producția de nanotuburi de carbon ale producătorilor ruși depășește 10 t/an.

Nanopulberi de metale și compușii acestora sunt cel mai comun tip de nanomateriale, în timp ce producția lor crește în fiecare an. În general, metodele de obținere a nanopulberilor pot fi împărțite în chimic(sinteză plasma-chimică, sinteză laser, sinteză termică, sinteză la temperatură înaltă cu autopropagare (SHS), sinteză mecanochimică, sinteză electrochimică, depunere din soluții apoase, sinteză criochimică) și fizic(evaporare și condensare într-un gaz inert sau de reacție, explozie electrică a conductorilor (EEE), măcinare mecanică, tratament de detonare). Cele mai promițătoare dintre ele pentru producția industrială sunt sinteza în fază gazoasă, sinteza chimică cu plasmă, măcinarea și explozia electrică a conductorilor.

La sinteza în fază gazoasă evaporarea unui material solid (metal, aliaj, semiconductor) se realizează la o temperatură controlată într-o atmosferă de diferite gaze (Ar, Xe, N 2 , He 2 , aer) cu răcire ulterioară intensivă a vaporilor substanței rezultate. Aceasta formează o pulbere polidispersă (dimensiunea particulelor 10-500 nm).

Evaporarea metalului poate avea loc din creuzet sau metalul intră în zona de încălzire și evaporare sub formă de sârmă, pulbere metalică sau într-un jet de lichid. Uneori, metalul este pulverizat cu un fascicul de ioni de argon. Energia poate fi furnizată prin încălzire directă, prin trecerea unui curent electric printr-un fir, printr-o descărcare de arc electric într-o plasmă, prin încălzire prin inducție cu curenți de înaltă și medie frecvență, prin radiație laser și prin încălzire prin fascicul de electroni. Evaporarea și condensarea pot avea loc în vid, într-un gaz inert staționar, într-un flux de gaz, inclusiv cu jet de plasmă.

Datorită acestei tehnologii, productivitatea ajunge la zeci de kilograme pe oră. În acest fel se obțin oxizi de metale (MgO, Al 2 0 3, CuO), unele metale (Ni, Al, T1, Mo) și materiale semiconductoare cu proprietăți unice. Avantajele metodei includ consum redus de energie, continuitate, o singură etapă și productivitate ridicată. Puritatea nanopulberilor depinde numai de puritatea materiei prime. În mod tradițional, sinteza în fază gazoasă se realizează într-un volum închis la o temperatură ridicată, astfel încât riscul ca nanoparticulele să intre în zona de lucru se poate datora doar unei situații de urgență sau a unor operatori neprofesioniști.

Sinteza chimică plasmatică utilizat pentru a obține nanopulberi de nitruri, carburi, oxizi metalici, amestecuri multicomponente cu o dimensiune a particulelor de 10-200 nm. În timpul sintezei, se utilizează plasmă de argon, hidrocarbură, amoniac sau azot la temperatură joasă (10 5 K) de diferite tipuri de descărcări (arc, strălucire, de înaltă frecvență și microunde). Într-o astfel de plasmă, toate substanțele se descompun în atomi, cu o răcire rapidă suplimentară, din ele se formează substanțe simple și complexe, a căror compoziție, structură și stare depind puternic de viteza de răcire.

Avantajele metodei sunt rate mari de formare și condensare a compușilor și productivitate ridicată. Principalele dezavantaje ale sintezei chimice plasmatice sunt distribuția largă a dimensiunilor particulelor (de la zeci la mii de nanometri) și conținutul ridicat de impurități din pulbere. Specificul acestei metode impune ca procesele să fie efectuate într-un volum închis, prin urmare, după răcire, nanopulberile pot intra în atmosfera zonei de lucru numai dacă nu sunt despachetate și transportate corespunzător.

Până în prezent, doar la nivel semiindustrial fizic metode de obţinere a nanopulberilor. Aceste tehnologii sunt deținute de o foarte mică parte a companiilor de producție situate în principal în SUA, Marea Britanie, Germania, Rusia, Ucraina. Metodele fizice de obținere a nanopulberilor se bazează pe evaporarea metalelor, aliajelor sau oxizilor cu condensarea lor ulterioară la temperatură și atmosferă controlate. Tranzițiile de fază „vapor-lichid-solid” sau „vapor-solid” au loc în volumul reactorului sau pe un substrat sau pereți răciți. Materia primă este evaporată prin încălzire intensivă, vaporii sunt introduși în spațiul de reacție cu ajutorul unui gaz purtător, unde suferă o răcire rapidă. Încălzirea se realizează cu plasmă, radiații laser, arc electric, cuptoare cu rezistență, curenți de inducție etc. În funcție de tipul de materie primă și de produsul rezultat, evaporarea și condensarea se realizează în vid, în flux de gaz inert sau plasmă. Mărimea și forma particulelor depind de temperatura procesului, compoziția atmosferei și presiunea din spațiul de reacție. De exemplu, într-o atmosferă de heliu, particulele sunt mai mici decât într-o atmosferă cu un gaz mai greu, argonul. Metoda face posibilă obținerea de pulberi de Ni, Mo, Fe, Ti, Al cu o dimensiune a particulei mai mică de 100 nm. Avantajele, dezavantajele și pericolele asociate cu implementarea unor astfel de metode vor fi discutate mai jos folosind exemplul metodei exploziei electrice cu fir.

De asemenea, utilizată pe scară largă este metoda măcinarea mecanică a materialelor,în care se folosesc mori cu bile, planetare, centrifuge, vibratoare, precum și dispozitive giroscopice, atritoare și simoloyer. LLC Tekhnika i Tekhnologiya Disintegratsii produce pulberi fine și nanopulberi folosind mori planetare industriale. Această tehnologie permite atingerea productivității de la 10 kg/h până la 1 t/h, se caracterizează prin costuri reduse și puritate ridicată a produsului, proprietăți controlate ale particulelor.

Metalele, ceramica, polimerii, oxizii, materialele casante sunt zdrobite mecanic, in timp ce gradul de macinare depinde de tipul de material. Deci, pentru oxizii de wolfram și molibden, dimensiunea particulelor este de aproximativ 5 nm, pentru fier - 10-20 nm. Avantajul acestei metode este prepararea de nanopulberi de aliaje aliate, compuși intermetalici, siliciuri și compozite întărite cu dispersie (dimensiunea particulelor ~5–15 nm).

Metoda este ușor de implementat, vă permite să obțineți materialul în cantități mari. De asemenea, este convenabil ca instalațiile și tehnologiile relativ simple să fie potrivite pentru metodele de șlefuire mecanică, este posibil să se măcina diverse materiale și să se obțină pulberi de aliaj. Dezavantajele includ o distribuție largă a dimensiunilor particulelor, precum și contaminarea produsului cu materiale din părțile abrazive ale mecanismelor.

Dintre toate metodele enumerate, utilizarea râșnițelor presupune deversarea în canalizare a nanomaterialelor după curățarea dispozitivelor utilizate, iar în cazul curățării manuale a pieselor acestui echipament, personalul se află în contact direct cu nanoparticulele.

• Ablația cu laser este o metodă de îndepărtare a unei substanțe de pe o suprafață cu un impuls laser.
• Attritoarele și simoloyerele sunt dispozitive de măcinare de mare energie cu corp fix (un tambur cu agitatoare care dau mișcare bilelor din el). Atritorii au o aranjare verticală a tobei, simoloyers - orizontal. Măcinarea materialului măcinat prin bile de măcinat, spre deosebire de alte tipuri de dispozitive de șlefuire, are loc în principal nu din cauza impactului, ci în funcție de mecanismul de abraziune.