ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ТГПУ)
Биолого-химический факультет
Кафедра неорганической химии
Методы получения наночастиц
Курсовая работа
Выполнила: студентка 152 гр
Божко П.В
Томск-2008 г.
Содержание
Введение
1. Общие сведения о методах получения наночастиц
2. Получение наночастиц в газовой фазе
2.1 Получение наночастиц в процессе «испарение – конденсация»
2.2 Газофазное получение наночастиц
2.3 Получение наночастиц с помощью топохимических реакций
2.4 Сверхзвуковое истечение газов из сопла
2.5 Термолиз
2.6 Термическое разложение и восстановление
3. Получение наночастиц в жидкой фазе
3.1 Химическая конденсация
3.2 Осаждение в растворах и расплавах
3.3 Золь-гель метод
3.4 Электрохимический метод получения наночастиц
4. Получение наночастиц с использованием плазмы
4.1 Плазмохимический синтез
4.2 Электроэрозионный метод
4.3 Ударно-волновой или детонационный синтез
5. Механохимический синтез
6. Биохимические методы получения наноматериалов
7. Криохимический синтез
7.1 Основные процессы криохимической нанотехнологии
7.1.1 Приготовление и диспергирование растворов
7.1.2 Замораживание жидких капель
7.1.3 Сублимация
7.1.4 Десублимация
Заключение
Список литературы
Введение
Изучение наноструктур интенсивно началось примерно двадцать лет назад, и уже занимает определенное место в сфере применения. Хотя слово нанотехнология является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь.
Нанотехнология — это область науки и техники, связанная с разработкой устройств размером порядка нанометра (одной миллиардной доли метра), т. е. устройств, составляющих от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов. Основное назначение таких устройств — работать с отдельными атомами и молекулами (межатомные расстояния в биологических молекулах измеряются десятыми долями нанометра). Импульс развитию нанотехнологии дало создание сканирующего туннельного микроскопа — устройства, позволяющего исследовать вещество на атомном уровне ("видеть" атомы) и перемещать отдельные атомы. За это изобретение в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.
Так как нанохимия включает в себя множество разделов, и охватить их все в курсовой работе невозможно, я остановлюсь на разделе: методы получения наночастиц.
Таким образом, целью данной курсовой работы является обобщение литературных данных о способах получения наночастиц, и далее будут рассмотрены самые распространенные из них.
1. Общие сведения о методах получения наночастиц
Наиболее общей кинетической закономерностью формирования наноразмерных частиц является сочетание высокой скорости зарождения кристаллической фазы с малой скоростью ее роста. Именно эти особенности синтеза наночастиц определяют технологические пути его осуществления.
Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на основе этих методов трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.
Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это в первую очередь различные варианты механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы и др.
Такое разделение методов является относительно условным. Но отражает еще одну их особенность: получение частиц путем укрупнения отдельных атомов и агрегации, или подход «снизу», и различные варианты диспергирования, или подход «сверху». Первый подход характерен в основном для химических методов получения наноразмерных частиц, второй для физических методов. Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера частицы не ведет к качественным изменениям химических свойств.
2. Получение наночастиц в газовой фазе
2.1 Получение наночастиц в процессе «испарение – конденсация»
В газовой фазе наиболее часто проводят следующие процессы: испарение - конденсация (испарение в электрической дуге и в плазме); осаждение; топохимические реакции (восстановления, окисления, разложение частиц твердой фазы).
Рис. 1 Схема получения нанопорошков в процессе испарение – конденсация
В процессе «испарение - конденсация» жидкие или твердые вещества испаряют при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара в охлаждающей среде или на охлаждающих устройствах (рис. 1). Этот способ позволяет получать частицы размером от двух до нескольких сотен нанометров. Наночастицы с размером менее 20 нм обычно имеют сферическую форму, а у более крупных может появляться огранка.
Обычно испаряемое вещество 5 помещают в нагревательную камеру 2 с нагревателем 4 и отверстием (диафрагмой), через которое испарившиеся частицы вещества попадают в вакуумное пространство (с давлением около 0,10–0,01Па), где происходит формирование молекулярного пучка. Частицы, двигаясь практически прямолинейно, конденсируются на охлаждаемой подложке 1.Откачка газа из аппарата осуществляется через клапан 3.
Если проводить испарение вещества в режиме, когда нет столкновения между частицами в пространстве диафрагмы, то длина свободного пробега частицы лч>dд (здесь dд - диаметр диафрагмы). Истечение пучка частиц из нагревательной камеры будет эффузионное; интенсивность пучка J, частиц/(см2·с), на расстоянии r от источника.
Где p – давление; М – молекулярная масса; Т – температура источника тепла;Ө - угол между направлением пучка и нормалью к плоскости отверстия.
Как видно из выражения, интенсивность пучка ~ 1/r2, то есть распределение распыляемых частиц в пространстве приблизительно такое же, как и для источника. Другими словами, испускаемые частицы распространяются в вакууме по законам геометрической оптики.
Молекулярные пучки, получаемые при эффузионном истечении испаряющихся частиц, обладают малой интенсивностью порядка J=1012 – 1014 частиц/(см2·с). Температуру источника выбирают в зависимости от требуемой интенсивности молекулярного пучка и равновесного давления над испаряемым материалом. Она может быть выше или ниже температуры плавления вещества.
Необходимо отметить, что некоторые вещества (например, Sn и Ge) испаряются как в виде отдельных атомов, так и в виде малых кластеров. В молекулярных пучках малой интенсивности, получаемых при эффузионном истечении через отверстие в нагревательной камере, наблюдается равномерное распределение кластеров малых размеров.
Основным достоинством метода молекулярных пучков является возможность достаточно точно регулировать интенсивность пучка и управлять скоростью подачи частиц в зону конденсации [2].
2.2 Газофазное получение наночастиц
Метод молекулярных пучков малой интенсивности часто комбинируют с химическими способами осаждения. Осаждение осуществляют вблизи холодной поверхности аппарата или непосредственно на ней при контролируемой температуре и пониженном давлении для уменьшения вероятности столкновения частиц.
Для газофазного получения наночастиц применяются установки, различающиеся способами подвода и нагрева испаряемого материала, составом газовой среды, методами осуществления процесса конденсации и отбора получаемого порошка. Например, порошок осаждают на охлаждаемый вращающийся цилиндр или барабан и счищают с него скребком в приемную емкость.
Схема конструкции аппарата для газофазного синтеза металлических нанопорошков включает (рис. 2) рабочую камеру 1, охлаждаемый барабан 2, скребок 3, воронку 4, приемную емкость для порошка 5, нагреваемый трубчатый реактор 6, устройство 7 для регулируемой подачи испаряемого материала и несущего газа. В трубчатом реакторе 6 испаряемый материал смешивают с несущим инертным газом и переводят в газофазное состояние.
Рис. 2 Схема аппарата для газофазного синтеза металлисеских нанопорошков
Полученный непрерывный поток кластеров или наночастиц поступает из реактора в рабочую камеру 1 аппарата, в которой создается давление порядка 1 – 50 Па. Конденсация наночастиц и осаждение их в виде порошка происходит на поверхности охлаждаемого вращающегося барабана 2. с помощью скребка 3 порошок удаляют с поверхности барабана; затем он через воронку 4 поступает в приемную емкость 5 и направляется на дальнейшую переработку.
В отличие от испарения в вакууме, атомы вещества, испаренного в разреженной атмосфере, быстрее теряют кинетическую энергию из-за столкновения с атомами газа и образуют зародыши кристаллов (кластеры). При их конденсации образуются Нанокристаллические частицы. Так в процессе конденсации паров алюминия в среде водорода, гелия и аргона при различных давлениях газов получают частицы размером 100-20 нм.
2.3 Получение наночастиц с помощью топохимических реакций
С помощью топохимических реакций определенных газовых сред с металлическими наночастицами в момент их конденсации из паровой фазы можно получать наночастицы желаемых соединений. Для получения требуемого соединения взаимодействие испаряемого металла с газом-реагентом можно обеспечивать и непосредственно в газовой фазе.
В методе газофазных химических реакций синтез наноматериалов происходит за счет химических превращений, протекающих в атмосфере паров легколетучих веществ. Газофазные химические реакции можно разделить на реакции разложения, протекающие с участием одного реагента по схеме
А В + С,
И реакции между двумя и более реагентов по схеме
А + В С + D
Необходимым условием протекания первого типа химических реакций является существование реагента, содержащего все элементы конечного продукта. Поэтому второй тип газофазных реакций находит более широкое распространение.
При проведении газофазных химических реакций исходные реагенты должны быть легколетучими. В качестве исходных реагентов широко используются галогениды (особенно хлориды металлов), оксихлориды металлов MeOnClm, алкооксиды Me(OR)n, алкильные соединения Me(R)n, пары металлов и так далее. Этим методом можно получать наноматериалы бора, газовой сажи, металлов, сплавов, нитридов, карбидов, силицидов, сульфидов и других соединений.
При синтезе наноматериалов рассматриваемым методом на свойства получаемых продуктов в значительной степени оказывают влияние конструкции реакторов, метод нагревания реагентов, температурный градиент в ходе проведения процесса и ряд других факторов.
Газофазные химические реакции обычно проводят в различного типа трубчатых проточных реакторах. Наибольшее распространение получили реакторы с внешним нагреванием реакционной зоны. В качестве конструкционных материалов реакционной зоны аппаратов используют соединения кварца, керамические материалы или глинозем.
Топохимическое взаимодействие газовой фазы с порошком применяют для нанесения на его частицы различных покрытий и введения модифицирующих добавок. При этом необходимо регулировать степень неравномерности процесса так, чтобы твердая фаза выделялась только на поверхности частиц, а не в объеме между частицами. Например, к топохимическим реакциям можно отнести взаимодействие оксидов с азотом в присутствии углерода для синтеза нитридов. Таким способом синтезируют порошки нитридов кремния, алюминия, титана и циркония.
Состав инертного газа влияет на скорость роста частиц. Более тяжелые атомы окружающей среды интенсивнее отбирают энергию от конденсируемых атомов и этим способствуют росту частиц, так же как понижение температуры охлаждения тоже способствуют росту частиц. Меняя в аппарате давление газа и состав газовой среды, можно получать наночастицы различного размера. Так, замена гелия на аргон или ксенон в несколько раз увеличивает размер получаемых наночастиц.
Получению нанопорошков в газовой фазе способствует относительно низкое поверхностное натяжение на границе твердое тело – газ; увеличение поверхностного натяжения приводит к уплотнению наночастиц в агрегате. В то же время высокая температура ускоряет диффузионные процессы, что способствует росту частиц и образованию твердотельных мостиков между частицами. Главная проблема рассматриваемого способа заключается в отделении наночастиц от газовой фазы в условиях, когда концентрация частиц в газовом потоке мала, а температура газа достаточно высокая. Для улавливания наночастиц применяют специальные фильтрующие устройства (например, металлокерамические фильтры, электрофильтры), центробежное осаждение твердых частиц в циклонных аппаратах и гидроциклонах, специальные газовые центрифуги.
2.4 Сверхзвуковое истечение газов из сопла
$IMAGE6$
Рис. 3. Схема сверхзвукового истечения частиц из сопла
Молекулярные пучки большой интенсивности, когда J~1016 – 1018 частиц