Методы получения наноматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нанотехнология -- область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Основой всех нано технологий является способность четырехвалентных элементов (чаще всего углерода) образовывать многоатомные, а затем и многомолекулярные структуры. Такие структуры чаще всего обладают специфическими (в зависимости от состава, формы полученной молекулы и других ее параметров) свойствами, не присущими никаким другим известным соединениям, что делает их такими интересными для науки и открывает огромные области для применения наномолекул и в целом нанотехнологий. нанотехнология техника материал

Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей.

В свою очередь способность четырехвалентных элементов, например, углерода, образовывать четыре связи с другими атомами объясняется с точки зрения физики наличием четырех валентных электронов на внешнем энергетическом уровне.

Конечно, следует сказать, что такое объяснение не совсем раскрывает вопрос и является скорее химическим, а не физическим. Но если капнуть дальше можно увидеть что в основе всего лежит физическое явление, которое объясняет образование связей между атомами.

Так же заметим, современное описание химической связи проводится на основе именно квантовой механики которая является разделом физики. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Такое взаимодействие называется электромагнитным.

Методы получения наноматериалов делятся на механические, физические, химические и биологические. Т.е. в основе данной классификации лежит природа процесса синтеза наноматериалов. В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации, кавитационные процессы и т.п. Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава и т.п. (Для полноты классификации и для справки) К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах.

Механические методы Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, т.е. возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходят не в течение всего времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц и в короткое время после него. Механическое воздействие является также и локальным, так как происходит не во всей массе твёрдого вещества, а там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений. Благодаря импульсности и локальности в небольших областях материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в материале дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин. В результате происходит измельчение вещества, ускоряется массоперенос и перемешивание компонентов, активируется химическое взаимодействие твёрдых реагентов. В результате механического истирания и механического сплавления может быть достигнута более высокая взаимная растворимость некоторых элементов в твёрдом состоянии, чем возможна в равновесных условиях. Размол проводится в шаровых, планетарных, вибрационных, вихревых, гироскопических, струйных мельницах, аттриторах. Измельчение в этих устройствах происходит в результате ударов и истирания.Разновидностью метода механического измельчения является механохимический способ. При тонком измельчении смеси различных компонентов между ними ускоряется взаимодействие. Кроме того, возможно протекание химических реакций, которые при контакте, не сопровождающемся измельчением, вообще не происходят при таких температурах. Эти реакции называются механохимическими. С целью формирования наноструктуры в объемных материалахиспользуют специальные механические схемы деформирования, которые позволяют достичь больших искажений структуры образцов при относительно низких температурах.Соответственно, к интенсивной пластической деформации относятся следующие методы:

- кручение под высоким давлением;

- равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование);

- метод всесторонней ковки;

- равноканальная угловая вытяжка (РКУ-вытяжка);

- метод «песочных часов»;

- метод интенсивного трения скольжением.

В настоящее время большинство результатов получено первыми двумя методами. В последнее время разрабатываются методы получения наноматериалов с использованием механического воздействия различных сред. К этим способам относятся кавитационно-гидродинамический, вибрационный способы, способ ударной волны, измельчение ультразвуком и детонационный синтез.

Кавитационно-гидродинамический метод служит для получения суспензий нанопорошков в различных дисперсионных средах. Кавитация - от лат. слова «пустота» - образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. В ходе процесса кавитационные эффекты, вызванные образованием и разрушением парогазовых микропузырьков в жидкости в течение 10-3 - 10-5 с при давлениях порядка 100 - 1000 МПа, приводят к разогреву не только жидкостей, но и твёрдых тел. Это воздействие вызывает измельчение частиц твёрдого вещества.

Измельчение ультразвуком также основано на расклинивающем действии кавитационных ударов. В основе вибрационного метода получения наноматериалов лежит резонансная природа эффектов и явлений, которые обеспечивают минимальные энергозатраты при проведении процессов и высокую степень гомогенизации многофазных сред. Принцип действия заключается в том, что какой-либо сосуд подвергается вибрационному воздействию с определённой частотой и амплитудой.

Наночастицы алмаза можно получать детонационным синтезом. В способе используется энергия взрыва, при этом достигается давление в сотни тысяч атмосфер и температуры до нескольких тысяч градусов. Эти условия соответствуют области термодинамической устойчивости фазы алмаза. К физическим методам получения УД материалов относятся методы распыления, процессы испарения-конденсации, вакуум-сублимационная технология, методы превращений в твёрдом состоянии.

Метод распыления струи расплава жидкостью или газом заключается в том, что тонкая струя жидкого материала подается в камеру, где разбивается в мелкие капли потоком сжатого инертного газа или струей жидкости. В качестве газов в этом методе используют аргон или азот; в качестве жидкостей - воду, спирты, ацетон, ацетальдегид. Формирование наноструктур возможно способом закалки из жидкого состояния или спиннингованием. Способ состоит в получении тонких лент с помощью быстрого (не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана.

Физические методы. Методы испарения-конденсации основаны на получении порошков в результате фазового перехода пар - твёрдое тело или пар - жидкость - твёрдое тело в газовом объёме либо на охлаждаемой поверхности.

Сущность метода состоит в том, что исходное вещество испаряется путём интенсивного нагрева, а затем резко охлаждается. Нагрев испаряемого материала может осуществляться различными способами: резистивным, лазерным, плазменным, электрической дугой, индукционным, ионным. Процесс испарения-конденсации можно проводить в вакууме или среде нейтрального газа. Электрический взрыв проводников проводят в аргоне или гелии при давлении 0,1 - 60 МПа. В этом методе тонкие проволочки металла диаметром 0,1 - 1 мм помещают в камеру и импульсно подают к ним ток большой силы.

Продолжительность импульса 10-5 - 10-7 с, плотность тока 104 - 106 А/мм2. При этом проволочки мгновенно разогреваются и взрываются. Образование частиц происходит в свободном полёте. Вакуум-сублимационная технология получения наноматериалов включает три основные стадии. На первой стадии готовится исходный раствор обрабатываемого вещества или нескольких веществ. Вторая стадия - замораживания раствора - имеет целью зафиксировать равномерное пространственное распределение компонентов, присущее жидкости для получения минимально возможного размера кристаллитов в твёрдой фазе. Третья стадия - удаление из замороженного раствора кристаллитов растворителя путём его возгонки.

Существует ряд методов получения наноматериалов, в которых диспергирование осуществляется в твёрдом веществе без изменения агрегатного состояния. дним из способов получения массивных наноматериалов является способ контролируемой кристаллизации из аморфного состояния. Метод предполагает получение аморфного материала закалкой из жидкого состояния, а затем в условиях контролируемого нагрева проводится кристаллизация вещества. В настоящее время наиболее распространенным методом получения углеродных нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под высоким давлением. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в илиндрические пучки диаметром около 50 мкм.

Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде евооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Согласно небольшому исследованию, проведенному мной по современным технлогиям которые вводятся в производстве одежды, могу сказать, что некоторые технологии уже активно используются при создании материалов для одежды и обуви, но что касается био- и нанотехнологий, пока информации о подобных эксперементах, таких как Olivia Ong, очень мало и она достаточно редко встречается в сети. Я нашел около 10 примеров упоменания использования наноматериалов в создании одежды.
…Необычная одежда разработана японской исследовательской группой Life BEANS…

…или Кричевский Герман Евсеевич, профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель РФ, эксперт ЮНЕСКО, академик РИА и МИА, Лауреат Госпремии МСР рассказывает в статье для сайта nanonewsnet.ru о своем опыте внедрения нанотехнологий на текстильных производствах…

…Китайские ученые создали наноткань, которая сама очищается под воздействием солнечного излучения...

…Португалии разрабатывают новые материалы и устройства, которые являются последним словом в инновациях в рамках Европейского научно-исследовательского проекта DEPHOTEX…

И несколько других упоминаний других проектов.

К сожалению, не смотря на некоторые успехи в области био- и нанотехнологий и даже конкретно области одежды, получаемая продукция остается непомерно дорогой как для производителя так и для покупателя поэтому нанотехнологичная одежда пока не готова производиться в более крупных количествах. Сегодня эта область активно развивается и остается перспективным направлением в области нанотехнологий.

По прогнозам некоторых ученых важность доступность высоких технологий в будущем будет достигаться за счет поиска рациональных методов и технологий получения различных наноматериалов и в конечном счете приведет к повсеместной замене обычных материалов на те которые были получены с применением высоких технологий.

Лидером в исследовании методов получения наноматериалов является НГТУ и ТПУ в частности кафедра Биотехнологии на базе Института Физики Высоких Технологий.

Размещено на Allbest.ru