2 Замораживание жидких капель.

Данный процесс обеспечивает при непосредственном контакте с хладоагентами или на охлаждаемых поверхностях. При непосредственном контакте с хладоагентами замораживание производят в объеме жидкого хладоагента, например, жидкого азота или охлажденной органической жидкости (например, гексан). При этом получают гранулы сферической формы.

При кристаллизации на охлаждаемых поверхностях капля раствора теряет сферическую форму, приобретая вид чечевицеобразных гранул. В ряде случаев процесс кристаллизации осуществляют в тонкой пленке, которую перед замораживанием наносят на охлаждаемую поверхность.

Нашел широкое промышленное применение процесс испарительного замораживания (или самозамораживание) диспергируемых фрагментов раствора в вакууме при давлении более низком, чем давление, соответствующее тройной точке диаграммы состояния растворителя. Скорость охлаждения капель раствора на стадии замораживания существенно влияет на структуру образующихся кристаллов льда и высушиваемого продукта. Режим замораживания особенно важен при получении наноструктурных элементов на последующей стадии сублимационного обезвоживания гранул. Для этого процесс замораживания должен протекать настолько быстро, чтобы предотвратить согрегацию компонентов раствора [4].

Обычно скорость охлаждения определяют на основании теоретических расчетов или подбирают опытным путем; она зависит от состава продукта, его теплофизических свойств, способа охлаждения и других факторов. Затем замороженные гранулы просеивают (в случае необходимости) и помешают в сублимационную камеру, где происходит их сублимационная сушка.

Малоразмерные фрагменты раствора (капли, тонкие пленки) можно замораживать также в самой камере сушки при вакуумировании. В этом случае в результате понижения давления происходит интенсивное практически адиабатное испарения влаги. При этом за счет отвода теплоты испарения наблюдается самоохлаждение продукта - вплоть до его полного замораживания. При осуществлении такого процесса обычно удаляется до 10 % влаги.

Главная цель процесса криокристаллизации заключается в сохранении высокой химической и гранулометрической однородности, присущей диспергируемому раствору. Возможность сохранения высокой химической однородности определяется различными условиями, в том числе размером замораживаемых капель раствора, его температурой, физико-химической природой и температурой хладоагента [7].

3 Сублимация.

Стадию испарения (сублимации) влаги реализуют ниже тройной точки на диаграмме равновесия «растворитель - растворенное вещество». Параметры данной точки (температура, давление) зависят от свойств растворителя и растворенного вещества, а также от состава раствора. Например, для чистой воды эти температуры составляют: давление р = 610 Па и Т = 273, 0076 К.

На стадии сублимации теплоту, затрачиваемую на испарение льда, к продукту подводят путем кондуктивного теплопереноса (теплопроводностью) или с использованием источников инфракрасного, электромагнитного и других видов излучения (радиационный электропровод); в ряде случаев используют их комбинацию.

При сублимационном обезвоживании удается избежать химических изменений компонентов, свести к минимуму потери летучих компонентов материала, высушить продукт без вспенивания, сохранить дисперсность составных частей композиции материала, поддержать стерильность и свести к минимуму окисление продукта.

Удалять растворитель из замороженного материала можно также способом криоэкстракции и криоосаждения. При криоэкстракции извлечение льда из гранул материала производится жидкими экстрагентами (например, ацетоном, метанолом, пропанолом, спиртом и другими). При этом температура среды и экстрагента должна быть ниже температуры замерзания солевого раствора. В этом случае лимитирующей стадией процесса является внешняя диффузия, то есть скорость диффузии молекул воды от поверхности гранул в объем экстрагента.

При криоосаждении удаление растворителя из замороженных гранул осуществляют при температуре ниже температуры плавления целевого продукта путем обработки осадителями (например, щавелевой кислотой, гидроксидом аммония и другими) [3].

4 Десублимация.

Обычно с понижением влажности материала интенсивность парообразования также падает. В соответствии с этим следует снижать количество подводимой теплоты, так как излишек может привести к нагреву материала -вплоть до плавления льда, что нарушит режим сублимационной сушки.

Для поддержания движущей силы в процессе сублимационной сушки необходимо обеспечивать непрерывный отвод паров влаги из сушильной камеры (сублиматора). Это можно сделать двумя способами.

Во-первых, необходимый вакуум можно поддерживать, используя прямой отсос образующихся паров из сушильной камеры с помощью вакуумных насосов (пароструйных, эжекторных).

Во-вторых, поддерживать вакуум в сушильной камере можно путем адсорбционного поглощения паров растворителя (воды) цеолитами или другими адсорбентами [6].

Более эффективным является удаление паров влаги путем их конденсации. Поскольку процесс сублимации осуществляют при достаточно высоком вакууме (остаточном давлении порядка 50 - 150 Па и температуре -20 - 50 С), то в этих условиях происходит твердофазная конденсация (десублимация) паров растворителя. Такой процесс десублимации можно проводить с использованием как поверхностных, так и контактных конденсаторов.

Продукт сублимационного обезвоживания получается в виде пористых гранул, состоящих из равномерной смеси ультрадисперсных элементов (частичек) твердых растворов солей. Отдельные частички структуры гранул скреплены по зонам контакта хрупкими кристаллическими «мостиками». В случае необходимости такие гранулы подвергаются термообработке, при которой происходит дегидратизация солевых компонентов и разложение солей окислов.

Лимитирующей стадией получения наночастиц методом криохимической технологии является процесс сублимационной сушки, продолжительность которого составляет 10 - 20 часов. Также необходимо отметить, что криохимический метод нашел применение для получения различных ультрадисперсных материалов неорганических солей; он перспективен и для сложных органических соединений. Способ можно использовать не только для водных, но и неводных растворов, а также смесей вода - неводный растворитель [7].

6. Наноматериалы и перспективы их применения

Впервые концепция наноматериалов была сформулирована в 80-х годах XX века Г. Глейтером, который ввел в научный обиход и сам термин - «наноматериал». Кроме традиционных наноматериалов (таких как химические элементы и соединения, аморфные вещества, металлы и их сплавы) к ним относят нанополупроводники, нанополимеры, нанопористые материалы, нанопорошки, многочисленные углеродные наноструктуры, нанобиоматериалы, супрамолекулярные структуры и катализаторы.

Факторами, определяющими уникальные свойства наноматериалов, являются размерные, электронные и квантовые эффекты образующих их наночастиц, а также их очень развитая поверхность. Многочисленными исследованиями показано, что значительные и технически интересные изменения физико-механических свойств наноматериалов (прочность, твердость и т.д.) происходят в интервале размеров частиц от нескольких нанометров до 100 нм. В настоящее время уже получены многие наноматериалы на основе нитридов и боридов с размером кристаллитов около 1-2 нм и менее [10].

Благодаря специфическим свойствам наночастиц, лежащих в их основе, такие материалы часто превосходят «обычные» по многим параметрам. Например, прочность металла, полученного средствами нанотехнологии, превышает прочность обычного в 1,5-3 раза, его твердость больше в 50-70 раз, а коррозийная стойкость - в 10-12 раз.

Области применения наноматериалов [9]:

элементы наноэлектроники и нанофотоники (полупроводниковые транзисторы и лазеры; фотодетекторы; солнечные элементы; различные сенсоры)

устройства сверхплотной записи информации

телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры

видеотехника -- плоские экраны, мониторы, видеопроекторы

молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне

топливные элементы и устройства хранения энергии

устройства микро- и наномеханики, в том числе молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы

нанохимия и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимия и фармацевтика

авиационные, космические и оборонные приложения устройства контроля состояния окружающей среды

целевая доставка лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническая и медицинская диагностика, создание искусственных мускулов, костей, имплантация живых органов

биомеханика, геномика, биоинформатика, биоинструментарий

регистрация и идентификация канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов; безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищевых продуктов.

Омская область готова развивать нанотехнологии

Развитие нанотехнологий - одно из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Омском регионе.

Так, в Омском филиале Института физики полупроводников СО РАН ведется разработка наноэлектроники, а в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН ведутся работы по получению нанопористых углеродных носителей и катализаторов.

Заключение

Нанонаука имеет специфическую терминологическую систему, формирование которой продолжается. Объединяющим началом понятий и терминов в данной области является то, что приставка «нано-» есть особое обобщенное отражение объектов исследования, прогнозируемых явлений, эффектов и способов их описания, связанных с характерной протяженностью базового структурного элемента.

Структуры и устройства нанометровых размеров в живой и неживой природе имеют давнюю историю существования и являются прообразом искусственно создаваемых наноустройств и наноматериалов.

«Интуитивная» нанотехнология, основанная на неосознанном использовании нанотехнологических элементов, использовалась человеком задолго до наступления эры нанотехнологий в различных областях деятельности - в строительстве, архитектуре, в оружейном ремесле, в создании изделий из стекла, в производстве продуктов питания, в косметологии, медицине и т.д.

Предыстория современных нанотехнологий связана с многовековыми исследовательскими усилиями ученых многих стран мира.

Во второй половине XX в. были сделаны наиболее значимые открытия, связанные с созданием высокоразрешающей инструментальной техники (сканирующих зондовых микроскопов), открытием новых форм существования углерода, обладающих ярко выраженными «наносвойствами», обнаружением ряда «аномальных» свойств наноструктур и наноустройств, что послужило началом крупномасштабных исследований в области нанотехнологий.

В конце XX в. - начале XXI в. начинает развиваться прикладная нанотехнология, формируется рынок нанотехнологических продуктов и товаров.

Нанотехнологии являются междисциплинарным направлением, объединяющим началом многих наук - физики, химии, биологии, механики, информатики.

Применение нанотехнологий может привести к кардинальным изменениям во многих отраслях промышленности и сферах человеческой деятельности.

Список использованных источников

1. Введение в нанотехнологии: текст лекций / А.И. Грабченко, Л.И. Пупань, Л.Л. Товажнянский. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2012. - 288 с.

2. 18 Генералов, М. Б. Криохимическая нанотехнология: учеб. пособие для вузов / М. Б. Генералов // - М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 325 с.

3. 19 Сергеев, Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев - М.: Изд. Московского унта, 2003. - 126 с.

4. 20 Сергеев, Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев - М.: Изд. Московского унта, 2003. - 126 с

5. 23 Балабанов, В. И. Нанотехнологии. Наука будущего / В. И. Балабанов - М.: Эксмо, 2009 г. - 256 с.

6. 24 Рыбалкина, М. В. Нанотехнологии для всех. Большое в малом / М. В. Рыбалкина. - 2005. - 84 с.

7. 25 Мальцева, П. П. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника / П. П. Мальцева. - М.: Техносфера, 2008. - 432 с.

8. Собрание сочинений сэра Гемфри Дэви, отредактированы его братом, Джоном Дэви со вступительным словом выступил Дэвид Найт, Университет Дарема , Thoemmes пресс, 9 томов(с) (2001).

9. Гемфри Дэви, Наука и власть , Дэвид Найт, пресса Кембриджского университета, Кембридж (1992).

10. Молодой Гемфри Дэви: изготовление опытного Химика , июнь З, американское философского общества в Филадельфии (2000)

11. Степин Б. Д., Аликберова Л. Ю. Книга по химии для домашнего чтения. М.: Химия, 1995.

12. Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. От древнейших времен до начала XIX века. М.: Наука, 1969.

13. Фигуровский Н. А. Очерк общей истории химии. Развитие классической химии в XIX столетии. М.: Наука, 1979.

14. Соловьев Ю. И. История химии. (Развитие химии с древнейших времен до конца XIX века.). М.: Просвещение, 1983.

15. Соловьев Ю. И., Трифонов Д. Н., Шамин А. Н. История химии (Развитие основных направлений современной химии). М.: Просвещение, 19

Размещено на Allbest.ru