Химические методы синтеза. Высокоэнергетический синтез

1.

Химические методы синтеза
Высокоэнергетический синтез

2.

3.

Химические методы синтеза
Основные подходы к химическому синтезу
наночастиц основываются на создании условий
получения частиц контролируемого размера
Факторы определяющие размер, форму, и фазовое состояние
наночастиц:
• Пространственные и концентрационные ограничения для
протекания реакции
• Растворимость реагентов и продуктов
• Электростатические взаимодействия

4.

Методы пассивации наночастиц
• Зависимость растворимости веществ в растворителе от
температуры.
• Стабилизация наночастиц адсорбированными молекулами,
как правило, органическими, останавливающими
дальнейший рост частиц.
• Создание пространственных ограничений, вынуждающих
протекать химические реакции в заданном объеме при
заданном количестве одного или двух реагентов.

5.

Типы нанореакторов
По размерности
Цеолиты
Наноэмульсии Ламелярные
структуры
По размеру пор
Пористые
материалы

6.

Требования для получения нанопорошков
• высокая скорость образования центров зарождения
частиц,
• малая скорость роста частиц,
• наибольший размер получаемых частиц не более
100 нм,
• узкий диапазон распределения частиц по размерам
• стабильность получения частиц заданного
размерного диапазона,
• воспроизводимость химического и фазового
состава частиц,
• повышенные требования к контролю и управлению
параметрами процесса получения

7.

Технологии высокоэнергетического
синтеза
Детонационный синтез
Плазмохимический
синтез

8.

9.

Детонационный синтез
При образовании НА в детонационной волне протекают следующие
процессы:
• конденсация углерода в зоне реакции с образованием первичных
кластеров (d < 1 нм);
• взаимодействие кластеров (жидкокапельная коалесценция) с
образованием нанокапель;
• кристаллизация нанокапель с образованием НА при условии
достаточного времени их охлаждения турбулентными потоками
продуктов детонации или аморфизация нанокапель и кластеров с
образованием свободной и связанной сажи
Если заряд окружен водой или льдом
(так называемый «мокрый синтез»), то
интенсивное охлаждение продуктов
происходит за счет перехода их
энергии в тепловую (нагрев и
парообразование) и кинетическую
энергию воды и турбулентного
перемешивания с водой и степень
графитизации уменьшается

10.

При использовании водной оболочки вокруг заряда замедляется падение
давления и вдвое снижается температура продуктов детонации, вследствие
этого уменьшаются степень графитизации.

11.

Влияние восстановителей
• Окислители, образующиеся при взрыве (СО2, Н2О, О2, КО2, К2О3) связываются с
легко окисляющимися восстановителями, а не с углеродом
• За счет разложения части восстановителя температура продуктов снижается

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

Многообразие
химически праструктур,
их высокой
активностью
обусловлена высокая
реакционная
способность
детонационного НА.
При этом сохраняется
пассивость основной
массы,
сосредоточенной в
алмазном ядре.
Поэтому поведение
детонационного НА в
различных системах
сложно
прогнозировать.

19.

20.

Гальваника (25%)

21.

С помощью низконаполненных водных, органических и водно-органических
дисперсий НА можно получить идеально гладкие поверхности обрабатываемых
материалов, в которых микронеровности сопоставимы с межатомными
расстояниями.

22.

Добавка в смазки (5%)
— неоднородности на поверхностях трения заполняются
углеродными кластерами, за счет этого уменьшаются граничное трение и износ;
— повышается вязкость смазочной композиции в тонких
пленках за счет дисперсного структурирования углеродных
кластеров;
— при низких температурах уменьшается вязкость смазочной
композиции вследствие снижения порога стеклования
дисперсно-наполненной среды;
— наблюдается эффект последействия; этот эффект связан с
прочным механическим, адсорбционным и диффузионным
закреплением углеродных кластеров на поверхностях трения;
— кластеры НА при больших нагрузках и максимальном
вытеснении жидкой фазы между поверхностями трения работают как микроподшипники качения.

23.

Добавка в смазки (5%)

24.

25.

Медицина
У кристаллов НА химически пассивное ядро классического
алмаза почти круглой или овальной формы и достаточно
химически активная поверхностная «бахрома» из не опасных
для живого организма функциональных групп, придающих
поверхности гидрофильные свойства. Каждый кристалл НА
имеет большое число неспаренных электронов и по сути
представляет множественный радикал.
Это обусловливает их антиоксидантную активность и
способность участвовать в свободно радикальных процессах
в живых клетках.
Множество функциональных групп на поверхности частиц НА
может обеспечивать как дополнительное генерирование, так
и обезвреживание избыточных радикалов в метаболических
процессах, что может стать основой их противоопухолевого
действия.

26.

расширение со скоростью до 5103 м/с, давление несколько
тысяч атмосфер, температура
порядка 104 К.
Частицы от 100 мкм до 50 нм.
Нанопорошки металлов и сплавов, а также нитридов, карбидов, оксидов Ме

27.

от 10 до 200 нм
Нанопорошки нитридов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, B, Al и Si, карбидов Ti, Nb, Ta, W, B и Si,
оксидов Mg, Y и Al.

28.

Лазерное испарение
Преимущества:
• высокая скорость осаждения,
• быстрый нагрев и охлаждение осаждаемого материала
• непосредственная связь энергетических параметров излучения с кинетикой
роста слоя;
• возможность конгруэнтного испарения многокомпонентных мишеней;
• строгая дозировка подачи материала;
• агрегация в кластеры разного размера, заряда и кинетической энергии,
позволяющая проводить селекцию с помощью электрического поля для
получения определенной структуры осаждаемой пленки.
1. взаимодействие лазерного излучения
с мишенью — абляция материала
мишени и создание плазмы;
2. Расширение плазмы
3. Нанесение материала на подложку;
4. Рост пленки на поверхности
подложки.