Нанотехнологии. Лекция 7. Классификация способов получения наноматериалов

1. Нанотехнологии лекция 7

Классификация способов получения
наноматериалов.
Принцип “bottom-up approach”
Мансурова Ирина Алексеевна
к.т.н., доцент кафедры ХТПП,
1-521 а, служ. 742-715
[email protected]

2.

3.

Способы получения наноматериалов (3 модуль)
Лекции:
Классификация способов получения наноматериалов.
Принципы нанотехнологий:
«сверху-вниз» (top-down approach),
«снизу-вверх» (bottom-up approach).
Практические занятия:
Особенности С-С связей, аллотропия углерода.
Углеродные наноматериалы. Классификация. Фуллерены и их
производные, полифуллерены.
Углеродные нанотрубки и нановолокна. Функционализация УНТ.
Графен, наноалмазы, онионы. Строение и свойства.
Наноструктуры в биологических материалах.

4.

top-down approach
bottom-up approach

5.

Укрупнение отдельных атомов, молекул,
биологических клеток и т.д. до частиц
нанометровых размеров путем:
Уменьшение физического тела
(крупных частиц, порошков) до
наноразмерных параметров
атомной (молекулярной) сборки,
самосборки и самоорганизации.
методы конденсации
методы диспергирования

6.

Классификация термодинамических систем
Самосборка
Самосборка,
самоорганизация

7.

8.

Методы диспергирования
Методы конденсации

9.

Методы газофазного осаждения:
испарение прекурсора - конденсация паров вещества
в виде объектов нанометрового масштаба (0, 1, 2 D)
Основные отличия между методами:
в способе испарения прекурсора;
в способе конденсации и стабилизации образующихся наночастиц.
Различают:
PVD (physical vapor deposition);
CVD (chemical vapor deposition)
Прекурсор – вещество, участвующее
в реакции, приводящей к
образованию нанообъекта

10.

11.

Металлические нанопорошки (англ. nanopowder) —
(несколько определений термина)
1. Это твердое порошкообразное вещество искусственного происхождения,
содержащее нанообъекты, агрегаты или агломераты нанообъектов либо их
смесь (ISO);
2. Это ансамбль наночастиц;
3. Это порошок, размер частиц которого менее 100 нм.
Нанопорошок серебра
для 3D печати
Нанопорошок оксида
цинка: адсорбция,
косметика, зубные
цементы, электроды
солнечных батарей
Нанопорошок меди
для металлургии

12.

13.

Нанопорошки характеризуются:
средним размером частиц и распределением частиц по размерам;
средним размером кристаллитов и распределением кристаллитов по
размерам;
степенью агломерации частиц;
удельной площадью поверхности;
химическим составом объёма частиц;
составом по сечению для частиц ядро-оболочка;
морфологией частиц;
кристаллической структурой наночастиц;
сыпучестью (текучестью);
насыпной плотностью;
цветом.
Микрофотография частицы PbS/S

14.

Установки различаются:
1. способом ввода прекурсора,
2. способом энергетического воздействия,
3. рабочей средой,
4. системой сбора полученного
наноматериала и т.д.
Испарение может происходить:
из тигля;
металл поступает в зону нагрева в виде проволоки;
впрыскивание металлического порошка в струе жидкости и т.д.
Нагрев испаряемого материала:
термический;
лазерное излучение;
электронно-лучевой нагрев;
нагрев токами высокой частоты и т.д.
Рабочая среда:
вакуум,
неподвижный интертный газ,
поток инертного газа и т.д.
Размер и форма образующихся
наночастиц зависят от:
температура,
давление,
скорость потока инертного газа

15.

Газофазный синтез позволяет получать частицы с размером от 2 нм до
нескольких сотен нм.
Применение:
авиационные материалы - статистически распределенные металлические
нанопорошки придают радиопоглощающие свойства материалам;
присадки к моторным маслам – суспензии металлических малых частиц (от 30
нм до 1 – 2 мкм);
композиционные материалы,
красящие пигменты, магнитные компоненты и т.д.
Смазка для инструментов
бурения, содержащая
порошок меди

16.

Получение углеродных наноматериалов
(углеродных нанотрубок, нановолокон, фуллеренов и др.)
Электродуговой метод
(Arc discharge) образование фуллеренов,
УНТ при распылении
графитового электрода в
электрической дуге,
горящей в атмосфере гелия.
Лазерная абляция
(Laser ablation) –
образование УНТ
при испарении
графитовой мишени
под действием
лазерным лучом.
Пиролиз углеводородов
(CVD) –химическое
осаждениие
углеродсодержащего газа на поверхности
металлического
катализатора.

17.

Электродуговой метод, 1990 г. В. Кретчмер, Д.Хаффман и др. - сжигание
графитовых электродов в электрической дуге в атмосфере гелия при низких
давлениях.
Схема установки для
получения фуллеренов:
1 – графитовые электроды;
2 – охлаждаемая медная шина;
3 – медный кожух; 4 - пружины
В процессе эрозии электрода на стенках камеры оседает сажа, содержащая
некоторое количество молекул фуллеренов С60 и С70, малое количество высших
фуллеренов. При оптимизации процесса испарения электродов выход
фуллеренов составляет в среднем 3-12 %.

18.

1991 г., С. Ииджима на установке для получения фуллеренов получил УНТ, с тем
отличием, что электроды находятся на расстоянии 1-2 мм во время горения дуги.
давление инертного газа
до 500 торр;
между электродами напряжение
10–35 В ;
сила тока 60–100 А;
плотность тока ~ 1,5·106 А/м2.
Графитовая сажа содержит фуллерены и
МУНТ в количестве ~10 %.
Депозит – МУНТ и аморфный углерод.
МУНТ «растут» на поверхности катода,
собраны в цилиндрические пучки
диаметром около 50 мкм, длиной до 40
мкм.
При добавлении в материал анода Fe, Сo,
Ni, Cd образуется небольшое количество
ОУНТ.
Недостатки: высокая энергоемкость,
получение малых количеств УНТ

19.

20.

Лазерная абляция, для получения УНТ предложен Р. Смолли, 1995 г., США –
испарение графитовой мишени (в виде сплава металла с графитом) с помощью
лазерного луча в атмосфере аргона при повышенном давлении и температуре
около 1200 С.
В состав сажи входят: 30…35 % УНТ, около 20 % аморфного углерода; 12…15 %
фуллеренов, 5…10 % графитизированных наночастиц, до 10 % металлов и др.
В качестве катализатора, чаще всего Ni–Co, Ni–Fe, Co–Fe.
Достоинства: высокая чувствительность характеристик УНТ (диаметр) к
параметрам лазерного излучения (мощность излучения).
Недостатки: относительно невысокая производительность, трудность
масштабирования.

21.

Каталитический пиролиз углеводородов для получения УНТ, УНВ
ИК им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск,
Северо-Восточный университет, г. Бостон, США.
1 – кварцевая труба; 2 – печь;
3 – тигель с катализатором;
4 – поток буферного газа
Прекурсор:
предельные (этан, пропан, пентан, циклогексан);
непредельные (этилен, ацетилен, метилацетилен);
ароматические (бензол, толуол).

22.

23.

Метод синтеза наночастиц в нанореакторах
предполагает использование пространственно-ограниченных систем
наномасштаба
Структуры, образующиеся при самоорганизации ПАВ: мицеллы;
Пористые материалы: цеолиты и им подобные минеральные структуры;
дендримеры и др.
Благодаря пространственному ограничению реакционной зоны,
в которой происходит образование нанофазы, синтезируются
преимущественно монодисперсные частицы

24.

Синтез твердых наночастиц в обратных мицеллах

25.

Синтез твердых наночастиц в обратных мицеллах
Для получения частиц:
металлов;
сплавов металлов;
смеси частиц металлов.
А – соль металла; В – восстановитель; С - наночастица металла
Металлы в ультрадисперсном состоянии (размеры частиц порядка нанометров)
новые эффективные катализаторы
препараты с высокой биологической активностью для применения в экологии,
медицине и сельском хозяйстве.

26.

Стадии образования наночастиц в обратной микроэмульсии:
I - слияние водных ядер сталкивающихся мицелл (kex);
II - химическая реакции между компонентами (kchem);
III - нуклеация (kn); IV рост зародышей в наночастицы (kg)
Катионы металлов в растворе восстанавливаются до атомов с последующим
формированием малых металлических кластеров или агрегатов:
Mn+ + [Red] → M0 + [Ox], где
Mn+ – ион металла, [Red] – восстановитель, M0 – нуль-валентный металл,
[Ox] – продукт окисления восстановителя.

27.

В сферических мицеллах синтезируются сферические наночастицы.
Наночастицы, синтезированные в несферических мицеллах, имеют
удлиненную форму.
Наночастицы CdS, синтезированные в сферических
и несферических мицеллах

28.

Золь-гель метод - получение золя с последующим переводом его в гель
тв/ж

29.

Самые легкие аэрогели (0,003 г/см3) лишь в
25 раз тяжелее воздуха при н.у.
Аэрогель впервые получен в 1920-1922г.г.
Стенфордском университете С.С.Кистлером
из диоксида кремния.
Практическое использование аэрогелей:
теплоизолятор, т.к. структура задерживает тепло
лучше любых пен или стекловаты
(скафандры для миссии NASA на Марс,
тепловой "щит" для перспективных моделей «Шаттла»)
Аэрогели прозрачны и
однородны и даже самые
легкие (при соблюдении
предосторожностей) можно
брать в руки

30.

Этапы «золь-гель» метода: