Способи отримання наночастинок
Розроблено безліч методів отримання наночастинок, що дозволяють досить точно регулювати розміри частинок, їх форму і будову. Ми не будемо втомлювати читача
подробицями і описувати кожен метод окремо. Обмежимося лише описом загальних принципів, хоча треба визнати, що всі розроблені методи по своєму унікальні і заслуговують найпильнішої уваги.
Отже, за принципом дії всі методи отримання можна розділити на дві великі групи:
· Діспергаціонние методи, або методи отримання наночастинок шляхом подрібнення звичайного макрообразца;
· Конденсаційні методи, або методи "вирощування" наночастинок з окремих атомів.
Перша група - це підхід "зверху вниз". Вихідні тіла подрібнюють до наночастинок. Це найпростіший з усіх способів створення наночасток, свого роду "м'ясорубка" для макротел. Друга - підхід "від низу до верху", тобто отримання наночастинок шляхом об'єднання окремих атомів. Цей принцип заснований на феномені конденсації, з яким все добре знайомі.
За визначенням, конденсація (від лат. Condensatio - ущільнення, згущення) - це перехід речовини з газоподібного стану в конденсована (тверде або рідке) внаслідок його охолодження. Якщо гарненько подихати на скельце, воно запітніє. Насправді це означає, що на ньому утворюється безліч крихітних, невидимих оку крапельок води. Якщо температура повітря в приміщенні нижче температури повітря, що видихається нами пара, то при далекій-шем охолодженні мікроскопічні крапельки будуть збиратися в більші і явні краплі.
Приблизно те ж саме відбувається і при конденсаційному способі отримання наночастинок. Вихідні макротела спочатку випаровують, після чого утворюється конденсують до об_
разования наночастинок потрібного розміру. В результаті компактне речовина перетворюється в ультрадисперсних. Щось схоже відбувається і при відновленні наночастинок з іонних раст
злодіїв, тільки використовується не пар, а рідина.
У всіх методах отримання наночастинок потрібно потужний приплив енергії від зовнішнього источни-ка, оскільки ці методи приводять до отримання наночастинок внеравновесном метастабільних станів.
Як тільки приплив енергії припиняється, система прагне повернутися до рівноваги. Чому це відбувається?
Розглянемо, наприклад, конденсаційний метод. монокристал нагрівають до плавлення і подальшого випаровування. Потім пара, що утворилася різко охолоджується. У міру охолодження зароджуються і укрупнюються наночастинки. Вони починають упорядочиваться і об'єднуватися в наноагрегати. Якщо надати таку систему самої себе, то поступово кордону між наночастинками в агрегатах зникають і вони перетворюються в мікрокристали. При тривалому витримуванні мікрокристалів в парі найбільш дрібні і дефектні з них випаровуються, а більші і вчинені продовжують рости. І так до тих пір, поки в системі не відтвориться вихідний монокристал.
Протягом всього інтервалу часу від моменту, коли в парі вже накопичилося помітне кількість наночастинок, до моменту, коли більшість наночастинок досягне розміру 100 нм,
система знаходиться в наносостояніі. Потім вона переходить в рівновагу, поява наночастинок припиняється. І якщо не створити штучні умови для їх консервації, то виникли
частинки теж можуть перейти в стадію компактного речовини.
В біохімічному, фотохімічному і радіаціонно_хіміческом синтезі конденсація наночастинок відбувається не з пара, а з розчину в спеціальних умовах, що забезпечують за-щиту наночастинок від злипання і реакцій з розчином.
При діспергаціонномспособе. в умовах достатнього припливу механічної енергії, розмір фрагментів, на які розпадається монокристал, зменшується. Поки приплив меха-нічної енергії великий, більшість фрагментів мають нанометровий розмір і система залишається в наносостояніі. Коли ж "м'ясорубка" зупиняється, нескомпенсованність поверхневих зв'язків призводить до того, що нанофрагменти починають зростатися і укрупняться. Все це триває до тих пір, поки в системі не буде відтворений вихідний монокристал.
Щоб запобігти цьому небажаний ефект, в систему вводиться деякий стабілізатор, який зазвичай є молекулярний розчин білків, полімерів або поверхнево активних речовин (ПАР). На певній стадії агрегації стабілізатор вступає в дію: його молекули обліплюють зростаючу наночастинку з усіх боків, що перешкоджає її подальшому зростанню. Регулюючи склад і концентрацію стабілізатора, можна отримувати наночастинки будь-якого діаметру.
Отже, ми з'ясували, що більшість наносистем, одержуваних промисловими методами, нестабільні, і якщо не створити необхідних умов для їх консервації, вони будуть стремить-ся повернутися в своє компактне стан. Але як же тоді пояснити стабільність деяких наночастинок, наприклад, вже відомих нам фулеренів і нанотрубок? Адже незважаючи на свої на
нометровие розміри, вони чудово існують і "поодинці", аж ніяк не прагнучи об'єднуватися з собі подібними.
Зважаючи на цю унікальну особливість, фулерени, нанотрубки і деякі інші нано-частинки були названі "магічними", а числа входять в них атомів - "магічними числами". Наприклад, для лужних металів магічні числа - 8,20 і 40, для благородних металів - 13, 55, 137 і 255, для вуглецевих кластерів - 60, 70, 90 і т.д.
Всі атоми "магічних" наночастинок міцно пов'язані між собою, що надає їм необ-дімую стабільність.
Подрібнювати речовина в наночастинки можна не тільки механічно. Російська компанія «Передові порошкові технології» отримує наночастинки підриваючи металеву нитку потужним імпульсом струму (див. Малюнок 71).
Рис 71. електропідривної метод отримання наночастинок