Методы получения наночастиц реферат

Обновлено: 05.07.2024

В последние два десятилетия в научную лексику стремительно "ворвался" ряд новых слов с префиксом "нано": наноструктура, нанотехнология, наноматериал, нанокластер, наноколлоиды, нанохимия, нанотоксикологияи т.п
Издается ряд новых журналов, посвященных исключительно этой тематике, написаны монографии, в названии которых присутствует префикс "нано", создаются "нано" профилированные институты, кафедры и отдельные лаборатории. В большинстве случаев новые названия даны хорошо известным объектам или явлениям.

Содержание

Введение 2
Строение и форма наночастиц. 5
Способы получения наночастиц металлов 11
Методы исследования НЧ. 18
Список литературы 21

Вложенные файлы: 1 файл

Наночастицы металлов и их строение.docx

Строение и форма наночастиц. 5

Способы получения наночастиц металлов 11

Методы исследования НЧ. 18

Список литературы 21

Введение

Издается ряд новых журналов, посвященных исключительно этой тематике, написаны монографии, в названии которых присутствует префикс "нано", создаются "нано" профилированные институты, кафедры и отдельные лаборатории. В большинстве случаев новые названия даны хорошо известным объектам или явлениям.

Но есть и такие, которых действительно не было в арсенале исследователей еще 20лет назад и без которых уже невозможно представить современное развитие науки — это нано частицы (НЧ) во всем их многообразии, начиная от фуллеренов, нанотрубок, нанопроводовдо квантовых точек и квантовых кораллов. Частицы размерами от 1 до 100 нанометров (1 нм=109 м) обычно называют "наночастицами". Впоследние два десятилетия во всем мире быстрыми темпами развиваются технологии направленного получения и использования НЧпреимущественно металлов .

Однако хорошо известно, что человечество издавна подвергалось воздействию НЧ. Естественными источниками НЧ могут быть действующие вулканы, лесные пожары, выветривание горных пород, микрослой органической поверхности . НЧ являются катализаторами для образования крупных кристаллов полезных ископаемых и силикатов.

Широко распространены НЧ и во многих биологических объектах. Например высокоупорядоченные одномерные ансамбли магнитных НЧ железа присутствуют в бактериях рода Magnetotactic spirillum, обеспечивая последним ориентацию в магнитном поле Земли.

Истинными мастерами нанотехнологий являються моллюски, морские ежи, звездыи диатомовые водоросли. Так, морская звезда Ophiocoma wendtii снабжена совершенной системой микролинз для оптического зрения. Линзы кристаллизуются таким образом, что кальцит перестает создавать двойное изображение (ночью). Присутствие в линзе магния предотвращает сферическую аберрацию линз. Эта звезда пользуется нанотехнологиями, которые прославили Карла Цейса. Диатомовые водоросли содержат кремневую кислоту, которая благодаря белкам "полиаминам" создает частицы диоксида кремния размерами 50900нм, образуя диатомит. В 1867 г. А. Нобель обнаружил, что отложения этих водорослей поглощают нитроглицерин. Так был создан динамит, прославивший шведского ученого .

Повышенный интерес исследователей к нанообъектам вызван обнаружением у них необычных физических и химических свойств, особенностями биологического действия, которые часто радикально отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или макроскопических дисперсий. Сегодня наиболее изучены возможности использования НЧ металлов в промышленности: при создании новых катализаторов для нужд нефтехимической промышленности (среди них наиболее перспективны НЧ марганца, алюминия,титана), для создания нового поколения сенсорной и конструкционной керамики, сорбентов (НЧ алюминия), при производстве прозрачных проводящих покрытий (НЧ серебра).

Главным нанооксидом продолжает оставаться оксид титана (TiO2). Здания со стенами, покрытыми оксидом титана обладают свойствами очищения (так называемый "эффектлотоса" — эффект крайне низкой смачиваемости поверхности)

Популярными материалами также являются оксид кремния (SiO2)и оксид цинка (ZnO) [8,9]. Последний состав широко используется в промышленности при нанесении композиционных покрытий с применением кластерных наноалмазов детонационного синтеза.

Хорошие перспективы открываются и для применения НЧ металлов также в биологии и медицине. Возможно применение НЧ для диагностики и лечения различных (в том числе онкологических) заболеваний, а также в иммунохимических методах. Показано, в частности, что НЧ серебра могут использоваться для получения различных материалов с бактерицидными свойствами, а НЧ золота — для повышении эффективности и уменьшения побочных эффектов в радиотерапии опухолей . Основные сферы приложения НЧ металлов представлены на рисунке 1. Можно выделить 4 основные группы приложения НЧ: биоцидные, каталитические, электрические и магнитные свойства.

Строение и форма наночастиц.

Наносистемы по принятой классификации относятся к ультрадисперсным системам с размерами частиц, лежащими в интервале от 1 до 100 нм. Эта область размеров соответствует предельной степени дисперсности, при которой система ещё сохраняет одно из главных своих свойств – гетерогенность. Гетерогенная система – физико-химическая система, внутри которой есть поверхности раздела, отделяющие одни части системы от других, на которых происходит скачкообразное изменение по крайней мере одного из свойств системы. (Гомогенная система – система, внутри которой нет поверхностей раздела, на которых происходило бы скачкообразное изменение хотя бы одного из свойств системы. Фаза – гомогенная система, находящаяся в равновесии, или совокупность гомогенных частей гетерогенной системы, находящаяся в равновесии.)

По оценкам академика П. А. Ребиндера предельно малый размер фазовых дисперсных частиц составляет около 1 нм (3 –5 молекулярных диаметров).

Кластеры и наночастицы металлов обладают высокой химической активностью, поэтому вопросы получения их надо рассматривать одновременно с процессами их стабилизации.

По геометрическому признаку (мерности дисперсных частиц) наносистемы можно разделить на три группы.

1. Трёхмерные (объёмные) наночастицы, у которых все три размера (d1, d2, d3 ) находятся в наноинтервале. Следует отметить, что объёмные частицы имеют весьма малый радиус кривизны. К этому типу относятся коллоидные растворы (золи), микроэмульсии, зародышевые частицы, образующиеся в фазовых переходах 1 – го рода (кристаллы, капли, газовые пузырьки), сферические мицеллы поверхностно-активных веществ (ПАВ) в водных и неводных средах (прямые и обратные мицеллы).

2. Двумерные (тонкие плёнки и слои) наночастицы, у которых только один размер (толщина) находится в наноинтеравале, а два других (длина и ширина) могут быть сколь угодно велики. К таким системам относятся тонкие жидкие плёнки, адсорбционные мно- и полислои на поверхности раздела фаз (в том числе плёнки Ленгмюра-Блоджет), двумерные пластинчатые мицеллы ПАВ. Тонкие жидкие плёнки подразделяются на пенные (между двумя ячейками пены), эмульсионные (между каплями прямых и обратных эмульсий) и смачивающие (разделяющие твёрдую поверхность и газ или другую жидкость). Пенные и эмульсионнные плёнки относятся к симметричным плёнкам, а смачивающие – к несимметричным. Толщина симметричных пенных плёнок, стабилизированных соответствующими ПАВ, составлять от нескольких нанометров (так называемые ньютоновские чёрные плёнки ) до нескольких десятков нанометров.

3. Одномерные частицы, у которых поперечные размеры находятся в наноинтервале, а длина может быть сколь угодно велика. К одномерным ультрадисперсным частицам относятся тонкие волокна, очень тонкие капилляры и поры, цилиндрические мицеллы ПАВ и имеющие с ними достаточно большое сходство нанотрубки. В эту группу входит также линия смачивания (или линия трёхфазного контакта), разделяющая три фазы: твёрдое тело, жидкость и газ.

Классификация дисперсных частиц по их мерности важна не только с формальной точки зрения. В соответствии с принципом Эренфеста, геометрия частиц (мерность пространства) существенно влияет на характер зависимостей, связывающих физические параметры:

Показатель степени при расстоя нии в законах тяготения Ньютона и электростатического взаимодейс твия Кулона в случае трёхмерного пространства равен – 2, а в случае двумерного он имеет значение – 1 ;

Зависимость теплоёмкости твёрдых тел при постоянном объёме CV от температуры Т в области достаточно низких температур для слоистых структур (например, для графита и галлия) вместо закона кубов Дебая для изотропных материалов выполняется закон квадратов(CV ~Т 2 ), а для цепочечных структур (кристаллы селена, HF, BiO3 и MgSiO3) имеет место линейная зависимость CV ~Т. Из теории теплоёмкости тонких плёнок и тонких стержней (игл), разработанной Лифшицем следует, что при низких температурах зависимости CV (Т) для двумерных и одномерных объектов существования отличаются от этих зависимостей для трёхмерных кристаллов;

Молекулярные силы в теории капиллярности зависят от расстояния r, так же как силы тяготения (~ r – 2 ) для трёхмерных объектов и изменяются до n = – 1 при переходе к двумерному;

Ряд физико-химических свойств наночастиц по сравнению с соответствующими свойствами макрофазы значительно отличаются Например, для наночастиц многих металлов и полупроводников (Ag, Au, Pb, Sn, In, Bi, Ga, CdS) наблюдается сильное понижение температуры плавления;

Прочность нитевидных кристаллов и волокон может быть в несколько раз больше прочности макроскопических тел;

Частицы наноразмеров обладают повышенной химической активностью, проявляющейся в увеличении скорости химических реакций с их участием. Это свойство наночастиц используется при создании катализаторов;

В наночастицах могут возникнуть фазы, которые не обнаруживаются в макросистемах.

В зависимости от условий кристаллизации (величины пересыщения или переохлаждения, наличия примесей и ряда других причин) из растворов могут образовываться как аморфные, так и кристаллические ультрадисперсные частицы.

Разнообразие форм связано с тем, что процессы образования новой фазы (процессы самоорганизации) протекают в сугубо неравновесных условиях, причём степень совершенства структуры зависит от того, насколько условия проведения кристаллизации отклоняются от равновесных. Например, при синтезе алмаза из плотной газовой фазы и плазмы более совершенная структура образуется в более неравновесных условиях.

Так, форма образующихся при кристаллизации из раствора частиц BaSO 4 зависит от степени пересыщения раствора. Были получены высокодисперсные золи, хлопьевидные структуры, хорошо огранённые микрокристаллы и кристаллы иглоподобной формы. Важную роль играет и температура, при которой проводится синтез наночастиц. Например, наночастицы диоксида титана, полученные золь-гель методом, при низкой температуре имеют вид стержней, а при высокой – бипирамидальных кристаллов. Ещё одним подтверждением разнообразия форм наночастиц служит образование дендритов при кристаллизации из расплавов и растворов.

Сильное влияние на процесс кристаллизации могут оказывать ПАВ, присутствующие в растворе. В зависимости от природы и концентрации они могут изменять скорость образования и роста зародышей новой фазы, распределение наночастиц по размерам, а также форму кристаллов. Все эти эффекты связаны с избирательной адсорбцией молекул или ионов ПАВ на различных гранях образующихся кристаллов и, как следствие, с замедлением роста одних граней по сравнению с другими.

Важной особенностью процессов кристаллизации, приводящих к образованию наночастиц, является то, что их форма не может быть описана методами обычной геометрии. Для описания таких систем привлекается фрактальная геометрия, поскольку при сильных отклонениях от равновесия, а следовательно, и высоких значениях движущей силы процесса кристаллизации, неустойчивость границы раздела фаз приводит, как правило, к формированию фрактальных структур.

Процессы образования ультрадисперсных систем при кристаллизации металлов ещё более сложны и разнообразны. По существу, изучение этих процессов послужило основанием для зарождения нового направления – химии кластеров. Кластерные частицы занимают промежуточное положение между моноядерными соединениями и дисперсными частицами. Металлические частицы с d восстановлением Ag + в присутствии дендримеров с концевыми амино- и карбоксилатными группами получены наночатицы с размером 7 нм

Ag + + (дендример)-СОО- → hν Ag 0 + (дендример) – СОО● → (дендример) ● + СО2

Размер частиц можно регулировать, меняя природу дендримеров. Сейчас активно используются дендримеры на основе полиамидоаминов и их модификаций.

Дендримеры – сильно разветвленные макромолекулы, включающие центральное ядро, промежутоянфе повторяющиеся единицы и концевые функциональные группы. Это новый тип макромолекул, сочетающих высокие молекулярные массы и низкую вязкость растворов с наличием объемной формы и пространственной структуры размером 2-15 нм. Они являются естественными нанореакторами.

Для формирования наночастиц металлов активно используют и пористые неорганические материалы типа цеолитов. Твердые цеолиты с порами и каналами строго определенных размеров, являются удобными матрицами для стабилизации наночастиц с заданными свойствами. При получении наночастиц в порах цеолитов используется:

1. прямая адсорбция паров металлов в обезвоженных порах цеолитов,

2. введение в поры солей, металлокомплексов, металлоорганических соединений с последующими химическими превращениями.

Так в каналах молекулярных сит были получены нанопроволоки диаметром 3 нм и длиной в сотни раз больше.

Способы получения наночастиц металлов

Способы получения НЧ металлов сегодня продолжают интенсивно развиваться. В настоящее время известны два основных способа получения наноразмерных частиц

Нанотехнология – в последние годы стала одной из наиболее важных и захватывающих областей знаний на переднем крае физики, химии, биологии и технических наук. Она уже обеспечивает скорые прорывы и новые направления в технологическом развитии во многих сферах человеческой деятельности. Нанотехнология – базируется на осознании (понимании) того, что частицы размером меньше 100 нм (точнее от 1-100 нм) (1нм= м), т.е. наночастицы придают материалам и веществам принципиально новые свойства и новое поведение тех же исходных атомов.

Содержание

1.Введение 3
•Основные причины особых свойств нанообъектов (наночастиц) 3
•Два основных способа создания нанообъектов 3
•Виды структурообразования 4
•Наночастицы в окружающей среде 4
•Области применения нанотехнологии 4
•Направления развития нанотехнологии 5
2.Химические методы получения наночастиц 7
•Фото- и радиационно-химическое восстановление 7
•Реакции на цеолитах 10
•Золь-гель-технология 10
•Реакции в мицеллах, эмульсиях, суспензиях и дендримерах 10
3.Криохимеческий синтез 12
4.Литература 19

Работа содержит 1 файл

Документ Microsoft Word.doc

Самарский Государственный Университет

Химические методы синтеза наночастиц

студент 2 курса магистратуры

Панарин Денис Александрович

доктор химических наук

Буланова Анджелла Владимировна

Введение 3
- Основные причины особых свойств нанообъектов (наночастиц) 3
- Два основных способа создания нанообъектов 3
- Виды структурообразования 4
- Наночастицы в окружающей среде 4
- Области применения нанотехнологии 4
- Направления развития нанотехнологии 5
- Фото- и радиационно-химическое восстановление 7
- Реакции на цеолитах 10
- Золь-гель-технология 10
- Реакции в мицеллах, эмульсиях, суспензиях и дендримерах 10
Нанотехнология – в последние годы стала одной из наиболее важных и захватывающих областей знаний на переднем крае физики, химии, биологии и технических наук. Она уже обеспечивает скорые прорывы и новые направления в технологическом развитии во многих сферах человеческой деятельности.

Нанотехнология – базируется на осознании (понимании) того, что частицы размером меньше 100 нм (точнее от 1-100 нм) (1нм= м), т.е. наночастицы придают материалам и веществам принципиально новые свойства и новое поведение тех же исходных атомов.

Коллоидное золото и платина

Лунный реголит образуется под действием солнечного ветра, потом происходит аморфизация лунного грунта. Нанофазы в лунном реголите устойчивы к окислительным условиям.

Пример: лунный грунт состоит из силикатов, оксидов, карбонатов, как на Земле и других планетах; грунт Венеры – алюмосиликаты; грунт Марса – гематит и алюмосиликаты.

Области применения нанотехнологии

Зависимость свойств и поведения веществ от размеров частиц позволяет конструировать материалы с новыми эксплуатационными характеристиками из тех же исходных атомов.
1. производство сверхпрочных и сверхлегких сплавов материалов (материаловедение);
2. пленки Ленгмюра-Блоджет (искусственный нос);
3. наноструктурированные лекарства с быстрой их доставкой в кровеносную систему (биология);
4. наночастицы (аэрозоль) для дегазации и дезинфекции объектов военной промышленности;
5. сверхемкостные магнитные носители – триггеры для сверхбыстрых компьютеров;
6. атомно-молекулярный дизайн (Internet);
7. нанотрубки (физика);
8. нанокатализаторы (наносорбенты, фильтры с удельной поверхностью 600м2/г) химия;
9. лазеры на квантовых точках (наноэлектроника);
10. фуллереновые трубки;
11. капсулирование урана – нантрубка обладает капиллярными свойствами (энергетика).
Искусственный нос – позволяет дектировать только те газы, молекулы которых избирательно пропускаются ленгмюровской пленкой у чувствительной поверхности полупроводникового транзистора. Изменяя структуру пленки можно детектировать разные химические вещества.

Ленгмюровская пленка играет роль избирательного фильтра, пропуская к поверхности транзистора только определяемые молекулы, скажем водорода или азота и ничего больше.

Важнейший фактор к столь быстрому развитию нанотехнологии способствовало создание новых методов исследования: сканирующий туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп; оптическая, рентгенофазовая и магнитная спектроскопия.

Направления развития нанотехнологии
1. Производство новых материалов:
  - керамические и металлические изделия, не требующие дополнительной механической обработки;
  - материалы для цветной печати;
  - углеродные (карбидные) наноструктуры для режущего и бурового инструмента;
  - стандарты новых методов измерения;
  - новые чипы;
  - новые нано композиционные материалы.
2. Наноэлектроника и ЭВМ:
  - микропроцессоры с низким энергетическим потреблением;
  - расширение диапазон частот работы передающих систем и оптического диапазона;
  - создание запоминающих систем с мульти- (терабитным) объемом памяти (эффективность компьютеров >> в 1 000 раз);
  - датчики (сенсоры) для переработки и сортировки массивов информации;
  - беспилотная гражданская и военная авиация;
  - увеличение пропускной системы каналов связи.
3. Медицина и здравоохранение:
  - быстрая расшифровка генетических кодов;
  - дистанционное обслуживание больных;
  - локальная доставка лекарства к больному месту с целью исключения токсикации всего организма;
  - разработка хемостойких неотторгаемых тканей и материалов;
  - новое поколение сенсорных систем (датчиков) о предупреждения болезней.
4. Аэронавтика и космос:
  - высококачественная и радиационо-стойкая система ЭВМ;
  - наноаппаратура для миниатюрных космических и летательных аппаратов;
  - нанодатчики (микрозонды);
  - теплоизоляционные и износостойкие покрытия.
5. Окружающая среда и энергетика:
  - нанокатализаторы (1 нм);
  - нанопористые материалы (адсорбенты, фильтры);
  - нанокомпозиты (автомобилестроение) снижение топливных затрат и выбросов ;
  - наносажевые углеродные частицы для резины.
6. Национальная безопасность:
  - роботы, датчики;
  - снижение риска военнослужащих;
  - сверхлегкие материалы;
  - дополнительная защита ассигнаций.
7. Экономика:
  - упрочнение позиций на мировом рынке;
  - инвестиционная политика.
Следует ожидать в начале 21 века преобразований во всех сферах человеческой деятельности.

Химические методы получения наночастиц

Существует много разных химических методов, которые можно использовать для получения наночастиц металла. Для получения наночастиц могут применяться несколько типов восстановителей, например , , , где – этиловый радикал ( ). Например, наночастицы молибдена можно приготовить восстановлением с помощью растворенной в толуоле соли молибдена. Эта реакция дает хороший выход наночастиц молибдена с размерами 1-5нм. Уравнение реакции записывается так:

Наночастицы алюминия можно получать разложением в толуоле с последующим нагревом до 105°С в течение двух часов ( означает метил - ). В качестве катализатора этой реакции используется изопропоксид титана. Выбор катализатора определяет размер, образующихся наночастиц. Например, 80 нанометровые частицы можно получить при использовании титана. Для предотвращения слипания наночастиц в раствор также могут быть добавлены поверхностно активные вещества, например олеиновая кислота.

Основным недостатком этого метода является большое количество примесей в получаемой коллоидной системе наночастиц золота, уменьшить которое позволяет использование в качестве восстановителя водород.

Фото- и радиационно-химическое восстановление

Получение наночастиц металлов в условиях воздействия на химическую систему высоких энергий связано с генерацией высокоактивных сильных восстановителей типа электронов, радикалов, возбужденных частиц.

Фотохимическое (фотолиз) и радиационно-химическое (радиолиз) восстановление различаются по энергии. Для фотолиза типичны энергии меньше 60 эВ, а для радиолиза – 103-104 эВ. К основным особенностям химических процессов под влиянием излучений высокой энергии относят: неравновесность в распределении частиц по энергиям, перекрывание характерных времен физических и химических процессов, определяющее значение для химических превращений активных частиц, многоканальность и нестационарность процессов в реагирующих системах.

Фото- и радиационно-химическое восстановление по сравнению с химическим методом имеет определенные преимущества. Оно отличается большей чистотой образуемых наночастиц, так как отсутствуют примеси, получающиеся при использовании химических восстановителей. Кроме того, при фото- и радиационно-химическом восстановлении возможен синтез наночастиц в твердых средах и при низких температурах.

Фотохимическое восстановление в растворах наиболее часто применяют для синтеза частиц благородных металлов. При получении подобных частиц из соответствующих солей в качестве среды используют их растворы в воде, спирте и органических растворителях. В этих средах под воздействием света образуются активные частицы:

реагируя со спиртами, атом водорода и радикал гидроксила дают спиртовые радикалы:

Сольватированный электрон взаимодействует, например, с ионом серебра и восстанавливает его до металла:

В процессе фотовосстановления в начальный момент облучения в УФ - спектре поглощения появляются полосы при 277 и 430 нм, относимые к кластерам и наночастицам серебра размером 2-3 нм. С увеличением времени облучения максимум полосы поглощения может сдвигаться и в сторону коротких, и в сторону длинных волн. Коротковолновый сдвиг указывает на уменьшение среднего размера частиц серебра, а длинноволновый – на протекание процессов агрегации.

Рис. 2. Схема, иллюстрирующая конкуренцию двух процессов: 1 – образование частиц серебра, 2 – осаждение частиц и формирование пленки

Под влиянием света в результате фотовосстановления не только осуществляются процессы получения наночастиц определенного размера, но и идет формирование более крупных агрегатов.

Радиационно-химическое восстановление для синтеза наночастиц металлов в силу своей доступности и воспроизводимости получает все более широкое распространение. В жидкой фазе при получении наночастиц металлов самое важное значение имеют стадии, связанные с пространственным распределением первичных промежуточных продуктов. При радиолизе, в отличие от фотолиза, распределение получаемых промежуточных частиц происходит равномернее и способствует синтезу более узкодисперсных по размеру частиц.

Методом импульсного радиолиза осуществлено получение активных частиц металлов в необычных степенях окисления. С гидратированным электроном , имеющим высокий восстановительный потенциал, процесс происходит по схеме:

Наличие одного электрона на внешней орбитали атома или иона металла ведет к их высокой реакционной способности. Времена жизни подобных частиц в воде составляют микро- или миллисекунды. Оптические свойства таких частиц металлов определяются их восстановительным потенциалом.

Реакции на цеолитах

В настоящее время для формирования наночастиц металлов активно используются пористые неорганические материалы типа цеолитов. Твердые цеолиты, имеющие поры и каналы строго определенных размеров, являются удобными матрицами для стабилизации наночастиц с заданными свойствами. При получение наночастиц в порах цеолитов используют два основных метода. Один из них связан с прямой адсорбцией паров металлов в тщательно обезвоженных порах цеолитов. Другой, более широко применяемый метод основан на химических превращениях введенных в поры предшественников в виде соли металла, металлокомплексных и металлоорганических соединений. Подобным путем, например, в каналах молекулярных сит были получены нанопроволоки диаметром 3 нм и длиной в сотни раз больше.

Нанотехнология — это область науки и техники, связанная с разработкой устройств размером порядка нанометра (одной миллиардной доли метра), т. е. устройств, составляющих от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов. Основное назначение таких устройств — работать с отдельными атомами и молекулами (межатомные расстояния в биологических молекулах измеряются десятыми долями нанометра). Импульс развитию нанотехнологии дало создание сканирующего туннельного микроскопа — устройства, позволяющего исследовать вещество на атомном уровне ("видеть" атомы) и перемещать отдельные атомы. За это изобретение в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.

Содержание работы

Введение 3
Самосборка и катализ 4
Высокочастотный индукционный нагрев 11
Химические методы 14
Термолиз 15
Импульсные лазерные методы 16
Формирование пористого кремния и оксида алюминия 17
Получение углеродных нанотрубок и фуллеренов 28
Заключение 34
Список литературы 35

Файлы: 1 файл

Получение наночастиц.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Выполнила: ст. гр. 722М

Проверил: доц. каф. БМПЭ
1. Самосборка и катализ 4
2. Высокочастотный индукционный нагрев 11
3. Химические методы 14
4. Термолиз 15
5. Импульсные лазерные методы 16
6. Формирование пористого кремния и оксида алюминия 17
7. Получение углеродных нанотрубок и фуллеренов 28
Список литературы 35

Изучение наноструктур интенсивно началось примерно двадцать лет назад, и уже занимает определенное место в сфере применения. Хотя слово нанотехнология является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь.

Нанотехнология — это область науки и техники, связанная с разработкой устройств размером порядка нанометра (одной миллиардной доли метра), т. е. устройств, составляющих от нескольких десятков до нескольких тысяч атомов. Основное назначение таких устройств — работать с отдельными атомами и молекулами (межатомные расстояния в биологических молекулах измеряются десятыми долями нанометра). Импульс развитию нанотехнологии дало создание сканирующего туннельного микроскопа — устройства, позволяющего исследовать вещество на атомном уровне ("видеть" атомы) и перемещать отдельные атомы. За это изобретение в 1986 году была присуждена Нобелевская премия.

Так как нанохимия включает в себя множество разделов, и охватить их все в реферате невозможно, я остановлюсь на разделе: методы получения наночастиц и наноматериалов.

Таким образом, целью данного реферата является обобщение литературных данных о способах получения наночастиц, и далее будут рассмотрены самые распространенные из них.

Самосборка (самоупорядочение) – это процесс адсорбции и специфического расположения молекул на твердой поверхности. Его движущей силой является хемосорбция, которая в особенности проявляется в высокоэнергетических реакциях между адсорбантом и адсорбирующей поверхностью. В отличие от сильного взаимодействия между адсорбируемой молекулой и поверхностью, взаимодействие между самими молекулами остается слабым. В органическом и неорганическом мире существует большое количество примеров самоупорядочения.

Пленки мономолекулярной толщины, образовавшиеся по механизму самоупорядочения, имеют очень низкую плотность дефектов, достаточно стабильны и механически прочны. Их используют в качестве трафарета в литографических процессах. При этом нанометровое разрешение достигается с использованием сканирующих зондов в сканирующем туннельном или атомном силовом микроскопе.

Молекулярные блоки для самоупорядочения должны содержать три основные функциональные группы – группу, прикрепляющую их к поверхности, промежуточную группу и поверхностную функциональную группу. Эти группы не являются взаимозаменяемыми. Так, функции позиционирования и распознавания лучше реализуются с использованием органических групп, нежели неорганических, хотя электронные свойства последних изучены более глубоко. Комбинирование различных по составу групп постоянно рождает новые формы самоупорядочения.

В качестве групп, прикрепляющих весь молекулярный блок к поверхности подложки, чаще всего используют силаны RSiX3 (R = CH3, C2H5, …), для того чтобы прикрепиться к гидроксильным (OH) группам, которые обычно покрывают поверхность кремния и другие, технологически важные, поверхности. В качестве X компонента, замещающего водород в силане, используются метокси-группы, хлор или их смесь. Состав прикрепляющей группы существенно влияет на упорядоченное расположение адсорбированных молекул и на плотность их упаковки. Например, для поверхности арсенида галлия и золота хорошие результаты дает тиол (RSH).

Промежуточная группа влияет на взаимодействие всего хемосорбированного молекулярного блока с обрабатывающим ее инструментом. Отдаление поверхностной функциональной группы от подложки при увеличении размеров промежуточной группы (например, мультиплицируя CH2-группы) позволяет располагать зонд ближе к пленке и тем самым понижать дозу экспонирования и пороговое напряжение. Фенильные группы, обладая определенной проводимостью, хорошо подходят в качестве промежуточных групп при электронном экспонировании зондом сканирующего туннельного микроскопа.

Процесс, иллюстрирующий использование самоупорядочения для создания нанометровых элементов на кремниевой подложке, показан на рис.1.

Рис.1. Формирование наноразмерного рисунка путем самосборки мономолекулярной пленки: а – осаждение мономолекулярного слоя; б – создание рисунка зондом сканирующего туннельного микроскопа; в – осаждение палладиевого катализатора; г – осаждение никеля

Перед нанесением пленки кремниевую подложку очищают и пассивируют водородом в растворе HF. Затем ее окунают в раствор органосиланового мономера и высушивают, с тем, чтобы сформировать на ее поверхности пленку мономолекулярной толщины, состоящую из молекул, один конец которых закрепляется на подложке, а другой образует новую поверхность. Созданную мономолекулярную пленку, типичная толщина которой составляет порядка 1 нм, обрабатывают по требуемому рисунку низкоэнергетическими электронами, инжектируемыми с зонда сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа. Напряжение при этом выбирают в пределах 2–10 В, в зависимости от конкретного состава пленки, задаваемого главным образом поверхностными группами, и от пассивации поверхности подложки. После этого образец окунают в раствор с коллоидными частицами палладия, которые прикрепляются к необлученным областям пленки. Затем образец снова высушивают и помещают в ванну для электролитического осаждения никеля. Островки палладия на поверхности служат каталитическими центрами для осаждения никеля. За счет бокового роста никеля промежутки между палладиевыми островками заполняются, и образующаяся толстая пленка никеля имеет сплошную бездефектную структуру. Созданную таким образом профилированную металлическую пленку используют в качестве маски при последующем травлении. Практически достижимое разрешение составляет 15–20 нм, хотя с теоретической точки зрения предельный минимальный размер элемента интегральной микросхемы ограничивается размером используемых для самоупорядочения молекул. [1]

Самосборка наноструктур в магнитном поле

Сферические кобальтовые наночастицы диаметром 10 нм были синтезированы при разложении Co₂(CO)₈ в присутствии ПАВ (поверхностно-активные вещества — химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения), диспергированы в нонане и нанесены на кремниевую подложку, которая была помещена в перпендикулярное магнитное поле. При испарении растворителя на подложке сформировались вытянутые стержни, собранные из наночастиц. Толщина образующихся стержней составляет около 130 нм, а длина около 450 нм.

Оказалось, что стержни имеют высокоупорядоченную структуру, в которой наночастицы кобальта образуют гранецентрированную кубическую решетку с параметром около 18 нм (рис.2,3,4). [4]

Рис. 2. Формирование Со стержней

Рис.3. Стержни из наночастиц кобальта.

Рис.4. Влияние условий синтеза: (a) в отсутствии магнитного поля; в перпендикулярном поле при концентрации наночастиц кобальта 10 мМ (b) и 100 мМ (с).

Самосборка коллоидных частиц

Ученые использовали два типа полимерных коллоидных частиц. Первые (крупные) содержали в себе некоторое количество суперпарамагнитных включений и в магнитном поле вели себя как суперпарамагнетики. Вторые (маленькие) подобной добавки не имели и проявляли диамагнитное поведение. Размеры частиц варьировались от 0.2 до 10 мкм. При помещении смеси таких частиц в магнитную жидкость (взвесь 10 нм частиц Fe₃O₄ в воде) и приложении магнитного поля частицы второго типа выстраивались в кольцо по экватору первых (рис. 5). [4]

Рис. 5. Схема формирования структур из шариков разных размеров. В отсутствие поля (в центре) ничего не происходит. Если магнитные моменты частиц сонаправлены, то маленькие скапливаются на полюсах, а если наоборот, то на экваторе. Желтыми стрелками указаны магнитные моменты частиц.

Рис. 6. Бинарные коллоидные самоорганизованные системы: вид поверхности. Большие частицы - полистирол, маленькие – диоксид кремния. Показан любопытный переход из гексагональной упаковки в квадратную. Изображение сканирующей электронной микроскопии окрашено в сине-зеленый туманный цвет.

Катализ химической реакции состоит в увеличении ее скорости посредством добавления вещества, называемого катализатором, которое не расходуется в процессе реакции.

Обычно катализатор участвует в реакции, соединяясь с одним или несколькими реагентами, а в конце процесса он восстанавливается до первоначального состояния.

Существует 2 типа катализаторов:
- Гомогенные (находятся в той же фазе, что и реагенты, обычно пребывающие в газовой фазе или в жидком состоянии)
- Гетерогенные (находятся в фазе отличной от реагентов и отделены от них фазовой границей). Гетерогенные каталитические реакции обычно имеют место на поверхности твердых катализаторов, типа оксидов кремния, алюминия, титана, имеющих из-за пористой или губчатой структуры очень высокую удельную поверхность. Поверхность этих катализаторов насыщена кислородными центрами или покрыта каталитически активным материалом, типа платины, а скорость реакции обычно пропорциональна площади покрытой платиной доступной поверхности.
Удельная поверхность - отношение общей поверхности пористого или диспергированного в данной среде тела к его объёму или массе.

Удельная поверхность катализатора обычно указывается в единицах квадратных метров на грамм и обозначается символом S.

A – площадь поверхности цастицы, V – ее объем, p – плотность. [2]

Изначально металл находится в виде прутка в откачной камере. В процессе этот металл разогревается до точки выше точки испарения высоковольтными радиочастотными катушками, обмотки которых находятся снаружи вакуумированной камеры вблизи пестика. Затем в систему впускается Не, что приводит к образованию в области катушек высокотемпературной плазмы. Атомы Не выступают в качестве зародышей конденсации для атомов металла, и эти комплексы диффундируют к холодному коллектору, где и образуются наночастицы. Частицы обычно пассивируют введением какого-либо газа, например кислорода. В случае наночастиц алюминия кислород формирует слой оксида алюминия на поверхности частицы. [2]

Рис. 7. Схема установки для получения наночастиц с помощью плазмы, разогреваемой высокочастотным полем

Одним из самых распространенных химических методов получения ультрадисперсных порошков металлов, нитридов, карбидов, оксидов, боридов, а также их смесей является плазмохимический синтез. Для этого метода характерны очень быстрое (за 10 -3 – 10 -6 с) протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость образования зародышей новой фазы при относительно малой скорости их роста.

При плазмохимическом синтезе используют низкотемпературную (400-800 К) азотную, аммиачную, углеводородную, аргонную плазму, которую создают с помощью электрической дуги, электромагнитного высокочастотного поля или их комбинации в реакторах, называемых плазмотронами. В них поток исходных веществ (газообразных, жидких или твердых) быстро пролетает через зону, где поддерживается плазма, получая от нее энергию для проведения реакций химического превращения. Плазмообразующим газом может быть и само исходное вещество.

В последнее время значительное внимание уделяется нанокристаллическим материалам, что вызвано, как минимум, двумя причинами. Во-первых, уменьшение размера кристаллитов – традиционный способ улучшения таких свойств материала, как каталитическая активность, активность в твердофазных реакциях, процессах спекания. Вторая причина – проявление веществом в нанокристаллическом состоянии особых свойств (магнитных, оптических и др.), не характерных для объемных материалов и обусловленных проявлением квантовых эффектов.

Содержание

1.Краткое понятие о наноразмерных материалах……………………………2
2. Методы получения наноразмерных частиц…………………………………..3
3. Металлополимерные нанокомпозиты………………………..……………. 18
Список использованных источников…………………………………….…….20

Прикрепленные файлы: 1 файл

+Методы получения наноразмерных частиц.doc

1.Краткое понятие о наноразмерных материалах……………………………2

2. Методы получения наноразмерных частиц…………………………………..3

3. Металлополимерные нанокомпозиты………………………..……………. ..18

Список использованных источников…………………………………….…….20

В последнее время значительное внимание уделяется нанокристаллическим материалам, что вызвано, как минимум, двумя причинами. Во-первых, уменьшение размера кристаллитов – традиционный способ улучшения таких свойств материала, как каталитическая активность, активность в твердофазных реакциях, процессах спекания. Вторая причина – проявление веществом в нанокристаллическом состоянии особых свойств (магнитных, оптических и др.), не характерных для объемных материалов и обусловленных проявлением квантовых эффектов. Поэтому получение и исследование нанокристаллических материалов является важным этапом в создании техники нового поколения.

2. Методы получения наноразмерных частиц

Разработанные к настоящему времени методы получения нанопорошков весьма разнообразны.

Существует классификация методов по принципу изменения размера частиц в ходе синтеза:

Методы получения наночастиц реферат

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

Наночастицы металлов и их строение.docx

Введение

Строение и форма наночастиц.

Способы получения наночастиц металлов

Содержание

Работа содержит 1 файл

Документ Microsoft Word.doc

Содержание работы

Файлы: 1 файл

Получение наночастиц.docx

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

+Методы получения наноразмерных частиц.doc