News image News image News image News image News image News image News image News image


Получение искусственных наноматериалов
Энциклопедия - Возникновение и развитие нанонауки

Нанотехнологии — это технологии XXI века. И та страна, которая будет их внедрять, станет лидером XXI века...
Александр ЖУКОВ, вице-премьер Правительства Российской Федерации

Для исследования объектов и процессов нанотехнологии, создания наносистем и развития наноиндустрии было необходимо разработать эффективные способы получения наноструктур и наноматериалов в достаточном (коммерческом или промышленном) количестве.

Исходным сырьем для наноматериалов являются в первую очередь металлы и их оксиды (например, порошки оксида титана, оксида кобальта и др.), монтмориллонит, природные и синтетические полимеры. Кроме того, в России имеются ценные отходы производств, переработка которых позволяет получать компоненты, используемые в нанотехно-логиях для выпуска продукции с достаточно высокими эксплуатационными свойствами. В частности, при синтезе на-нополимерных композиционных материалов с рекордными физико-химическими и эксплуатационными характеристиками. Наносистемы на основе природных полимеров могут служить исключительно эффективными носителями биологически активных веществ, сорбентов и других материалов, Которые активно используются в медицине, фармацевтике, при решении экологических проблем, связанных с утилизацией токсичных компонентов почвы, воды, атмосферы, в агропромышленном комплексе.

Графит — оптимальный материал для получения фуллере-нов, поскольку его структура имеет много общего со структурой фуллеренов. Однако в настоящее время ведутся интенсивные поиски и других способов синтеза, в которых исходным сырьем служат, например, смолистые остатки пиролиза углеродсодержащих материалов, нафталина и ряда других материалов.

В табл. 2 представлены наиболее распространенные способы получения наноматериалов.

Способ получения

Характеристика способа получения

Получаемые объекты

Фуллереновая дуга

Синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами

Фуллереновая сажа, углеродные нанотрубки

Газофазный метод

Температура 4000 °С и выше для получения фуллерена С60СНТ

«Гостевые» наномоле-кулы

Каталитическое разложение углеводородов

Продувка смеси газообразного углеводорода и буферного газа по кварцевой трубке с металлическим порошком и температурой

700-1000 °С

Углеродные нити, многослойные нанотрубки, металлические частицы; покрытые графитовой оболочкой

Порошковая технология

Метод Глейтера (газофазное осаждение и компактирование); электроразрядное спекание; горячая обработка давлением; высокие статические и динамические давления при различных температурах

Металлы, сплавы, химические соединения

Интенсивная пластическая деформация

Равноканальное угловое прессование; деформация кручением; обработка давлением многослойных композитов

Металлы, сплавы

Кристалл изация из аморфного состояния

Обычные и высокие давления

Аморфные металлические покрытия

Пленочная технология

Химическое осаждение покрытий из газовой фазы ( CVD)\ физическое осаждение из газовой фазы ( PVD); электроосаждение; золь-гель-технология

Металлы, сплавы, полимеры, химические соединения

Известны работы, в которых электрическую дугу между электродами пропускают в среде растворителя — толуола и бензола. При этом, как показывает последующий масс-спектрометрический анализ, растворитель заполняется кластерами углерода с числом атомов, меняющимся от 4 до 76.

Газофазный метод (при 4000 °С и выше), обычно используемый для получения фуллерена Сб0СНТ, годится только для «гостевых» молекул, которые термически стабильны и могут подвергаться сублимации или испарению.

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используются как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. На рис. 18 показана простейшая схема установки для получения фуллеренов, предложенная В. Кретчмером.

Распыление графита осуществляется при пропускании через его электроды 1, расположенные на охлаждаемых шинах 2 тока с частотой 60 Гц, силой тока от 100 до 200 А и напряжением 10—20 В. Регулируя натяжение пружин 4, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием с давлением 100 торр (то же, что 1 мм рт. ст.)-Эффективность испарения графита в этой установке может достигать 10 г/В. При этом поверхность медного корпуса 3, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, то есть графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, получится темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе образуется мелкодисперсный порошок. Его масса составляет не более 10% массы исходной графитовой сажи. В порошке содержится до 10% фуллеренов С60 (90%) и С70 (10%). Этот метод получил название «фуллереновая дуга».

В описанном способе гелий играет роль буферного газа. Атомы гелия наиболее эффективно «гасят» колебательные движения возбужденных углеродных фрагментов, препятствующих их объединению в стабильные структуры. Кроме того, атомы гелия поглощают энергию, выделяющуюся при объединении углеродных фрагментов. Опыт показывает, что оптимальное давление гелия составляет 100 торр. При более высоком давлении агрегация фрагментов углерода затрудняется.

Для получения углеродных нанотрубок в настоящее время разработана более совершенная технология — синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами в атмосфере гелия- насос водяное охлаждение t f , наночастицы

Типовая схема электродуговой установки для изготовления наноматериалов, содержащих как нано-трубки и фуллерены, так и другие углеродные образования (например, конусы), показана на рис. 19.

При данном способе дуговой разряд возникает и поддерживается в камере с охлаждаемыми водой стенками при давлении буферного газа (гелия или аргона) порядка 500 торр. Обычно межэлектродное расстояние, устанавливаемое автоматически, составляет 1—2 мм. Для получения максимального количества нанотрубок ток дуги должен составлять 65—75 А, напряжение — 20—22 В, а температура электронной плазмы — порядка 4000 К. В этих условиях графитовый анод интенсивно испаряется, поставляя отдельные атомы или пары атомов углерода внутрь камеры. Из этих паров на катоде или на охлажденных водой стенках формируются различные углеродные наноструктуры.

В большинстве случаев на катоде образуется твердый осадок макроскопического размера (в виде плоского пятна диаметром 11—12 мм и толщиной до 1,0—1,5 мм). Он состоит из наносвязок — нитей длиной 1—3 мкм диаметром 20—60 нм, содержащих 100—150 уложенных в гексагональную упаковку однослойных или многослойных нанотрубок. Такие связки напоминают связки круглых бревен, которые перевозят на лесовозах, или плоские плоты на лесосплаве. Нити наносвязок и отдельные нанотрубки часто образуют беспорядочную (а иногда и упорядоченную) сеть, похожую на паутину. Пространство этой паутины заполнено другими компонентами частиц углерода. Поскольку электронная плазма дуги неоднородна, не весь графит идет на строительство нанотрубок. Из большей части графитового анода образуются различные наночастицы или даже аморфный углерод, которые можно Назвать общим словом «сажа».

Чтобы освободиться от других углеродных образований, осадок подвергают ультразвуковой обработке в какой-либо Жидкости: этаноле, толуоле, дихлорэтане, бензоле или других неполярных растворителях. В результате диспергирования можно получить как отдельные нанотрубки, так и нерас-Щепленные наносвязки (в основном, С60 и С70) с выходом до Ю% по массе. Для отделения сажи раствор после диспергирования заливают в центрифугу. То, что остается в жидкости, и есть раствор, содержащий нанотрубки или наносвяз-ки, которые используют для исследований и практического применения.

Считается, что при образовании фуллеренов сначала образуются жидкие кластеры углерода, а затем эти кластеры кристаллизуются в фуллерены с испусканием свободных атомов и микрокластеров. Однако имеются и другие способы образования фуллеренов, например посредством отжига углеродных кластеров. Эти способы, в отличие от различных моделей «сборки» фуллеренов, не предусматривают определенной структуры кластеров, которые являются предшественниками фуллеренов.

При абляции (испарении) графита углеродные кластеры образуются в результате конгломерации атомов и микрокластеров, состоящих из нескольких атомов, что подтверждается расчетами. Образование кластеров в парах углерода может происходить либо как гомогенная нуклеация (образование зародышей жидкой фазы в метастабильном пересыщенном паре), либо как спиноидальный распад (разделение на фазы вещества, находящегося в термодинамически нестабильном состоянии).

Другая возможность эффективного образования больших углеродных кластеров — конгломерация нескольких кластеров, состоящих из десятков атомов. Такой процесс происходит, например, при абляции высших оксидов углерода. Масс-спектр углеродных кластеров, полученных при абляции сажи, указывает на возможность сосуществования этих двух путей образования больших углеродных кластеров: масс-спектр имеет два максимума в распределении фуллеренов. Первый максимум (п = 154) соответствует конгломерации атомов и микрокластеров, второй (п = 450—500) — конгломерации кластеров, содержащих десятки атомов. Фуллерены образуются также из изначально больших кластеров, испаренных из материала, в состав которого входит углерод. Это происходит, например, при испарении мелкодисперсной графитовой фольги или вторичной лазерной абляции того же участка поверхности графита.

Если для получения чистого С60 в макроколичествах достаточно использовать электродуговой разрядник, то получение высших фуллеренов требует сложной и дорогостоящей процедуры экстракции, основанной на идеях жидкостной хроматографии. Этот способ позволяет не только отделить, но и накопить редко встречающиеся фуллерены С76, С84, С90, и С94. Данные процессы идут параллельно получению С60, отделение которого позволяет обогатить смесь высшими фул-леренами.

Например, при использовании угольного конденсата, полученного путем термического испарения графитового электрода под действием электрической дуги, чистый Сб0 выделяется при обработке смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5. Это приводит к вымыванию и последующему выделению чистого фуллерена С60. Увеличение в растворе содержания толуола до 50% позволяет выделить чистый фуллерен С70 (рис. 20), а дальнейшее увеличение выделяет четыре желтоватые фракции. При повторном хроматографировании этих фракций на алюминиевой поверхности получаются достаточно чистые фуллерены С76, С84, С90 и С94. Обработка первой из указанных фракций, адсорбированной на алюминиевой поверхности, смесью гексана с толуолом в соотношении 95:5 приводит к полному растворению молекул С70 в смеси. Оставшийся желтоватый конденсат практически полностью состоит из молекул С76, что подтверждается данными жидкостного хроматографического анализа.

Существенные достижения в технологии получения на-нотрубок связаны с использованием процесса каталитического разложения углеводородов. На рис. 21 изображена простейшая схема такого процесса.

В качестве катализатора используется мелкодисперсный металлический порошок, который засыпают в керамический тигель 3, расположенный в кварцевой трубке 1. Последнюю помещают в нагревательное устройство (печь) 2, позволяющее поддерживать температуру в интервале от 700 до 1000 °С. Через кварцевую трубку продувают смесь газообразного углеводорода и буферного газа 4, например атомарного азота.

Типичной является смесь, в которой соотношение соединения С2Н2 к N2 составляет 1:10. Процесс может продолжаться от нескольких минут до нескольких часов. На поверхности катализатора вырастают длинные углеродные нити, многослойные нанотрубки длиной до нескольких десятков микрометров с внутренним диаметром от 10 нм и внешним диаметром 100 нм. Имеются также металлические частицы, покрытые многослойной графитовой оболочкой. В этом процессе трудно получить однородные нанотрубки, поскольку каталитический порошок — слишком неоднородная среда.

результате многочисленных исследований был найден оптимальный вариант: подложка для выращивания нанотрубок должна быть пористой, с высокой степенью однородности пор, заполненных частицами металлического катализатора. Если размеры частиц и пор совпадают, диаметр вырастающих трубок оказывается практически таким же. Если глубина пор и их поверхностная плотность достаточны, трубки вырастают строго перпендикулярно поверхности подложки и оказываются в высокой степени однородными.

Таким образом, проблема сводится к приготовлению подложки, поверхность которой была бы пронизана многочисленными глубокими однородными порами. На их дне должен располагаться металлический катализатор — «основа» на начальной стадии роста трубки. Катализаторами обычно выступают железо, никель и кобальт.

В России производством коммерческих партий наноча-стиц занимается ряд известных научно-исследовательских центров (табл. 3).

Таблица 3. Некоторые российские производители наноматериалов

Производитель, город

Получаемые наноматериалы

Отраслевая лаборатория (при МИФИ), Москва

Синтез нанодисперсных порошков (углеродных, металлических, оксидных) для снижения температуры спекания топливных таблеток двуокиси урана, фильтров сверхтонкой очистки, водородных аккумуляторов, антикоррозионных покрытий, магнитных красок для защиты ценных бумаг

Институт физической химии РАН, Москва

Тонкие наноструктурированные алмазные пленки

Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка

Графитовые нановолокна и углеродные нанотрубки, насыщенные 6—6,9% (по массе) водорода

Институт электрофизики ^рО РАН, Екатеринбург

Получение оксидных нанопорошков

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск

Плазменное нанесение наноструктурированных покрытий

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН, Новосибирск

Механохимический синтез наноматериалов; нанокомпозиты на основе твердых материалов с высокой ионной проводимостью для компактных источников электропитания, миниатюрных батареек; наноструктурированные аспирин и серебро

Несмотря на очевидные успехи хроматографической технологии сепарации и очистки фуллеренов и нанотрубок, проблема получения высших фуллеренов в количествах, достаточных для полного и всестороннего исследования их свойств в конденсированном состоянии, еще далека от решения. Производительность лучших хроматографических установок не превышает нескольких миллиграммов в час, что явно недостаточно для обеспечения исследований, а тем более для промышленного использования. Стоимость высших фуллеренов на мировом рынке составляет тысячи долларов за грамм, что делает их труднодоступными для многих научных лабораторий.

Следует отметить, что число фирм-производителей различных наноматериалов постоянно растет. При этом совершенствуется не только процесс получения и очистки наноматериалов, но также значительно повышается их качество, что позволяет находить новые сферы их применения и значительно расширять практическое использование.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Наноматериал - не мокрый даже под водой

News image

Химики в Университете Цюриха разработали новую ткань, которая не намокает даже при полном погружении в воду...

Нанобетон пошел в массы

News image

В Петербурге начинается выпуск бетонов с применением наномодификаторов. Главное преимущество использования таких добавок — создание вы...

Преобразователи энергии

News image

В настоящее время поиск и изучение альтернативных источников энергии являются одними из самых популярных направлений на...

IT-байки: термоэлектрические нанотехноло

News image

Очередной воскресный выпуск IT-баек мне вновь хотелось бы посвятить теме несовершенства современного мира. Ес...

Даже лед подчинился нанотехнологам

News image

С использованием нанотехнологий разработано принципиально новое антиобледенительное средство для защиты от наледи на дорогах, линиях эл...

Призрачная угроза

News image

Ничто не вечно под луной Едва ли не все полезные изобретения и научно-технические разработки не только сп...

Движение дефектов в графене

News image

На сегодняшний день интерес к графену как к новому материалу для наноэлектроники, технологий NEMS и ME...

Русские собираются направить к Марсу оби

News image

Президент Дмитрий Медведев заявил о том, что Россия потратит 600 миллионов долларов США на строительство ко...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Ученые Северной Каролины разрабатывают гибкие антенны

Антенны не только для того, чтобы слушать радио. Они используются во всем, начиная с сотовых телефонов и заканчивая GPS. Исследование го...

Бактерии приводят в движение крошечные наномеханизмы

Шестерни в миллион раз более массивные, чем бактерии , говорит главный исследователь Игорь Аронсон. Возможность использовать и контролировать эне...

Распыляемые фотоэлементы заряжают энергией практически

Громоздкие и дорогие фотоэлектрические панели уже в прошлом. Что готовит нам будущее? На целые здания, крыши и даже окна распыляются революционные че...

Переход через наноАльпы

Готовится к старту самый крупный в России бизнес-проект производства светотехники нового поколения. Без него российский рынок сверхъярких светодиодов будет наполнять до...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.