Актуальные вопросы нанотехнологических исследований

Актуальные вопросы нанотехнологических исследований

Ташполотов Ы.

Одной из важных и актуальных проблем физики твердого тела, физико-химической механики дисперсных систем и синергетики является изучение процессов структурообразования (формирования) новой фазы и разрушения связи между частицами, элементами (блоками, структурными слоями, микрообластями и др.) однородных и разнородных систем. Несмотря на важность изучения процессов образования систем ряд фундаментальных вопросов этих проблем остается до сих пор нерешенным. Пока нет строгого ответа на такие принципиальные вопросы, как механизм структурообразования новой фазы, рост пленок и кристаллов, коагуляционная агрегация наночастиц в процессе структурообразования.

Это объясняется, с одной стороны, многостадийностью и многофакторностью рассматриваемых явлений, а с другой – тем, что при изучении этих явлений акцентируется определенный аспект проблемы в соответствии с конкретными целями и не ставится при этом задача установления общих закономерностей образования нано- и микроскопических систем. Отсюда существование различных гипотез, концепций и теорий, позволяющих объяснить тот или иной аспект проблемы.

Изучение закономерности процессов структурообразования позволяет создать теоретические основы получения различных наноструктурных материалов с заданными свойствами. Функциональные свойства наноструктурных материалов, в свою очередь, зависят от их дисперсности, природы поверхности, межфазных взаимодействий, условий структурообразования и др.

При образовании наночастиц с размерами от 1 нм до 1 мкм и более обнаруживаются все особенности поверхностных состояний, так как в данном случае теряется понятие объема, т.е. положения атомов вблизи поверхности отличаются от положений в объеме коисталла и поэтому наносистемы далеки от равновесия из-за наличия развитой поверхности. В связи с этим нанодисперсные и дисперсные состояния являются особыми формами неравновесного состояния. Эти свойства обусловливает бифуркационную природу размерного эффекта.

При этом размер наночастиц становится параметром порядка в дисперсионной системе при переходе через точку бифуркации. Процесс образования нанодисперсной конденсированной системы носит самоорганизующийся характер, контролируемый условием минимума производства энтропии при переходе через критическую точку. Наблюдаемое многообразие частиц и структурная неоднородность наносостояния означают, что законы строения наночастиц иные – они не соответствуют законам, используемым в классической физике. С уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в наносистеме, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Таким образом исследования нанометрических объектов позволяет открыть новый уровень организации материи, находящийся между макроскопическим и микроскопическим уровнями, т.е. между макроуровнем и микро-атомарным уровнем находится обширный уровень структуры материи – наномир. Именно в наномире могут быть созданы неизвестные ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого общества.

Одним из примеров проявления размерного эффекта являются данные [1] о понижении температуры плавления T_n при изменении размеров кристаллитов некоторых металлов (калий, серебро и платина). Эти данные показывают, что при изменении размеров наночастиц металлов от 10 до 2 нм температура плавления снижается для платины в 2,4 раза, серебра – в 2,6 раза, а для калия – в 3,8 раза. Аналогичных данных можно привести сколько угодно из различных областей науки.

Для решения этих проблем необходимо установить общие механизмы процессов образования структуры различных систем и интерпретировать исследуемые, совершенно разные с первого взгляда явления, с единой точки зрения. Общность заключается в том, что и физическим, и механическим и химическим и другим неравновесным процессам свойственны неравновесные фазовые переходы, отвечающие особым точкам, т. е. точкам бифуркации, по достижении которых спонтанно изменяются свойства среды, обусловленные самоорганизацией наноструктур [2,3].

Движущей силой самоорганизации наноструктур является стремление открытых систем при нестационарных процессах к снижению производства энтропии.

Известно, что способность к самоорганизации является общим свойством открытых систем, т.е. систем, в которых возможен обмен энергией с окружающей средой. А взаимодействие наночастиц конденсированной системы, приводящее к образованию структуры фаз, определяется, в свою очередь, поверхностными силами.

Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции неорганического, органического и биологического мира и создание невиданных ранее в природе новых веществ.

 

1. Особенности распределения наночастиц по размерам при необратимых процессах

Для исследования особенности образования наночастиц и их полимодального характера распределения по размерам были поставлены следующие эксперименты:

1.Частицы окиси магния получали сжиганием фольги магния в пламени спиртовой горелки в воздушной фазе. В дымовое облако помещался патрон электронного микроскопа с волокнами перхлорвинила на объектной сетке (живое сечение 0,7 мм²).

Отобранные на волокнах, таким образом, агрегаты MgO были предметом дальнейшего электронно-микроскопического исследования (рис. 1).

Из рис.1 видно, что в результате сжигания фольги магния в воздушной среде образуется сложная наноструктура. Радиус частиц окиси магния в фрактальной структуре меняется от 2 до 11 нм. При этом этот радиус почти не зависит от режима горения.

2. Одним из самых локализованных пространственно-эффективных и высокоэнергетических методов воздействия на поверхности тел является действие импульсного лазерного луча. В этом случае мощность лазерного излучения будет достаточной для превращения в пар и расплав любой тугоплавкой мишени. При этом можно предположить, что в течение короткого времени на поверхности мишени температура достигает нескольких тысяч градусов, при которых начинается испарение металла. В результате на поверхности мишени образуется цилиндрический канал с расплавом. Расплавления металла в объеме «лунки» происходит за счет тепла, развиваемого на очень тонком тепловом канале вдоль линии падения лазерного пучка. Диаметр теплового канала, в котором происходит расплавления металла, составляет порядка 1–10 мкм. После прекращения подачи лазерного пучка давление внутри пузыря, образующееся в канале, резко падает, что приводит к выбросу расплавленного металла из теплового канала.

Рис.1 Электронно-микроскопический снимок наночастицы окиси магния, полученный при сжигании фольги магния в пламени спиртовой горелки

Получающиеся при нагреве расплавы и пары металлов, покидая тепловой канал, быстро конденсируется и происходит формирование частиц различных дисперсностей, которые, взаимодействуя между собой, образуют кластерные агрегаты. По-видимому, переход кластерных частиц в устойчивое состояние возможно только путем их агрегации и образования фрактальных структур.

Для получения таких наноструктур нами поставлен следующий эксперимент:

Частицы трехокиси вольфрама получали в результате облучения поверхности мишени – пластинки из вольфрама – импульсом лазерного излучения. На рис.2 представлены электронно-микроскопические фотографии структур наночастиц трехокиси вольфрама. Аналогичные структуры образуются при использовании разных металлических поверхностей и в разных буферных газах. Процесс образования таких структурных систем протекает в определенном режиме облучения поверхности, когда удельная мощность излучения составляет 10⁶ – 10⁷ Вт/см². В этом режиме отсутствует лазерный пробой и разбрызгивание поверхности, переведенной в жидкую фазу. Этот режим соответствует испарению слабоионизованного пара с поверхности. Температура поверхности составляет несколько тысяч градусов, а давление испаренного пара достигает сотни атмосфер.

При распространении в буферный газ пучок испаренных атомов мишени расширяется и охлаждается. В результате конденсации образуются жидкие капли, которые за счет коагуляции объединяются друг с другом и нейтрализуются. Далее капли превращаются в твердые наночастицы и их объединение приводит к образованию наноструктуру (рис. 2).

Математическая обработка электронно-микроскопических снимков проводилась двумя методами:

1) нахождение линейных размеров нанокластеров. Измерялась длина «прямолинейных» участков цепочек наночастиц и находилось их среднее арифметическое значение;

Рис.2. Наночастицы трехокиси вольфрама, полученный при лазерном испарении вольфрама

2) метод цифрового изображения агрегатов наночастиц.

Суть метода состоит в том, что на фотографию наноагрегата накладывается прозрачная бумага с концентрическими окружностями. Подсчитывается количество частиц агрегат, попадающих между двумя последовательными окружностями. Строится график зависимости количества наночастиц  от радиусов окружающей .

Анализ и математическая обработка данных эксперимента позволили сделать следующие выводы:

а) длины агрегатов наночастиц изменяются дискретным образом:

окись магния – 0,21; 0,98; 2,21; 4,05 мкм;

трехокись вольфрама – 0,15; 0,29; 0,70; 1,35; 2,90; 5,4 мкм;

б) среднее значение отношения последовательно расположенных преимущественных длин агрегатов наночастиц составляет:

для окиси магния – ;

для трехокиси вольфрама – ;

в) установлено, что как только длина агрегата наночастиц принимает одно из преимущественных размеров, наблюдается изменение направления цепочки частиц или разветвление агрегата наночастиц. При этом, меняя свое направление, цепочка стремитсяк форме замкнутой кривой. Естественно, размеры пор в «паутине» агрегатов принимают также дискретные значения;

г) фрактальный размер агрегата из наночастиц (величина, характеризующая его рыхлость) D найденный по методу цифрового изображения (тангенс угла наклона кривой зависимости ), оказался равным , что характерно для аэрозолей коагуляционного происхождения.

Анализ полученных снимков показывает, что низкотемпературная и высокотемпературная способы получения фрактальных наночастиц в целом дают идентичные структуры. Это говорит о том, что характер образования фрактальных наноструктур является универсальным, поэтому можно предположить, что образование таких структур возможно и в природе и в различной низкотемпературной среде.