Спосіб отримання нанокластерів електропровідних матеріалів “нанотехнологія нанокластерних структур”

Спосіб отримання нанокластерів електропровідних матеріалів, що включає абляцію поверхні електропровідних матеріалів шляхом швидкого випаровування речовини з поверхні за рахунок локалізованого руйнування гранул електропровідних матеріалів імпульсами електричного струму, 3 37413 здійснення між ними імпульсного електричного розряду з утворенням дуги. При цьому вимірюють відстань між електродами і підтримують його постійним, здійснюють проточний рух діелектричної рідини через камеру, вимірюють температуру діелектричної рідини на вході і виході з камери і підтримують в заданих межах значення температури як на вході, так і на виході з камери, змінюючи витрату діелектричної рідини, що проходить через камеру і забезпечують різницю температур діелектричної рідини на виході з камери і на вході в камеру не більше 7°С [Патент России №2272697. СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА НАНОЧАСТИЦ. МПК B22F9/14 (2006.01). Опубл. 2006.03.27]. Недоліком способу є низька продуктивність, обумовлена тим, що генерація наночастинок здійснюється в одному розрядному проміжку між електродами. Відомий спосіб отримання вуглецеви х нанокластерів, заснований на переробці вихідного вуглецевмісного матеріалу в дузі розряду постійного струму між позитивним і негативним електродами, в якому використовують потік плазми, сформованої плазмотроном [Патент России на полезную модель №53281. УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ Н АНОКЛАСТЕРОВ. МПК С01В31/00 (2006.01). Опубл. 2006.05.10]. Недоліком способу є низька продуктивність, обумовлена тим, що генерація нанокластерів здійснюється в одному розрядному проміжку між електродами. Відомий спосіб отримання вуглецевих, металевих і металовуглецеви х нанокластерів, що включає приготування реакційної суміші і таку дію на реакційну суміш ультрафіолетовим випромінюванням (УФ), що молекули реакційної суміші розпадаються з утворенням вуглецевої і металевої пари, яка потім конденсується в наночастинки, при цьому в якості вихідної речовини для приготування реакційної суміші використовують летку вуглецевмісну сполуку - недокис вуглецю С 3О2 і металовмісну сполуку Fe(CO)5 або Мо(СО)6 і газ-розчинник, а на реакційну суміш впливають УФвипромінюванням з довжиною хвилі менше 207нм. При цьому в якості газа-розчинника можуть бути використані інертні гази, а на реакційну суміш УФвипромінюванням впливають в безперервному або в імпульсному режимі. [Патент России №2305065. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ, МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И МЕТАЛЛОУГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ. МПК В82ВЗ/00 (2006.01). Опубл. 2007.08.27]. Недоліком способу є складність способу і низька продуктивність. Відомий спосіб отримання нанокластерів лазерною абляцією поверхні матеріалу, що включає подачу матеріалу мішені і матеріалу серцевини, абляцію вищезазначеного матеріалу мішені з утворенням матеріалу частинок мішені, що виносяться; нанесення покриття на матеріал серцевини з вищезазначеного матеріалу частинок мішені, що виносяться. При цьому спосіб здійснюється при тиску приблизно 10Торр або вище, а вказана абляція досягається використанням лазера, вибраного з іонних лазерів, напівпровідникових лазе 4 рів і імпульсних ексимерних лазерів [Заявка России №2001135712. СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ЧАСТИЦЫ И ЧАСТИЦЫ, ПОЛУЧЕНЫЕ ЭТИМ СПОСОБОМ. МПК А61К9/50. Опубл. 2003.09.27]. Недоліком способу є низька продуктивність, обумовлена тим, що генерація наночастинок здійснюється в кожен момент часу тільки в одній області простору, в яку направлений лазерний промінь. Відомий спосіб отримання нанокластерів електропровідних матеріалів, що включає диспергування матеріалу шляхом дії на вістрійний катод з провідного матеріалу з радіусом кривизни вістря не більше 10мкм електричним полем з напруженістю поля на вершині вістря не менше 107В/см, подачу отриманих рідких крапель цього матеріалу в плазму електричного розряду з тривалістю імпульсу не менше 10мкс, що створюється в інертному газі при тиску 10-3 -10-1 Па між електродами при різниці потенціалів не менше 2кВ і одночасній дії магнітним полем напруженістю не менше 600Гс, нормальним до згаданого електричного поля, що створює згадану плазму, охолоджування в інертному газі рідких наночастинок, що утворилися в згаданій плазмі, до твердіння і нанесення отриманих твердих наночастинок на носій [Патент России №2265076. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ. МПК7 С23С4/00, МПК B01J2/02, МПК B22F9/00. Опубл. 2005.11.27]. Недоліком способу є низька продуктивність, оскільки генерація частинок здійснюється тільки в одному розрядному проміжку. Це обмежує можливість застосування способу в промислових масштабах. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання нанокластерів лазерною абляцією поверхні матеріалу шляхом швидкого випаровування речовини, утворення плазми, такої дії на речовину, що аблює, плазмою, що речовина розпадається і іонізується, а потім конденсується в наночастинки з перенасиченої пари при швидкому охолоджуванні за рахунок ефекту самоорганізації [Нанотехнологии. Азбука для всех. Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - с.114-115]. Недоліком способу є низька продуктивність, обумовлена тим, що генерація наночастинок здійснюється в кожен момент часу тільки в одній області простору, в яку направлений лазерний промінь. Крім того, недоліком відомого способу є наявність вакууму і неможливість здійснення способу в рідкому середовищі, а також те, що отримані нанокластери мають великий розкид розмірів. У основу корисної моделі поставлена задача отримання нанокластерів з вузькою кривою розподілу частинок за розмірами. Запропонований, як і відомий спосіб отримання нанокластерів електропровідних матеріалів заснований на абляції поверхні електропровідних матеріалів шляхом швидкого випаровування речовини з поверхні за рахунок локалізованого руйнування гранул електропровідних матеріалів імпульсами електричного струму, утворенні плазми, дії на речовину, що аблює, плазмою для її розпаду і іонізації, конденсації перенасиченої пари в нано 5 37413 частинки при швидкому охолоджуванні в діелектричній рідині і, відповідно до цієї пропозиції, створюють електричний заряд на поверхні наночастинок шляхом електронної емісії з свіжоутворених поверхонь гранул, об'єднують крупні наночастинки-ядра і дрібні наночастинки, що складають оболонку нанокластерів, створюють навколо нанокластерів наногідратні і наноорганічні оболонки за рахунок електростатичного притягування молекул діелектричної рідини до поверхні наночасток. Локалізоване руйнування гранул електропровідних матеріалів імпульсами електричного струму здійснюють при проходженні імпульсів електричного струму через ланцюжки, утворені гранулами електропровідного матеріалу. Локальні мікрооб'єми приповерхневого шару гранул в зонах, прилеглих до точок контактів гранул і до ерозійних проміжків, плавляться і вибухоподібне руйнуються на найдрібніші наночастинки і пару. У запропонованому способі створюють електричний заряд на поверхні наночастинок шляхом електронної емісії з свіжоутворених поверхонь гранул. Це дозволяє утворити нанокластери з вузькою кривою розподілу за розмірами. При диспергуванні електропровідних гранул імпульсами електричного струму на гранулах виникають свіжоутворені поверхні, які володіють властивістю вип ускати потік електронів [див. Открытие №290 от 7 июня 1986г. Конюшая Ю.П. Открытия советских ученых. Часть 1. Физикотехнические науки. Изд-во МГУ. 1988, с.372-374]. Емісія електронів є результатом високої щільності зарядів свіжоутворених поверхонь. При розділенні поверхонь під час руйнування матеріалу електропровідних гранул здійснюється розділення різнойменних зарядів, що призводить до утворення в областях розривів речовини електричного поля напруженістю до 107В/см. Таке електричне поле вириває електрони з поверхні матеріалу. Це фізичне явище призводять до того, що наночастинки, знаходячись в потоках електронів, набувають поверхневого електричного заряду. У запропонованому способі об'єднують крупні наночастинки-ядра і дрібні наночастинки, що складають оболонку нанокластерів. Це додає стійкість нанокластерам. У запропонованому способі створюють навколо нанокластерів наногідратні або наноорганічні оболонки за рахунок електростатичного притягування молекул діелектричної рідини до поверхні наночастинок. Це також додає стійкість нанокластерам. Спосіб отримання нанокластерів електропровідних матеріалів здійснюють в реакторі, заповненому діелектричною рідиною, наприклад, водою, в якому розміщують гранули електропровідних матеріалів [див. патент України на корисну модель Комп’ютерна в ерстка А. Рябко 6 №23550. Спосіб ерозійно-вибухового диспергування металів. МПК B22F9/14. Опубл.25.05.2007. Бюл. №7.]. У ланцюжках електропровідних гранул є розрядні проміжки. При пропусканні через гранули імпульсів електричного струму в розрядних проміжках між електропровідними гранулами виникають іскрові розряди, що призводять до абляції поверхні гранул. При електричному пробої розрядних проміжків в них виникає плазма. За рахунок електроімпульсної абляції здійснюється вибухоподібне диспергування матеріалу. У каналах розряду температура досягає 10тис. градусів. Ділянки поверхні гранул в локалізованих зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібне руйнуються на найдрібніші наночастинки і пару. Здійснюється локалізоване руйнування гранул електропровідних матеріалів імпульсами електричного струму. Оскільки в зоні іскрових розрядів має місце високий градієнт потенціалу, то наночастинки, знаходячись в потоках електронів, набувають поверхневого електричного заряду. При цьому електричне поле у наночастинок меншого розміру має більший градієнт потенціалу, чим у частинок великого розміру. При близькому розташуванні дрібних частинок і великих частинок за рахунок електростатичної індукції на локальних ділянках поверхні великої частинки, напроти малої частинки, утворюються наведені (індуковані) заряди протилежного знаку. Тому, на поверхні великої частинки «налипають» малі частинки, внаслідок чого утворюються нанокластери. Розміри нанокластерів залежать від величини заряду наночастинок. Величиною заряду можна управляти регулюванням енергії імпульсів електричного струму. Стабілізацією енергії імпульсів електричного струму досягається малий розкид нанокластерів за розмірами. Молекули води утворюють навколо наночастинок наногідратні оболонки за рахунок електростатичного притягування молекул діелектричної рідини до поверхні наночастинок. Кожна пара електронів на поверхні наночастинки утримує одну молекулу води. Молекули води в наногідратних оболонках орієнтовані протонами до поверхні наночастинок, а атомами кисню на зовнішню поверхню наногідратної оболонки. Перетіканню зарядів з дрібних частинок на великі перешкоджає подвійний електричний шар, присутній на наночастинках. Стіканню зарядів з поверхні частинок перешкоджає діелектрична рідина, наприклад, деіонізована вода з великим питомим опором. В результаті, за рахунок кулонівських сил утворюються стійкі утворення з частинок структурно організовані нанокластери, що містять ядро з крупної наночастинки і оболонку з дрібних наночастинок. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601