Композиційна наночастинка

Композиційна наночастинка, що складається з ядра та оболонки з різних матеріалів, яка відрізняється тим, що оболонка складається з матеріалу, який знижує поверхневий натяг матеріалу ядра, має температуру плавлення, меншу за температуру плавлення матеріалу ядра, та коефіцієнт лінійного розширення, більший за коефіцієнт лінійного розширення матеріалу ядра. (19) (21) u200907152 (22) 09.07.2009 (24) 25.11.2009 (46) 25.11.2009, Бюл.№ 22, 2009 р. (72) ЛОПАТЬКО КОСТЯНТИН ГЕОРГІЙОВИЧ, АФТАНДІЛЯНЦ ЄВГЕН ГРИГОРОВИЧ (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БІОРЕСУРСІВ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ УКРАЇНИ 3 тинок. МПК7 B01J 13/00, В32В 5/16. Бюл. № 21 від 25.12.2007 р.]. Недоліками відомих агломератів є те, що вони утворюються в результаті електростатичної взаємодії великих і малих наночастинок. Таке з'єднання недостатньо міцне, тому при підвищенні енергії навколишнього середовища, наприклад температури, буде відбуватися розпад агломератів. Крім того, внаслідок налипання на поверхні великих наночастинок малих наночастинок, які мають електричне поле з великим градієнтом потенціалу, утворюються агломерати з різними поверхневими електричними зарядами, що створює передумови для їх коагуляції та утворення макроагломератів. Найбільш близьким до пропонованого за технічною суттю є агломерат колоїдних металевих частинок, в якому розміри частинок знаходяться в діапазоні від 1нм до 15мкм, а метал вибраний з групи: срібло, золото, платина, мідь, паладій, родій, іридій, тантал, нікель, ванадій, молібден, кобальт, залізо, марганець, вольфрам, хром, цинк, олово, цирконій, ніобій, титан, алюміній, магній, який відрізняється тим, що складається з сферичної феромагнітної частинки-ядра і сферичних аморфних частинок, що є складовими оболонки агломерату та розрізняються за розмірами не більше, ніж приблизно в 3 рази, при цьому ядром агломерату є частинка розміром у декілька разів більше розміру частинок оболонки агломерату, та вони виконані з різних або однакових металів. [Патент Украйни № 23944 - прототип. Агломерат колоїдних металевих частинок. МПК7 B01J 13/00, В32В 5/16. Бюл. № 8 від 11.06.2007 p.]. Недоліком відомого агломерату (прототипу) є те, що при з'єднанні наночастинок, з переважно найбільшою різницею величин електродних потенціалів, в результаті електростатичної взаємодії утворюються агломерати з слабою силою зчеплення наночастинок. Саме поняття агломерат означає «рихле скупчення» [Большой энциклопедический словарь. М.: Мультитрейд. 2004]. Таке з'єднання недостатньо міцне, тому при підвищенні енергії навколишнього середовища, наприклад температури води, відбувається розпад агломератів. Налипання малих наночастинок на великих наночастинках завжди супроводжується утворенням пор біля місць контактів сфер, тому відомі агломерати за патентом Украйни № 23944 (прототип) контактують з навколишнім середовищем не тільки оболонками, але й ядрами. Крім того, внаслідок налипання на поверхні великих наночастинок малих наночастинок, які мають електричне поле з великим градієнтом потенціалу, утворюються агломерати з різними поверхневими електричними зарядами, що створює передумови для їх коагуляції при збереженні та утворення макроагломератів, які мають розміри значно більше нанорозмірної області. Метою корисної моделі є композиційні наночастинки з міцним зчепленням суцільної оболонки та ядра, які мають підвищену стійкість до руйнування та коагуляції і седиментації під впливом зовнішнього середовища. 45880 4 Вказана мета досягається тим, що композиційні наночастинки складаються з ядер та оболонок з різних матеріалів, при цьому оболонки складаються з матеріалу, який знижує поверхневе натягнення матеріалу ядер, має температуру плавлення, меншу температури плавлення матеріалу ядер, а коефіцієнт лінійного розширення має більший коефіцієнта лінійного розширення матеріалу ядер. В процесі електроіскрової обробки, у місцях контакту іскрив з поверхнею металевих гранул, в результаті взаємодії іскрив і поверхонь, відбувається руйнування, розплавлення та випаровування металу та викид газоподібного, рідкого і твердого металу в простір між гранулами. Твердий метал, що потрапляє в зону високих, порядку 4000-30000°С, температур, також, плавиться і випаровується. В просторі між гранулами в газовому середовищі навколо іскри відбувається активна взаємодія продуктів ерозії, яка суттєво впливає на процес кристалізації наночастинок. Надалі пар і краплі рідкого металу з газового середовища, потрапляють в воду, де охолоджуються та кристалізуються з високою швидкістю. Відомо [Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия, 1968. - с. 288.], що розміри зародків, які стають центрами кристалізації при переході металу з рідкого в твердий стан, прямо пропорційно залежать від поверхневого натягу рідкого металу. При зниженні поверхневого натягу рідкого металу критичний розмір зародків кристалізації зменшується та навпаки. Отже, якщо, при взаємодії в просторі між гранулами, метал оболонки знижує поверхневий натяг металу ядра, при кристалізації будуть формуватися більш дрібні ядра та, як наслідок, більш дрібні композиційні наночастинки. У випадку, коли при взаємодії в просторі між гранулами метал оболонки підвищує поверхневий натяг металу ядра, відбувається збільшення розмірів зародків, які стають центрами кристалізації, та формування більш крупних ядер, розміри яких можуть перевищувати нанорозмірний діапазон. У випадку, коли ядра та оболонки виготовляють з однакових металів, отримання композиційних наночастинок неможливе. Найбільший вплив на поверхневий натяг досягається тоді, коли метал оболонки, який знижує поверхневий натяг металу ядра, знаходиться у вигляді рідини або газу, а метал ядра знаходиться у вигляді рідини. У цьому випадку відбувається активне накопичення, адсорбція та дифузія атомів металу оболонки на поверхні металу ядра та формування дрібних частинок. Такі умови реалізуються у випадку, коли температура плавлення металу оболонки менше температури плавлення металу ядра. У випадку, коли температура плавлення металу оболонки більше температури плавлення металу ядра, умови кристалізації дрібних композиційних наночастинок не реалізуються та формуються крупні частинки, розміри яких перевищують нанорозмірний діапазон. 5 Застосування металів з однаковими температурами плавлення не змінює умови кристалізації в порівнянні з використанням металів з різними температурами плавлення та не впливає на формування композиційних наночастинок. При формуванні композиційних наночастинок необхідно, щоб метал оболонки мав коефіцієнт лінійного розширення більший коефіцієнта лінійного розширення металу ядра. У цьому випадку, при охолодженні композиційних наночастинок, оболонка стискує ядро та відбувається міцне зчеплення оболонки та ядра. У випадку, коли коефіцієнт лінійного розширення металу оболонки менший коефіцієнта лінійного розширення металу ядра, при охолодженні композиційних наночастинок, ядро буде швидше зменшувати розміри, ніж оболонка, що приведе до утворення пор і порушення суцільності між оболонкою та ядром і відшарування оболонки від ядра під впливом навколишнього середовища. Приклад реалізації корисної моделі. Отримання композиційних наночастинок здійснювали таким чином. Перед завантаженням в розрядну камеру гранул визначили мідь металом гранул, для отримання ядер, і температуру плавлення та коефіцієнт лінійного розширення міді (Значення наведені в таблиці). Як матеріал гранул, для отримання оболонок, застосовували срібло, яке знижує поверхневий натяг міді, має температуру плавлення, меншу температури плавлення міді, а коефіцієнт лінійного розширення, більший коефіцієнта лінійного розширення міді (Значення наведені в таблиці). Гранули міді та срібла завантажували і розташовували в розрядній камері так, що кожна гранула міді була оточена гранулами срібла, тобто іскрові розряди виникали між гранулами міді та срібла. Після цього в розрядну камеру заливали деіонізовану воду, подавали електричні імпульси на електроди розрядної камери та отримували колоїдний розчин композиційних наночастинок в воді. Розміри та форму гранул, а також час електроіскрової обробки, визначали відповідно патенту на корисну модель № 38458. Виділення композиційних наночастинок з отриманих водних колоїдних розчинів відбувалось шляхом сушіння крапель розчинів. Фазовий та хімічний склад наночастинок вивчалися методом рентгенівської дифракції. Рентгенографічні дослідження проводились в монохроматичному СuКα - випромінювані на діфрактометрі ДРОНУМ1. Хімічний стан поверхневих атомів наночастинок вивчався методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) на спектрометрі ЕС-2401. 45880 6 Стійкість до руйнування (R, %) визначали по відносному відсотку розпаду агломератів, за патентом Украйни № 23944 (прототип), і композиційних наночастинок, за пропонованим матеріалом, при витримці у воді, при 90°С, протягом 24 годин. Стійкість до коагуляції та седиментації (CS, %) під впливом зовнішнього середовища визначали по відсотку маси осаду відносно вмісту агломератів та композиційних наночастинок в одному літрі води після отримання з розрядної камери та витримки, при кімнатній температурі, протягом тижня. Отримання відомих агломератів колоїдних металевих частинок за відомим способом (прототипом) відбувалось відповідно до патенту Украйни № 23944. Як електрохімічні пари використовували мідь та цинк, які мали найбільшу різницю величин електродних потенціалів, серед вивчених металів (Значення наведені в таблиці). Як метал, який знижує поверхневий натяг міді, має температуру плавлення та коефіцієнт лінійного розширення, менші ніж у міді, використовували сурму (Значення наведені в таблиці). Як метал, який збільшує поверхневий натяг міді, має температуру плавлення більшу, а коефіцієнт лінійного розширення менший ніж мідь, використовували нікель (Значення наведені в таблиці). Параметри відомого агломерату колоїдних металевих частинок (варіант 1 - прототип), композиційних наночастинок, що заявляються (варіант 2) та ті, що виходять за межі заявлених параметрів (варіанти 3, 4), властивості металів оболонки (Ag, Sb, Zn, Ni) та ядра (Сu) і стійкість до руйнування (R, %) та коагуляції і седиментації (CS, %) агломератів і композиційних наночастинок наведено у таблиці. Видно, що композиційні наночастинки, що заявляються (варіант 2), мають стійкість до руйнування та коагуляції та седиментації, відповідно, в 23 і 17 разів більше ніж прототип (варіант 1). У випадку, коли параметри композиційних наночастинок знаходяться за пропонованими межами (варіанти 3, 4), стійкість до руйнування та коагуляції та седиментації зменшується, відповідно, в 7,5-10,5 і 4,7-6 разів, в порівнянні з композиційними наночастинками, що заявляються (варіант 2). Істотними відмінностями корисної моделі є: - метал оболонки; - залежність металу оболонки від металу ядра; - критерії вибору металу оболонки в залежності від металу ядра. 7 45880 8 Таблиця. Різниця електродних потенціалів між міддю та металом оболонки в воді (ΔЕ), вплив на поверхневий натяг рідкої міді, температура плавлення (tпл) та коефіцієнти лінійного розширення (a) металів оболонки (Ag, Sb, Zn, Ni) та ядра (Сu), стійкість до руйнування (R, %) та коагуляції і седиментації (CS, %) агломератів і композиційних наночастинок. № ваМетал ріан-ту оболон-ки ΔЕ, В 1 Zn 1,283 2 3 4 * Ag Sb Ni Сu 0,279 0,320 0,777 0 Вплив на поверхtпл невий натяг рідкої °С міді Відомий спосіб - прототип збільшує 420 Пропонований спосіб знижує 962 знижує 631 збільшує 1453 1083 a, °С-1 R, % CS, % 38,7·10-6 46 51 18,7·10-6 10,8·10-6 13,3·10-6 17,0·10-6 2 15 21 3 14 18 * - метал ядра для порівняння Комп’ютерна верстка М. Мацело Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601