3. Основные технологии получения наноматериалов

Наиболее общей кинетической закономерностью формирования наноразмерных частиц является сочетание высокой скорости зарождения кристаллической фазы с малой скоростью ее роста. Именно эти особенности синтеза наночастиц определяют технологические пути его осуществления.

Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на основе этих методов трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.

Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это в первую очередь различные варианты механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы и др.

Такое разделение методов является относительно условным. Но отражает еще одну их особенность: получение частиц путем укрупнения отдельных атомов и агрегации, или подход «снизу», и различные варианты диспергирования, или подход «сверху». Первый подход характерен в основном для химических методов получения наноразмерных частиц, второй для физических методов. Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера частицы не ведет к качественным изменениям химических свойств.

1. Технологии химического осаждения из паровой фазы

Данная группа технологий основана на использовании химических реакций соединений металлов, находящихся в газовой фазе. При этом эти соединения в определенной зоне реакционной камеры термически разлагаются с образованием твердого осадка в виде нанопорошка и газообразных веществ или вступают в химические реакции также с образованием порошка и газообразных веществ. В качестве исходного сырья могут использоваться галогениды (главным образом хлориды) металлов, алкильные соединения, карбонилы, оксихлориды. Размер получаемых частиц может регулироваться температурой и скоростью осаждения. По такой технологии получены нанопорошки кремния, бора, оксидов титана, циркония, алюминия, нитриды, карбиды и карбонитриды кремния и диборид титана с размером частиц от 20 до 600 нм.

В рассматриваемой группе технологий можно выделит два основных метода: перенос через газовую фазу и восстановление с последующим разложением.

3. 1. 1. Перенос через газовую фазу

Примером первого метода может служить процесс основанный на последовательности ряда повторяющихся химических реакций с участием хлоридов металлов:

NH₄Cl → NH₃ + HCl ;

Me^I + 2HCl → Me^ICl₂ + H₂ ;

Me^IO + + 2HCl + C ↔ Me^ICl₂ + CO + H₂ ;

Me^ICl₂ + Me^II ↔ Me^I + Me^IICl₂ ;

Me^IICl₂ + H₂ ↔ Me^II + HCl .

2. Восстановление с последующим разложением

В настоящее время эта технология рассматривается как перспективный способ получения нанопорошков с размером частиц 20-300 нм. Наиболее изученным является термическое разложение азидов, оксалатов, перхлоратов, стифнатов, перманганатов, карбонатов, гидратов, цитратов, ацетатов, гидрооксидов, алкоголятов.

Примером может быть процесс, основанный на реакциях синтеза и последующего разложения карбонилов:

xMe + yCO = Me_x(CO)_y ; Me_x(CO) _y → xMe + yCO.