21. Методи одержання, властивості та області застосування наноматеріалів. Оксидні матеріали.

Згідно матеріалу лекції (!) оптимальними методами синтезу оксидних наночасточок є:

1. Електровибух

2. Плазмохімічний метод

3. Лазерна абляція

4. Піроліз

5. Золь-гель

6. Сольвотермальний метод

Електровибух

Сучасним методом отримання тонкодисперсних порошків є електровибух провідника при проходженні по ньому потужного імпульсу струму тривалістю 10^-5-10^-7 с і щільністю 10⁴-10⁶ А/мм². Для цієї мети використовується дріт діаметром 0,1 -1,0 мм. Електричний вибух провідника являє собою різку зміну фізичного стану металу в результаті інтенсивного виділення енергії в ньому при пропусканні імпульсного струму великої щільності. Електровибух супроводжується генерацією ударних хвиль і створює можливість швидкого нагрівання металів із швидкістю більше 107 К/с до високих температур Т>104 К.

Регулюючи умови вибуху можна отримувати порошки з розміром часточок від 100 мкм до 50 нм. Оксиди металів одержують при проведенні електровибуху на повітрі.

Плазмохімічний метод

Синтез оксидів в плазмі електродугового розряду проводиться шляхом випаровування металу з подальшим окисненням парів або часток металу в кисневмінсеій плазмі. Описаний плазмохімічний синтез наночасток оксиду алюмінію з середнім розміром 10-30 нм. З результатів роботи слідує, що утворення нанопорошків оксиду алюмінію з мінімальним розміром частинок досягається при взаємодії парів металу з киснем повітря в умовах інтенсивного продування повітря, за рахунок чого відбувається швидке зниження температури. Інтенсивне охолодження не тільки гальмує зростання часток, але і збільшує швидкість утворення зародків конденсованої фази. Плазмохімічний синтез з окисненням часток алюмінію в потоці кисневмісної плазми призводить до утворення більш великих часток оксиду в порівнянні з окисненням попередньо отриманого пара металу.

Лазерна абляція

Лазерна абляція (англ. laser ablation) - метод видалення речовини з поверхні лазерним імпульсом. При низькій потужності лазера речовина випаровується або сублімується у в игляді вільних молекул, атомів і іонів, тобто над опромінюваною поверхнею утворюється слабка плазма. При щільності потужності лазерного імпульсу, що перевищує поріг режиму абляції, відбувається мікро-вибух з утворенням кратера на поверхні зразка і плазми разом з розлітаючими твердими і рідкими частками.

П іроліз

TiCl₄ + 2H₂O = TiO₂ + 4HCl

Золь-гель синтез

Зазвичай золь-гель метод включає в себе формування металлооксополімерних ланцюгів - золю або гелю з розчинних полігідроксокомплексів, що утворилися в результаті гідролізу металоорганічних комплексних або неорганічних сполук. Утворені гідратовані оксиди надзвичайно хімічно активні. Їх дегідратація відбувається при досить низьких температурах, іноді безпосередньо в процесі гідролізу, і супроводжується утворенням кристалічних оксидів з малим розміром частинок (d≤10 нм) і високо розвиненою поверхнею. При утворенні золів розподілення наночасток за розмірами визначається тривалістю утворення зародків. Як правило, розмір нанокристалів зростає зі збільшенням тривалості реакції (оскільки до поверхні нанокристала надходить більше речовини) і з підвищенням температури (зростає швидкість росту існуючих. Систематичне дослідження реакційних параметрів, таких як тривалість реакції, температура , концентрація і хімічний склад реагентів, дозволяє контролювати розмір, форму і якість нанокристалів.

Сольвотермальний метод

В основі гідротермального методу синтезу лежить висока розчинність великої кількості неорганічних речовин у воді при підвищених температурах і тиску і можливість наступної кристалізації розчиненого матеріалу з рідкої фази. Висока температура води відіграє важливу роль у трансформації матеріалу прекурсору, оскільки при цьому створюється підвищений тиск парів, а сама структура води відрізняється від такої при кімнатній температурі. До того ж при високій температурі змінюються властивості самих реагентів (розчинність, швидкості дифузії, реакційна здатність). Контроль тиску парів, температури і часу реакції надає широкі можливості для синтезу високоякісних наночасток і нанотрубок. У ході процесу ці параметри можуть змінюватись для досягнення максимально високої швидкості спонтанного зародкоутворення і вузького розподілу наночасток за розмірами. Вибір розчинника не обмежується лише водою, а включає й інші полярні і неполярні розчинники, такі, як толуол, бензол, спирт і т.д. Практично метод реалізується нагріванням суміші реагентів у відповідному розчиннику в автоклаві. Гідротермальний синтез проводиться, як правило, при температурах 100-370 ° С (критична точка води: 374,2 °С, 21,4 МПа). У разі використання висококиплячих розчинників температура синтезу може досягати 600 °С. При більш високих температурах реалізують синтез в надкритичних умовах.

Серед інших методів одержання оксидних матеріалів є: механосинтез, співосадження, синтез в обернених міцелах…

Використання: інженерія, електроніка, оптика, в каталізі, трибологія, медицина, молекулярний дизайн, енергетика, як сорбенти, неорганічні пігменти, наповнювачі, магнітні носії інформації, захисні покриття,

Властивості: хімічна стабільність, високий коефіцієнт заломлення, гарні оптичні властивості (TiO2), тугоплавкість, термостабільність, міцність, корозійна стійкість (ZrO2) і т.д.