7. Ультрадисперсті ұнтақ алудың физикалық және химиялық әдістері

Металлды ультрадисперсті ұнтақтарды алудың құрылғысы 1960 жылы СССР дің Академия ғылымдарының химиялық физика институтында жасалған.

Бұл қондырғыда металдың индукциялық өрісте ілініп тұрған балқыған тамшылары жоғарытазалықтағы аргонмен үрленеді, бұдан конденсацияланған ұнтақтардың жиыны шығады, ал оларды жүктеу тотықтырғысыз атмосферада жүргізіледі. Ары қарай ұнтақтарды сақтау және сәйкесінше технологиялық операциялар аргонда жүргізіледі. Наноматериалдарды жасауда ұнтақтарды алудың әдістері өте көп және олар әр түрлі; оларды шартты түрде химиялық және физикалық деп бөлуге болады, олардың ішінде ультрадисперсті ұнтақ үшін ең негізгілері кестеде көрсетілген: Наноматериалдарды жасауда ұнтақтарды алудың әдістері өте көп және олар әр түрлі; оларды шартты түрде химиялық және физикалық деп бөлуге болады. Химиялық реакциялар мысалы реакционды газды ортада булануда үлкен роль атқарады. Бірақ көптеген химиялық әдістер физикалық құбылыстарға негізделеді (төментемпературадағы плазма, лазерлі сәуле және т.б.).

Конденсацялық әдіс

Бұл әдіс бұрыннан белгілі және теориялық жоспарда көп зерттелген. Негізінен ұрықтардың түзілуі (зародыш, көбінесе кластерлердің) гомогенді және гетерогенді болып бөлінеді. Бірінші жағдайда ұрық флуктуациялы пайда болады, яғни өздерінің орташа мәндерінен ауытқуы. Жалпы ұрықтың түзілуіне жұмсалатын А жұмысы As бетінің түзілуіне қажетті жұмыс пен Av көлемнің құрылуына қажетті жұмыстың алгебралық қосындысын береді. Екі шаманың байланысы As және Av ұрықтың түзілу процесі үшін үлкен мәнге ие. Қарапайым жағдайда газды фазадан радиусы r сфералы ұрықтың гамогенді түзілуі кезінде Гиббстің еркін энергиясының өзгерісі мұндағы r – ұрық радиусы, σ – ұрық – пар бөлігіндегі бос энергия (беттік энергия), ΔGv – изотермиялық сығылуға жұмсалған энергия.

Бу фазасынан булану және отырғызу. Осы әдіс казіргі таңда кең қолданыста. Оның себебі затты әртүрлі жоғары интенсивті энергия көздері арқылы қыздырып буландырып, оны бу күйінен отырғызуы жеңіл басқарылады. Оның өзі алынатын наноұнтақтың тазалығының жоғары сұранысын қанағаттандырады. Әсіресе егер атмосферасы қадағаланатын камералар болса. Көбінесе вакуумдық камералар, не болмаса гелий, аргон, ксенон секілді инертті газдармен толтырылған камералар қолданылады. Булану процесіне қарап келесі әдістерге бөлсек болады: термиялық булану және жарылысты булану. Термиялық булануда буланантын затты арнайы тигельге орналастырады.Және алынатын ұнтақтардың формасы сфералық немесе шектелген болады. Артықшылығы: бөлшектердің өлшем бойынша тар болып орналасуы

8. Конденсацялық әдіс

Бұл әдіс бұрыннан белгілі және теориялық жоспарда көп зерттелген. Негізінен ұрықтардың түзілуі (зародыш, көбінесе кластерлердің) гомогенді және гетерогенді болып бөлінеді. Бірінші жағдайда ұрық флуктуациялы пайда болады, яғни өздерінің орташа мәндерінен ауытқуы. Жалпы ұрықтың түзілуіне жұмсалатын А жұмысы As бетінің түзілуіне қажетті жұмыс пен Av көлемнің құрылуына қажетті жұмыстың алгебралық қосындысын береді. Екі шаманың байланысы As және Av ұрықтың түзілу процесі үшін үлкен мәнге ие. Қарапайым жағдайда газды фазадан радиусы r сфералы ұрықтың гамогенді түзілуі кезінде Гиббстің еркін энергиясының өзгерісі мұндағы r – ұрық радиусы, σ – ұрық – пар бөлігіндегі бос энергия (беттік энергия), ΔGv – изотермиялық сығылуға жұмсалған энергия. Гиббстің еркін энергиясы химиялық реакция кезінде энергия өзгерісін көрсетеді және химиялық реакцияның өту мүмкіндігін көрсетеді.

(7.2)

мұндағы Ω – атомдық (молекулярлық) көлем, Δμ – будан конденсация кезінде ұрық түзілуінің химиялық потенциалының өзгерісі.

(7.3)

где kB – Больцман тұрақтысы, Т – абсолют температура р, р0 – жүйедегі пар қысымы және тепе теңдік қысым.

7.1 суретте ұрық түзілу кезіндегі еркін энергияның көлемдік және беттік өзгерісі көрсетілген. Бетінің түзілуі үшін жұмыс жүйе үстінде орындалу керек ал көлемінің құрылуында жұмысты жүйенің өзі орындайды. Шекті ұрықтан кіші Атомдар немесе молекулалар тобының түзілуінде (r < rкр,), еркін энергияның өзгерісі оң (жұмысты шығындау керек), және жүйе орнықты емес, яғни беттік мүше көлемдіктен басым түседі.

Бірақта ірі бөлшектің түзілуі (критикалық өлшемнен асатын) энергетикалық тиімді (беттік энергияның ұлғаюы бөлшек өлшемінің квадратына пропорционал, ал көлемді – кубқа пропорционал).

Шектік өлшемнен асатын ұрықтардың түзілуі еркін энергияның толық кемуімен жүреді.

Ұрықтың түзілуі, бу фазасы көлемінде болмаған жағдайда, тек қатты дененің бетінде түзілген жағдайда гетерогенді деп аталады. Сонымен, (7.1) өрнегінің бірінші қосылғышы фазааралық беттің түзілуі нәтижесінде энергияның артуын көрсетеді, ал екіншісі ұрықтың түзілуі кезіндегі энергетикалық ұтысты көрсетеді. (7.1) өрнегінің минимизациясы (7.2) және (7.3) - ті ескере отырыс шектік ұрықтың радиусын анықтауға мүмкіндік береді. (7.1) және (7.2) өрнектерінің талдауы жүйенің параметрлерін өзгерте отырып (бу қысымын ұлғайту және азайту арқылы, мысалы процессте температураны түрлендіре отырып) критикалық радиустың мәнін реттеуге мүмкіндік береді және де алынған ұнтақтардың бөлшектерінің қажетті өлшемін алуға мүмкіндік береді. Нейтрал ортада булануды жүргізу және жазықтыққа басқа бөтен беттің булануын енгізе отырып гетерогенді ұрықтануды алуға болады, бұнда көлемді гомогенді конденсациямен салыстырғанда шектік ұрық түзілуінің потенциалды барьері төмен.

Сонымен, конденсациялық әдіспен ультрадисперсті ұнтақты алудың екі шарттары бар – біріншісі үлкен қанығу және екінші конденсацияланатын буда нейтрал газ молекулаларының болуы.

9. Аморфтық күйден бақыланатын кристаллдану. Көптеген элементтер, металдық құймалар мен қоспалар (мысалға Si, Se және Fe, Ni, Al, Zr құймалары, т.б.) аморфты күйде бола алатындығы белгілі, яғни оларда атомдардың орналасуында тек қана жақын реттерде ғана тәртіп болады да, алыс реттерде тәртіп болмайды. Аморфтық материалдарды алудың түрлі әдістері бар және олар түрлі варианттарда жүзеге асырылады: газдық фазадан конденсациялау, сұйық күйден шынықтыру, иондық имплатанция, жоғары энергетикалық майдалау және т.б. Кристаллитердің туындау және өсу процестерін басқара отырып, аморфтық материалдарды бақыланатын рекристаллизациялық күйдіретін болсақ, кристаллитердің өлшемі кіші болатын (10-20 нм және одан да кіші) наноматериалдарды алуға болады, және олардың кеуектері болмайды. Сұйық күйден шынықтыру шарттарына байланысты наноқұрылымдарды үш түрге бөлуге болады: