Билет 20. Применение материалов на основе кремния и его соединений
1. Si: полупроводники, фотовольтаики (фотовольтаика — метод выработки электрической энергии путем использования фоточувствительных элементов для преобразования солнечной энергии в электричество), преобразователи солнечной энергии,
2. SiO2: оптика, стекло, пьезодатчики, сенсоры, катализ, искусственные цеолиты (цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известных своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности).
Билет 21: Применение фуллерена и углеродных нанотрубок
Известно мало же реализуемых отраслей промышленности, в которых применяются фуллерены, вследствие их малой изученности и трудности в получении. Однако, соединения с щелочными металлами (калий, рубидий, цезий) являются сверхпроводниками при низких температурах.Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводников с шириной запрещённой зоны =1,5эВ, однако такие материалы необходимо покрывать защитным покрытием. При действии видимого, УФ и более коротковолнового излучения фуллерены полимеризуются, и так они не растворяются в органических растворителях. поэтому их можно использовать в качестве фоторезиста. При получении алмазной плёнки методом осаждения из газовой фазы введение фуллеренов в реакционную смесь повышает скорость роста алмазных плёнок в пять раз. Перспективно использование фуллеренов в медицине: противоаллергические средства, лечение ВИЧ, доставка лекарств ит.д. Как и в случае фуллеренов применение углеродных трубок затруднено сложностью получения и малым выходом, таким образом, исследования их свойств и возможных применений находятся на стадиях эксперимента. Перспективные направления применения углеродных нанотрубок: сверхпрочные нити, композитные материалы, транзисторы, нанопровода, нанопипетки, светодиоды, датчики для обнаружения молекул в газовой среде.
Билет 22: Применение материалов на основе бора и его соединений
В электронике используется добавка бора для изменения типа проводимости кремния;
В медицине: при бор-захватной терапии;
В отбеливателях, не содержащих хлор, используются пероксобораты:
Изготовление сверхтвёрдых материалов на основе системы бор-углерод-кремний.
Билет 23: Методы получения твердофазных материалов
По типу воздействия на исходные реагенты различают: термическое (нагревание до высокой температуры), механическое (приложение давления (обычно, для получения полиморфной модификации вещества, метастабильного при н.у.), различные моды деформирования и разрушения твердого тела (механохимическая активация), ударное нагружение при взрыве; воздействие ультразвука), излучение (лазерное, фото- и радиационное; микроволновое), воздействие холодной и горячей плазмы, воздействие электрического тока (при проведении электрохимического синтеза в растворе или расплаве).
По условиям проведения синтеза различают: равновесные – энергетические потоки невелики по своей величине, а сам синтез занимает продолжительное время (синтез монокристалла из раствора), неравновесные, характеризуемые значительными энергопотоками и малыми временами синтеза (синтез в ударной волне в результате взрыва или синтез, инициируемый вспышками пикосекундного лазера).
По способам гомогенизации реагентов различают: физические методы (различные варианты механического измельчения (предельный размер частицы реагента составляет 1 мкм)), химические методы (позволяют однородно смешать вещества на уровне 0.1 мкм и менее, различные методы неравновесной сушки растворов (распылительная сушка, криохимическая технология), в которых высокогомогенное состояние водного раствора солей «фиксируют» быстрым удалением растворителя, а однородную солевую смесь подвергают разложению с образованием конечного продукта.
Керамический синтез: 1. Приготовление шихты (весовая форма реагентов!, шаровые мельницы); 2. Обжиг (выбор температуры, времени и атмосферы обжига), эмпирическое правило Таммана: температура реакции находится в интервале (0,67;0,75) от температуры плавления продукта или наиболее тугоплавкого реагента; 3. Оценка времени синтеза: время синтеза прямопропорционально квадрату размера частиц реагентов и обратно пропорционально коэффициенту диффузии наиболее медленного (обычно, многозарядного) иона; Рассмотрим пример синтеза шпинели: стехиометрические количества оксидов тщательно перемешивают и измельчают. Для улучшения контакта между частицами реагентов порошок прессуют в таблетки. Таблетированную смесь в огнеупорных тиглях помещают в печь. Механизм реакции – противодиффузия катионов магния и алюминия через слой продукта. Температура плавления шпинели составляет 21350C; определим температуру заметного протекания реакции как температуру Таммана ; 0.67*21350C = 14230С. Для улучшения синтеза можно: сильнее измельчать смесь реагентов, спрессовывать реакционную смесь, повторить цикл синтеза несколько раз, добавить в шихту немного готового продукта для образования образования зародышей, брать более реакционноспособные реагенты для синтеза, создать расплав в шихте. Недостатками синтеза являются: длительность и необходимость воздействия высокой температуры, загрязнение реакционной смеси материалами посуды, мелющих тел ит.д., недостаточная химическая однородность итогового продукта реакции при неполном её протекании.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС): в основе лежит идея использования теплоты экзотермической твердофазной реакции для поддержания самой себя. Так можно проводить реакции синтеза из элементов (Ti + C = TiC), реакции синтеза из оксидов (PbO + WO3 = PbWO4), реакции окисления-восстановления (B2O3 +3Mg + N2 = 2BN + 3MgO), реакции окисления металлов для синтеза сложных соединений (ВТСП, гексаферритов ит.д.). Количество тепла зависит от нескольких факторов: количество окислителя (кислород), количество горючего (восстановителя, например: металла), количество балласта, который нагревается в ходе реакции. Достоинства: экономичность и простота, недостатки: быстрой волной неудобно управлять, к тому же за короткое время реакция может не успеть пройти полностью.
Криохимическая технология: в синтезе сначала изготавливают многокомпонентный раствор, этот раствор быстро замораживают жидким азотом, замороженные гранулы подвергают сублимационной сушке, а солевой продукт термическому разложению, в результате получается необходимый оксидный порошок.
Золь-гель метод Печини: образование хелатных комплексов с лимонной кислотой или этиленгликолем, при небольшом нагревании комплекс конденсируется, образуя золь (олигомеры), а при дальнейшем нагревании полимеризуется, с образованием геля. Метод используется для синтеза диэлектриков, флуоресцентных и магнитных материалов, высокотемпературных сверхпроводников, катализаторов, а также для нанесения оксидных пленок и покрытий. Достоинства: простота, почти полная независимость условий процесса от химии катионов, входящих в состав конечного материала, и достаточно низкая температура термической обработки прекурсора. Недостатки: использование токсичного этиленгликоля и большой массы органических реагентов в расчете на единицу массы получаемого материала, отсутствие устойчивых цитратных комплексов некоторых элементов (Bi, Si и др.), частичное или полное восстановление одного из компонентов при пиролизе полимерного геля (например, Cu, Pb, Zn, Ru и др.).
Для получения тонких плёнок используют различные физические и химические методы: нанесение катодных покрытий, безэлектродное нанесение (Ni), анодное окисление (анодный оксид алюминия), химическое разложение паров (оксид кремния), катодное распыление и распыление в вакууме.
Темплатный эффект заключается в многократном увеличении выхода необходимого продукта реакции за счёт введения в реакционную смесь темплата. Например, при поликонденсации ацетона и фурана в растворе без катионов лития образуется линейный полимер, а с катионами лития - циклический тетрамер. Для получения фотонных кристаллов, например, сначала осаждают микросферы (например, полистирольные шарики), потом образовавшиеся пустоты заполняет коллоид кристалла, а матрица удаляется.