12.10. Молекулярные кластеры
Нанокластеры могут образовываться также молекулами. Один из наиболее распространенных примеров такой среды – кластеризованная вода.
Еще в начале 1970-х гг., задолго до появления термина ″наночастица″, было показано, что вода состоит не только из изолированных молекул H2O. Доказательством этому послужил широкий рамановский спектр связи ОН в молекуле воды в жидкой фазе на частотах 3200-3600 см–1. Этот спектр состоял из множества перекрывающихся пиков, как от изолированных молекул воды, так и от молекул, связанных в кластеры посредством водородных связей.
Рис. 12.16. Структура молекулярного кластера на примере Н2О
При нормальных условиях 80% молекул воды связаны в кластеры, а при повышении температуры эти кластеры диссоциируют на отдельные молекулы. В комплексе молекул, показанном на рисунке 12.16, атом водорода удален от двух атомов кислорода, связанных с ним, на разные расстояния. Интересно предсказание исследователей, что в ударной волне при давлении 9 ГПа может образоваться новая форма воды, называемая водой с симметричными водородными связями, в которой атом Н равноудален от двух атомов кислород, то есть связи гибридизованы. Вполне возможно, что свойства такой воды будут существенно отличаться от свойств ″обычной″ воды.
12.11. Методы синтеза наночастиц
Ранее мы уже рассмотрели один из методов синтеза наночастиц с помощью лазерного испарения. Однако существуют и другие способы образования наночастиц, одним из которых является высокочастотный индукционный нагрев.
Рис. 12.17 иллюстрирует метод синтеза наночастиц с помощью плазмы, создаваемой радиочастотными нагревательными катушками. Изначально металл находится в виде прутка в откаченной камере. Далее металл разогревается выше точки его испарения высоковольтными радиочастотными
катушками, обмотки которых находятся снаружи вакуумной камеры. Затем в систему запускается газообразный гелий, что приводит к образованию в области катушек высокотемпературной плазмы. Атомы гелия выступают в качестве зародышей конденсации для атомов металлов, и затем эти комплексы диффундируют к охлажденному коллектору, где и образуются наночастицы.
Рис. 12.17. Схема установки для плазменного синтеза наночастиц
Частицы обычно пассивируют введением какого-либо газа, например кислорода, или, что значительно реже, азота.
12.12. Химические методы синтеза наночастиц
Самыми интересными и эффективными методами синтеза в смысле крупномасштабного применения являются, конечно, химические методы. Существует много разных химических методов, которые можно использовать для получения наночастиц металла, – например, метод применения различных типов восстановителей (NaBEt3H, LiBEt3H или NaBH4, где Et = (C2H5) – этиловый радикал). Другой метод – например, наночастицы молибдена (Мо) можно приготовить восстановлением с помощью NaBEt3H из растворенной в толуоле соли молибдена. Подобная реакция дает хороший выход наночастиц молибдена с размером 1-5 нм:
MoCl3 + 3NaBEt3H → Mo + 3BEt3 + (3/2)H2 (12.6)
Наночастицы алюминия можно получить разложением Me2EtNAlH3 в толуоле с последующим нагревом до 105оС в течение двух часов (Ме = СН3 - метил). В качестве катализатора такой реакции используется изопропоксид титана. Тип катализатора определяет размер образующихся наночастиц. Например, 80-нанометровые частицы можно получить при использовании титана. Для предотвращения слияния наночастиц могут быть добавлены поверхностно активные вещества, например олеиновая кислота.