Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Нанотехнологии в биохимии. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 157 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

пропускании импульсного тока большой плотности. Электровзрыв сопровождается генерацией ударных волн и создает возможность быстрого нагрева металлов до высоких температур Т > 104 К. Условием для получения тонко дисперсных порошков является способность проводников, которые поддаются электрическому взрыву, резко изменять свои свойства и эффективно превращать первичную электрическую или магнитную энергию накопителей в другие виды энергии (тепловую энергию, энергию излучения образующейся плазмы, энергию ударных волн).

На начальной стадии электровзрыва джоулевый нагрев проводника сопровождается его линейным расширением с относительно небольшой скоростью 1-3 м/с. На стадии непосредственно взрыва в результате прохождения импульса тока металл перегревается, и перегретый металл взрывообразно диспергируется. Давление и температура на фронте возникающей ударной волны резко растут. В результате конденсации в потоке быстро расширяющегося пара образуются частицы очень малых размеров. Регулируя условия взрыва, можно получать порошок с размером частиц до 50 нм. Средний размер частиц монотонно убывает с ростом плотности тока и сокращением длительности импульса. Электровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать порошок металлов и сплавов, а с помощью введения в реактор дополнительных реагентов (воздуха, смеси кислорода и инертного газа, азота, дистиллированной воды, декана С10Н22, парафина, технического масла) можно получать тонкодисперсный порошок окислов, нитридов, карбидов или их смесей.

Согласно экспериментальным данным, микрокристаллический порошок, который получается методом электрического взрыва провода, имеет очень большую избыточную энергию. Так, порошок алюминия со средним размером частиц 500-800 нм имеет избыточную энергию 100-200 кДж/моль, а порошок серебра со средним размером частиц - 120 нм — избыточную энергию 40-80 кДж/моль, что в несколько раз больше теплоты плавления массивного вещества. Такой избыток энергии не может быть обусловлен только поверхностной энергией. Обнаруженное накопление большой избыточной энергии тонкодисперсным порошком, полученным электровзрывом, полного объяснения пока не получило. Высказывается мысль, что избыточная

энергия запасается в виде энергий поверхности, внутренних дефектов и зарядовых состояний.

В зависимости от вида газа, окружающего проводник, и металла проводника электрический взрыв позволяет получать нанопорошок металлов, сплавов, химических соединений или нанопорошок композиционного состава.

Основными преимуществами ЭВП-технологии по отношению к другим физическим методам получения нанопорошков являются:

1) высокий КПД передачи энергии, которая достигает 90 %. В ЭВП-технологии энергия импульсно вводится непосредственно в объем металла, при этом затрата энергии на нагрев окружающей среды относительно низкая;

2) возможность гибкой регуляции параметров процесса и, соответственно, характеристик получаемых нанопорошков;

3) сравнительно небольшой разброс частиц по размерам;

4) относительная стабильность свойств электровзрывных нанопорошков в нормальных условиях, с одной стороны, и высокая активность в разных химических процессах, с другой;

5) универсальность и простота метода.

Недостатком ЭВП-технологии является то, что современный уровень ее разви-

тия не позволяет осуществлять массовое производство нанопорошков с прогнозируемыми свойствами.

1.5.1.17 Новые абляционные нанотехнологии. Растворимость металлов и их соединений в биологических средах достаточно высока. При этом проблема токсичности и биологической совместимости биогенных металлов (Си, Со, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe) может быть решена, если микроэлементы будут применены не в составе неорганических солей, и не в виде свободных (несвязанных) наночастиц, а в виде наноаквахелатов. Установлено, что токсичность наноаквахелатов металлов во много раз меньше токсичности неорганических солей. То же относится не только к биогенным металлам, но и к биогенным полупроводникам (Se, Ge, Si), интерес к которым у биологов во всем мире резко возрос за последние годы.

Наноматериалы, полученные химическим способом, могут влиять негативно на метаболизм многих жизненно важных органов, поскольку они заключают в себе некоторые токсичные свойства исходных химических соединений. Это делает проблематичным использование их в областях с жесткими требованиями относительно биологической чистоты применительно к тканям и органам, прежде всего, в гуманной и ветеринарной медицине.

Нами развивается новое направление в области получения наноматериалов на основе нового физического явления самоконцентрации энергии, а именно — эрозионно-взрывные нанотехнологии. Последние условно можно разделить на 8 основных групп:

1) эрозионно-взрывные нанотехнологии получения новых наноматериалов,

2) эрозионно-взрывные нанотехнологии аккумуляции энергии,

3) эрозионно-взрывные нанотехнологии получения энергонасыщенных нанома-

терилов,

4) эрозионно-взрывные нанотехнологии рафинирования металлов,

5) эрозионно-взрывные нанотехнологии получения фуллеренов,

6) эрозионновзрывные нанотехнологии получения магнитной нанодисперсии

7) эрозионновзрывные нанотехнологии очистки загрязненных стоков,

8) эрозионновзрывные нанотехнологии специальной обработки жидкости.

Наибольший интерес представляют нанотехнологии первой группы, с помощью которых были синтезированы новые наноматериалы — неионные коллоидные растворы металлов и полупроводников; электрически нейтральные и электрически заряженные коллоидные наночастицы материалов как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии; структурированные агломераты наночастиц металлов; наногальванические элементы, а также новый класс комплексных соединений — высококоординационные анионоподобные аквахелаты нанометаллов.

Наиболее перспективными для использования в гуманной медицине и ветеринарии являются наноаквахелаты биогенных и биоцидных химических элементов, полученные именнно с помощью эрозионно-взрывных нанотехнологий. Данные наноматериалы, гидратированные наночастицы, являются высококоординационными

анионоподобными аквахелатами нанометаллов, которые характеризуются высокими значениями координационных чисел.

Гидратированные наночастицы металлов — это аналоги комплексных соединений, которые состоят из комплексообразователя, которым является одна или несколько наночастиц, имеющих поверхностный электрический заряд, и лиганд, в качестве которых используются молекулы воды. При этом количество лиганд-молекул воды является координационным числом, которое определяется количеством пар электронов, находящихся н а поверхности наночастицы.

Хелатирование наночастицы молекулами воды позволяет аквахелату легко проникать через мембраны клеток, а наночастице легко «раскрываться», что создает условия для его высокой активности.

Возможность придавать координационному числу больших значений (больше

12), недосягаемых в случае традиционных комплексообразователей, является основной отличительной особенностью новых синтезированных наноматериалов. При этом хелатирование наночастиц молекулами воды за счет водородных связей молекул воды с электрически заряженной поверхностью наночастиц приводит к образованию стойких хелатных комплексов без добавления других лигандов.

Определенная группа наноаквахелатов металлов может быть использована в качестве эффективных и экологически безопасных дезинфицирующих и лечащих средств. К таким наноматериалам, в первую очередь, относятся: наносеребра аквахелат, наномеди аквахелат, а также аквананоцинк и аквананомагний. При этом наиболее эффективным является использование наночастиц указанных металлов в виде структурированных агломератов наночастиц, являющихся совокупностью коротко- замкнутых гальванических пар из наночастиц двух металлов.

Один из синтезированных наноматериалов с биоцидными свойствами н а основе совместного использования наноаквахелатов серебра и меди в виде серебряномедных структурированных наноагломератов имеет название «Шумерское серебро». Управляемая структуризация нанометаллов осуществляется во время эрозионновзрывного диспергирования, когда образующиеся наночастицы, находясь в потоках электронов, приобретают поверхностный электрический заряд. Агломераты

наночастиц являются совокупностью короткозамкнутых гальванических пар из наночастиц двух металлов, которые создаются за счет разных электродных потенциалов серебра и меди. Функционально такие наногальванические элементы находятся в составе агломератов во включенном состоянии в виде короткозамкнутых гальванических пар. К тому же, использование в структурированных агломератах наночастиц бактерицидных металлов с разной направленностью бактерицидного действия позволяет расширить общий спектр и эффективность бактерицидного действия препарата, и реализовать одновременно его антибактериальное, антивирусное и антигрибковое действие.

С точки зрения возможности промышленного производства наноматериалов, а также их качества, наиболее развитыми являются нанотехнологии, которые относятся к третьей группе, то есть объединяют признаки получения наноматериалов «сверхувниз» и «снизу-вверх». Конкретно, это электроимпульсные нанотехнологии и плазменные нанотехнологии, которые относятся к общей широкой группе абляционных нанотехнологий.

1.5.1.18 Электроимпулъсная абляция. Электроимпульсные нанотехнологии, а

именно эрозионно-взрывные нанотехнологии, являются в настоящее время наиболее перспективными для получения наноматериалов разного назначения. Уникальные по комплексу факторов возможности эрозионно-взрывных нанотехнологий обусловлены, в первую очередь, базированием этих нанотехнологий на новом физическом явлении самоконцентрации энергии в локальных микрообъемах проводника, который помещен в упругую кавитирующую среду и находится в электрической цепи с разрядными промежутками.

Имея свои собственные характерные особенности, новое физическое явление с амоконцентрации энергии проявляется, в частности, через последовательность известных физических эффектов, которые находятся между собой в причинно- следственной зависимости — результате проявления нового физического явления, а именно:

1) взрывная электронная эмиссия из локальных участков поверхности гра-

нул твердого материала (эктоны академика Г. А. Месяця);

2) ударное сжатие локальных объемов твердого вещества в приповерхност-

ных слоях гранул;

3) полиморфный переход (перекристаллизация) локальных объемов матери-

ала в приповерхностных слоях гранул;

4) взрыв локальных объемов материала в приповерхностных слоях гранул;

5) сублимация локальных объемов материала, вытекающего из гранул;

6) электроэрозия локальных участков поверхностных слоев гранул м атери-

ала;

7) кавитация по всему объему диэлектрической жидкости, содержащей гра-

нулы;

8) сонолюминесценция по всему объему диэлектрической жидкости, содер-

жащей гранулы.

Практически новое физическое явление реализуется в результате воздействия на гранулы материала (металла или полупроводника), находящегося в диэлектрической среде в реакторе с электродами, мощными электрическими импульсами, которые генерируются по специальному закону с целью достижения прыжка напряжения на электродах или превышения порога кавитации в жидкости.

Увеличение энергии электрических импульсов приводит к увеличению мощности электрических разрядов между гранулами в жидкой среде, что позволяет создать условия для перестройки кристаллической решетки металла (или полупроводника), то есть для осуществления полиморфного перехода в локальных микрообъемах металлических гранул в зоне действия искрового разряда за счет эффекта ударного сжатия материала гранул. Это приводит к резкому увеличению производительности диспергирования.

Появление прыжка напряжения на электродах свидетельствует о том, что в электрической цепи, образованной цепочкой металлических гранул, произошло скачкообразное изменение электрического сопротивления. Такое физическое явление наблюдается при полиморфном переходе в кристаллической решетке металла, что

приводит к скачкообразному изменению удельного электрического сопротивления металла (или полупроводника) в локальных микрообъемах металлических гранул, которые поддались ударному сжатию во время искрового электрического разряда в жидкой среде. Ударное сжатие локальных микрообъемов металлических гранул осуществляется под действием ударных волн, которые возникают от искровых разрядов в жидкости в зонах эрозионных промежутков. Поскольку ударные волны, которые приводят к ударному сжатию металла, расходятся во все стороны в виде сферических волн, то наибольшая величина ударного сжатия наблюдается в локальных микрообъемах возле поверхности гранул по лини и протекания электрического тока. В этих локальных микрообъемах металла осуществляется полиморфный переход.

Превышение порога кавитации в жидкости свидетельствует о том, что энергия электрического импульса высвобождается в локальных микрообъемах металла, где ее плотность очень высока. Это также указывает на полиморфный переход в кристаллической решетке металла, при котором энергия сосредоточивается в локальных микрообъемах металла и приводит к взрывному диспергированию вещества. При высокой плотности энергии повышается степень дисперсности получаемого порошка.

Появление кавитации способствует ударному сжатию локальных микрообъемов металлических гранул в зоне действия искрового разряда за счет ударных волн в жидкости. Полиморфное превращение рассматривается как предельный случай сжатия для данной модификации кристаллической решетки материала. Величина сжатия для кристаллических тел имеет конечное значение. При превышении этого значения кристаллическая решетка становится неустойчивой, и осуществляется полиморфный переход. Для разных металлов точка полиморфного перехода разная. Так, например, для железа давление полиморфного перехода составляет величину около 126 кбар. Для олова давление полиморфного перехода составляет величину около 100 кбар. При полиморфном переходе прыжком изменяется удельное электрическое сопротивление металла. Например, у железа удельное электрическое сопротивление изменяется более чем в 2,5 раза.

Протекание импульсного электрического тока через микрообъемы металлических гранул, которые поддались сжатию ударными волнами, приводит к тому, что

подавляющая часть тепловой энергии высвобождается в локальных микро- и нанообъемах гранул, подвергшихся полиморфному переходу, поскольку в этих зонах электрическое сопротивление становится наибольшим в электропроводной цепочке гранул. Это позволяет сконцентрировать энергию диспергирования в очень малых локальных микро- и нанообъемах металла, что, в свою очередь, позволяет получать высокодисперсный нанопорошок.

Используя новое физическое явление самоконцентрации энергии и связанную с ним совокупность известных эффектов, было основано и развито новое направление в области электроимпульсных нанотехнологий — направление эрозионно-взрывных нанотехнологий.

Важнейшей особенностью эрозионно-взрывных нанотехнологий как представителей более общей электроимпульсной абляции является получение с их помощью наночастиц, в том числе и в аморфном состоянии, с поверхностным электрическим зарядом со знаком «минус».

Именно такие наночастицы получают эрозионно-взрывным диспергированием поверхности металлических гранул, находящихся в диэлектрической жидкости, например, в деионизированной воде. При прохождении через цепочки металлических гранул импульсов электрического тока, в которых энергия импульсов превышает энергию сублимации испаряемого металла, в точках контактов металлических гранул одна с одной возникают искровые разряды, в которых осуществляется взрывообразное диспергирование металла. Разлетающиеся расплавленные н аночастицы имеют сферическую форму и быстро охлаждаются в жидкости с фиксацией аморфного состояния поверхностного и приповерхностного слоя, что придает наночастицам новые физические свойства. Кристаллическое и аморфное состояние тела отличаются по таким своим физическим свойствам, как растворимость, температура плавления, твердость, удельный вес. Тела в аморфном состоянии имеют более низкие точки плавления, меньший удельный вес и меньшую твердость, они легче растворимы и более доступны воздействию химических агентов.

Поверхностный электрический заряд со знаком «минус» также образовывается в процессе эрозионно-взрывного диспергирования поверхности металлических

гранул электрическими разрядами в диэлектрической жидкости. Это осуществляется за счет явления электронной эмиссии, которая возникает при взрывах локальных участков металлических гранул, где образуются свежие поверхности, обладающие свойством выпускать поток электронов. Эмиссия электронов является результатом высокой плотности зарядов свежеобразованных поверхностей. При разделении поверхностей во время разрушения материала гранул происходит разделение разноименных зарядов, что приводит к образованию в областях разрывов вещества электрического поля напряженностью до 107 В/см. Такое электрическое поле вырывает электроны из поверхности материала. В целом, физическое явление электронной эмиссии приводит к тому, что наночастицы, находясь в потоках электронов, приобретают поверхностный заряд со знаком «минус». При этом поверхностный электрический заряд наночастиц в мощных потоках электронов пропорционален размеру наночастиц, поскольку разные по размеру наночастицы приобретают заряд в потоках электронов приблизительно одной плотности. В дополнение, сферическая форма н аночастицы позволяет получать при электризации высокий и равномерный электрический заряд на своей поверхности.

В конечном результате, полученные электрически заряженные наночастицы могут выступать как доноры электронов и создавать совместно с акцепторами электронов определенные структурированные наноматериалы. Так, если эрозионновзрывное диспергирование металлических гранул производят в диэлектрической жидкости, которая состоит из полярных молекул, например, молекул воды, то последние создают определенные оболочки (наногидратные в случае воды) за счет электростатической связи с заряженной поверхностью наночастиц.

К настоящему времени с помощью выше представленной электроимпульсной абляционной технологии организовано производство большой группы биоцидных и биогенных м атериалов и композиций на основе Ag, Au, Си, Со, Mn, Mg, Zn, Mo, Fe,

Al, Sn, Cr, Ni, W, Se, Ge, Si,

Магнитодинамическое, гидродинамическое, газодинамическое и механическое воздействие на слой гранул при электроимпульсной абляции

Для реализации способа электроимпульсной абляции разработан ряд устройств. При этом для повышения производительности, уменьшения размеров наночастиц и сужения кривой распределения частиц по размерам используются следующие воздействия н а слой гранул: магнитодинамическое воздействие, гидродинамическое воздействие за счет кавитации и газодинамическое воздействие за счет генерации в искровых разрядах пузырьков газа, наполненных водяным паром, принудительная механическая вибрация слоя гранул. Перечисленные воздействия позволяют получить эффективный псевдосжиженный слой гранул, благодаря которому повышается производительность устройства в целом и уменьшаются размеры основной фракции наночастиц при их узком распределении по размерам. Комплексное воздействие на слой гранул (магнитодинамическое, гидродинамическое, газодинамическое, механическое) приводит также к значительному увеличению средней частоты электрических разрядов в реакторе. При этом средняя частота электрических разрядов в реакторе превышает (в несколько раз!) частоту электрических импульсов, поступающих от генератора. Этот феномен осуществляется за счет многократного прерывания разрядного тока в ходе действия импульса разрядного тока при вибрации гранул, а также за счет уменьшения количества холостых импульсов и уменьшения количества коротких замыканий в слое гранул. Наибольшая эффективность достигается при резонансе системы «реактор — вибрационный механизм с вибратором — гранулы». Вибрационный механизм является платформой и основой, соединенными между собой пружинами. На платформе снизу подвешен электродвигатель с эксцентриком. Частотой и амплитудой вибрации управляют путем изменения частоты вращения вала двигателя и параметрами эксцентрика. Устройство для получения наночастиц электропроводных материалов приведено на рисунке 9.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 157 8 9 10 11 12 13 14 15 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]