Металлические нанокластеры. Способ получения нанокластеров металлов и устройство для его осуществления. Материал из Введение в нанотехнологии

Владельцы патента RU 2382069:

Изобретение относится к области разработки металлоплакирующих присадок к смазочным композициям, содержащим твердофазные ультрадисперсные добавки металлов, и предназначено для получения нанокластеров меди, свинца, цинка, никеля с размерами частиц 15-50 нм. Способ включает электрохимическое восстановление металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, в водно-органическом растворе электролита с растворимым анодом из восстанавливаемого металла с одновременным диспергированием восстановленного металлического слоя на катоде. Электрохимическое восстановление и диспергирование восстановленного металлического слоя осуществляют в водном растворе трех-шестиатомных спиртов, при этом диспергирование ведут путем трения пары «стальной катод-сталь» под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа. В устройстве для осуществления способа катод выполнен в форме стального диска, над поверхностью стального диска с возможностью вертикального перемещения установлена державка, на нижней поверхности которой равномерно по окружности выполнены три паза с закрепленными в них стальными пальцами, рабочие торцы которых контактируют с поверхностью стального диска с образованием зоны трения. Технический результат - получение стабилизированных нанокластеров металлов Cu, Pb, Zn, Ni, устойчивых к действию кислорода и влаги, повышение триботехнических характеристик получаемых водно-спиртовых смазочных композиций, обеспечение возможности контроля триботехнических характеристик водно-спиртовых смазочных композиций. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области разработки металлоплакирующих присадок к водно-растворимым и другим противоизносным смазочным композициям, содержащим твердофазные ультрадисперсные добавки металлов, и может быть использовано для получения нанокластеров меди, свинца, цинка, никеля, с размерами частиц 15-50 нм.

В настоящее время развивается направление, связанное с созданием новых присадочных материалов к маслам и смазкам, которые формируют поверхностные пленки в зоне контактного взаимодействия, обеспечивающие повышение износостойкости пар трения и представляют собой металлосодержащие смазочные композиции на основе твердофазных кластерных добавок. Основными компонентами данного типа присадок являются наноразмерные порошки мягких металлов или их сплавов. Такие добавки улучшают эксплутационные и триботехнические характеристики смазочных материалов, т.к. образуют на поверхности трения прочную пленку, препятствующую схватыванию, снижающую коэффициент трения.

Известна противоизносная смазочная композиция РиМЕТ, выпускаемая ЗАО «НПП ВМП», которая представляет собой дисперсию нанокристаллических частиц сплава меди в жидком смазочном материале. (Золотухина Л.В., Батурина О.К., Пургина Т.П., Жидовинова С.В., Кишкопаров Н.В., Фришберг И.В. Формирование нанокристаллической структуры на поверхностях трения в присутствии нанопорошков сплавов меди в смазочном материале // Трение и смазка в машинах и механизмах, №3, 2007, с.7-12) /1/.

Активные функциональные наноматериалы, наночастицы или формирующие на поверхностях трения защитные граничные наноструктурные слои, препятствующие износу деталей, содержатся в смазочных композициях, предлагаемых на мировом рынке: Fenom Metal Conditioner/Nanoconditioner (противоизносные и противозадирные аддитивы к моторным, трансмиссионным, индустриальным маслам типа AW&EP); Old Chap Reconditioner (аддитивы - реставраторы к маслам для двигателей и трансмиссий с признаками износа и старения); Renom Engine / Gear NanoGuard (нанозащита двигателя и трансмиссии - присадки к моторному и трансмиссионному маслу); Fenom NanoCleaner / NanoTuning (наноочистители топливных систем и наноприсадки, улучшающие свойства топлив - добавки к моторному топливу), (Беклемышев В.И., Махонин И.И., Летов А.Ф., Балабанов В.И., Филиппов К.В. Разработка ресурсосберегающей автохимии и современных масел с применением эффективных компонентов и наноматериалов // Материалы межд. научно-практич. школы-конфер. «Славянтрибо-7а.» Рыбинск-Санкт-Петербург-Пушкин, 2006, Т.3. с.21-27) /2/.

Сформировались две основные группы способов получения нанокластеров металлов: физический и химический. К физическим способам относятся:

1. Газофазный синтез, заключающийся в испарении металла при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления с последующей конденсацией пара вблизи или на холодной поверхности. Этот метод позволяет получать наиболее чистые металлические частицы, однако ведутся поиски методов, обеспечивающих получение наночастиц без использования твердых подложек (Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: Физматлит, 2005. с.46-53) /3/.

2. Механическая обработка твердых металлических смесей инициаторами, например металлическими шарами, в результате которой происходят измельчение и пластическая деформация металлов /3/ с.73-81; (Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006, с.406-423) /4/. Однако механическое воздействие является локальным, поскольку не происходит равномерно по объему вещества, а только в области приложения поля напряжений, в результате образующиеся нанокластеры имеют большой разброс по размерам.

3. Дробление (диспергирование) металлов под воздействием ультразвуковых (УЗ) волн применяют при получении ультрадисперсных суспензий ряда металлов (Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. с.186-188) /5/. При этом полученные кластеры металла имеют относительно большие размеры порядка 1000 нм.

К химическим способам относятся:

4. Способ с использованием пространственно-ограниченных систем - нанореакторов (мицелл, капель, пленок) (Третьяков Ю.Д., Лукашин А.В., Елисеев А.А. Синтез функциональных нанокомпозитов на основе твердофазных нанореакторов // Успехи химии 73 (9). 2004. с.974-996) /6/.

5. Термическое разложение и восстановление металлоорганических и металлонеорганических соединений, которые при определенной температуре распадаются с образованием синтезируемого вещества и выделением газовой фазы /3/ с.70-73; /5/ с.221-255; (Столяров И.П., Гаугаш Ю.В., Крюкова Г.Н., Кочубей Д.И., Варгафтик М.Н., Моисеев И.И. Новые нанокластеры палладия: синтез, строение и каталитические свойства // Изв. АН. Сер. Хим., 2004, №6 с.1147-1152) /7/. Нагревание исходного сырья до температуры 2000-8000 К в особых условиях (вакуум или инертный газ) усложняет технологию.

6. Кристаллизацией из растворов соответствующих солей с выделением наноразмерных медьсодержащих порошков на катоде при восстановлении в ходе электролиза /5/ с.219-221 (Чуловская С.А., Парфенюк В.И., Лилин С.А., Гиричев Г.В. Электрохимический синтез и высокотемпературные исследования наноразмерных медьсодержащих порошков. // Химия и химическая технология 2006. Т. 49. вып.1 с.35-39) /8/. В состав электролитического раствора входят поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые стабилизируют образующиеся нанокластеры металлов. Недостатком метода является широкий разброс нанокластеров по размерам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ получения нанокластеров металлов, который заключается в сочетании электрохимического восстановления металлов из водно-органического раствора электролита с одновременным диспергированием под воздействием ультразвуковых колебаний восстановленного на катоде слоя металла (US 5925463, B01J 23/44, B01J 23/46, B01J 35/00, 1999-07-20) /9/, принимаемый за прототип.

Для стабилизации нанокластеров в водно-органический раствор электролита добавляют тетраалкиламмониевые и тетраалкилфосфониевые соли. В полученный раствор помещают катод и анод. В качестве материала анода используют металлы широкой группы периодической системы, в том числе медь Cu, свинец Pb, цинк Zn, никель Ni. Электрохимическое восстановление металлов осуществляется традиционным способом в установленной на основании электрохимической ванне с водно-органическим раствором электролита. При подключении электродов к источнику постоянного тока происходит растворение металлического анода. Ионы металла переносятся к катоду и восстанавливаются на нем. Под действием УЗ-колебаний одновременно с электролизом осуществляют диспергирование восстановленного слоя металла на поверхности катода. При этом нанокластеры металлов удаляются с поверхности катода, стабилизируются тетраалкиламмониевыми и тетраалкилфосфониевыми солями и переходят в раствор в коллоидном состоянии. Полученные способом и устройством-прототипом нанокластеры металлов предназначены для изготовления катализаторов, имеют малые размеры 2-30 нм и высокую химическую активность, что требует специальных методов защиты при их изготовлении (использование инертной атмосферы, свободных от растворенного кислорода растворителей). Наличие высокой химической активности препятствует использованию получаемых нанокластеров в качестве присадки к смазочным композициям.

Техническим результатом настоящего изобретения является получение стабилизированных нанокластеров металлов группы Cu, Pb, Zn, Ni, устойчивых к действию кислорода и влаги, которые могут быть использованы в качестве присадки к смазочным композициям, получение водно-спиртовых смазочных композиций с высокими триботехническими характеристиками, обеспечение возможности контроля триботехнических характеристик водно-спиртовых смазочных композиций в процессе получения нанокластеров.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения нанокластеров металлов, включающем электрохимическое восстановление металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, в водно-органическом растворе электролита с растворимым анодом из восстанавливаемого металла с одновременным диспергированием восстановленного металлического слоя на катоде, согласно изобретению, электрохимическое восстановление и диспергирование восстановленного металлического слоя осуществляют в водном растворе трех-шестиатомных спиртов, при этом диспергирование ведут путем трения пары «стальной катод-сталь» под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа.

Устройство для получения нанокластеров металлов электрохимическим восстановлением металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, содержит установленную на основании электрохимическую ванну для водно-органического раствора электролита, погруженные в нее катод и растворимый анод из восстанавливаемого металла, подключенные к источнику постоянного электрического тока.

Согласно изобретению катод выполнен в форме стального диска, который жестко закреплен на дне электрохимической ванны, установленной на основании на опорных шариковых подшипниках, над поверхностью стального диска с возможностью вертикального перемещения установлена державка, на нижней поверхности которой равномерно по окружности выполнены три паза с закрепленными в них стальными пальцами, рабочие торцы которых контактируют с поверхностью стального диска с образованием зоны трения, причем нерабочие поверхности пальцев и стального диска имеют диэлектрическое пленочное покрытие для изоляции от раствора электролита, а верхняя часть державки выполнена с выступом, в центре которого размещена шаровая опора, связанная посредством головки привода, имеющей поводок, со шпиндельным валом, который соединен подвижным блоком посредством рычага с регулируемым грузом, а на внешней поверхности электрохимической ванны закреплен динамометр.

В частных случаях выполнения способа в качестве спиртового компонента раствора электролита используют глицерин C 3 H 8 O 3 или эритрит С 4 Н 10 О 4 , или арабит

C 5 H 12 O 5 , или сорбит C 6 H 14 O 6 .

При трении пары стальной диск-сталь под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа в водно-спиртовом растворе электролита на поверхности неподвижного катода происходит диспергирование восстановленного слоя металла с образованием нанокластеров размером 15-50 нм, устойчивых к действию влаги и кислорода, за счет того, что окисление дисперсных частиц металлов происходит непосредственно в водно-спиртовом растворе электролита, таким образом, исключается необходимость использования специальных методов защиты от окислительных реакций. Уменьшение нагрузки ниже 7,5 МПа приводит к увеличению времени выхода пары трения стальной диск-сталь на режим безызносности, а увеличение нагрузки более 10 МПа не было исследовано, т.к. мощность имеющегося электродвигателя не была достаточна для получения вращения вала при повышенных нагрузках более 10 МПа. Увеличение нагрузки приводит к уменьшению времени выхода пары трения на режим безызносности.

Использование трех- шестиатомных спиртов для стабилизации нанокластеров мягких металлов обеспечивает триботехническую эффективность смазочной композиции за счет уменьшения коэффициента трения пары стальной диск-сталь до 10 -3 , а величины интенсивности изнашивания пары трения - до 10 -11 . Это связано с тем, что с увеличением числа атомов кислорода в молекуле спирта быстро растет количество химических реакций, протекающих под действием трения, а вместе с ними и число возможных стереохимических структур, участвующих в модификации поверхности трения. Кроме того, при трении пары стальной диск-сталь в водно-спиртовом растворе электролита протекают химические реакции, в результате которых образуются продукты, содержащие карбонильные и карбоксильные группы, являющиеся стабилизаторами образующихся нанокластеров, что придает устойчивость нанокластерам металлов к действию кислорода и влаги.

Изобретение поясняется чертежами, графиками, фотомикрографиями.

На фиг.1 приведен схематический чертеж устройства для получения нанокластеров металлов, вид спереди, вертикальный разрез.

На фиг.2 приведен схематический чертеж стального диска, вид сверху.

На фиг.3 приведена схема динамометра, вид сверху, разрез А.

На фиг.4 приведены зависимости коэффициентов трения f от времени электролиза t, с, для медного анода, полученные с использованием заявляемого устройства при нагрузке 7,5 МПа, где кривая 1 соответствует водному раствору этиленгликоля С 2 Н 6 О 2 , 2 - водному раствору глицерина С 3 Н 8 О 3 , 3 - водному раствору эритрита С 4 Н 10 О 4 , 4 - водному раствору арабита С 5 Н 12 О 5 , 5 - водному раствору сорбита С 6 Н 14 О 6 .

На фиг.5 приведены зависимости коэффициентов трения f от времени электролиза t, с, для свинцового анода, полученные с использованием заявляемого устройства при нагрузке 7,5 МПа, где кривая 1 соответствует водному раствору этиленгликоля С 2 Н 6 О 2 , 2 - водному раствору глицерина С 3 Н 8 О 3 , 3 - водному раствору эритрита С 4 Н 10 О 4 , 4 - водному раствору арабита С 5 Н 12 О 5 , 5 - водному раствору сорбита

На фиг.6 приведены фотомикрографии рабочей поверхности одного из металлических пальцев, содержащей нанокластеры свинца.

На фиг.7 приведены фотомикрографии рабочей поверхности одного из стальных пальцев, содержащей нанокластеры меди.

На фиг.8 приведены зависимости коэффициентов трения f от времени электролиза t, с, для медного анода, полученные с использованием заявляемого устройства при нагрузке 5 МПа, где кривая 1 соответствует водному раствору глицерина C 3 H 8 O 3 , 2 - водному раствору эритрита C 4 H 10 O 4 , 3 - водному раствору арабита C 5 H 12 O 5 , 4 - водному раствору сорбита C 6 H 14 O 6 .

Устройство для получения нанокластеров металлов электрохимическим восстановлением металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, (фиг.1) содержит установленную на основании 1 на опорных шариковых подшипниках 2 электрохимическую ванну 3, выполненную из диэлектрика, выдерживающего нагревание до 200°С, для водно-спиртового раствора 4. В качестве спиртового компонента раствора электролита используют трехатомный спирт - глицерин C 3 H 8 O 3 , четырехатомный спирт - эритрит C 4 H 10 O 4 , пятиатомный спирт - арабит С 5 Н 12 О 5 , шестиатомный спирт - сорбит С 6 Н 14 О 6 . В электрохимическую ванну 3 погружен стальной катод 5 и анод 6, выполненный из металла, выбранного из группы металлов: Cu, Pb, Zn, Ni, способных образовывать на поверхности трения сервовитную пленку в зоне контакта трущихся деталей, что приводит к уменьшению коэффициента трения на порядок по сравнению с отсутствием сервовитной пленки. Катод 5 и анод 6 подключены к полюсам источника постоянного тока 7. Катод 5 выполнен в форме стального диска, который жестко закреплен на дне электрохимической ванны 3. Над поверхностью стального диска 5 с возможностью вертикального перемещения установлена державка 8, выполненная из диэлектрика, на нижней поверхности которой равномерно по окружности выполнены три паза 9 с закрепленными в них с помощью крепежных винтов 10 стальными пальцами 11. Верхняя часть державки 8 снабжена выступом 12, в центре которого размещена шаровая опора 13, связанная посредством головки привода 14 со шпиндельным валом 15. На нижней поверхности головки привода 14 установлен поводок 16, обеспечивающий передачу вращательного движения от головки привода 14 к державке 8. Шпиндельный вал 15 соединен подвижным блоком 17 посредством рычага 18 с регулируемым грузом 19. На внешней поверхности электрохимической ванны 3 закреплен динамометр 20. В конкретном примере выполнения рабочие поверхности пары трения торцовая поверхность стальных пальцев 11- стальной диск 5, имели шероховатость Ra=0,63 мкм. После обезжиривания этиловым спиртом и сушки при комнатной температуре указанная пара трения погружалась в электрохимическую ванну 3. В конкретном примере выполнения анод выполнен из меди или свинца, которые наиболее часто используют в качестве металлоплакирующей присадки к смазочным композициям (RU 2161180 С, 7 С10М 155/02 2000-12-27) /10/, (RU 2123030 C, 6 С10М 125/00, 1998-12-10) /11/, (RU 2019563 C, 5 С10М 169/04, 1994-09-15) /12/, (SU 1214735 A, 4 С10М 133/16, 1986-02-28) /13/. При подключении источника постоянного тока 7 силой 20 мA и включении электропривода (на чертеже не показан) приводится во вращательное движение шпиндельный вал 15 и с помощью поводка 16 вращательное движение шпиндельного вала 15 передается державке 8 и стальным пальцам 11, нижние рабочие торцы которых соприкасаются с рабочей поверхностью стального диска 5 и образуют зону трения 21 (фиг.2). При этом на поверхности трения за счет растворения мягкого металла анода формируется металлическая пленка, которая подвергается деформации и истиранию в процессе трения под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа, что приводит к накоплению нанокластеров меди или свинца размером 15-50 нм в водно-спиртовом растворе электролита. Скорость вращения стальных пальцев 11 выбирают из условия обеспечения восстановления слоя из нескольких атомов металла на поверхности стального диска 5 и составляет 0,5-1,0 м/с. При скольжении пальцев 11 по зоне трения 21 стального диска 5 возникает крутящий момент, воздействующий на стенки электрохимической ванны 3, т.к. стальной диск 5 жестко закреплен на дне электрохимической ванны 3. Крутящий момент вызывает проворачивание электрохимической ванны 3 до уравновешивания его пружиной 22 динамометра 20, закрепленного между рычагом 23 и стойкой 24 (фиг.3). Боковые поверхности 25 стальных пальцев 11 (фиг.1) и нерабочая поверхность 26 (фиг.2) стального диска 5 покрыты диэлектрической защитной пленкой для изоляции этих зон от воздействия электролита. По величине деформации пружины 22 динамометра 20 определяется окружная сила F пр. Коэффициент трения рассчитывали по формуле

где F пр - окружная сила, Н; l 1 - расстояние от точки закрепления пружины динамометра к рычагу до оси вращения, м; l 2 - расстояние между осью вращения и центрами стальных пальцев, М; Р - сила прижатия (или осевая нагрузка на пальцы), Н.

Интенсивность изнашивания определяли по формуле

где h - величина линейного износа, рассчитанная по потере массы пальцев и стального диска, м; L - путь трения, рассчитанный по формуле 2πrn; r -радиус зоны трения, м; n - число рабочих циклов.

В каждом опыте путь трения составлял порядка 10 км, что было достаточно для получения необходимой для взвешивания величины.

В качестве смазочных жидкостей использовались водно-органические растворы спиртов марки ч.д.а.: трехатомный спирт - глицерин C 3 H 8 O 3 , четырехатомный спирт- эритрит С 4 Н 10 О 4 , пятиатомный спирт - арабит С 5 Н 12 О 5 , шестиатомный спирт - сорбит С 6 Н 14 О 6 . Для увеличения электропроводности в водно-органические растворы добавляли 0,01М перхлората лития LiClO 4 марки х.ч. Растворы готовились в соотношении компонентов: 50% спирта на 50% воды. Съемные стальной диск и стальные пальцы взвешивали для определения величины линейного износа на электронных лабораторных весах ЛВ 210-А и рассчитывали по формуле (2) интенсивность изнашивания пары трения 5, 11 (фиг.1). Как видно из фиг.4, 5 триботехническая эффективность металлсодержащих смазочных композиций зависит от атомности спирта и увеличивается при переходе от двухатомного спирта этиленгликоля (кривая 1) к шестиатомному спирту сорбиту (кривая 5). Образование нанокластеров свинца или меди для водных растворов глицерина (кривая 2), эритрита (кривая 3), арабита (кривая 4) и сорбита (кривая 5) способствует выходу трибологической системы на режим избирательного переноса или безызносности (Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике; эффект безызносности; водородное изнашивание металлов. М.: Изд-во МСХА, 2004. С.15-17, с.195-205) /11/, т.к. значения коэффициента трения устанавливаются на уровне 10 -3 . Причем время выхода на режим безызносности уменьшается в ряду глицерин - эритрит - арабит - сорбит. Величина интенсивности изнашивания для водных растворов трех-шестиатомных спиртов составляет порядка 10 -11 . Нанокластеры мягких металлов в процессе трения заполняют микронеровности поверхностей трения, увеличивая фактическую площадь контакта, что приводит к резкому снижению давления в зоне трения, что облегчает по сравнению с основным металлом сопротивление сдвигу на участках металлического контакта. При этом время, необходимое для перехода системы, содержащей нанокластеры свинца (фиг.5) или меди (фиг.4) в режим безызносности, уменьшается в указанном ряду металлов, т.е. нанокластеры меди являются более эффективными.

Согласно результатам атомно-силовой микроскопии (фиг.6, фиг.7), выполненным на сканирующем зондовом микроскопе Solver Р47Н с помощью промышленных кремниевых кантилеверов NSG10, полученные заявляемым способом нанокластеры меди и свинца имеют размеры 15-50 нм. Аналогичные результаты следует ожидать и для цинка и никеля. Для получения ультрадисперсных порошков нанокластеры металлов предварительно отделяют от водно-спиртового раствора с помощью ультрацентрифугирования и затем в качестве металлоплакирующей присадки добавляют к различным смазочным композициям в количестве 0,5-3%. Кроме того, сам водно-спиртовой раствор электролита с нанокластерами металлов является готовой смазочной композицией и может быть разлит в емкости для реализации.

Как видно из фиг.8 уменьшение нагрузки на пару трения «стальной диск-сталь» приводит к увеличению времени выхода пары трения на режим безызносности с 8,3 часа (30000 с) (фиг.4, кривая 5) до 12,5 часов (45000 с) (фиг.8 кривая 4), а в случае глицерина не обеспечивает режим безызносности (фиг.8 кривая 1).

Пример 1. Получение нанокластеров меди.

Поверхности стального диска 5 и стальных пальцев 11 обрабатывают наждачной бумагой, обезжиривают этиловым спиртом и высушивают. В электрохимическую ванну 3 добавляют водный раствор сорбита в соотношении 1:1 и 0,01М перхлората лития LiClO 4 марки х.ч. Опускают медный анод 6, изготовленный из листовой меди размером 1×2 см, толщиной 1 мм, предварительно обработанный в концентрированной азотной кислоте, промытый и высушенный. Одновременно с включением электропривода подключают источник электрического тока силой 20 мA. Посредством рычага 18 с регулируемым грузом 19 устанавливают регулируемую нагрузку 7,5 МПа в паре трения. Скорость вращения пальцев составляет 0,5 м/с. В начале трения идет процесс приработки, который характеризуется относительно высокими значениями коэффициента трения. По мере накопления нанокластеров в растворе величина коэффициента трения понижается и через 8,3 часа (30000 с) трибологическая система переходит в режим безызносности. На рабочих поверхностях стального диска 5 и пальцев 11 образуется видимый невооруженным глазом блестящий слой меди. Полученная смазочная композиция содержит нанокластеры меди в коллоидном стабильном состоянии.

Пример 2. Получение нанокластеров свинца.

Поверхности стального диска 5 и пальцев 11 обрабатывают наждачной бумагой, обезжиривают этиловым спиртом и высушивают. В электрохимическую ванну 3 добавляют водный раствор сорбита (1:1), 0,01М перхлората лития LiClO 4 марки х.ч. и погружают анод 6, изготовленный из свинцовой пластины размером 1×1 см, толщиной 3 мм, предварительно обработанный в концентрированной азотной кислоте, промытый и высушенный.

Одновременно с включением электропривода подключают источник 7 постоянного электрического тока силой 20 мA и устанавливают регулируемую нагрузку 7,5 МПа в паре трения. Скорость вращения стальных пальцев 11 составляет 0,5 м/с. Процесс приработки пары трения характеризуется относительно высокими значениями коэффициента трения. По мере накопления нанокластеров в растворе электролита значения коэффициента трения понижаются и через 11,1 часа (40000 с) трибологическая система переходит в режим безызносности. На рабочей поверхности стального диска 5 и пальцев 11 образуется видимый невооруженным глазом блестящий слой свинца. Полученная смазочная композиция содержит нанокластеры свинца в коллоидном стабильном состоянии. Разработанный экспериментальный образец устройства для получения нанокластеров металлов позволяет получать непосредственно в процессе восстановления смазочные композиции с прогнозируемыми противоизносными характеристиками, что не достигалось ранее в известных аналогах.

Источники информации

1. Золотухина Л.В., Батурина О.К., Пургина Т.П., Жидовинова С.В., Кишкопаров Н.В., Фришберг И.В. Формирование нанокристаллической структуры на поверхностях трения в присутствии нанопорошков сплавов меди в смазочном материале // Трение и смазка в машинах и механизмах, №3, 2007, с.7-12.

2. Беклемышев В.И., Махонин И.И., Летов А.Ф., Балабанов В.И., Филиппов К.В. Разработка ресурсосберегающей автохимии и современных масел с применением эффективных компонентов и наноматериалов // Материалы межд. научно-практич. школы-конфер. «Славянтрибо-7а.» Рыбинск-Санкт-Петербург-Пушкин, 2006, Т.3. с.21-27.

3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М.: Физматлит, 2005. с.46-53.

4. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006, с.406-423.

5. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. с.186-188.

6. Третьяков Ю.Д., Лукашин А.В., Елисеев А.А. Синтез функциональных нанокомпозитов на основе твердофазных нанореакторов // Успехи химии 73 (9), 2004. с.974-996.

7. Столяров И.П., Гаугаш Ю.В., Крюкова Г.Н., Кочубей Д.И., Варгафтик М.Н., Моисеев И.И. Новые нанокластеры палладия: синтез, строение и каталитические свойства // Изв. АН. Сер. Хим., 2004, №6 с.1147-1152.

8. Чуловская С.А., Парфенюк В.И., Лилин С.А., Гиричев Г.В. Электрохимический синтез и высокотемпературные исследования наноразмерных медьсодержащих порошков. // Химия и химическая технология 2006. Т.49. вып.1 с.35-39.

9. US 5925463, B01J 23/44, B01J 23/46, B01J 35/00, 1999-07-20 - прототип.

10. RU 2161180 C, 7 С10М 155/02, 2000-12-27.

11. RU 2123030 C, 6 С10М 125/00, 1998-12-10.

12. RU 2019563 C, 5 С10М 169/04, 1994-09-15.

13. SU 1214735 A, 4 C10M 133/16, 1986-02-28.

14. Гаркунов Д.Н. Научные открытия в триботехнике; эффект безызносности; водородное изнашивание металлов. М.: Изд-во МСХА, 2004. С.15-17, с.195-205.

1. Способ получения нанокластеров металлов, включающий электрохимическое восстановление металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, в водно-органическом растворе электролита с растворимым анодом из восстанавливаемого металла с одновременным диспергированием восстановленного металлического слоя на катоде, отличающийся тем, что электрохимическое восстановление и диспергирование восстановленного металлического слоя осуществляют в водном растворе трех-шестиатомных спиртов, при этом диспергирование ведут путем трения пары «стальной катод-сталь» под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют глицерин С 3 Н 8 О 3 .

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют эритрит С 4 Н 10 О 4 .

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют арабит С 5 Н 12 О 5 .

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют сорбит С 6 Н 14 О 6 .

6. Устройство для получения нанокластеров металлов электрохимическим восстановлением металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, содержащее установленную на основании электрохимическую ванну для водно-органического раствора электролита, погруженные в нее катод и растворимый анод из восстанавливаемого металла, подключенные к источнику постоянного электрического тока, отличающееся тем, что катод выполнен в форме стального диска, который жестко закреплен на дне электрохимической ванны, установленной на основании на опорных шариковых подшипниках, над поверхностью стального диска с возможностью вертикального перемещения установлена державка, на нижней поверхности которой равномерно по окружности выполнены три паза с закрепленными в них стальными пальцами, рабочие торцы которых контактируют с поверхностью стального диска с образованием зоны трения, причем нерабочие поверхности пальцев и стального диска имеют диэлектрическое пленочное покрытие для изоляции от раствора электролита, а верхняя часть державки выполнена с выступом, в центре которого размещена шаровая опора, связанная посредством головки привода, имеющей поводок, со шпиндельным валом, который соединен подвижным блоком посредством рычага с регулируемым грузом, на внешней поверхности электрохимической ванны закреплен динамометр.

Изобретение относится к смазочным композициям, в частности к многокомпонентным добавкам или концентратам, вводимым в минеральные масла с целью получения высококачественных пластичных (консистентных) смазочных материалов, обладающих повышенной термостойкостью и адгезией к поверхности трения, высокой задиро- и износостокостью.

Изобретение относится к составам (смазкам), предназначенным для защиты от задира и износа, а также "схватывания" сопряженных поверхностей как в условиях атмосферной коррозии, так и тепловых воздействий, например в конструкциях автомобилей, резьбовых соединениях сборно-разборных складских и магистральных трубопроводов, и может быть использовано в машиностроении, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и может быть использовано при изготовлении изделий из карбид-кремниевых жаростойких бетонов, получаемых без предварительного обжига.

Изобретение относится к области разработки металлоплакирующих присадок к смазочным композициям, содержащим твердофазные ультрадисперсные добавки металлов, и предназначено для получения нанокластеров меди, свинца, цинка, никеля с размерами частиц 15-50 нм

Реферат

Нанокластеры и нанокластерныесистемы: организация, взаимодействие, свойства

Введение

наносистема изолированный кластерный

За последнее десятилетие в изучении нанокластеров и наноструктур произошел гигантский скачок. Появилось огромное количество публикаций, посвященных как фундаментальной науке о нанокластерах и наноструктурах, так и возможностям их применения в нанотехнологиях (создание устройств с магнитной записью, нанодиодов, нанопроволок; устройств одноэлектронного переноса, перестраиваемых за счет изменения размера нанолазера; получение новых наноматериалов с особыми механическими, тепловыми, электронными, оптическими и магнитными свойствами).

Известно, что при переходе от макроструктур к микроструктурам, размер которых лежит в нанометровом диапазоне, свойства вещества существенно изменяются. Так, нанокластеры в конденсированном состоянии имеют иные параметры кристаллической решетки, теплоемкость, температуру плавления и электропроводность, чем соответствующие макрокристаллы. Кроме того, у них появляются новые оптические, магнитные и электронные характеристики, изменяются реакционные и каталитические свойства. При этом свойства наноструктур определяются не только размером кластеров, но и способами их организации или самоорганизации в нанокластерную структуру, в которой кластеры выступают в роли отдельных атомов. Наноструктуры, в свою очередь, могут образовывать надмолекулярные структуры.

Способы организации нанокластеров в наноструктуры зависят не только от свойств изолированных нанокластеров и межкластерных взаимодействий, но и от методов получения нанокластеров. В связи с этим можно выделить несколько основных направлений в изучении нанокластеров и кластерных наносистем:

методы получения и классификация нанокластеров;

свойства изолированных нанокластеров;

способы организации (самоорганизации) кластерных наносистем;

свойства нанокластерных систем.

1. Синтез и классификация нанокластеров и нанокластерных структур

Как уже отмечалось, многие свойства нанокластеров и наносистем зависят от способов их получения. Поэтому мы попытались провести классификацию кластеров, исходя из методов их синтеза. Такой эмпирический подход позволяет представить все многообразие свойств кластеров и кластерных систем, взяв за основу их происхождение. В зависимости от способа получения кластеры можно разделить на шесть групп: молекулярные, газофазные, коллоидные, твердотельные, матричные и пленочные. Изолированные нанокластеры могут быть получены в результате химических реакций (молекулярные кластеры), путем лазерного испарения (газофазные кластеры) или путем матричной изоляции (при твердотельном и коллоидном синтезах). Наносистемы образуются в основном в результате твердотельного и коллоидного синтезов.

Молекулярные лигандные кластеры металлов

Молекулярные кластеры металлов - это многоядерные комплексные соединения, в основе молекулярной структуры которых лежит окруженный лигандами остов (ячейка) из атомов металлов (число их должно быть больше двух), непосредственно связанных между собой. Длины связей металл - металл в кластере обычно короче, чем в массивном металле.11 Металлический остов представляет собой цепи различной длины и разветвленности, циклы, полиэдры, а также комбинацию из перечисленных структурных элементов. Известны гомо- и гетерометаллические кластеры.

Молекулярные лигандные кластеры металлов образуются из металлокомплексных соединений в результате протекания различных химических реакций. Синтезу, структуре и свойствам молекулярных кластеров металлов посвящено огромное количество публикаций (см., например, монографию 11 и ссылки в ней).

Газофазные безлигандные кластеры

Безлигандные кластеры металлов или оксидов металлов получают, например, путем лазерного испарения металлов с подложки с последующим разделением по размерам (по массе) на время-пролетном масс-спектрометре. Образующиеся в процессе испарения кластеры фиксируют в ловушках (на подложках) и затем изучают их электронные, оптические и другие свойства. Полученные таким путем кластеры содержат от десятков до сотен атомов. Синтез больших нанокластеров (>100 нм) осуществляют путем разогрева и испарения металлов в высокочастотном электромагнитном поле в вакууме или инертном газе с последующим осаждением кластеров на подложке или фильтре. Применение подложки необходимо, поскольку наночастицы очень активны и при столкновении слипаются, а подложка играет роль стабилизатора.

Еще один способ получения газофазных кластеров металлов - испарение металлов в инертном газе с последующим образованием кластеров металлов в низкотемпературной матрице (криохимический метод).

Газофазные методы синтеза применяются и для получения углеродных кластеров (в частности, фуллеренов). Так, лазерным испарением графита в 1985 г. был получен первый фуллерен С60. Синтезированы также фуллерены состава Сзб, С70, С82, С84, С90, С96.

Среди других газофазных безлигандных кластеров следует отметить ван-дер-ваальсовы кластеры благородных газов и воды.

Метод испарения-конденсации позволяет получать наиболее чистые металлические частицы, поэтому он и в настоящее время не потерял своей актуальности. Однако, применяя данный метод, трудно управлять размерами образующихся металлокластеров. Полученные таким путем кластеры характеризуются широким распределением по размерам.

Коллоидные кластеры и наносистемы

Коллоидные растворы, содержащие нанокластеры металлов и их соединений, известны давно, однако в связи с необходимостью получения организованных наноструктур возникла потребность в синтезе монодисперсных коллоидных систем с регулируемым размеров кластеров. Для синтеза монодисперсных коллоидных систем обычно используют золь-гель - технологию, включающую получение золя и последующий перевод его в гель. Для получения золей применяют диспер - гационные и конденсационные (физические и химические) методы. Так, при гидролизе солей металлов или алкоксидов металлов образуются золи оксидов и гидроксидов металлов, которые характеризуются большим избытком энергии. Благодаря избыточной энергии в таких системах происходит агрегирование золей, сопровождающееся образованием геля. В результате получаются наноструктуры с размером до 100 нм.

В последнее время для синтеза нанокластеров с узким распределением частиц по размерам стали использовать микроэмульсионные системы (прямые и обратные мицел - лы) Т Таким путем были получены многие кластеры металлов с размерами от 1 до 10 нм.

Твердотельные кластеры

Твердотельные кластеры формируются в результате разнообразных превращений твердой фазы: в ходе химических реакций в твердой фазе, в процессе перехода из аморфной фазы в кристаллическую, в ходе механохимических превращений и т.д. Многие химические реакции в твердом теле, например реакции термического разложения солей и комплексов металлов, сопровождаются образованием зародышей металлов или оксидов металлов и последующим их ростом за счет спекания. Размер образующихся при этом нанокластеров изменяется в чрезвычайно широком диапазоне: от одного до сотен нанометров.

Для получения нанокластеров из аморфных сплавов используют кристаллизацию. Условия кристаллизации поддерживаются таковыми, чтобы создать как можно больше центров кристаллизации, при этом скорость роста нанокластеров должна быть медленной.

Твердотельные нанокластеры могут быть получены и в результате фотохимических реакций, например, с участием галогенидов серебра. В этих реакциях также происходит сначала образование зародышей, а затем их укрупнение, сопровождающееся образованием нанокластеров с размерами от десятков до сотен нанометров.

Помимо химических реакций в твердом теле для получения твердотельных кластеров можно использовать механохимические превращения. Так, при механическом измельчении массивного твердого тела можно получить нанокластеры, размер которых не превышает несколько нанометров. При этом за счет активации вновь создаваемой поверхности могут возникать новые нанокластерные соединения, отличные от первоначальных.

Еще один способ получения твердотельных нанокластеров состоит в наноструктурировании материала под действием давления со сдвигом. За счет увеличения давления до 5 ГПа и сдвига до 1000° удается получать нанокластеры с размерами зерен, достигающими нескольких нанометров, и со свойствами, резко отличающимися от свойств исходного материала. Нанокластеры образуются также при иных способах пластической деформации.

Матричные кластеры

Методы получения нанокластеров с использованием различного рода неорганических и органических матриц и матричной изоляции приобрели самостоятельное значение, хотя они могут включать элементы газофазного, твердотельного и других методов. Дело в том, что нанокластеры, полученные с использованием матриц, отличаются от кластеров, образующихся, например, в твердотельных химических реакциях, тем, что они могут быть изолированы друг от друга матрицей, поэтому нагревание всей наносистемы не приводит к увеличению размера кластера за счет спекания. Оригинальность данного подхода состоит в возможности ограничения дисперсии нанокластеров по размерам и направленного изменения межкластерных взаимодействий. Так, для получения газофазных кластеров металлов используют метод микрокапсулирования нанокластеров в инертных газах при низкой температуре.

Часто кластеры и кластерные системы получают в результате проведения химических реакций в растворе с последующим осаждением образующихся соединений в порах твердых веществ. Нанокластеры и наносистемы образуются также при пропитывании пористых матриц растворами и проведении химических реакций в поре, как в микро- или нанореакторе. Таким путем синтезируют, например, кластеры металлов и оксидов металлов в цеолитах, при этом размер кластера определяется размером ячеек цеолитов (1 -2 нм). В этом случае алюмосиликаты способствуют формированию организованных кластерных структур.

Широкие возможности для варьирования размера и состава кластеров открываются при использовании неорганических и органических сорбентов (например, силикагелей и алюмогелей, ионообменных смол и полисорбов). В этом случае изменение размеров кластеров и их организации происходит как за счет изменения размера пор, так и за счет варьирования гидрофильности (или гидрофобности) поверхности, концентрации исходных компонентов, температуры и т.д.

Нанопленки

Для нанокластеров, образующихся в нанопленках, характерен иной механизм зарождения и роста, отличный от механизма образования твердотельных кластеров, поскольку их синтез связан с химией поверхности (с формированием двумерных структур). Для получения эпитаксиальных нанопленок на ориентированной кристаллической поверхности используют лазерное испарение и молекулярные пучки.

В последнее время для нанесения нанокластерных нанопленок на поверхность стал широко применяться CVD - метод. По этому методу исходные вещества сначала испаряют, затем переносят их через газовую фазу и осаждают в нужной пропорции на выбранную подложку.

Для создания контролируемых по составу и толщине молекулярных слоев используют метод молекулярного наслаивания, суть которого состоит в организации поверхностных химических реакций с пространственным и временным разделением. Таким путем были получены нанопленки, содержащие от одного до десяти монослоев.

Развиваемая в последнее время технология синтеза пленок Ленгмюра-Блоджетт позволяет вводить в формирующуюся на поверхности воды пленку из поверхностноактивных веществ (ПАВ) ионы металлов и их комплексы и получать на их основе нанокластеры. Такой подход позволяет формировать пленки Ленгмюра-Блоджетт с упорядоченным монослоем кластеров, а затем наносить их с помощью специальной техники на твердую подложку. Эту процедуру можно повторять, формируя тем самым многослойные пленки и сверхструктуры.

2. Свойства изолированных нанокластеров

Кластеры занимают промежуточное положение между отдельными молекулами и макротелами. Поэтому свойства единичного изолированного кластера можно сравнивать как со свойствами отдельных атомов и молекул, так и со свойствами массивного твердого тела.

Понятие «изолированный кластер» весьма абстрактно, поскольку практически невозможно получить кластер, не взаимодействующий с окружающей средой. Кроме того, при изучении свойств изолированных кластеров необходимо учитывать их взаимодействие с измерительным прибором, которое может менять свойства кластера в процессе измерения. Особенно это относится к контактным способам измерения (например, с использованием туннельного микроскопа). Однако эти изменения не велики, и в настоящем обзоре такие взаимодействия рассматриваться не будут. Учитывая, что молекулярные кластеры металлов, ван-дер - ваальсовы кластеры благородных газов и воды, газофазные кластеры металлов и фуллерены обладают слабыми межкластерными взаимодействиями, их можно условно рассматривать как изолированные кластеры.

В настоящем разделе мы рассмотрим структуру, атомную динамику, электронные, оптические и магнитные свойства изолированных кластеров.

Газовые безлигандные кластеры

Безлигандные кластеры не имеют лигандной оболочки, влияющей на свойства поверхностных атомов ядра, этим они отличаются от молекулярных кластеров. Безлигандные кластеры были получены почти для всех элементов Периодической системы. Можно выделить несколько групп безли - гандных кластеров, обладающих характерными свойствами: кластеры щелочных металлов, углеродные кластеры, кластеры инертных газов и ван-дер-ваальсовы кластеры

Кластеры щелочных металлов

Свойства кластеров щелочных металлов хорошо описываются с помощью модели желе или, что то же самое, капельной оболочечной модели. Согласно этой модели, кластер рассматривают в виде двух подсистем: объединенных в ядро положительно заряженных ионов и делокализованных х-электронов, которые могут образовывать оболочки, подобные электронным оболочкам в атоме. Заполнение электронной оболочки в атоме происходит при числах электронов пе = 2,8,18,20, 34,40 ит. д., что соответствует заполнению 1х, 1 р, 1d, 2х, 1/, 2 р и т.д. оболочек. Количество атомов металла в кластере, соответствующее количеству электронов в заполненных оболочках, называют «магическим» числом. «Электронные магические» числа t отвечают наиболее устойчивым электронным конфигурациям кластеров с заполненными оболочками. Они были обнаружены экспериментально при определении величины ионизационного потенциала и сродства к электрону.

Кластеры переходных металлов

В этом разделе основное внимание уделено стабильности и реакционной способности кластеров переходных металлов и их магнитным свойствам. Ранее отмечалось, что стабильность и реакционная способность кластеров обусловлены двумя рядами «магических» чисел, один из которых связан с геометрическим фактором (плотной упаковкой), как у лигандных кластеров металлов, а другой - с электронным оболочечным строением, как у кластеров щелочных металлов. Свойства большинства безлигандных кластеров переходных металлов определяются как электронной, так и геометрической структурой. Кроме того, для безлигандных кластеров переходных металлов особое значение приобретает способность атомов металлов находиться в разных окислительных состояниях, поэтому их свойства не могут характеризоваться простой оболочечной моделью, как свойства кластеров щелочных металлов. Исключение составляют атомы Си, Ag и Au, у которых f-оболочка заполнена и сжата, так что в связывании участвуют только х-электроны.

Одна из основных характеристик нанокластеров металлов - энергия ионизации. Согласно капельной модели, она должна возрастать с уменьшением размера кластера по закону 1/R. Однако рассчитанная с использованием этой модели энергия ионизации кластеров Fe», Сои и Nb» оказалась существенно ниже величины, полученной в эксперименте. Кроме того, для малых кластеров с п <25 наблюдалась нерегулярность в изменении энергии ионизации от размера: энергия ионизации для кластеров с четным числом атомов больше, чем с нечетным. Отклонение от капельной модели указывает на различие в формирующейся в процессе изменения п (четное или нечетное) электронной полосы.

Ван-дер-ваальсовые кластеры инертных газов и других малых молекул

Свойства кластеров, образуемых атомами инертных газов, обусловлены слабыми ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями. Стабильность таких кластеров, как и стабильность молекулярных лигандных кластеров металлов, связана с «магическими» числами, характеризующими геометрическую плотнейшую упаковку. Кластеры инертных газов с п = 3 имеют форму треугольника, с п = 4 - тетраэдра, с п = 7 - пентагональной пирамиды, а начиная с п = 13 у кластеров возникает икосаэдрическая геометрия. Следующие икосаэдры образуются при п = 55, 147, 309, 561 и т.д., т.е. при п, равных «магическим» числам. Для кластеров с п > 800 выгодной становится гранецентрированная кубическая упаковка.

Для кластеров инертных газов изучались эффекты, связанные с фотопоглощением, флуоресценцией, порогами фотоионизации и фотофрагментации, а также с образованием и релаксацией экситонов. Для возбуждения флуоресценции использовали синхротронное излучение.

Для кластеров криптона исследовали экситонные переходы. Были изучены самые разнообразные кластеры Кгп, а также атомарный Кг и его массивный образец (рис. 5).Атомный спектр Кг (рис. 5, а) содержит две узкие линии, обусловленные переходом 4p6 -» 4p 5 5s (спин-орбитальное расщепление). В спектрах кластеров Кгп (рис. 5, Ь -е) появляются линии, отвечающие экситонным переходам. При возбуждении электрона на атоме Кг появляется положительный заряд (дырка). Электрон и дырка образуют серию водородоподобных состояний, которые и проявляются в спектрах флуоресценции в виде уширения, сдвига и дополнительных линий.

Кроме различий в спектрах атомов, кластеров и массивных тел, наблюдались также спектральные различия для атомов на поверхности и внутри кластера. Так, в спектрах кластеров XemAr» (п = 1000) обнаружены линии, отвечающие атомам Xe, находящимся на поверхности внутри кластеров Агп, а также встроенным в каркас из атомов Ar.

В заряженных кластерах инертных газов заряд не делокализуется по всему кластеру, как, например, в кластере NaJ, а локализуется на небольшом структурном фрагменте (на димере, тримере или тетрамере), при этом остальной кластер остается нейтральным, как, например, в (ArJ) Ar «_x (х = 3, 4).

Извеетны также ван-дер-ваальсовы кластеры, построенные из молекул Н20, С02, SF6 и СбНб, епоеобных образовывать елабые ван-дер-ваальеовы поляризационные или водородные евязи. Так, для клаетеров (С02)», (SF6)n и (С6Н6)п энергия ван-дер-ваальеовых евязей меньше 0.1 эВ, для (HF)», (Н20)» и (СН30Н)3 - меньше 0.3 эВ.96 Клаетеры е небольшим чиелом молекул п <5 могут иметь кольцевую етруктуру. Малые клаетеры е 5 < п ^ 20 имеют нееиммет - ричную етруктуру за ечет приеоединения к кольцевому фрагменту боковых цепей, при этом клаетер выглядит как фрагмент аморфной или жидкой етруктуры. Эта тенденция еохраняетея до тех пор, пока размер клаетера не доетигает п = 20. Поеле этого наблюдаетея переход к упорядоченным етруктурам, характерным для крупных клаетеров. Структура молекулярных клаетеров характеризуетея быетрыми дина - мичеекими переходами между различными конформациями. Изменение ширины и положения полое в ИК-епектрах таких клаетеров евидетельетвует об изменении чиела молекул в них.

Особый интерее предетавляют клаетеры воды, из которых еоетоит жидкая вода и лед. Они также учаетвуют в формировании облаков и дождей. Прогреее в облаети лазерной епектроекопии и методов молекулярной динамики позволил определить ряд евойетв клаетеров воды, обуело - вленных их динамичеекой етруктурой. Была получена информация о геометричеекой етруктуре и туннелировании водородных евязей в три-, тетра-, пента- и гекеамерах воды. Вычиеления предеказывают плоекую етруктуру для три-, тетра- и пентамеров воды и объемную етруктуру для гептамера и клаетеров больших размеров. Оптимальная конфигурация характеризуетея макеимальным чиелом водородных евязей и минимальными геометричеекими напряжениями. Данные ИК-епектроекопии подтверждают эти предеказания. Для три-, тетра- и пентамеров были найдены чаетоты 206, 304 и 658 см-1 еоответетвенно, отвечающие барьерам переетройки конфигурации водородных евязей. Клаетеры воды образуютея также при гидратации газовых и коллоидных кластеров, в чаетноети, при гидратации макромолекул и белков.

Коллоидные кластеры

Коллоидные клаетеры образуютея в раетворах в результате химичееких реакций и имеют размеры в пределах от 1 до 100 нм. Они могут длительное время еущеетвовать в жидкой фазе, не оеаждаяеь и не коагулируя, благодаря елабым меж - клаетерным взаимодейетвиям, зарядовому отталкиванию и паееивации поверхноети. По отношению к жидкой ереде коллоидные клаетеры могут быть разделены на две группы: лиофильные (гидрофильные) и лиофобные (гидрофобные).

Лиофильные клаетеры могут еорбировать на евоей поверхноети молекулы окружающей ереды и образовывать е ними прочные еольватные комплекеы. Клаетеры этого типа окружены жидкой оболочкой, которая чаетично еохраняетея и при коагуляции отдельных клаетеров, и при переходе их в гелевую наноеиетему. Наиболее типичными предетавите - лями гидрофильных клаетеров являютея океиды кремния, железа и других металлов.

Лиофобные клаетеры не адеорбируют на евоей поверх - ноети молекулы раетворителя. Однако их поверхноеть можно модифицировать ионами из раетвора, при этом она приобретет положительный или отрицательный заряд. В разделе III.1 раеематривалиеь етруктура и евойетва гигантеких клаетеров Pd, которые по епоеобу приготовления и размерам (1.4-2.0 нм) могут быть отнееены к коллоидным клаетерам.

Обычно коллоидные клаетеры металлов для предотвращения елипания паееивируют различными лигандами. В ка - чеетве таких лигандов могут выетупать, например, тиолы, трифенилфоефин и его производные, фенантролин. Были получены коллоидные клаетеры таких полупроводников, как СdS, СdSe, СdTe, Sn02, ТЮ2, Fe203, M0S2, S, InAs, GaP, GaAs, BiI3 и др.

Слабое межклаетерное взаимодейетвие в раетворах коллоидных клаетеров позволяет иееледовать их индивидуальные евойетва. Наиболее впечатляющие оптичеекие евойетва, приеущие коллоидным клаетерам, - едвиг чаетоты поглощения и изменение еилы оециллятора при изменении размера клаетера. С уменьшением размера наноклаетера полоеы, отвечающие электронному возбуждению, едвигаютея в облаеть выеоких энергий и еила оецилляторов концентри - руетея на неекольких переходах. Эти эффекты евязаны е переходом от полоеного епектра, отвечающего переходам между зонами проводимоети и валентной зоной маееивного образца, к линейчатому епектру клаетера. Имеютея также данные о том, что е уменьшением размера клаетера еокра - щаетея время жизни возбужденных еоетояний.

3. Кластерные наносистемы и наноструктуры

В этом разделе будут обсуждены принципы и подходы к формированию наносистем из кластеров, из отдельных кластеров и матриц, а также из массивного материала. Будут рассмотрены такие свойства наноструктур, как внутрикластерная атомная динамика, межкластерная динамика, а также структурно-механические, электропроводящие, оптические и магнитные свойства.

Формирование наноструктур. Организация и самоорганизация

Организация и самоорганизация нанокластеров в наноструктуры представляет важную задачу, решение которой позволит приблизиться к созданию материалов нового поколения с уникальными свойствами. Свойства этих материалов можно менять двумя путями: за счет изменения размеров нанокластеров и за счет изменения межкластерных взаимодействий. Организация наноструктуры из нанокластеров происходит по тем же законам, что и формирование кристаллов из атомов, однако у кластеров имеется одно существенное отличие от атомов - у них существует реальная поверхность и реальные межкластерные границы.§ Поэтому формирование наносистем из нанокластеров сопровождается возникновением большого количества дефектов и напряжений, что приводит к кардинальному изменению свойств наносистемы.

Наноструктуры и наносистемы могут быть сформированы из кластеров любых типов. Однако прежде чем приступить к рассмотрению процессов формирования наносистем из твердотельных и матричных кластеров необходимо вначале рассмотреть процессы первичной кластерной нуклеации, так как свойства и структура таких кластеров существенно зависят от их взаимодействий с матрицей.

Рассмотрим образование наносистем из твердотельных нанокластеров на примере термического разложения солей железа. Процесс разложения солей железа при температуре выше некоторой критической (или пороговой) начинается с формирования подвижной активной реакционной среды, в которой происходит зарождение нанокластеров оксидов железа.119 При этом процесс формирования кластеровЭти же границы возникают и при измельчении массивного образца, например, с помощью мельницы или пластической деформации.

Коллоидные наносистемы

Наноструктуры, полученные из коллоидных растворов и золей с применением золь-гель-технологии, можно использовать в проводящих системах, в оптике и катализе. Весьма перспективны системы, состоящие из алкоголятов циркония, титана или алюминия (Zr (OPr»)4, Ti (OBu»)4, Al (OPr»)3) и комплексов железа или кобальта.140 На их основе были получены нанокластерные системы-катализаторы на носителях, например, FeO/ZrO2, FeO/TiO2, FeO/Al2O3. Размер кластеров варьировали путем изменения концентрации компонентов и температуры прогрева. Однако из полученных с помощью золь-гель-технологии кластеров нельзя создавать организованные наноструктуры вследствие большого разброса нанокластеров по размерам. Более перспективен способ организации наноструктур из кластеров, полученных с применением прямых и обратных мицелл. Такие кластеры отличаются узким распределением по размерам.

Поскольку обратные микроэмульсии обладают большой подвижностью и большой поверхностью раздела между фазами, они могут служить универсальной средой для проведения многих химических синтезов, в том числе для получения кластеров металлов, сульфидов металлов и др. В микроэмульсионной среде из-за броуновского движения капли постоянно сталкиваются, коалесцируют и разрушаются вновь, что приводит к непрерывному обмену их содержимым.

Организация фуллеренов, фуллеридов, фуллереноподобных структур и нанотрубок

Фуллерены являются весьма удобным строительным материалом для формирования наноструктур, поскольку они обладают идеальной монодисперсностью и сферической формой. Организация и самоорганизация коллоидных и газофазных фуллеренов в наноструктуры (фуллериды) осуществляется путем прогрева, прессования и т.д. В водном растворе звездообразные гексаанионные производные Ce0[(CH2)4S03] g образуют сферические агрегаты, включающие четыре молекулы.148 Форма, размер и структура агрегатов исследовались с помощью малоуглового рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей. Была обнаружена удивительная стабильность таких агрегатов: их объем и форма не зависели от концентрации фуллеренов и от межагрегатного взаимодействия.

Более крупные агрегаты были сформированы из коллоидных растворов фуллерена Сб0 в бензонитриле при концентрациях Сб0 более 100 мкмоль л-1 (при меньшей концентрации Сб0 в растворе присутствуют только отдельные молекулы фуллерена).149 В этом случае средний размер агрегата достигал ~250 нм. Эти агрегаты, представляющие собой динамичную систему, зафиксированы с помощью пикосекундного фотолиза. В бензоле и декалине подобные агрегаты не образуются вплоть до концентраций 500 мкмоль л-1. По-видимому, на формирование агрегатов влияют полярность растворителя и симметрия молекул, объединяющихся в агрегаты. Так, несимметричная молекула С70 не образует агрегатов ни в полярном бензонитриле, ни в неполярных бензоле и декалине.

Значительный интерес представляет получение и исследование нанокристаллов фторидов фуллеренов C60FX, C60F36, C60F48.84-150-151 Найдено, что при комнатной температуре кристаллы C60F36 имеют ОЦК-решетку, а C60F48 - объемноцентрированную тетрагональную. Данные высокотемпературной (Г = 353 К) рентгеновской дифракции in situ свидетельствуют о фазовом переходе в нанокристалле C60F48: решетка из объемноцентрированной тетрагональной превращается в гранецентрированную кубическую.

Нанопленки

Нанопленки представляют собой двумерные структуры. Cуществуют многочисленные приемы нанесения или выращивания пленок на металлических, оксидных, халькогенид - ных и других подложках. Наиболее распространенным способом получения организованных пленок является нанесение из газовой фазы атомов или молекул на поверхность монокристалла и создание на их основе эпитаксиальных или поликристаллических атомных или молекулярных слоев.

Значительные успехи достигнуты в синтезе пленок из фуллеренов на подложках из различных материалов - металлов,155-156 полупроводников,157 159 слоистых материалов,160-161 изоляторов162 и др. Однако до сих пор не решен вопрос о том, что влияет на тип формирующейся структуры (гранецентрированной, гексагональной или плотноупакованной). Можно лишь сделать выводы, что слабое взаимодействие молекул фуллерена с подложкой способствует формированию упорядоченного слоя из молекул C60, в то время как сильная хемосорбция молекул С60 на поверхности подложки приводит к формированию дезорганизованной, неупорядоченной структуры. В работе163 изучено строение тонкой пленки из молекул фуллерена, образующейся на поверхности графита. C помощью компьютерного моделирования было показано, что пленка C60, нанесенная на графит, имеет гексагональную структуру.

Пленки на поверхности подложки могут иметь также неравномерную, островковую организацию. Формирование пленок из газофазных кластеров на подложке зависит от времени, температуры и скорости их осаждения. Конечное состояние пленки определяется средним размером островков-кластеров и их плотностью: при этом чем больше размер островков, тем меньше их плотность.

Известно, что при низких температурах скорость атомной диффузии мала, поэтому формируются небольшие по размеру кластеры с большой плотностью. Эти же рассуждения можно перенести и на случай формирования пленок из кластеров. В работе164 рассмотрены особенности формирования наноструктур из кластеров сурьмы на аморфной поверхности угля в зависимости от числа атомов Sb в кластере (п = 4-2200). (Кластеры сурьмы получали конденсацией паров сурьмы в гелиевой ячейке, охлажденной жидким азотом.) Зависимость среднего размера (N) кластерных островковых структур от среднего размера (n) первичного кластера сурьмы проходит через минимум при п = 350 ± 50. Этот эффект авторы объясняют сужением распределения островковых структур по размерам по мере приближения размера кластера к оптимальному (п = 350 ± 50). C увеличением размера первичного кластера сурьмы скорость его диффузии на поверхности подложки уменьшается, а следовательно, уменьшается и вероятность коалесценции первичных кластеров в островковую наноструктуру. Каждый большой первичный кластер (от п > 400 до п = 2200 к N) адсорбируется на поверхности и сохраняется на ней в неизменном виде при некоторых значениях плотности первичного пучка. Из малых кластеров с п < 350 за счет больших скоростей диффузии удается создавать островковые структуры с большими N (>3000).

Одним из эффективных способов формирования нанопленок из кластеров является их осаждение из плазмы, а также химическое и физическое осаждение из газовой фазы (CVD и PVD).8-165 При осаждении из плазмы толщина пленки и размер кристаллитов в ней регулируются изменением давления газа и параметров разряда. Авторы работ166-167 получили пленки хрома на подложке из меди со средним размером кластеров-кристаллитов ~20 нм. Увеличение толщины пленки до 500 нм привело к ее кристаллизации. Ионоплазменное осаждение нитрида и карбида титана также приводит к формированию нанокристаллических пленок.165 Магнетронное распыление исходных веществ позволяет снизить температуру подложки на 100-200°С, что расширяет возможности получения нанопленок. Таким путем были получены №3А1-пленки с размером кристаллитов 20 нм.168

Получение нанопленок из коллоидных растворов было рассмотрено в предыдущем разделе на примере формирования наноструктур на основе сульфида серебра.21 Авторы

работы отмечают, что уже в пределах монослоя наблюдается гексагональная организация кластеров (3-5 нм). В целом для получения организованных нанопленок из коллоидных растворов необходимо иметь монодисперсные нанокластеры, которые за счет слабых межкластерных ван - дер-ваальсовых взаимодействий самоорганизуются в пленку.

В последние годы разработана технология, позволяющая формировать пленки на поверхности жидкости (пленки Ленгмюра-Блоджетт), а затем переносить их на поверхность твердого тела. Данный метод позволяет получать сверхрешетки и нанометровые слои органических молекул с заданным порядком чередования слоев.

Организация нанопленок методами химической сборки и молекулярного наслаивания описана в работе. В синтезе высокоорганизованных структур заданного состава методом химической сборки основную роль играют химические процессы, протекающие между функциональными группами, находящимися на поверхности твердого тела (подложки), и адсорбирующимися молекулами заданного состава. Таким способом наносят, например, организованные слои из кластеров оксидов металлов.

Свойства нанокластерных систем

Как уже отмечалось, изолированные нанокластеры обладают уникальными свойствами, связанными с нанометровым диапазоном их размеров. Однако в большинстве случаев нанокластеры находятся во взаимодействии друг с другом, что не только может привести к количественному изменению их свойств, но и вызвать возникновение новых свойств. Организация и самоорганизация кластеров в нанокластерные системы приводит к изменению многих свойств кластеров. Наиболее яркие свойства наносистем, такие как структурные фазовые переходы (в частности, в сегнетоэлект - риках и фуллеренах), оптические, электрические и магнитные (гигантское магнетосопротивление, квантовое магнитное туннелирование, магнитные фазовые переходы), связаны с атомной и кластерной динамикой.

При этом целесообразно рассмотреть как внутрикластерную атомную динамику, так и межкластерную динамику в наносистеме, где кластер движется, как единое целое.

Оптические и электрические свойства нанокластерных систем

Особые оптические и электрические свойства возникают у нанокластерных систем благодаря эффектам, связанным с ограничением длины свободного пробега электрона (квантовые ограничения) и с появлением дискретных энергетических полос в валентной зоне и зоне проводимости, что меняет правила отбора для оптических переходов. Возможно создание одноэлектронных нанокластерных систем, в которых по мере уменьшения размера кластера растет число дискретных энергетических полос и увеличивается энергия перехода электрона с одного электронного уровня на другой согласно формуле е 2 /2с (с да d). Эта энергия может стать больше кинетической энергии электрона (кТ ) и стимулировать туннельные переходы. Создание таких систем открывает новые возможности для получения выпрямительных устройств, диодов и т.д.

Магнитные свойства

На магнитные свойства нанокластерных систем влияют как размерные эффекты, так и межкластерные взаимодействия и кластерная организация. К числу наиболее известных и изученных явлений относится суперпарамагнетизм - изменение направления магнитного момента кластера как целого за счет тепловых флуктуаций без потери магнитного упорядочения. Образование магнитных доменов в кластерных системах зависит как от индивидуальных свойств кластеров (магнитной анизотропии), так и от межкластерных взаимодействий. Поэтому процессы намагничивания в таких системах сильно зависят от дефектности структуры кластеров и от межфазных границ.

Представляют также интерес эффекты магнитного квантового туннелирования и гигантского магнетосопротивле - ния. К новым эффектам следует отнести магнитные фазовые переходы первого рода в нанокластерах и нанокластерных системах, когда магнитное упорядочение и намагниченность исчезают скачком при повышении температуры или уменьшении размера кластера.

Эффекты гигантского магнетосопротивления. Эффект гигантского магнетосопротивления (ГМС) у кластеров заключается в огромном уменьшении сопротивления кластерного материала при помещении его в магнитное поле (на 1000%), в то время как магнетосопротивление массивного образца изменяется незначительно (например, сопротивление пермаллоя 80% Ni-20% Fe возрастает в магнитном поле на 3%). Эффекты ГМС наблюдали при изучении магнитных свойств различных металлических и оксидных наносистем, причем механизмы возникновения ГМС у нанокристаллических металлов и оксидов металлов различны.

Магнитные нанокластеры получают растворением одного металла (например, Fe или Со) в матрице другого (проводящего) металла (например, Си или Ag), причем эти два компонента должны плохо растворяться друг в друге. В наносистеме, состоящей из проводящей металлической матрицы и магнитных кластеров, происходит рассеяние электронов проводимости металлической матрицы на магнитных моментах кластеров. При наложении магнитного поля на образец направление магнитных моментов кластеров изменяется, что приводит к изменению их взаимодействия с электронами проводимости металлической матрицы, т.е. к изменению проводимости. Величина эффекта ГМС будет определяться соотношением между длиной свободного пробега электрона (I ) и расстоянием между соседними магнитными кластерами, которое зависит от концентрации растворенного металла. При большой длине свободного пробега электрон претерпевает многочисленные акты рассеяния прежде, чем он вступит во взаимодействие с магнитным кластером (при этом направление магнитного момента кластера не влияет на электронное рассеяние, и ГМС отсутствует). Если же длина свободного пробега достаточно мала, магнитные кластеры могут участвовать в перколляционных процессах матрицы и сильно взаимодействовать друг с другом, что также приводит к исчезновению ГМС.

Для системы, состоящей из кластеров Со, растворенных в матрице Ag (см.251), изменение концентрации Со от 10 до 50% сопровождается значительным изменением электрического сопротивления кластеров в магнитном поле. Максимальный эффект наблюдается при концентрации Со ~ 20%, что связывают с оптимальным размером кластеров Со в матрице Ag. Эффект ГМС возрастает при понижении температуры.

Заключение

Необычные свойства наноразмерных кластерных систем уже в течение многих лет привлекают внимание исследователей, и интерес к этим системам не ослабевает. В последнее время был достигнут значительный прогресс в изучении нанокластеров и нанокластерных систем. Это связано с тем, что современный уровень эксперимента позволяет не только получать отдельные нанокластерные частицы, но и исследовать их свойства.

Перечислим основные успехи, достигнутые в области создания новых нанокластерных систем:

разработаны методы получения монодисперсных нанокластеров, позволяющие получать упорядоченные наносистемы;

найдены способы регулирования кластерных размеров, межкластерных взаимодействий и напряжений, позволяющие формировать и изменять свойства наносистем;

предложены способы стабилизации нанокластерных систем путем пассивации изолированных кластеров;

предложены методы создания упорядоченных слоев и сверхрешеток с помощью пленочной и матричной репликации, а также введением спейсеров.

Дальнейший прогресс в области нанокластерной химии будет состоять в синтезе новых наноструктур, в создании и развитии теоретических и экспериментальных подходов к изучению механических, упругих, тепловых, электронных, оптических и магнитных свойств нанокластеров и наносистем. При этом необходимо придерживаться последовательности нанокластер - наносистема - наноустройство.

Полученные на основе молекулярных кластеров, фуллеренов и коллоидных кластеров упорядоченные системы и кластерные нанокристаллы могут быть использованы в нанотехнологии для создания одноэлектронных устройств, оптических выключателей и нелинейных систем, лазерных устройств с перестраиваемой за счет размера кластера длиной волны, квантовых магнетиков.

На основе фуллеренов могут быть получены одномерные проволоки, выпрямители, диоды, электролюминесцентные источники света, холодные катоды и плоские дисплеи.

Появилась возможность за счет варьирования механических свойств получать сверхпластичные материалы.

Создание упорядоченных нанослоев и сверхрешеток открывает путь к получению одноэлектронных устройств, голографических изображений, сверхплотной магнитной записи.

Литература

1. И.П. Суздалев, П.И. Суздалев Нанокластеры и нанокластерные системы. Организация, взаимодействие, свойства/ И.П. Суздалев, П.И. Суздалев // Успехи химии. - 2001. - Т. 70, №3. - С. 203 -240.

Похожие работы на - Нанокластеры и нанокластерныесистемы: организация, взаимодействие, свойства

Спектры поглощения металлических нанокластеров характеризуются интенсивной широкой полосой, которая отсутствует у массивных материалов. Эта полоса связана с коллективным возбуждением электронов проводимости (появлением квазичастиц-поверхностных плазмонов ).

Коллоидные растворы и гранулированные пленки интенсивно окрашиваются из-за оптических свойств наночастиц. Разбавленные коллоидные растворы благородных, щелочных и редкоземельных металлов образуют цветовую гамму от красного до синего цветов. Гранулированные пленки золота из частиц размером 4 нм имеют максимум поглощения в диапазоне 560-600 нм (красный цвет). Гранулированные пленки из металла уменьшают поглощение света при переходе из видимого света в инфракрасный диапазон, а массивные металлы, наоборот, увеличивают поглощение с ростом длины волны.

Плазмонный эффект состоит в резонансном поглощении нанокластером падающего электромагнитного излучения.

Мнимая часть диэлектрической проницаемости ансамбля 10 10 -10 13 наночастиц (дисперсия) обратно пропорциональна радиусу наночастицы

Где -мнимая часть диэлектрической проницаемости макрокристалла, -некоторая функция частоты.

От размера частиц зависит ширина полосы поглощения и форма её низкочастотного края.

Эксперименты и расчеты показывают, что сдвиг частоты резонанса для нанокластеров металла в основном определяется диэлектрической проницаемостью матрицы (окружения нанокластера). Если варьировать межкластерное взаимодействие и диэлектрическую проницаемость можно формировать наноматериалы с измененной длиной волны плазмонного поглощения и цвета наноструктуры. Туннельное прохождение электрона через барьер между нанокластерами в коллоидном растворе может использоваться при создании новых наноматериалов.

Металлические нанокластеры в оптических стеклах

Цветное витражное стекло средневековых соборов, содержит наноразмерные металлические частицы. Размер наночастиц золота влияет на оптический спектр поглощения кварцевого стекла (окиси кремния ) в видимом диапазоне. Спектры поглощения металлических нанокластеров характеризуются интенсивной широкой полосой, которая отсутствует у массивных материалов.

При очень высоких частотах электроны проводимости в металлах ведут себя как плазма –электрически нейтральный ионизированный газ. В плазме твердого тела отрицательные заряды –электроны, положительные заряды-ионы решетки. Если кластеры имеют размеры меньше длины волны падающего света, и не взаимодействуют друг с другом, то электромагнитная волна вызывает колебания электронной плазмы приводящее к её поглощению. При совпадении собственной частоты колебаний электронов и частоты внешнего электрического поля волны возникает резонансное поглощение металлическим нанокластером падающего электромагнитного излучения. Коллективное движение электронов описывается как газ квазичастиц плазмонов обладающих энергией ( -собственная частота плазмонов).

Для вычисления зависимости коэффициента поглощения от длины волны используют классическую теорию рассеяния Ми. Коэффициент поглощения маленькой сферической частицы металла. находящейся в непоглощающей среде Пул139 +

Где -концентрация сфер объемом , , - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости сфер, -показатель преломления непоглощающей среды, -длина волны падающего света.

Профиль линии поглощения в области резонанса имеет лоренцову форму. Для нанокластеров размером много меньше длины волны резонансная частота определяется формулой

Где -плотность электронов, -электрическая постоянная СИ, -масса элнктрона, -действительная часть диэлектрической проницаемости среды -компонента связанная с межзонными переходами в нанокластере.

Другим важным для технологии свойством композитных металлизированных стекол является оптическая нелинейность - зависимость показателей преломления от интенсивности падающего света .

Нелинейные оптические эффекты можно использовать при создании оптических ключей, которые станут основными элементами фотонного компьютера.

Нелинейность характеризуется поляризацией под действием напряженности электрического поля световой волны

Где -диэлектрическая постоянная среды.

В наноматериалах, включающие нанокластеры золота и серебра, плазмонный резонанс возникает при совпадении частот излучения лазера с частотой колебания свободных электронов в нанокластерах металлов. Это ведет к локализации возбуждения в нанокластерах и к резкому усилению локального поля, которое генерируется первичным излучением лазера с напряженностью более . Полимерный нанокомпозит на основе диацетиленового мономера включающий кластеры золота с размерами около 2 нм содержащий 7-16 % металла позволял увеличивать в 200 раз оптическую поляризуемость третьего порядка . На основе такого нелинейного оптического материала можно создавать электронно-оптические преобразователи со значительным усилением.

Кроме электроники одной из важнейших областей применения нанокластеров является медицина, прежде всего диагностика. Характерное свойство нанокристаллов полупроводников - интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определенной частотой - оказалось незаменимым при диагностировании раковых опухолей. Поскольку при росте опухоли создаются дополнительные кровеносные сосуды и система этих сосудов очень пористая и разветвленная, нанокристаллики накапливаются в основном в них, и люминесцентное излучение пораженных участков существенно сильнее, чем здоровых. Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Другой путь - активный - использует нанокластеры, химически связанные с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. В этом случае нанокластеры активно накапливаются именно в опухоли, фиксируя ее местоположение.

Для создания таких нанокластеров обычно используются соединения атомов элементов II и VI групп таблицы Менделеева (условно такую молекулу определяют общей формулой AnBVI) или атомов элементов III и V групп (AinBv). Можно управлять формой квантовых точек, получать наностержни и более сложные фигуры.

Для анализа биологических объектов обычно используются органические флюоресцирующие вещества. Флюоресцентные полупроводниковые нанокристаллы по ряду свойств оказались лучше. У них большая яркость и узкое распределение по частотам излучения. Так, свечение кластеров селенида кадмия (CdS), защищенных моноатомным слоем селенида цинка ZnS, в 20 раз ярче, чем свечение органических красителей-люминофоров, а стабильность во времени выше в 100-300 раз. С их помощью можно длительное Время наблюдать процессы в биологической системе.

Важно, что частота излучения квантовой точки зависит от ее размеров. При этом возбуждать квантовые Точки можно одним и тем же источником света. Размерами кластеров можно управлять в процессе их получения с помощью температурного режима или времени роста.

Например, кластеры селенида кадмия размером от 8 до 6 нм излучают в диапазоне, начиная от видимого голубого до инфракрасного. При этом возбуждать квантовые точки можно одним и тем же источником света, в частности ртутной лампой.

Разработан метод лечения с использованием магнитного поля, действие которого вызывает достаточно сильный разогрев активных нанокластеров, и связанные с ними раковые клетки погибают без вреда для клеток здоровых.

Кроме медицины и электроники, нанокластеры получили широкое промышленное применение в произ­водстве принципиально новых материалов и покрытий, в парфюмерии.

Особый интерес представляет применение в парфюмерии и медицине наночастиц серебра и золота . Причиной этого является химическая инертность благородных металлов в массивных образцах и вместе с, тем особенности их участия в обмене веществ в живом организме.

В течение многих веков золото и серебро использовались для лечения и профилактики болезней. В Индии примерно три тысячи лет назад применяли золотосодержащие эссенции из масел и растительных экстрактов. В Древней Греции смесью золотого порошка и чес­нока лечили грипп. Ко дворам королей Польши и Пруссии поставляли «Солнечный эликсир», содержащий лекарственное золото. Серебряная посуда и приборы традиционно рассматривались как защита от кишечных заболеваний. В XX в. коллоидное золото использовали для лечения многих воспалительных процессов.

Нанокластеры из оксида цинка имеют уникальное свойство поглощать электромагнитное излучение в широкой области частот - от радиочастот до ультрафиолета. Их можно использовать в солнцезащитных кремах, очках и для создания «невидимых» покрытий.

Для нанотехнологии в целом характерно использование «достижений» живой природы, сформировавшихся за миллионы лет эволюции.

Лист лотоса, покрытый «микрокочками» (рис. 2.8), послужил образцом для создания самоочищающегося стекла: капли воды больше таких «нанопупырышков» и остаются лежать на них, не растекаясь по стеклу и не смачивая его. Внешне стекло остается прозрачным. Такое покрытие может быть также использовано в микроустройствах для уменьшения трения.

Форма некоторых нанокластеров удивительно напоминает цветы, деревья, шишки (рис. 2.9, 2.10), что подтверждает единство процессов самоорганизации в неживой и живой природе.

Для получения нанокластеров и материалов на их основе используются разнообразные физические, химические и физико-химические методы.

Лекция : Магнитные кластеры и нанослои

Природа магнетизма

Магнитные кластеры представляют особый интерес в связи с развитием наноэлектроники. Исследование магнитных кластеров, переходной ступеньки от атомов к макроскопическому телу, позволяет понять, как формируются его магнитные свойства из магнитных свойств отдельных атомов.

Магнитные явления в веществе имеют квантовую природу. Если бы в природе не было квантовых явлений, не существовало бы магнетизма во всех его проявлениях. Последствия этого трудно себе представить в полной мере.

У электронов есть особая квантовая характеристика - спин , определяющая его механический и магнитный момент и принимающая значения +1/2 и -1/2. Спины электронов в атоме складываются и определяют суммарный магнитный момент, который может оказаться как нулевым, так и отличным от нуля.

Суммарным магнитным моментом обладают также ядра атомов, образованные протонами и нейтронами.

Другой элементарный магнитный момент связано круговым движением электрона вокруг ядра. Он возникает аналогично магнитному моменту замкнутого контура по которому течет ток. На первый взгляд природу этого магнитного момента можно объяснить в рамках классической физики. Однако следует вспомнить, что само по себе устойчивое движение электронов вокруг ядра - эффект квантовый.

Рис. 3.1. Изменение ориентации атомных магнитных моментов парамагнетика под действием магнитного поля: а - магнитные моменты в отсутствие магнитного поля; б, в - система магнитных моментов в присутствии магнитного поля (в соответствует более высокой температуре)

В макроскопических телах магнитные свойства отдельных атомов проявляются сложным образом, они не просто складываются.

Внешнее магнитное поле с магнитной индукцией стремится упорядочить элементарные магнитики - магнитные поля атомов или электронов - в твердом теле, выстроить их по полю так, чтобы энергия системы была наименьшей. Если бы не было теплового движения, то все элементарные магнитики были бы ориентированы по полю (рис. 3.1, а ) и суммарный магнитный момент был бы максимально возможным и равным

где μ- элементарный магнитный момент одного магнитика, N - количество магнитиков, равное числу атомов.

Одинаково из-за беспорядочного (теплового) движения атомов магнитики имеют дополнительную кинетическую энергию, способствующую их перемешиванию. Таким образом, некоторые магнитики оказываются ориентированы против поля (рис. 3.1, б, в ). Они имеют большую потенциальную энергию, чем выстроившиеся по полю, подобно тому, как поднятый над землей камень имеет большую энергию, чем камень, лежащий на земле. Разность (N + - N_) числа магнитиков, ориентированных по и против поля, определяет степень намагниченности вещества. Суммарный магнитный момент равен

Поскольку N + >N_(всегда), то суммарный магнитный момент направлен по полю, и такое явление называют парамагнетизмом .

Очевидно, что чем выше температура тела, тем интенсивнее тепловое движение, разрушающее порядок построения магнитиков по полю, больше N_ и меньше результативная намагниченность (см. рис. 3.1, б, в ).

Магнитные моменты, связанные с движением электронов вокруг ядра, - орбитальные моменты - проявляют себя во внешнем поле иначе. Возникает эффект, аналогичный электромагнитной индукции при внесении кругового тока в магнитное поле. Индуцированный магнитный момент всегда направлен против поля, и твердое тело демонстрирует суммарную намагниченность с моментом, направленным против внешнего магнитного поля и не зависящим от температуры. Это явление называют диамагнетизмом .

Самым сложным образом ведут себя элементарные магнитные моменты в некоторых твердых телах, в которых возникает магнитная упорядоченность без внешнего магнитного поля. За счет особого внутреннего обменного взаимодействия, также описываемого только квантовой физикой, соседние магнитики могут ориентироваться в одну сторону, как в ферромагнетике (рис. 3.2, а ), или в противоположную, как в антиферромагнетике и ферримагнетике (рис. 3.2, б, в ). В двух последних случаях соседние противоположно направленные магнитные моменты компенсируют друг друга целиком или частично. Их взаимодействие заменяет внешнее магнитное поле, и процесс самоорганизации аналогичен самоорганизации атомов в кристалле. Только самоорганизация атомов в кристалле приводит к позиционной упорядоченности, а самоорганизация магнитных моментов - к ориентационной.

Упорядоченность магнитных моментов за счет внутреннего поля также разрушается тепловым движением. При некоторой температуре, которую называют температурой Кюри (Т к ), порядок полностью разрушается. При температурах выше Т к упорядоченность может возникать только за счет внешнего поля, твердое тело при этом является парамагнетиком.

В реальном макроскопическом кристалле из соображений минимальности общей энергии магнитная структура распадается на отдельные области, домены , в каждом из которых направление магнитиков одинаково. При помещении кристалла во внешнее магнитное моле границы доменов смещаются. На рисунке 3 цветной вклейки приведены фотографии магнитных доменов, полученных с помощью магнитного сканирующего микроскопа. Наличие доменной структуры осложняет проявление магнитных свойств, делает их менее прогнозируемыми.

Одним из старейших примеров использования нанотехнологии является цветное витражное стекло средневековых соборов, представляющее собой прозрачное те­ло с включениями в виде наноразмерных металлических частиц. Стекла, содержа­щие небольшое количество диспергированных нанокластеров, демонстрируют разнообразие необычных оптических свойств с широкими возможностями приме нения. Длина волны максимального оптического поглощения, в существен­ной степени определяющая цвет стек­ла, зависит от размера и типа металли­ческих частиц. На рис. 8.17 показан пример влияния размера наночастиц золота на оптический спектр поглоще­ния SiO 2 -стекла в видимом диапазоне. Эти данные подтверждают смещение пика оптического поглощения к более коротким длинам волн при уменьше­нии размеров наночастиц с 80 до 20 нм. Такой спектр вызывается плазменным поглощением в металлических наночастицах. При очень высоких частотах электроны проводимости в металле ве­дут себя как плазма, то есть электриче­ски нейтральный ионизированный газ, в котором отрицательными зарядами являются подвижные электроны, а по­ложительный заряд остается на непо­движных атомах решетки. Если кластеры имеют размеры меньше длины волны падающего света и хорошо рассеяны, так что могут рассматриваться как невзаи­модействующие друг с другом, то электромагнитная волна вызывает колебания электронной плазмы, приводящие к ее поглощению. Для вычисления зависимос­ти коэффициента поглощения от длины волны можно использовать теорию, раз­витую Майем (Mie). Коэффициент поглощения αмаленькой сферической части­цы металла, находящейся в непоглощающей среде, задается как

где N s - концентрация сфер объемом V, ε 1 и ε 2 - действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости сфер, п 0 - показатель преломления непоглоща­ющей среды и λ - длина волны падающего света.

Другим важным для технологии свойством композитных металлизированных стекол является оптическая нелинейность, то есть зависимость показателей пре­ломления от интенсивности падающего света. Такие стекла имеют существенную восприимчивость третьего порядка, что приводит к следующему виду зависимо­сти показателя преломления п от интенсивности падающего света I:

n=n 0 +n 2 I (8.9)

Когда размеры частиц уменьшаются до 10 нм, начинают играть важную роль эффекты квантовой локализации, из­меняющие оптические характеристики материала.

Самый старый метод получения композитных металлизированных сте­кол состоит в добавлении металличес­ких частиц к расплаву. Однако при этом сложно управлять свойствами стекла, зависящими от степени агреги-рованности частиц. Поэтому были раз­работаны более управляемые процес­сы, такие как ионная имплантация. Стекло обрабатывается ионным пуч­ком, состоящим из атомов имплантируемого металла с энергиями от 10 кэВ до 10 МэВ. Для внедрения металличес­ких частиц в стекло используется также ионный обмен. На рис. 8.18 показана экспериментальная установка для вве­дения частиц серебра в стекло путем ионного обмена. Одновалентные при-поверхностные атомы, например, натрий, присутствующий в приповерх-ностных слоях во всех стеклах, замеща­ется другими ионами, например сереб­ром. Для этого стеклянная основа по­мещается в расплав соли, находящийся между электродами, к которым приложено напряжение указанной на рис. 8.18 полярности. Ионы натрия в стекле диффундируют к отрицательному электроду, а серебро диффундирует из серебросодержащего электролита на поверхность стекла.

Пористый кремний

При электрохимическом травлении кремниевой пластины образуются поры. На рис. 8.19 показано изображение плоскости (100) кремния, полученное на ска­нирующем туннельном микроскопе после травления. Видны поры (темные обла­сти) микронных размеров. Такой материал называют пористым кремнием (PoSi). Меняя условия обработки, можно добиться нанометровых размеров таких пор. Интерес к исследованиям пористого кремния возрос в 1990 году, когда была обнаружена его флюоресценция при комнатной температуре. Люминесценцией на­зывается поглощение энергии веществом с последующим ее переизлучением в видимом или близком к видимому диапазоне. Если эмиссия происходит за вре­мя менее 10 -8 с, процесс называется флюоресценцией, а если наблюдается за­держка переизлучения, то - фосфоресценцией. Обычный (не пористый) крем­ний обладает слабой флюоресценцией между 0,96 и 1,20 эВ, то есть на энергиях, близких к ширине запрещенной зоны, составляющей при комнатной температу­ре 1,125 эВ. Такая флюоресценция в кремнии является следствием переходов эле­ктронов через запрещенную зону. Однако, как можно видеть на рис. 8.20, порис­тый кремний демонстрирует сильную индуцируемую светом люминесценцию с энергиями заметно больше 1,4 эВ при температуре 300 К. Положение пика в эмиссионном спектре определяется временем травления образца. Это открытие получило большой резонанс из-за возможности использования фотоактивного кремния в хорошо отработанных технологиях с целью создания новых дисплеев или оптоэлектронных пар. Кремний - самая распространенная основа транзис­торов, являющихся переключателями в компьютерах.

На рис. 8.21 показан один из способов травления кремния. Образец помеща­ют на металлическое, например, алюминиевое дно контейнера, стенки которого сделаны из полиэтилена или тефлона, не реагирующих с плавиковой кислотой (HF), которая используется в качестве травителя.

Между платиновым электродом и кремниевой пластиной подается напряжение, причем кремний выступает поло­жительным электродом. Параметрами, влияющими на характеристики пор, явля­ются концентрация HF в электролите, сила тока, присутствие поверхностно-ак­тивных веществ и полярность приложенного напряжения. Атомы кремния имеют четыре валентных электрона и образуют связи в кристалле с четырьмя ближайши­ми соседями. Если заменить один из них атомом фосфора, имеющим пять валент­ных электронов, то четыре его электрона будут участвовать в образовании связей с четырьмя ближайшими атомами кремния, оставляя один электрон не связанным и способным участвовать в переносе заряда, внося вклад в проводимость. Это со­здает в запрещенной зоне уровни, лежащие близко к дну зоны проводимости. Кремний с примесью такого рода называется полупроводником n-типа. Если атом примеси - алюминий, имеющий три валентных электрона, то для образования че­тырех связей с ближайшими атомами одного электрона не хватает. Структура, воз­никающая в таком случае, называется дыркой. Дырки тоже могут участвовать в пе­реносе заряда и увеличивать проводимость. Кремний, легированный таким обра­зом, называется полупроводником р-типа. Оказывается, что размер пор, образующихся в кремнии, зависит от того, какого он типа, n- или р-. При травле­нии кремния р-типа образуется очень тонкая сеть пор с размерами менее 10 нм.

Для объяснения происхождения люминесценции пористого кремния было предложено множество теорий, основанных на разных гипотезах, в которых учиты­вались следующие факторы: присутствие оксидов на поверхности пор; влияние со­стояния дефектов поверхности; образование квантовых проволок, квантовых точек и обусловленная ими квантовая локализация; поверхностные состояния квантовых точек. Пористый кремний также демонстрирует электролюминесценцию, при ко­торой свечение вызывается небольшим напряжением, приложенным к образцу, и катодолюминесценцию, вызываемую бомбардирующими образец электронами.