ГОУ ВПО "Хакасский государственный университет им. Н. Ф. Катанова"
Лаборатория "НАНОФИЗИКА"

Развитие теории производства металлических наночастиц методом синтеза из высокотемпературной газовой фазы

Цель проекта: оптимизация условий синтеза нанодисперсных порошков металлов (Ni, Cu), образующихся в процессе конденсации из высокотемпературной газовой фазы, при испарении исходных веществ сфокусированным пучком ускоренных электронов в различных атмосферах с целью производства наночастиц фиксированного размера и структуры. Производится детальный компьютерный анализ различных аспектов процесса формирования нанокластеров данных металлов. Результаты моделирования будут использованы для экспериментальной отработки оптимальных режимов получения нанопорошков в зависимости от мощности электронного пучка, расходов газов и исходных веществ.

Описание проекта: конденсация из газовой фазы играет важную роль при промышленном производстве различных наноматериалов. С использованием такого рода синтеза теоретически возможно создание наночастиц с контролируемым химическим составом [1], степенью дефектности, внутренней структурой и фиксированным распределением по размеру [2]. Является несомненным то, что производство наночастиц с заранее определенным размером, видом и структурой может стать еще одним важным шагом в направлении более полного технического их применения. Но подготовка кластеров определенной величины и формы является трудной технической задачей. Производство макроскопического количества (несколько миллиграмм) кластеров заданного размера является не тривиальным делом, решенным только для нескольких сортов наночастиц. Примером могут служить С60 кластеры или другие фуллерены, а также некоторые кластеры золота, например Au55 получаемые химическим путем. В отличие от благородных металлов синтез наночастиц Ni и Cu химическими методами представляется все же довольно затруднительным [3]. Поэтому развитие индустриально остро востребованных технологий производства нанокластеров требует подробного изучения систем нанометрового диапазона и, в особенности, поведения и самоорганизации свободных кластеров. Отметим, что металлические наночастицы уже широко используются в самых различных областях нанотехнологий: от катализа [4, 5] до наноэлектронных устройств [6] и накопителей энергии. Однако техническое применение кластеров предъявляет очень серьезные требования к размеру частиц, их внешнему виду, внутреннему строению и степени дефектности. Хорошо известно, что именно размер частиц, их вид и кристаллическая структура определяют физические и химические свойства составленных из них объемных материалов. Частицы никеля представляют особый интерес для исследования благодаря своим электронным, ферромагнитным и каталитическим свойствам [7]. Применение нанокристаллических материалов в качестве катализаторов оправдано в первую очередь наличием большой величины поверхности, благодаря чему имеется значительное число атомов с пониженным координационным числом. Именно эти атомы могут стать центрами различных химических реакций. В результате наличия большого числа таких активных центров нанокатализаторы имеют существенные преимущества по активности реакций, селективности, времени длительности и выходу готовой продукции по отношению к традиционным объемным катализаторам.


Эволюция системы из 8000 атомов Ni от стадии горячего газа единичных атомов до стадии конденсированных наночастиц.

В последнее время развитие получает аэрозольный катализ с использованием свободных наночастиц никеля, синтезированных при конденсации из газовой среды [5, 8]. В этом случае каталитическая активность возрастает более чем в 50 раз по сравнению с аналогичными наночастицами на подложке [8]. В [8] так же показано, что каталитическая активность частиц Ni в газовой среде в реакциях образования метана CO + 3H 2 = CH4 + H2O приходится на 14 нм, в то время как для кластеров на SiO2 подложке максимум активности будет при D = 25 нм. Изменяя средний размер кластеров Ni можно контролировать скорость протекания данной химической реакции, имеющей огромный экологический и индустриальный эффект. Для производства наночастиц используется довольно много методик, но, к сожалению, приходится констатировать, что проблема подготовки кластеров с определенным размером, структурой и физическими свойствами технически все же не решена. Некоторые из методов промышленного производства наночастиц поддаются непосредственному компьютерному моделированию и, в частности, синтез нанокластеров из газовой фазы способом конденсации. Несмотря на принципиальную возможность, работ по компьютерному анализу такого синтеза известно очень мало, что связано со сложностью происходящих процессов [9]. Нами используется собственная методика компьютерной имитации процессов самоорганизации нанокластеров из высокотемпературной газовой среды (рис. 1), позволяющая с большой степенью достоверности прогнозировать возможные результаты синтеза [10,11].

[1]. T. Ohno // Journal of Nanoparticle Research 4, 255 (2002).
[2]. E. Kauffeldt and Th. Kauffeldt // Journal of Nanoparticle Research 8, 477 (2006).
[3]. Kan-Sen Chou and Kuo-Cheng Huang // Journal of Nanoparticle Research 3, 127 (2001).
[4]. A.P. Weber, P. Davoodi, M. Seipenbusch and G. Kasper // Journal of Nanoparticle Research 5, 293 (2003).
[5]. A.P. Weber, M. Seipenbusch, C. Thanner and G. Kasper // Journal of Nanoparticle Research 1, 253 (1999).
[6]. H. Fissan, M.K. Kennedy, T.J. Krinke and F.E. Kruis // Journal of Nanoparticle Research 5, 299 (2003).
[7]. K.P. Wang // Chin. J. Phys. 20, B.3-4, 63 (1982).
[8]. A.P. Weber, P. Davoodi, M. Seipenbusch and G. Kasper // Journal of Nanoparticle Research 8, 445 (2006).
[9]. В.М. Иевлев, Е.В. Шведов // ФТТ 48, В.1, 133 (2006).
[10]. R. Meyer, J.J. Gafner, S.L. Gafner et al. // Phase Transitions 78, №1-3, 35 (2005).
[11]. С.Л. Гафнер, Ю.Я. Гафнер // ЖЭТФ 134, В.4(10), 831-844. (2008)