Газофазный синтез наночастиц

Отдельные наночастицы в газофазном синтезе получают в процессе испарения и последующей конденсации материала в среде инертного газа.

На этапе испарения может применяться нагрев испаряемого материала резистивными нагревателями, токами высокой частоты, электродуговым разрядом, лазерным или электронным пучком, прямым пропусканием тока.

Конденсация образовавшегося пара возникает при его столкновении с молекулами инертного газа, со стенками реакционной камеры, а также за счет адиабатического расширения при попадании в камеру большого объема или использования сопла Лаваля.

Газофазный синтез позволяет получать частицы размером от 2 до нескольких сот нанометров.

Форма нанокластеров при размере менее 20 нм близка к сферической, при больших размерах приобретает огранку.

Распределение нанокластеров по размерам подчиняется логарифмически нормальному закону.

Для сбора получаемых порошков используют специальные фильтры и центробежное осаждение; в некоторых случаях применяется улавливание жидкой плёнкой.

Размер и расположение области конденсации зависит от давления инертного газа в камере. При большом давлении область конденсации сосредоточена вблизи испарителя, при уменьшении давления внешняя граница находится за пределами реакционной камеры.

Использование молекул более тяжелых инертных газов приводит к увеличению нанокластеров.

При образовании внутри объема камеры формируются нанокластеры округлой формы, а на стенках, как правило, нанокластеры с огранкой. При одинаковых условиях испарения и конденсации материалы, имеющие более высокую температуру плавления, образуют частицы меньшего размера.

Если в камере находится более одного элемента, то возможно синтезировать соединения, причем придавать частицам различную форму.

Одна из установок для левитационноструйного, газофазного синтеза (рис.1) представляет собой колонну, в верхней части которой происходит испарение с поверхности жидкой капли на конце проволоки.

Рис. 1. Левитационноструйная установка для получения высокодисперсных металлических порошков: 1 — испаритель, 2 — капля, 3 индуктор, 4 — аэрозоль, 5 — холодильник, 6 — фильтр, 7 — контейнер, 8 —насос, 9 — механизм подачи проволоки

Левитация.gif

Плавление проволоки достигается высокочастотным электромагнитным полем индуктора. Распыленный материал увлекается потоком инертного газа в среднюю часть колонны, являющуюся реакционной камерой. Сталкиваясь с молекулами инертного газа, а также со стенками камеры, испарившиеся атомы тормозятся с образованием нанокластеров. Увеличение скорости газового потока уменьшает средний размер частиц и сужает распределение частиц по размеру. Нанокластеры, пройдя фильтр, собираются в контейнере. На установке получают порошки металлов и сплавов с размером от 5 до 200 нм.