12.13. Термолиз
Наночастицы могут также образовываться в результате разложения при высокой температуре твердых веществ, содержащих катионы металлов, молекулярные ионы или металлоорганические соединении. Такой процесс называется термолизом. Для этого используется установка, показанная на рис. 12.18.
Рис. 12.18. Схема установки для термолиза
Вещество (например, кластер LiN3) помещается в откачанную кварцевую трубку и нагревается до 400оС. При температуре ~370oC азид лития начинает разлагаться с выделением газообразного N2 , что можно определить по увеличению давления в вакуумированном пространстве. Далее, после дополнительной откачки, N2 полностью удаляется. Оставшиеся атомы лития объединяются в коллоидные металлические частицы. Указанным методом можно получить частицы с размерами около 5 нм. Кроме того, с помощью такой установки можно также пассивировать частицы, вводя в камеру соответствующий газ.
Наличие наночастиц можно детектировать методами электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) электронов проводимости металлических частиц. Методом ЭПР измеряют поглощение энергии микроволнового излучения, которое происходит вследствие индуцируемых переходов между спиновыми состояниями ms, расщепленных постоянным магнитным полем. В результате получаются спектры, подобные изображенным на рис. 12.19.
Рис. 12.19. Пример ЭПР-спектров наночастиц при разной температуре
По сдвигу g-фактора и ширине линии спектра можно оценить размер частиц.
Обычно производная ЭПР-сигнала весьма симметрична, однако в случае наночастиц (точнее электронов проводимости) релаксационные явления делают сигнал сильно асимметричным. Степень асимметрии определяется малостью размеров наночастиц.
12.14. Импульсные лазерные методы
Широкое применение в технике получения нанопорошков получили импульсные лазерные методы. Для получения, например, наночастиц серебра используется следующая установка:
Рис. 12.20. Схема установки для лазерного метода получения наночастиц
Раствор нитрата серебра и восстановителя протекает через смеситель, представляющий собой диск, вращающийся в растворе. Нитрат серебра реагирует с восстановителем в горячих областях с образованием наночастиц серебра, выделяемых впоследствии из раствора в центрифуге. На размер частицы можно влиять энергией лазерного луча и скоростью вращения диска. Описанный метод обладает выходом продукта ~2-3 г/мин.
В данной главе было приведено множество примеров, демонстрирующих зависимость физических, химических и электронных свойств наночастиц от количества, размеров и типов атомов, составляющих нанокластеры. В некоторых случаях наночастицы демонстрируют новые свойства, отсутствующие у того же материала в массивном состоянии, например магнетизм кластеров, состоящий из немагнитных атомов. Помимо постановки задач перед учеными, связанных с объяснениями причин такого поведения наночастиц, эти особенности имеют огромный потенциал для использования на практике, позволяя создавать материалы нового класса – а именно, материалы, конструируемые на атомарном уровне.