РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА НАНОСТРУКТУР

Полезная модель относится к области нанотехнологий и предназначена для проведения автоматизированного синтеза наноструктур, которые могут быть использованы в биологии, медицине, гибкой электронике, криптозащите, фоточувствительных элементах, солнечной энергетике.
Известен реактор для синтеза наночастиц (заявка WO №2014153266 «Continuous flow reactor for the synthesis of nanoparticles», МПК B22F 9/16, опубл. 25.09.2014), который содержит блок дозирования прекурсоров и газа-носителя, блок смешивания и сегментирования потока прекурсоров газом-носителем, первой блок термостатирования прекурсоров, второй блок термостатирования прекурсоров и блок отбора наночастиц, связанные последовательно каналами для движения материалов.
В таком реакторе блок дозирования прекурсоров и газа-носителя состоит из насосов, выходы которых связаны с трубками, по которым происходит перемещение дозированных прекурсоров и газа-носителя в блок смешивания и сегментирования потока прекурсоров. Блок смешивания и сегментирования потока прекурсоров состоит из узла смешивания представляющего собой T или Y-образное соединение каналов и узла сегментирования, представляющего собой T-образное соединение каналов. Выходы насосов прекурсоров связаны с входами узла смешивания, выход которого связан с одним из входов узла сегментирования. Второй вход узла сегментирования связан с выходом насоса газа-носителя, а выход узла сегментирования связан с капилляром, по которому сегментированный поток смешанных прекурсоров поступает последовательно в первый и второй блоки термостатирования, которые организованы в виде масляной бани, путем размещения капилляра с сегментированным потоком смешанных прекурсоров в масляные бани каждого из блоков. Капилляр размещенный в масленой бане второго блока термостатирования формируется в виде спирали. В блоке отбора происходит отбор наночастиц в емкости хранения.
Такое техническое решение реактора позволяет получать наноструктуры только в виде наночастиц, при этом продолжительность работы реактора ограничена во времени, так как поток смешанных прекурсоров сегментируется газом, что приводит к тому, что при прохождении потока смешанных и сегментированных прекурсоров всегда присутствует их контакт со стенками капилляра, это приводит к загрязнению внутренних стенок капилляров и блокировке капилляра.
3
4
Известна установка для синтеза одномерных наноструктур (наностержней) (статья Wang J. Et al. Magnetic-Field-Induced Growth of Single-Crystalline FeO Nanowires // Advanced Materials. - 2004. - T. 16. - №. 2. - C. 137-140; статья He Z. et al. Magnetic-field-induced phase-selective synthesis of ferrosulfide microrods by a hydrothermal process: Microstructure control and magnetic properties // Advanced Functional Materials. - 2006. - T. 16. - №. 8. - C. 1105-1111), содержащая печь, в которую помещают автоклав, в нем размещена тефлоновая емкость с предварительно смешанными прекурсорами, причем эта емкость размещена внутри постоянного магнита, выполненного в форме полого цилиндра. При проведении синтеза с определенными режимами работы печи и автоклава происходит рост анизотропных структур наностержней в присутствии магнитного поля. Для этого используются магниты с магнитной индукцией 0,15 Тл, 0,25 Тл и 0,35 Тл.
Такая установка не позволяет наладить поточное массовое производство, так как ее техническое решение ограничивает объемы исходных прекурсоров и соответственно объемы получаемых растворов содержащих наностержни. Кроме того, проведение синтеза с использованием такой установки характеризуется повышенной опасностью, так как при резком изменении режима синтеза возможен взрыв автоклава.
Наиболее близким решением к совокупности существенных признаков к заявляемой полезной модели является реактор для синтеза наночастиц (статья Nightingale A.M. et al. A stable droplet reactor for high temperature nanocrystal synthesis // Lab on a Chip. - 2011. - T. 11. - №. 7. - C. 1221-1227.), который содержит блок дозирования прекурсоров и жидкости-носителя, блок смешивания и сегментирования потока прекурсоров жидкостью-носителем, первой блок термостатирования прекурсоров, второй блок термостатирования прекурсоров и блок отбора наночастиц, последовательно связанные каналами движения материалов. Блок дозирования состоит из двух насосов для подачи прекурсоров и насоса для подачи жидкости -носителя, выходы которых через трубки соединены с входами блока смешивания и сегментирования, выполненного в виде смесителя -тройника, выход которого соединен с политетрафторэтиленовым капилляром, часть которого размещена в масляной бане первого блока термостатирования, далее капилляр сформирован в спираль и размещен в масляной бане второго блока термостатирования, а выходящее из него окончание капилляра связано с блоком отбора синтезированных наноструктур. Разделение на два блока термостатирования обусловлены процессом синтеза, в первом блоке происходит нуклеация (зародышеобразование) при более высокой температуре, а во втором блоке термостатирования происходит рост наночастиц из зародышей при более низкой температуре. В блоке отбора происходит отбор наночастиц в емкости хранения. Использование жидкости-носителя для сегментирования потока смешанных прекурсоров приводит к отсутствию их контакта со стенками капилляра, что исключает загрязнение внутренних стенок капилляров и блокировку капилляра.
Однако техническое решение такой установки обеспечивает получение наночастиц (нульмерных наноструктур), но невозможен синтез наностержней, нанотрубок, нанопроводов (одномерных наноструктур).
Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель заключается в создании ректора для синтеза наноструктур, который позволяет достигать технический результат, заключающийся в обеспечении возможности получения наноструктур двух типов: наночастиц (нульмерных наноструктур) и наностержней (одномерных наноструктур).
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в реакторе для синтеза наноструктур, содержащем блок дозирования, блок смешивания и сегментирования, первый и второй блоки термостатирования (нуклеации и роста) и блок отбора наноструктур, соединенные с каналом движения материалов последовательно в указанном порядке, при этом блок дозирования состоит из двух насосов для подачи прекурсоров и насоса для подачи жидкости - носителя, выходы которых через трубки соединены с входами блока смешивания и сегментирования, выполненного в виде смесителя - тройника, выход которого соединен с политетрафторэтиленовым капилляром, часть которого размещена в масляной бане первого блока термостатирования, далее капилляр сформирован в спираль и размещен в масляной бане второго блока термостатирования, а выходящее из него окончание капилляра связано с блоком отбора синтезированных наноструктур, в масляной бане второго блока термостатирования размещен постоянный магнит с аксиальной намагниченностью в виде полого цилиндра, таким образом, что каждый из витков спирали капилляра проходит сквозь полый цилиндр постоянного магнита, при этом направление силовых линий магнитного поля постоянного магнита совпадает с направлением движения по капилляру.
Отличительной особенностью заявляемой полезной модели является то, что при таком конструктивном решении реактора, синтез проводят при воздействии магнитного поля в зоне роста. Для этого в конструкцию реактора введен постоянный магнит, размещенный во втором блоке термостатирования таким образом, что каждый из витков спирали капилляра проходит сквозь полый цилиндр постоянного магнита. Постоянный магнит в виде цилиндра с аксиальной намагниченностью, с отверстием по продольной оси достаточным для прохождения витков спирального контура капилляра, позволяет создать однородное магнитное поле для ориентированного роста наноструктур в виде наностержней. При разных режимах магнитного поля, а также при определенном подборе прекурсоров возможно получать как наночастицы, так и наностержни. Для получения наночастиц могут быть использованы прекурсоры из немагнитных материалов, вследствие этого магнитное поле во втором блоке термостатирования не будет воздействовать на них, и результатом синтеза будут наночастицы. Также наночастицы можно получить, используя прекурсоры из магнитных материалов (как минимум один из них из магнитных материалов), но для этого индуктивность магнитного поля постоянного магнита должна составлять (0-0,2) Тл. Для получения наностержней используют только прекурсоры из магнитных материалов (как минимум один из них из магнитных материалов) и индуктивность магнитного поля постоянного магнита должна быть больше 0,2 Тл, так как при приложении магнитного поля таких значений вдоль осей легкого намагничивания зародышей наноструктур наблюдается ориентированный рост вытянутых, так называемых одномерных наноструктур - наностержней.
На Фиг. 1 изображена принципиальная схема реактора для получения наноструктур.
Реактор для получения наноструктур содержит блок дозирования 1, блок смешивания и сегментирования 2, первый блок термостатирования 3, второй блок термостатирования 4, блок отбора 5. Перечисленные блоки соединены каналом движения материалов последовательно в указанном порядке. Блок дозирования 1 содержит насос 6 с раствором прекурсора A, насос 7 с раствором прекурсора B и насос 8 с жидкостью-носителем C, выходы которых через трубки связаны с блоком смешивания и сегментирования 2, выполненного в виде тройника-смесителя 9. Выход блок смешивания и сегментирования 2 связан с политетрафторэтиленовым (ПТФЭ) капилляром 10. Сегментированный поток смешанных прекурсоров поступает последовательно в первый блок термостатирования 3 и второй блок термостатирования 4, которые организованы в виде масляных бань 11 и 12. Часть капилляра 10 размещена в масляной бане 11. Далее в масленой бане 12 второго блока термостатирования 4 капилляр 10 сформирован в виде спирали 13, для увеличения продолжительности пребывания зародышей во втором блоке термостатирования 4. Каждый виток спирали проходит через отверстие цилиндрического постоянного магнита 14 с аксиальной намагниченностью. В блоке отбора 5 под давлением созданным насосами 6, 7, 8, синтезированные наноструктуры поступают из капилляра 10 в емкость для сбора 15.
Устройство работает следующим образом.
В блоке дозирования 1 два прекурсора A, B и одна жидкость-носитель C дозируются при помощи насосов 6, 7, 8 и перемещаются по трубкам в блок смешивания и сегментирования 2, где прекурсоры смешиваются, а жидкость-носитель сегментирует смешанные прекурсоры, так как она является несмешивающейся с прекурсорами. Поток сегментированных прекурсоров, выходя из блока смешивания и сегментирования 2, попадает в ПТФЭ капилляр 10 и движется под давлением создаваемым насосами в первый блок термостатирования 3, в котором происходит нагрев сегментированного потока до температуры нуклеации с помощью масляной бани 11, что приводит к образованию зародышей из сегментированного потока прекурсоров. Далее поток сформированных зародышей по капилляру 10, перемещается во второй блок термостатирования 4, где зародыши движутся по спирали 13, где попадают под воздействие температуры роста (масляная баня 12), и магнитного поля, сформированного постоянным магнитом 14. При приложении магнитного поля вдоль осей легкого намагничивания зародышей наноструктур наблюдается ориентированный рост вытянутых, так называемых одномерных наноструктур - наностержней. В блоке отбора 5, проводится отбор полученного наноматериала в емкости для хранения 15.
В качестве примера реализации можно привести следующую компоновку устройства.
В блоке дозирования 1 в качестве насосов 6, 7, 8 могут использоваться шприцевые насосы AITECS 2016, в качестве трубок соединяющих шприцевые насосы и блок смешивания и сегментирования 2 могут использоваться силиконовые капилляры с внутренним диаметром 1 мм и толщиной стенки 0,5 мм.
В блоке смешивания и сегментирования 2 тройник-смеситель 9 может быть организован, например следующим образом - две силиконовые трубки одними концами связаны с насосами 6 и 7, а к другим концам присоединены иглы от инсулиновых шприцов, которые пронизывают силиконовую трубку соединенную с насосом 8 с противоположных сторон и формируют угол 90° в центре между собой, образуя герметичное уплотнение вокруг них. Другой конец силиконовой трубки связанной с насосом 8 является выходом блока смешивания и сегментирования 2.
ПТФЭ капилляр имеет внутренний диаметр 0,8 мм, внешний диаметр 1,6 мм.
Блоки термостатирования 3 и 4 выполнены в виде масляных бань 11, 12, в качестве которых могут использоваться масляная баня - IKA HBR 4 digital.
В качестве постоянного магнита 14 может использоваться цилиндрический неодимовый магнит с аксиальной намагниченностью, внешний диаметр которого 2 см, длина 8 см, а диаметр внутреннего отверстия 1 см, величина магнитной индукции которого может составлять: 0,2 Тл, 0,25 Тл, 0,3 Тл, 0,35 Тл. В таком случае максимальное количество витков капилляра составляет 11 витков.
В блоке отбора 5 в качестве емкостей для хранения 15 могут быть использованы пробирки центрифужные из пропилена с герметично завинчивающейся крышкой, типа "Фалькон", объем которых может составлять 2, 10, 15, 50 мл.
Для металлических опор и креплений элементов установки может применяться анодированный алюминиевый профиль 6061 компании Maker Works Technology INC.
Управление режимами работы реактора, а именно скоростью работы насосов 6, 7, 8 и температурой масляных бань 11, 12, проводят, используя специальную программу для ЭВМ
К условиям, влияющим на формирование тех или иных наноструктур относиться: использование различных прекурсоров, а также величина магнитного поля, которая воздействует на поток зародышей во втором блоке термостатирования. Примеры вариаций прекурсоров и величин магнитного поля для получения как наночастиц (нульмерных наноструктур) так и наностержней (одномерных наноструктур) приведены в таблице.
Таким образом, заявляемый реактор обеспечивает возможность получения наноструктур двух типов: наночастиц (нульмерных наноструктур) и наностержней (одномерных наноструктур) и наладить безопасное поточное массовое производство таких структур.