УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХДЛИННЫХ НАНОЦЕПОЧЕК

Полезная модель относится к области методов формирования агломератов наночастиц.
В последние годы активно расширяется интерес к методикам формирования одномерных цепочек из наночастиц всех видов неорганических материалов - металлических, полупроводниковых и диэлектрических. Это обусловлено, с одной стороны, перспективами извлечения из многосторонних исследований этих нанообъектов качественно новых знаний о структурах и свойствах конденсированных сред. С другой стороны, цепочки из наночастиц демонстрируют привлекательные функциональные характеристики для биосенсорики, химического катализа, опто- и микроэлектроники, детектирования ионизирующих излучений и преобразования их в электроэнергию. С точки зрения методического подхода процессы формирования цепочек из наночастиц можно разделить на два вида: с участием шаблонов (например, в виде полимерных молекул или неорганических подложек со специально приготовленной наноморфологией) и в свободном состоянии - на основе использования межчастичных взаимодействий или с приложением внешних электрического и магнитного полей. В большинстве случаев формирование цепочек из наночастиц происходит с помощью органических связующих, стабилизаторов и упомянутых выше шаблонов.
Но для ряда важных практических применений формирование цепочек из наночастиц без участия полимерных шаблонов и связующих имеет особое значение - например, для работы в условиях повышенных температур или высокого радиационного фона, т.к. органические материалы в таких условиях быстро деградируют. С другой стороны, для практических применений приципиально важное значение имеет увеличение длины цепочек из наночастиц, т.к. это способно радикально улучшить их функциональные характеристики. Например, в случае биосенсоров или радиационных детекторов получаемые от наноцепочек сигналы возрастают, пропорционально как минимум первой степени их длины, приводя к увеличению отношения «сигнал-шум» и соответствующему усилению чувствительности. Предметом данной заявки является устройство формирования сверхдлинных цепочек наночастиц без использования органических материалов на основе сочетания процессов плазменного и лазерного плавления и испарения металлов в атмосферах регулируемого состава. Практические испытания макетного вариантов заявляемого устройства показали, что при определенных сочетаниях перечисленных выше воздействий возможно получение непрерывных цепочек из наночастиц длиной до 60 см. Поиски прототипов заявляемого устройства в доступной нам литературе показали, что максимальная длина непрерывных цепочек, формируемых из наночастиц, достигала 1 см в случае формирования цепочек из коллоидного раствора наночастиц кобальта с приложением внешнего магнитного поля. (G. Cheng, D. Romero, G.T. Fraser, and A.R. Hight Walker. «Magnetic-field-induced assemblies of cobalt nanoparticles», Langmuir, the American Chemical Society Journal of Surface and Colloids. Langmuir. 2005, Vol. 21, Number 26, pp. 12055-12059). Описанная в данной публикации методика приготовления цепочек из наночастиц кобальта длиной до 1 см была принята нами за прототип, т.к. в других литературных источниках длины наноцепочек были значительно меньше. В соответствии с этой методикой первоначально проводился химический жидкофазный синтез наночастиц кобальта со средним диаметром 15 нм. Затем осадок из указанных наночастиц смешивался посредством ультразвукового воздействия с толуолом, образуя коллоидный раствор. После чего емкость с указанным раствором прикладывалась боковой стенкой к постоянному магниту с величиной поля 500 эрстед. Под действием этого поля у стенки в перпендикулярном ей направлении формировались цепочки из наночастиц кобальта длиной до 1 см и шириной в несколько микрон. После удаления магнита указанные цепочки самопроизвольно распадались, образуя трехмерные агломераты наночастиц.
Описанная в прототипе методика формирования длинных наноцепочек имеет, по меньшей мере, три недостатка: 1) Такого рода цепочки можно формировать по описанной методике только из магнитных наночастиц; 2) одномерные цепочки из наночастиц кобальта сохраняют свою одномерность только в присутствии внешнего поля, а после его удаления цепочка преобразуется в трехмерный агломерат; 3) необходимость присутствия жидкости при формировании наноцепочек значительно сужает как возможности варьировать их химический состав, так и диапазоны вариантов их исследования и практического использования.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель состоит в радикальном расширении возможностей регулирования условий формирования наночастиц и непрерывных цепочек из них посредством 1) замены среды формирования наночастиц и цепочек с жидкой на газообразную; 2) широкого диапазона варьирования химического состава и давления газообразной среды, в которой формируются указанные выше наноструктуры; 3) сочетанием стационарного однородного разогрева исходных металлических заготовок плазмой факельного разряда от высокочастотного генератора с локальным сфокусированным воздействием на поверхность исходного металла непрерывным или импульсным лазерным излучением, приводящим к требуемой скорости испарения металла и соответствующей плотности потока пара; 4) применением в качестве камеры для создания перечисленных выше регулируемых условий формирования наноструктур специального сосуда из профилированного сапфира, сочетающего в себе оптическую прозрачность для фокусирования на испаряемый металл лазерного излучения и непосредственного наблюдения за процессом формирования наноструктур, высокой теплопроводностью и термостойкостью для поддержания надежно управляемых условий их формирования.
Технический результат на достижение которого направлено решение достигается за счет того, что в качестве источников внешних воздействий используются высокочастотный генератор факельного разряда, лазер, создающий на подвергаемом обработке исходном образце непрерывное или импульсное оптическое воздействие, и система подвода газовой смеси, создающая в сосуде газовую среду с регулируемыми параметрами.
Экспериментальные исследования макетной установки с использованием перечисленных выше факторов показали, что при достижении достаточной скорости локального испарения металла и определенном составе и давлении газовой среды происходит существенное уплотнение потока пара с формированием наноцепочек большой длины. Схема устройства формирования сверхдлинных наноцепочек, сочетающего перечисленные выше факторы воздействия на процессы формирования, показана на Фиг. 1:
1. Сборник наноструктур, позволяющий механически зафиксировать получаемые наноцепочки в контролируемой атмосфере для проведения с ними последующих действий.
2. Тугоплавкий электрод от высокочастотного электрогенератора, обеспечивающий воздействие плазмы факельного разряда на расплавляемый и испаряемый металл.
3. Тигель с раплавляемым и испаряемым металлом.
4. Внешняя камера из термостойкого и оптически прозрачного материала, позволяющего непосредственно наблюдать за процессом формирования наноструктур.
5. Стержень из исходного металла, подаваемый в зону расплавления и испарения.
6. Линза для фокусировки непрерывного или импульсного лазерного излучения на поверхности расплавляемого- испаряемого металла.
7. Патрубок подвода газовой смеси для создания в камере газовой среды с регулируемым составом и давлением.
Устройство, представленное на схеме, работает следующим образом. В сосуде 4 с помощью системы газового питания 7 создается газовая среда с заданными составом и давлением. От высокочастотного генератора (на схеме не показан) на электрод 2 подается электрическое воздействие, которое при достаточном сближении обрабатываемого металла 5 с электродом 2 вызывает зажигание факельного разряда. В результате происходящего в разряде энерговыделения металл 5 частично плавится и стекает в тигель 3. На поверхность расплавленного металла через расположенную на стенке сосуда 4 линзу 6 подается непрерывное или импульсное лазерное излучение, которое вызывает испарение металла. Скорость испарения и характеристики потока пара регулируются управлением мощностью высокочастотного генератора, интенсивностью и степенью фокусировки лазерного излучения, составом и давлением газовой среды. При определенном сочетании указанных параметров происходит конденсация потока пара с формированием цепочек наночастиц, которые конвекцией газа увлекаются вверх и собираются в сборнике цепочек 1. Процесс испарения металла и формирования из пара наноструктур контролируется визуально через прозрачные стенки сосуда 4.
В качестве подтверждения работоспособности заявляемого устройства на Фиг. 2 показано фото сверхдлинных цепочек из наночастиц оксида молибдена, полученных посредством плавления и испарения молибдена факельным разрядом от высокочастотного генератора. На Фиг. 3 с разными степенями увеличения показаны электронно-микроскопические снимки одной из этих наноцепочек (а и б).