УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОЛЛОИДНОГО РАСТВОРА НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦИНКА В ЧИСТЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ

МПК G01N15/00
Устройство для получения коллоидного раствора наночастиц оксида цинка в чистых растворителях методом лазерной абляции
Полезная модель относится к технологиям получения наночастиц оксида цинка в жидкости. Получаемые коллоидные растворы оксида цинка обладают особыми оптическими и антибактериальными свойствами и могут быть применены в биологических, химических и физических экспериментах, в медицине и фотокатализе.
Известна установка для лазерной абляции в жидкости (Liu B., Hu Zh., Murakami M., Che Y. Production of metal and metal-alloy nanoparticles with high repetition rate ultrafast pulsed laser ablation in liquids //US Patent # 8246714, 21.08.2012), в которой используется ИК лазерное излучение с длительностью импульса пико- и фемтосекунды и частотой повторения от 1 кГц и выше. Излучение заводится сверху через толщу раствора. Система предусматривает возможность прокачки раствора (проточная система) и сканирование излучения по поверхности мишени вращением зеркала или перемещением самой мишени. К недостаткам установки относится отсутствие контроля концентрации в процессе получения наночастиц.
2
2
Известна установка и способ получения оксидных наночастиц (Singh S.C., Gopal R. Synthesis of colloidal zinc oxide nanoparticles by pulsed laser ablation in aqueous media //Physica E. - 2008. - Vol.40. - P. 724-730; Singh S.C. Effect of oxygen injection on the size and compositional evolution of ZnO/Zn(OH) nanocomposite synthesized by pulsed laser ablation in distilled water //J Nanopart Res. - 2011. V. 13. - P.4143-4152.), на которой получали наночастицы оксида цинка при лазерной абляции мишени металлического цинка излучением 2-й гармоники Nd:YAG лазера. Излучение вводилось в реактор сверху, через границу раздела воздух/жидкость, в качестве жидкости использовался водный раствор додецилсульфата натрия, в область абляции через капилляр подавался газообразный кислород. При использовании ее для потокового синтеза наночастиц оксида цинка имеются следующие недостатки: ввод излучения сверху, что приводит к зависимости фокусировки от уровня жидкости, дефокусировке при движении поверхности жидкости, а так же загрязнению оптических элементов при разбрызгивании жидкости при абляции; отсутствие проточной системы и контроля концентрации в процессе абляции; использование дополнительных реактивов (додецилсульфата натрия) при синтезе. Кроме наночастиц оксида цинка, при синтезе в таких условиях получаются наночастицы гидрооксидов ZnOOH, Zn(OH).
2
2
2
Известен способ получения окисленных наночастиц цинка ZnO (патент US 20110303050 A1, опубл. 15.12.2011, МПК B22F9/16), когда дополнительное окисление достигается использованием перекиси водорода HO. В работе (He C., Sasaki T., Usui H., Shimizu Y., Koshizaki N. Fabrication of ZnO nanoparticles by pulsed laser ablation in aqueous media and pH-dependent particle size: An approach to study the mechanism of enhanced green photoluminescence //J. Photochemistry Photobiology A. - 2007. - V. 191. - P. 66-73.) получение окисленных частиц так же реализуется использованием химических реактивов. Использование дополнительных химических реагентов приводит к загрязнению коллоидного раствора, сужению области его применения.
Известно устройство для получения коллоидного раствора наночастиц в жидкости методом лазерной абляции (патент РФ №130402, опубл. 20.07.2013, МПК G01N15/00) состоящее из блока питания, лазера, оптической системы ввода излучения, проточной кюветы для абляции, мишени с возможностью сканирования по образцу, магнитной мешалки и анализатора концентрации частиц по пропусканию раствора, встроенного в систему обратной связи, выбранный в качестве прототипа. Данная система позволяет автоматизировать процесс получения коллоидного раствора наночастиц в заданном диапазоне концентрации. Эффективно управлять окислением наночастиц на ней можно только изменяя реакционную среду.
2
2
При использовании установок синтеза во всех рассмотренных источниках не достигается получение чистых дисперсий только наночастиц оксида цинка ZnO: при синтезе у частиц могут оставаться не окисленные металлические ядра частицы или образовываться гидрооксиды ZnOOH, Zn(OH) и переокисленные частицы ZnO.
Задачей настоящей полезной модели является разработка устройства для непрерывного (потокового) получения коллоидного раствора наночастиц ZnO в чистых растворителях без использования химических реагентов с заданной концентрацией частиц, автоматическим поддержание заданной концентрации, управляемым процессом окисления металлических наночастиц Zn до ZnO.
Поставленная задача решается тем, что устройство для получения коллоидного раствора наночастиц в жидкости методом лазерной абляции, состоящее из кюветы-реактора для абляции, мишени металлического цинка с возможностью сканирования излучением по поверхности образца, магнитной мешалки отличается от прототипа тем, что в систему добавлен резервуар для насыщения раствора наночастиц воздухом или кислородом для полного окисления исходно металлических частиц Zn до ZnO. Процесс окисления контролируется оптической системой измерения поглощения/пропускания.
Полезная модель поясняется чертежом, где представлено устройство непрерывного получения наночастиц метала в жидкости, где:
1 - резервуар с исходным раствором (вода), 2, 5, 7, 9, 15, 17 - циркуляционные насосы, 3 - падение лазерного излучения на образец, 4 - магнитная мешалка для получения однородного раствора в резервуаре, 6 - промежуточный резервуар, 8 - резервуар для насыщения коллоидного раствора воздухом,, 10 - резервуар с готовым раствором (коллоидный раствор наночастиц), 11 - направление движения образца, 12 - объемная мишень для абляции (металлический Zn), 13 - прозрачный резервуар для синтеза наночастиц, 14 - оптическая система контроля концентрации частиц в резервуаре 113 для автоматического управления насосами 2 и 5, 16 - оптическая система контроля в резервуаре 8 для автоматического управления насосам 7, 9, 18, 18 - газовый компрессор для насыщения воздухом резервуара 8.
Устройство для получения коллоидного раствора наночастиц ZnO в жидкости методом лазерной абляции включает в себя блок питания электрическими частями установки, источник излучения (лазер), проточную кювету, оснащенную окнами для ввода лазерного излучения, двухкоординатную систему перемещения мишени, устройство измерения концентрации частиц в кювете с управлением насосами накачки в кювету и откачки из кюветы, шесть насосов для жидкости, воздушный компрессор, промежуточный резервуар, резервуар для окисления металлических наночастиц, систему регистрации окончания окисления частиц с управлением насосом для выкачивания жидкости из промежуточного резервуара. В качестве источника лазерного излучения для абляции может быть использован импульсный лазер с подходящими параметрами. В качестве источника излучения в системах регистрации процессов используется светодиод с длиной волны излучения подобранный максимально близко к максимуму поглощения раствора, что позволяет эффективно контролировать изменение интенсивности поглощения раствора. Во время работы установки происходит непрерывная работа насосов 15 для регистрации текущей концентрации раствора наночастиц в кювете-реакторе. При достижении заданной концентрации наночастиц в кювете реакторе происходит уменьшение пропускания раствора в проточной кювете 14 и автоматически включаются насос накачки из резервуара с исходным раствором 1 в реакционную камеру 13 и насос откачки 5 из камеры в промежуточный резервуар 6. В начале работы при заполнении промежуточного резервуара до определенного уровня происходит перекачка коллоидного раствора в резервуар для окисления частиц 8. Затем включается компрессор 18 для барбатирования раствора и окисления металлических частиц Zn. Также запускается насос 17 для автоматической системы регистрации 16, в которой регистрируется процесс окисления по изменению оптического пропускания раствора. При изменении оптических свойств раствора до заданного уровня в камере для окисления происходит отключение компрессора 18 и насоса 17, включение насоса 9 и перекачка готового коллоидного раствора в резервуар 10. После этого из промежуточного резервуара 6 в резервуар для окисления поступает следующая порция недоокисленных частиц и повторяется цикл барбатирования для окисления наночастиц.
Изобретение позволяет автоматизировать процесс получения коллоидного раствора наночастиц ZnO в заданном диапазоне концентрации. Выход наночастиц оксида цинка ZnO в данном устройстве превышает 95% для водных и спиртовых растворов.