Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

С уменьшением размеров кристаллитов до нанометров существенно изменяются их не только физические, но и химические свойства (в частности, каталитическая активность), ярким примером чего может служить поведение золота. Известно, что в обычном объемном состоянии золото химически является достаточно инертным элементом. Однако осажденные на поверхность золота частицы диоксида церия в неметаллической форме (в виде нанокластеров) в очень низких концентрациях (около 0,2–0,9 ат. %) становятся исключительно активными катализаторами известной реакции конверсии водяного газа [63] , при которой моноксид углерода и вода превращаются в двуокись углерода и водород. Эта реакция является ключевой в механизме действия топливных элементов на углеводородном топливе, которое в таких элементах превращается в водород и углеродсодержащие продукты. Давней мечтой разработчиков и производителей топливных элементов было доведение до максимума выхода водорода, то есть снижение до минимума количества непрореагировавшего моноксида углерода, который является «катализаторным ядом» электрокаталитической реакции внутри самого элемента. Использование наночастиц с указанным и очень небольшим количеством золота исключительно выгодно с экономической точки зрения, так как в используемых ранее катализаторах содержание благородного металла доходило до 10 ат. %.

Очень интересные перспективы перед исследователями открывают также значительные изменения магнитных свойств вещества при переходе к наномасштабам, позволяющие даже надеяться на возможность создания так называемых суперпарамагнетиков. Суперпарамагнитные наночастицы в отсутствие магнитного поля и при температурах выше точки Кюри ведут себя подобно обычным магнетикам, то есть их магнитные моменты располагаются случайно, однако при наложении внешнего поля они легко «выстраиваются» вдоль поля, создавая мощный общий магнитный момент. Этот механизм может быть использован для самых разных целей, в том числе и для формирования изображений на основе магнитного резонанса (magnetic resonance imaging, MRI). Метод теоретически был известен давно, но его практическое применение сдерживалось тем, что контрастность получаемых изображений обеспечивалась лишь очень небольшим числом природных входящих в состав организма веществ (например, дезоксигемоглобином). Эффективность метода и контрастность изображения могут быть существенно повышены за счет использования суперпарамагнитных наночастиц из оксидов железа, получивших название SPION (superparamagnetic iron oxide, SPION). Такие частицы, изготовленные на основе магнетита (Fe3O4), магемита (гамма Fe2O3) или их сочетаний, естественно, должны быть покрыты слоем вещества, повышающим стабильность коллоидной системы и обеспечивающим биологическую совместимость с организмом. Преимуществом описываемого метода магнитного резонанса выступает то, что он позволяет получать четкие изображения тканей, содержащих большое количество жидкости (например, пораженные органы или раковые опухоли). Уже сейчас такие наночастицы коммерчески производятся несколькими организациями [64] . Понятно, что поверхность частиц SPION может быть дополнительно химически модифицирована, чтобы придать ей способность взаимодействовать с контрастными агентами, специфическим тканями или видами клеток. Этот подход является очень перспективным, что уже привело к возникновению активно развивающихся областей разнообразных медико-биологических исследований [65] .

13.2.2. Производство наночастиц

Методы производства наночастиц можно грубо разделить на три основные группы, традиционно называемые сухим синтезом, мокрым синтезом и химическим размолом. При этом первые два метода относятся к так называемому восходящему производству (снизу вверх), поскольку наночастицы в них создаются из атомных прекурсоров (веществ-предшественников), а третий метод является очевидным примером нисходящего (сверху вниз) производства, когда мелкие частицы производятся за счет дробления и измельчения более крупных. Мокрый синтез включает в себя преципитацию и методику золь-гель, а сухой синтез – получение наночастиц множеством разных способов (горением, печным синтезом, плазмохимией и т. д.).

Независимо от метода производства основная цель состоит в получении нанопорошков с узким гранулометрическим распределением (то есть с узкой функцией распределения по размерам), а также в предотвращении возможной агломерации образующихся частиц. Ни один процесс не обеспечивает синтеза абсолютно одинаковых по размеру частиц, что заставляет исследователей искать новые методы «исправления» гранулометрического распределения. Чаще всего так называемые хвосты распределений убирают при вспомогательных технологических операциях, что обычно приводит к снижению производительности. Гораздо более сложной является проблема агломерации (слипания) частиц, так как наночастицы всегда характеризуются очень высоким значением отношения поверхность/объем, и для них процесс слипания является термодинамически очень выгодным. По этой же причине из нанопорошков тугоплавких соединений можно «сплавлять» объемные изделия при температурах ниже точки плавления, что уже давно применяется в промышленных производствах.

Требования к гранулометрическому распределению и агломерации порошков, естественно, сильно зависят от целей их дальнейшего использования. Например, эти требования должны очень строго выполняться при создании некоторых специальных нанообъектов (типа упоминавшихся выше флуоресцентных квантовых точек), но они не столь важны при использовании порошков для упомянутой выше химико-механической планаризации полупроводниковых кристаллов. Как и в любой другой отрасли производства, каждый метод получения нанопорошков обладает своими достоинствами и недостатками, а выбор обычно определяется конкретными задачами и условиями. Классическое измельчение является очень энергоемким, не говоря уже о том, что оно непригодно для получения порошков из целого ряда очень перспективных веществ, особенно из чистых металлов. В популярном и распространенном методе преципитации для предотвращения слипания частиц обычно в суспензию наночастиц вводят так называемые защитные лиганды, что, естественно, осложняет производственный процесс в целом, так как при последующих технологических операциях эти лиганды приходится химически удалять с поверхности частиц.

Проблемы агломерации для некоторых материалов исчезают при высокотемпературном синтезе частиц, когда разделение частиц и их закалка происходят одновременно. Однако такие процессы трудно осуществлять в промышленных масштабах, и они требуют больших затрат энергии. Кроме того, такой метод непригоден для получения порошков из некоторых материалов (например, окиси кремния), так как они при высокой температуре могут переходить в так называемое вязкое стеклообразное состояние. В некоторых случаях агломерация не происходит вообще из-за физических особенностей самого процесса производства, например, вследствие того, что образующиеся при дуговом распылении или в плазменной струе наночастицы оказываются электрически заряженными.

Читать дальше