Ученые синтезировали оксидные наночастицы с помощью лазера
Наночастицы — частицы размером от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров. Из них состоят порошки, с помощью которых создают катализаторы, керамики, матрицы для люминесцентных материалов. Сотрудники Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН синтезируют наночастицы с помощью лазерного излучения. Исследователи получили частицы из многих оксидов: алюминия, циркония, кремния, церия, иттрия, гадолиния, а также научились управлять их параметрами.
«В настоящее время постоянно ведутся работы, направленные на поиск универсального метода синтеза, который позволит получать широкий класс наноматериалов с управляемыми характеристиками. Это нужно для того, чтобы оптимизировать свойства материалов для их эффективного применения. Лазерный метод синтеза относится к классу физических методов конденсации испарённых материалов и позволяет деликатно подбирать различные характеристики для тех или иных задач», — рассказывает ведущий научный сотрудник отдела гетерогенного катализа ФИЦ ИК СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Иванович Костюков.
В отличие от традиционных методов синтеза, лазерная установка позволяет получить монодисперсные слабо агломерированные сферические наночастицы без лишних примесей, а также материалы с такой кристаллической структурой, которую сложно синтезировать по-другому. Например, создаются метастабильные модификации оксидов, то есть те, которые в процессе нагрева переходят в другую модификацию.
Так, альфа-модификация оксида алюминия обычно стабильна при любых условиях, но исследователи научились переводить её в гамма-модификацию, она широко используется в катализе в качестве носителя. У редкоземельных оксидов (например, у оксида иттрия и оксида гадолиния, применяемых в катализе, в оптике, для изготовления керамик и люминесцентных матриц) есть моноклинная модификация, которую также затруднительно получить стандартными химическими методами.
«Сейчас мы используем наночастицы в качестве носителей и катализаторов. Это то, чем занимается наш отдел напрямую. Но есть еще одно ответвление: мы синтезируем люминесцентные частицы, в которые добавляем люминесцирующие ионы, как правило, редкоземельные или переходные металлы, и они начинают светиться под действием возбуждающего света. Одно из направлений по применению этих наночастиц — это защитные метки и чернила. Мы можем использовать такие наночастицы в качестве люминесцентного пигмента для полимеров и из них делать защитную краску», — отметил Антон Костюков.
Лазерная установка позволяет синтезировать материалы различного состава: и простые оксиды с однокомпонентным составом, и сложные. Вещество испаряется под действием лазерного излучения, а полученный пар конденсируется, в результате чего и образуются наночастицы. Для этого в установку запускают холодный буферный газ, в нём частицы охлаждаются, подхватываются потоком и летят по лабиринтной схеме: там же происходит сепарация частиц по размерам.
Например, если исследователям нужны монодисперсные маленькие частицы в единицы нанометров, они собирают материал на выходе из лабиринтной системы, где крупные частицы уже отсеялись. Эффективность работы такой системы сепарации подтверждена компьютерным моделированием. Учёные могут управлять процессом и менять свойства частиц, в частности размер, — от нескольких до десятков нанометров. В зависимости от необходимых размеров частиц исследователи регулируют давление в камере. В результате меняется область конденсации и тот путь, на котором частица растёт. Кроме того, можно изменить состав газа (чем больше его молекулярная масса, тем крупнее частицы) и скорость прокачки, с помощью которой регулируется количество полученного материала.
Сотрудники ИК СО РАН стараются получать материалы с размерами несколько нанометров, чтобы обеспечить большую удельную поверхность. Чем больше удельная поверхность, тем больше активных центров можно на ней сформировать и создать более эффективный катализатор. Для других задач есть также свои оптимальные размеры у частиц, например для изготовления керамик нужны частицы с существенно большими размерами.
После того как частицы собраны, проводятся физико-химические анализы с использованием современного оборудования в центре коллективного пользования института с привлечением соответствующих специалистов. Исследователи изучают состав, структуру, поверхность — всё, что нужно для эффективного их использования в дальнейшем.
Сама установка была создана в ФИЦ ИК СО РАН более десяти лет назад и совершенствуется до сих пор. Исследователи видят два основных направления развития установки. Первое — масштабирование. На сегодняшний день установка позволяет получать несколько граммов вещества в час, этого хватает для фундаментальных научных исследований. Используя более мощные лазеры, можно будет достичь количества в десятки и сотни граммов и перейти к применению этих материалов в практических технологиях. Второе направление — синтез многокомпонентных соединений и частиц более сложной архитектуры, в которых ядро состоит из одного материала, а оболочка — из другого. Сейчас учёные сначала синтезируют наночастицу, а потом уже химическим методом наносят оболочки на эти материалы, впоследствии это можно будет делать с помощью лазерного синтеза.
«Мы уже научились управлять свойствами этих частиц и получать достаточно широкий класс соединений, сейчас основная задача — расширить потенциальное применение, заинтересовать людей, чтобы они использовали наночастицы в своих задачах. У нас уже есть ряд направлений, где используются материалы, но это делается прежде всего в рамках института. Лазерный метод можно назвать экзотичным, поэтому люди, особенно в химических институтах, знакомы с ним мало и не знают всех возможностей», — подытожил ученый.
Статья об этой работе опубликована в Journal of Aerosol Science.