Засоби отримання наночасток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Курсова робота: стор. 26, рис. 8, джерел 6

Вивчення наноструктур інтенсивно почалося приблизно двадцять років тому вони, і вже займає певне місце у сфері застосування..

Нанотехнологія -- це область науку й техніки, що з розробкою пристроїв розміром порядку нанометра. Основне призначення таких пристроїв -- працювати з окремими атомами і молекулами.

Метою даної курсової роботи є підставою узагальнення літературних даних про засоби отримання наночасток, і далі розглянуті найпоширеніші з-поміж них.

Ключові слова: НАНОМАТЕРІАЛ, СИНТЕЗ, НАНОСТРУКТУРИ, КОМПОЗИТ, МАГНІТНІСТЬ.



Зміст

Вступ

1. Методи синтезу об'ємних твердо тільних наноматеріалів та композитів

2. Електричні властивості об'ємних наноструктур6

3. Магнітні властивості наноструктурованих об'ємних матеріалів

3.1 Вплив наноструктурування об'ємного матеріалу на магнітні властивості

3.2 Явище супермагнетизму

3.3 Феромагнітні властивості феромагнітних аморфних сплавів

3.4 Намагніченість насичення твердртільних наноструктур

3.5 Феромагнітні рідини

Висновки

Перелік посилань



Вступ

Нанотехнологія- це область науки та техніки, зв'язана зрозробкою пристроїв розміром порядку нанометра (однієї мільярдної частини метра), тобто пристроїв, складових від декількох десятків до декількох тисяч атомів. Основне призначення таких приладів - працювати з окремими атомами та молекулами. Імпульс розвитку нанотехнології дало створення скануючого тунельного мікроскопу - приладу, який дозволяє досліджувати речовину на атомному рівні та переміщати окреиі атоми. За цей винахід в 1986 році було присуджено Нобелівську премію.

Найбільш загальною кінетичною закономірністю утворення нанорозмірних часток є поєднання великої швидкості зарожження кристалічної фази з малою швидкістю її росту.

Всі методи отримання наночасток можна поділити на дві великі групи. Перша поєднує методи, що дозволяють отримувати та вивчати наночастки, але на основі цих методів важко створювати нові матеріали. Сюди можна віднести конденсацію при наднизьких температурах, деякі варіанти хімічного, фотохімічного та радіаційного відновлення, лазерне випаровування.

Друга група містить методи, що дозволяють на основі наночасток отримувати наноматеріали. Це в першу чергу різновидні варіанти механохімічного дроблення, конденсація з газової фази, плазмохімічні методи та ін.

Об'ємні наноструктурування матеріали - це тверді тіла з нанорозмірною мікроструктурою. Їх основними елементами є наномасштабовані структурні одиниці або наночастинки. Ці елементи структури можуть бути розупорядковані один по відношенню до одного, тобто їх положення в просторі не володіють ніякою симетрією. Частинки також можуть бути і впорядкованими, створюючи гратку, що володіє симетрією.

1. Методи синтезу об'ємних твердотільнихнаноматеріалів та композитів

А)Термічне розкладання (твердотільні хімічні реакції)

При термічному розкладанні зазвичай використовують складні з'єднання: гідроксиди, карбоніли, нітрати, оксалати, аміди й іміди металів, які при певній температурі розпадаються з утворенням синтезованої речовини і виділенням газової фази.

Для прикладурозглянемореакціютермічногорозкладання оксалату заліза

FeO 1.1

Процесутвореннянаноструктури проходить двіосновністадії:

Перша стадія- це процес утворення слабковзаємодіючих кластерів , який полягає в дегідратації і розкладанні оксалату заліза з виділенням, тут формується те активне середовище, в якому відбувається зародження нанокластерів оксидів заліза (рис. 1.1а) і їх зростання від 1 до 6-7 нм (рис. 1.1б) із збільшенням температури розкладання і часу витримування при даній температурі, що сприяє гомогенізації кластерів за розмірами.

Друга стадія- це процес утворення сильновзаємодіючих кластерів, під час якого відбувається подальше збільшення розмірів кластерів до 20-50 нм, що супроводжується їх спіканням (рис. 1.1в) і формуванням наноструктури зі спечених нанокластерів оксиду заліза (рис. 1.1г). Виникнення сильних міжкластерних взаємодій супроводжується появою значних міжфазнихнапруг, як за рахунок поверхневого натягу, так і за рахунок наявності дефектів і дислокацій на міжфазних межах. Для кластерів розміром 10 нм надлишковий тиск може досягати ~ 1 ГПа. Напруга і тиск, що розвивається в системі сильно взаємодіючих нанокластерів є важливими чинниками, що зумовлюють формування наноструктури та її властивості.

Рис. 1.1 Схема утворення, зростання і спікання кластерів оксиду заліза при термічному розкладанні оксалату заліза.

Б)Механохімічний синтез.

Основою механосінтезу є механічна обробка твердих сумішей, в результаті якої відбуваються подрібнення і пластична деформація речовин, прискорюється масоперенос і здійснюється перемішування компонентів суміші на атомарному рівні, активується хімічна взаємодія твердих реагентів.

Спостережувані механохімічні реакції призводять до виникнення нових з'єднань, поява яких є абсолютно неможливою в реакціях стимульованих, наприклад, температурним фактором.

Для механохіміческго синтезу застосовують високоенергетичні планетарні і кульові млини, за допомогою яких можна отримати частинки з розміром від 200 до 5-10 нм.

Механохімічні перетворення включають кілька стадій. Це, перш за все:

Ш зрушення атомів на поверхні,

Ш дроблення речовини і проведення механохімічних реакцій,

Ш можливе подальше подрібнення нанокластерів,

Ш можливе укрупнення нанокластерів за рахунок спікання.

Для прикладу розглянемо механосінтез нанокристалів карбіду титану TiC . Порошок металевого титану і графіту, взяті в співвідношенні, що забезпечує отримання складу Ti₄₄C₅₆, були розмелені в кульовому млині. Співвідношення маси куль до маси порошку становило 10:1. Розмелювання проводиться при кімнатній температурі в атмосфері аргону.

У процесі утворення нанокристалічногоможна виділити чотири стадії (рис. 1.2).

Вихідний порошок являє собою випадково розподілені частинки Tiі Cрізного розміру і форми.

На першій стадії(час розмолу до)відбувається утворення дуже великих (близько 1 мм) композитних частинок Tiі C . Ці частинки складаються з безлічі шарів Ti і C.

Друга стадія(час розмолу) являє собою механічну твердофазну реакцію, під час якої Ti і C реагують між собою і утворюються великі зерна карбіду титану розміром від 800 до 1000 нм.

Третя стадіяза часи призводить до зміни нанокластерів аж до 5 нм, які об'єднані в частинки розміром 5-10 мкм.

Четверта стадіятривалістю являє собою стадію гомогенізації нанокластерів за розмірами із середнім розміром 2 ч 3 нм. Нанокластери об'єднані в частинки сферичної форми розміром 300 нм.

Порошок , отриманий в результаті розмолу з різною тривалістю був спечений в активованій плазмі протягом восьми хвилин. В результаті спікання вдалося отримати компактні зразки TiCз високою щільністю із середнім розміром зерна ~ 70 нм.

Рис. 1.2Мікрофотографії частинок вихідної порошкової суміші.

В) Ударно - хвильовий синтез і електровибух.

Дія ударної хвилі також творює умови для отримання наноструктурованих матеріалів. На відміну від повільного механохімічного синтезу, процеси, що відбуваються, дуже швидкі, що призводить до ефективного використання енергії. За допомогою ударно-хвильової обробки сумішей графіту з металами при тиску у вибуху до декількох десятків ГПа виходять нанокластери алмазу із середнім розміром 4 нм.

Розміри кластерів залежать не тільки від тиску, а й від часу проходження ударної хвилі. Так, при тривалості ударної хвилі 10 ч 20 мкс і тиску 20 ч 40 ГПа виходять як поодинокі алмазні нанокластери - 50 нм, так і агломерати розміром до 5 мкм, що складаються з окремих кристалів розміром 1 ч 4 нм і 10 ч 60 нм.

Інший метод отримання наноалмазів полягає в застосуванні таких вибухових речовин, при вибуху яких виділяється вільний вуглець, з якого і утворюється алмазна фазапри наступному охолодженні в інертному газовому середовищі («сухий синтез») або у водяному охолоджувачі («водяний синтез»). Цей процес застосовується в промисловому виробництві наноалмазів і дозволяє отримувати частинки з розміром ~ 4 нм.

Ще один детонаційний спосіб синтезу пов'язаний з утворенням нанокластерів оксидів металів за допомогою дії контактного заряду вибухової речовини. Шар початкової речовини (високо пористий метал або хімічна сполука) піддається ударно-хвильовій дії, в результаті якої відбувається стискування і прогрівання металу або реакція розкладання початкового з'єднання з утворенням оксиду металу. Після виходу ударної хвилі на вільну поверхню початкової речовини матеріал розлітається в газову атмосферу вибухової камери.

Якщо в якості початкової речовини використовуються метали, то застосовується активне кисневовмісне середовище (наприкладO₂+N₂).

В цьому випадку на стадії розльоту відбувається горіння металу з утворенням ультрадисперсного оксиду.

При використанні в якості початкових матеріалів хімічних сполук застосовується хімічно нейтральне газове або рідке середовище, в якому відбувається швидке охолодження отримуваної речовини.

Дія вибуху і ударної хвилі з метою отримання нанокластерів ініціюється також за допомогою електричного вибуху провідника при проходженню по ньому потужного імпульсу струму тривалістюсі густиною.

Для цієї мети використовується дріт d= 0.1мм. Електровибух провідника призводить до значного виділення енергії і супроводжується генерацією ударної хвилі, що створює можливість швидкого нагріву металу доT.

Метал перегрівається вище за температуру плавлення, що призводить до вибухоподібного розширення провідника зі швидкістю до і метал диспергується.

В результаті конденсації утворюються кластери розмірами 20ч50 нм. Середній розмір кластера убуває зі збільшенням щільності струму і зменшенням тривалості імпульсу.

Г) Інтенсивна пластична деформація.

Для досягнення великих пластичних деформацій зазвичай використовується:

Ш зсув(кручення) під високим тиском,

Ш рівноканальне кутове пресування,

Ш плющення і кування матеріалу.

Подібні деформації ведуть до наноструктуризації речовини. На відміну від ударної дії млинів або вибухової хвилі, тут порівняно повільно протікають процеси, що викликають дроблення речовини і генерується велика кількість дефектів.

Використання інтенсивної пластичної деформації дозволяє разом зі зменшенням середнього розміру зерен отримувати масивні зразки з практично без пористою структурою, чого не вдається досягти компактуванням високодисперсних порошків.

У разі кручення під високим тиском (рис.1.3а) формуються наноструктури з дуже високою густиною дислокацій до, проте рівномірність розподілу дефектів за об'ємом матеріалу не забезпечується.

Формування однорідної наноструктури досягається при використанні двоканальної схеми, при якій матеріал, що деформується, продавлюється через два канали рівного поперечного перерізу, що перетинаються під кутом 90⁰.

Рис. 1.3Схеми основних методів інтенсивної пластичної деформації.

Основною особливістю наноструктур, отриманих під дією пластичної деформації, є наявність нерівноважних границь, які служать джерелами великих пружних напруг, що призводить до виникнення великої кількості дислокацій і збереженню надмірної енергії наноструктури.

Температурний відпал таких структур призводить спочатку до заліковування дефектів, потім при підвищенні температури відбувається укрупнення кластерів за рахунок спікання.

Під дією пластичної деформації досліджувалися різні метали. Одна і та ж дія на Ni призводила до утворення кластерів близько 100 нм, тоді як для Cu цей розмір складав від 5 до 100 нм, при цьому наноструктура міді містила більше дефектів, ніж нікель. Це показує відмінність процесів деформації і зникнення дефектів для різних металів.

Д) Кристалізація аморфних сплавів.

У цьому методі нанокристалічна структура створюється в аморфному сплаві шляхом його кристалізації. Аморфні сплави(їх ще називають металевим склом) отримують при швидкому переході компонентів сплаву з рідкого стану в твердий.

Наслідком аморфної структури є висока магнітна проникність і низька коерцитивна сила, висока механічна міцність і велика твердість. Дослідження показали, що їх магнітні і механічні властивості можна істотно поліпшити, якщо за допомогою кристалізації створити в них нанокристалічну структуру.

Для її отримання аморфні слави піддаються високотемпературному відпалу. Проте відпал повинен проходити так, щоб виникло найбільше число центрів кристалізації. Цього можна досягти попереднім плющенням перед відпалом. Для аморфного сплаву

1.2

цедозволяєзменшитирозмір зерен до 4ч5 нм.

Подальший відпал при Т=700ч900 К приводить до утворення однорідної нанокристалічної структури, в якій в аморфній матриці рівномірно розподілені зерна ОЦК фази розміром ~10 нм і кластери міді розміром менш 1нм. Процес кристалізації по етапах показаний на рис. 1.4.



Рис. 1.4 Схема формування наноструктури в аморфному сплаві цесі його кристалізації.

Е) Компактування нанопорошків.

Цей метод полягає в послідовному випаровуванні початкової речовини в атмосфері розрідженого інертного газу, його конденсації у вигляді наночастинок на поверхні циліндра, що обертається і охолоджується рідким азотом, і подальшим (після відкачування інертного газу) попереднім (під тиском 1 ГПа) і остаточним (під тиском до 10 ГПа) пресуванням нанокристалічного порошку у вакуумі. Схема установки показана на рис. 1.5. Отримані у такийспосібнаноматеріализалежновід умов складаються з частинок з розмірамивід 1-2 нм до 80-100 нм, з густиною для металів до 97%, для кераміки до 85%.

Рис. 1.5 Схема отримання об'ємних наноматериалів методом випару, конденсації ікомпактування:1 - цилиндр, що обертається та охолоджується рідким азотом; 2 - шкребок; 3 - інертний газ (зазвичай Не); 4 - випаровувач; 5 - клапан; 6 - фіксуюча прес-форма; 7 - салазки; 8 - поршень; 9 - гільза; 10 - вузол остаточного компактування під високим тиском; 11 - вузол попереднього компактування.

Отримання щільних пресувань є серйозною проблемою, оскільки нанокристалічні порошки погано пресуються із-за міжчастковихадгезійних сил, які різко зростають зі зменшенням розміру частинок.

Застосування динамічних методів стискування нанопорошків дозволяють здолати ці сили і при однаковому тиску досягти більшої щільності компактних зразків, ніж в умовах стаціонарного пресування.

Досить ефективним в цьому плані виявляється магнітоімпульсний метод, який дозволяє генерувати імпульсні хвилі стискування з тиском до 5 ГПа і тривалістю в декілька мкс.

Метод грунтується на силовій діїмагнітного поля потужних імпульсних струмів. Схема магнітно-імпульсного пресування показана на рис. 1.6.

Механічний імпульс силиf, що стискає порошок, генерується в результатів взаємодії імпульсного магнітного поля з поверхнею концентратора, що проводить електричний струм. Концентратор приводить в дію пуансон, яким стискається порошок. Переміщення концентратора грунтується на використанні діамагнітного ефекту виштовхування провідника з області імпульсного магнітного поля.

Рис. 1.6 Схема магнітно-імпульсного пресування.

Імпульсні хвилі стискування супроводжуються інтенсивним розігріванням порошку за рахунок швидкого виділення енергії, що дозволяє долати сили міжчасткової взаємодії і отримувати щільніші компактні зразки. Перспективним і ефективним методом компактування є холодне ультразвукове пресування. Дія на порошок потужного ультразвуку зменшує міжчасткове тертя, руйнує великі частинки, підвищує їх рівномірність розподілу за об'ємом, що також призводить до підвищення щільності спресованого виробу.

Ж) Осадження на підкладку.

Осадженням на холодну або підігріту поверхню підкладки отримують плівки і покриття, тобто безперервні шари нанокристалічного матеріалу. У цьому способі, на відміну від газофазного синтезу, утворення наночастинок відбувається безпосередньо на поверхні підкладки, а не в об'ємі інертного газу біля охолодженої стінки. Осадження мож походити з пари, плазми або колоїдного розчину. При осадженні з пари метал випаровується у вакуумі, в кисень- або азот-вмістюючій атмосфері, і пари металуабо оксиду (нітриду) конденсуються на підкладці. Розміркристалітів в плівці можна регулювати зміною швидкості випару і температури підкладки.

Ефективним методом нанесення покриттів і плівок є імпульсне електроосадження. Підкладка поміщається в розчин, що містить іони осаджуваного елементу. Між поверхнею підкладки і електродом, зануреним в розчин, створюється пульсуюча різниця потенціалів, що сприяє створенню однорідних покриттів.

Наноструктуровані матеріали можна отримати і гальванічним способом, поміщаючи два електроди, наприклад, в електроліт з мідного купоросу і прикладаючи напругу між електродами. Мідь, що виділяється на негативному електроді, утворює наноструктурований шар.

З) Охолодження розплаву.

Один з методів, показаний на рис. 1.7, називається охолодження розплаву спінінгуванням.

Металрозплавляєтьсязадопомогоюрадіочастотнихнагрівальнихкотушоківидавлюєтьсячерезфорсункузутвореннямпотокурідини.

Цей потік безперервно наприскується на охолоджуваний з середини металевий барабан, що обертається в атмосфері інертного газу.

У такому процесі утворюються стрічки завтовшкивід 10 до 100 мкм.

Рис. 1.7 Схема установки для отримання наноструктурованого матеріалу шляхом швидкого охолоджування розплаву.



2. Електричні властивості об'ємних наноструктур

Надзвичайно розвинуті границі розділу і висока концентрація дефектів обумовлюють інтенсивне розсіювання носіїв струму в наноматеріалах. Значне підвищення питомого електроопіру нанокристалічнихCu, Pd, Ni, Fe і різних сплавів при зменшенні розміру зерен виявлено багатьма дослідниками.

Можна показати, що

наноструктура магнітний твердртільний

2.1

де - питомий опір нанокристалічного матеріалу; - питомий опір грубозернистої речовини; - довжина вільного пробігу електронів у бездефектномумонокристалі; - середній розмір зерна;r - коефіцієнт розсіювання електронів при переході між зеленної границі.

Фізично величина /означає число міжзеренних границь, що перетинає електрон. Оскільки коефіцієнт розсіювання 0 <r< 1, то з формули випливає, що зі зменшенням розміру зерен опір нанокристалічного матеріалу повинний зростати. Саме така залежність електроопіру нанокристалічного компактованого nc-Pd (nc означає нанокристалічний зразок, отриманий компактуванням з нанокристалічного порошку) від розміру зерен спостерігалася експериментально.

Питомий електроопір nc-Cu (D=7нм) в області температур 0<T<275 К в 7-20 разів вище, ніж звичайної грубозернистої міді. При Т?100⁰С питомий опір звичайної міді і nc-Cu лінійно зростає при збільшенні температури, однак для nc-Cu величинабільше, ніждля звичайної міді. Аналіз експериментальних залежностейпоказав, що коефіцієнт розсіювання електронів на границях зеренnc-Cu дорівнює r=0,467при 100⁰С, а для грубозернистої міді r=0,24, тобто в 2 рази менше. Іншою причиною підвищеного опору nc-Cu може бути мала середня довжина вільного пробігу електрона. Для nc-Cul= 4,7 нм, а для грубозернистої міді l= 44нм.

Вивчення опору нанокристалічних плівок Coтовщиною від 2 до 50 нм показало, що величина с майже не залежить від температури, зменшується з ростом товщини плівки і більше, ніж с масивного кобальту.

Великий опір і близький до нуля температурний коефіцієнт опору нанокристалічних плівок Coє наслідком часткової локалізації електронів, коли розміри зерен стають менше довжини вільного пробігу електронів. Локалізація впливає на електропровідність сильніше, ніж збільшення розсіювання носіїв заряду на границях розділу, тому що приводить до зменшення концентрації носіїв заряду. У результаті зменшення розміру кристалітів приводить до росту локалізації і зменшенню концентрації носіїв і тим самим - до збільшення електроопіру.

Таким чином, зменшення розмірів зерен супроводжується втратою металевих властивостей і переходом у непровідний стан.

Для субмікрокристалічнихCu, Ni, Fe з розміром зерна 100-200 нм також спостерігається збільшення опору в порівнянні з грубозернистими матеріалами.

При 80⁰ С питомий опір субмікрокристалічної міді майже в 2 рази більше, ніж с грубозернистої міді, що обумовлено більш високим коефіцієнтом розсіювання електронів на нерівноважних границях зерен: для субмікрокристалічної міді r=0,29-0,32замість r=0,24 для рівноважних границь грубозернистої міді.

У результаті відпалу при 420-470⁰ С відбувається різке падіння с ; при подальшому підвищенні температури відпалу питомий опір повільно зменшується.

Різке зменшення с в результаті відпалу при 420-470⁰ С обумовлено релаксацією границь зерен і їхнім переходом з напруженого нерівноважного стану в рівноважний стан. Наступне повільне зменшення с є наслідком росту зерен.



3. Магнітні властивості наноструктурованих об'ємних матеріалів.

3.1 Вплив наноструктурування об'ємного матеріалу на магнітні властивості (використання явища суперпарамагнетизму).

Різні застосування магнітних матеріалів вимагають різних типів кривої намагнічування і її характеристик. Матеріали, що використовуються в трансформаторах і обертових електричних машинах, а також у запам'ятовуючих пристроях, піддаються впливу швидко змінного магнітного поля, так що їм доводиться перемагнічуватися багато разів у секунду. Це приводитьдо втрати ефективності і нагрівання матеріалу. Нагрівання є наслідком внутрішнього тертя, що виникає при безупинній переорієнтації магнітних доменів. Величина втрат енергії в кожному циклі, що виділяється у вигляді тепла, пропорційна площі, що обмежується петлею гистерезиса. Для подібного використання необхідні матеріали з малою чи близькою до нуля коерцитивною силою, що зменшує площу петлі. Такі матеріали називають магнітом'якими.

З іншого боку, постійні магніти, що використовуються для створення сильних магнітних полів, повинні володіти великою коерцитивною силою, тобто широкою петлею гистерезиса. Такі матеріали називають магнітожорсткими. Для них також вимагаються великі значення насичення намагніченості.

3.2 Явище супермагнетизму

Наноструктуровання об'ємних магнітних матеріалів може застосовуватися для створення матеріалів із заданим видом кривої намагнічування і відповідно приводити до поліпшення тих чи інших магнітних властивостей.

Згадаємо, як відбувається намагнічування феромагнітних частинок у міру зменшення їхніх розмірів:

Поки частинка має багатодоменну структуру, її взаємодія з зовнішнім магнітним полем зводиться до зсуву границь між доменами.

В міру наближення феромагнітних частинок до однодоменного стану основним механізмом перемагнічування стає обертання більшості магнітних моментів окремих атомів, що вимагає більшої витрати енергії. Таким чином, перехід частинок в однодоменний стан (супроводжується збільшенням коерцитивної сили до максимального значення.

Подальше зменшення розміру частинок до d=10 нм і менше приводить до різкого падіння коерцитивної сили до нуляв зв'язку з тим, що магнітні моменти однодоменних частинок можуть мимовільно змінювати свій напрямок під дією теплових флуктуацій. Таким чином, відбувається перехід з феромагнітного стану в парамагнітний. Цей ефект зветься суперпарамагнетизмом.

Таким чином, коерцитивна сила залежить від розмірів кластера.

3.3Феромагнітні властивості феромагнітних аморфних сплавів

Великий інтерес у зв'язку з цим мають магнітні властивості феромагнітних аморфних сплавів. Розвиток наноструктури в аморфному сплаві припускає сполучення високої швидкості утворення центрів кристалізації і малої швидкості їхнього росту. Шляхом кристалізації таких сплавів отримують нанокристалічні сплави з розміром нанокристалітів 8ч10 нм. Наприклад, стрічки аморфного сплаву зі сполукою , отримані методом швидкого охолодження на холодному барабані і відпалені при температурах від 673 до 923 К протягом 1години в атмосфері інертного газу, складаються з твердого розчину наночастинок заліза розміром 10 нм. Такий сплав має дуже низьку величину.

Кристалізація аморфних сплавів дозволяє одержувати не тільки магнітом'які, але і магнітожорсткі матеріали. Так кристалізація при 873 К протягом години аморфного м'якого магнітного сплавуз первісною дає наноструктуровані сплави з розмірами нанокристалітів 50ч200 нм і . Велика швидкість кристалізації сприяє утворенню менших частинок, але більшої густини дефектів, а звідси, і більшої Н_С . Кристалізація цього сплаву протягом 10 с при 923⁰ С дає сплав з розмірами нанокристалітів 15ч50 нм і і .

Залежність коерцитивної сили від густини дефектів може бути використана для твердотільнихнаноструктурованих матеріалів. Низькотемпературний відпал таких матеріалів буде приводити до зменшення Н_С при незмінному розмірі кластерів за рахунок відпалу дефектів. Високотемпературний відпал веде до зменшення Н_С за рахунок укрупнення кластерів і появи багатодоменної структури.

Дослідження наноструктури і магнітного гистерезисананокристалічнихNi і Coпоказують, що коерцитивна сила пластично деформованих металів за рахунок більшої кількості дефектів у кілька разів вище, ніж для вихідних матеріалів.

Розмір наночастинок може впливати не тільки на коерцитивну силу, але і на намагніченість насичення. Наприклад, для цинкового ферріта намагніченість насичення істотно зростає для зерен з розмірами менше 20 нм. Таким чином, зменшуючи розмір наночастинок магнітного матеріалу, можна істотно поліпшити якість вироблених з них магнітів.

3.4 Намагніченість насичення твердртільнихнаноструктур.

Це також має велике значення для збільшення ємності магнітних накопичувачів інформації, таких як жорсткі диски комп'ютерів. Основний механізм збереження інформації являє собою намагнічування у певному напрямку дуже малої області магнітного носія, називаної бітом. Існуючі магнітні пристрої збереження інформації засновані на дуже маленьких кристалах сплаву Сr і Co. Одна зі складностей, що виникає при розмірах біта менш 10 нм, полягає в тому, що вектор намагніченості може поміняти напрямок під дією теплових флуктуацій, по суті, стираючи пам'ять. Одне з рішень цієї проблеми складається у використанні нанорозмірнихзерен з великими значеннями намагніченості насичення, і, отже, з більш сильною взаємодією між зернами. Групі IBM удалося одержати твердий вуглецевий шар, що містить 3-х нанометрові частинки FePtз набагато більшим значенням намагніченості. Такий розмір магнітних частинок може привести до густини запису в 150 гігабайт на квадратний дюйм, тобто приблизно в 10 разів щільніше, ніж у нині існуючих носіях.

3.5 Феромагнітні рідини

Дуже цікавим із практичної точки зору є розгляд так званих феромагнітних рідин. Це колоїди, що звичайно складаються з 10 нанометрових частинок магнетиту Fe₃O₄, покритих поверхнево-активною речовиною для запобігання їхньої агрегації і зважених у гасі чи трансформаторній олії. Наночастинки являють собою однодоменні магніти, орієнтація магнітних моментів яких під час відсутності магнітного поля випадкова в кожен момент часу, так що повна намагніченість рідини дорівнює нулю. При накладенні магнітного поля моменти окремих частинок вибудовуються по напрямку поля, і рідина намагнічується. Така система характеризується практично повною відсутністю гистерезиса. Таким чином, феромагнітні рідини- суперпарамагнітні магнітом'які матеріали. Ці рідини мають масу цікавих властивостей.

Розглянемо зміну оптичних властивостей таких рідин під дією магнітного поля. При накладенні магнітного поля на плівку феромагнітної рідини товщиною в декілька мкм паралельно поверхні плівки магнітні частинки в рідині збираються в голкоподібні ланцюжки, орієнтовані уздовж поля.

З ростом магнітного поля усе більша кількість частинок приєднується до цих ланцюжків, що стають і товще, і довше. Відстань між ланцюжками також зменшується. При накладенні поля перпендикулярно поверхні плівки ланцюжки розташовуються також перпендикулярно поверхні, їхні кінці спочатку розташовуються на поверхні випадковим чином, а зі збільшенням напруженості магнітного поля упорядковуються в гексагональну структуру (рис. 4.2).

Утворення ланцюжків у феромагнітній рідині в магнітному полі робить її оптично анізотропною, тобто впливає на інтенсивність проходячого через плівку пучка світла. Цей ефект може бути покладений в основу оптичних перемикачів, у яких інтенсивність світла, що пропускається, змінюється за допомогою магнітного поля.

За допомогою феромагнітної рідини можна також створювати регульовані магнітним полем дифракційні ґратки. Як відомо, дифракційні ґратки складаються з тонких щілин, відстань між який порядку довжини хвилі падаючого світла. Дифракція виникає в результаті накладення двох чи більшої кількості світлових хвиль з однаковою довжиною хвилі, що приходять на екран по шляхах різної довжини. Якщо різниця ходу відрізняється на половину довжини хвилі, такі хвилі гасять одна одну, і на екрані (фотоплівці) утворюється темна область; якщо різниця ходу відрізняється на довжину хвилі, інтенсивності хвиль складаються, утворюючи яскраву світлу область.



Рис. 4.2 Зображення кінців ланцюжків магнітних наночастинок у перпендикулярному плівці магнітному полі

Оскільки при додаванні до феромагнітної рідини перпендикулярного магнітного поля, наночастинки утворять двовимірну гексагональну ґратку, вона може виступати як дифракційна ґратка. Дифракційна картина визначається рівнянням:

4.1

де d - відстань між ланцюжками наночастинок;и- кут між нормаллю до поверхні плівки і вихідним пучкомсвітла.

У зв'язку з тим, що відстань між ланцюжками залежить від напруженості прикладеного магнітного поля, можна одержати дифракційну ґратку, яку можна перебудовувати на необхідну довжину хвилі, змінюючи напруженість магнітного поля.

Іншою цікавою властивістю феромагнітних рідин є їх загущення при поміщенні в постійне магнітне поле, що дозволяє використовувати їх у якості різних герметиків, наприклад, для перешкоджання проникнення пилу усередину корпуса жорстких дисків персональних комп'ютерів, і вакуумних ущільнювачів, необхідних для введення швидко обертових осей у високовакуумну область.

В останньому випадку рідина використовується для герметизації щілини між обертовим валиком і підтримуючою його опорою. Також феромагнітна рідина використовується в якості в'язких глушителів коливань, охолоджувачів силових трансформаторів і навіть при сортуванні металобрухту.

Таким чином, магнітне маніпулювання нанокластерами в магнітній рідині створює унікальну можливість дистанційного регулювання їхніх параметрів (тиску, в'язкості, теплопровідності, оптичної проникності).

При поміщенні феромагнітної рідини в обертове магнітне поле, наночастинки також починають обертатися, захоплюючи за собою рідину. Таким чином, усередині магнітних рідин при накладенні магнітного поля виникають об'ємні та поверхневі сили, які можна модернізувати і створювати керовані гідромеханічні рухи.

Зокрема, для космічних застосувань проводяться дослідження магнітних рідин в умовах повної відсутності гравітації і підтримки конвекції середовища не за допомогою сили ваги, а за допомогою магнітної сили.



Висновки

В даній курсовій роботі розглянуто ряд методів отримання наночастинок. Самими широко використовуваними є методи, засновані на випаровуванні та конденсації, плазмохімії, та відновленні воднем металів з оксидів, оскільки при їх використовуванні можна керувати властивостями наноматеріалів, крім того, вони найбільш прості у використанні та апаратурному оформленні.

Хочеться відмітити, що загальна тенденція розвитку техніки та технології направлена на зниження матеріалоємності та енергоємності процесів, апаратів та технологій, тому проблема нанотехнологій зараз дуже актуальна в усьому світі. Але, нажаль Україна відстає в розвитку цього напрямку, так як не вистачає фінансових уложень, та сучасної апаратури. Для прикладу, в США створюються урядові програми по введенні часного капіталу для розробки наноматеріалів.

Праці по вивченню та відкриттю нових властивостей наночастинок ведуться дуже інтенсивно.



Перелік посилань

1. Соловьев М. Нанотехнология -- ключ к бессмертию и свободе. // Компьютерра, 1997.

2. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология: Учеб. пособие для вузов. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2006.

3. Сергеев Г.Б. “Нанохимия” Изд. Московского ун-та, 2003.

4. Пул Ч. Оуэнс Ф. Нанотехнологии. - М.: Техносфера, 2004.

5. Вестн. Моск. ун-та. Сер.2. химия. 2001.

6. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001.

Размещено на Allbest.ru