Наноұнтақтарды алу әдістері

3.8 Наноұнтақтарды алу әдістері
Қазіргі кезде наноматериалдардың кейбір түрлерін өнеркәсіптік алудың әртүрлі әдістері белгілі. Дегенмен бұл бірегей заттарды және олардың негізіндегі композиттерді алу әдістерінің көбісі технологиялық өңдеудің стадиясында екені мәлім. Бүгінгі өндірістегі ең дамыған және кең ауқымдысы наноұнтақтарды дайындауболып табылады. Қазіргі күні мұндай ұнтақтар автокөліктерде пайдаланылған газдарды жағу үшін қолданылатын катализаторлар (11,5 мың тонна), абразивтер (9,4 мың тонна), магниттік жазу үшін қолданылатын материалдар (3,1 мың тонна) және күнге қарсы материалдар ретінде пайдаланылады (1,5 мың тонна). 2008 жылы наноұнтақ нарығы 1 млрд АҚШ долларын құрады.
Наноұнтақтарды алу әдістеріншартты түрде химиялық және физикалық деп бөлуге болады.

Әдіс	Әдіс нұсқасы	Материал
Физикалық
Булану және конденсация	Вакуумда немесе инертті газда	Zn, Cu, Ni, Al, Be, Sn, Pb, Mg, Ag, Cr, MgO, Al2O3, Y2O3, ZrO2, SiC
	Реакциондық газда	TiN, AlN, ZrN, NbN, ZrO2, Al2O3, TiO2
Жоғары энергетикалық қирау	Майдалау	Fe-Cr, Be, Al2O3, TiC, Si3N4, NiAl, TiAl, AlN
	Детонациялық өңдеу	BN, SiC, TiC, Fe, алмаз
	Электрлік жарылыс	Al, Cd, Al2O3, TiO2
Химиялық
Синтез	Плазмохимиялық	TiC, TiN, Ti(C,N), VN, AlN, SiC, Si3N4, BN, W
	Лазерлі	Si3N4, SiC, Si3N4 - SiC
	Термиялық	Fe, Cu, Ni, Mo, W, BN, TiC, WC-Co
	Өздігінен тарайтын жоғары температуралық	SiC, MoSi2, AlN, TaC
	Механохимиялық	TiC, TiN, NiAl, TiB2, Fe-Cu, W-Cu
	Электрохимиялық	WC, CeO2, ZrO2, WB4
	Ерітінділік	Mo2C, BN, TiB2, SiC
	Криохимиялық	Ag, Pb, Mg, Cd
Термиялық ыдырау	Конденсирленген прекурсорлар	Fe, Ni, Co, SiC, Si3N4, BN, AlN, ZrO2, NbN
	Газтәрізді прекурсорлар	TiB2, ZrB2, BN

Мұндай бөлу шартты болып есептеледі, өйткені мысалы ортада реакциялық газдардың булануы тәрізді химиялық реакциялар маңызды орын алады. Сол сияқты көптеген химиялық әдістер физикалық құбылыстар негізінде қалыптасқан (төмен температуралық плазма, лазерлік шағылыс және басқа). Химиялық әдістер жалпы физикалық әдістеріне қарағанда универсалды және өнімдірек, алайда бөлшектердің өлшемдерін, құрамын және пішіндерін басқару физикалық, әсіресе конденсациялық әдіспен іске асады. Ультрадисперстік ұнтақдарды алудың кейбір әдістерін қарастырайық.

Булану және конденсация – бұл наноұнтақтарды алудағы ең оңай әдіс болып табылады. Шектелген нанобөлшектерді төмен қысымды инертті газдардың атмосферасында бақыланатын температурада металды, қорытпаны немесе жартылай өткізгішті буландыру арқылы, буды камерада немесе салқын бетте кезекті конденсациялау арқылы алады.Вакуумда булануға қарағанда инертті атмосферада буланған заттардың атомдарды газ атомдарымен соғылу нәтижесінде кинетикалық энергиясын жылдамырақ жоғалтады. Әртүрлі газдарда әртүрлі металдарды буландыру арқылы алынған бөлшектерді зерттеу бөлшектердің өлшемдері қысым мен инертті газдың атомдық үлесінен және булану жылдамдығынан тәуелді екені анықталды. Н₂, Нежәне Аr атмосферасында газдың 0,1 – 0,9-дан 2,7 – 3 мм с. б. қысымы кезінде алюминий буларының конденсациясы диаметрі 20-дан 100 нанометрге дейінгі бөлшектердің түзілуіне әкеп соғады.Кейінірек металл буларын Аr және Не атмосферасында біріккен конденсация әдісімен диаметрі 16 – 50 нм болатын сфералық бөлшектермен құралған жоғары дисперсті қорытпаларын Аu-Сu, Fе-Сu ала бастады. ≤ 20 нм өлшемді бөлшектер сфералық формалы, ал одан ірі бөлшектер бүйірлі болады.
Металдық булану әдісі тигелде, сым күйінде, металдық ұнтақнемесе сұйықтың ағынында инертті газдардың иондарымен металдың шашырауы арқылы іске асырылуы мүмкін. Энергияның берілуі тікелей қыздырумен, электр тоғының сым арқылы берілуімен, газдағы электрлі доғалы разрядымен, лазерлі немесе электронды-сәулелі қыздырумен іске асырылуы мүмкін.
Буландыру вакуумда, қозғалмайтын инертті газдарда және олардың ағынында, сонымен қатар плазмалы ағындарда жүреді.Температурасы 4500 -9500 ºС булы-газдық қоспаның конденсациялануы оның үлкен көлемді және іші салқын инертті газбен толтырылған камераға түскен кезде болады. Суыту жылдам кеңею арқылы және сол сияқты салқын атмосферамен әрекеттескенде жүреді. Турбулентті араласу нәтижесінде металл буларының температурасы төмендейді, ал қанығу ұлғаяды. Бұл жылдам конденсациялануға көмек береді. Ең қиын талап жұмыс камерадан наноұнтақты шығарып алу болып табылады. Оның бөлшектері өте майда, олар газда тұрақты броундық қозғалыста болады және ауырлық күшінің әсерінен тұнбаға түспейді. Оның жиналуы үшін арнайы фильтрлар және ортаға тарту тұндыруы қолданылады. Кейде металл нанобөлшектерін жинау үшін сұйық қабықшалар пайдаланылады.
1 суретте наноұнтақтарды алуға пайдаланылатын левитациялы-ағынды (струйной) қондырғының сұлбасы келтірілген. Бұл қондырғыда металл инертті газдың ламинарлы (тыныш, біркелкі) ағынында, сұйық тамшының бетінде буланады. Тамшы жоғары жиілікті электромагнитті өріспен қыздыру зонасында әрекеттесусіз ұсталынады. Металл буларының аэрозолі суытатын қондырғы арқылы конденсацияланатын бөлшектерді ұстайтын фильтрге барады, содан соң жинайтын контейнерге түседі. Газдық ағынның жылдамдығын арттыру бөлшектердің орта өлшемін және олардың диаметрлерінің шашырауын төмендетеді.