Синтез наночастиц и наноматериалов в жидких средах

Процессы получения наночастиц и наноматериалов в жидких средах

Курс лекций читает профессор, д.х.н. Королёва М.Ю.

Введение

Варианты классификации методов получения наночастиц и наноматериалов.
Особенности получения наноматериалов в жидких средах.

Основы процесса кристаллизации в жидких средах

Стадии процесса кристаллизации - образование центров нуклеации, рост наночастиц.
Гомогенное и гетерогенное зародышеобразование. Критический зародыш.
Основные теории роста кристаллов.
Влияние различных параметров системы на скорость зародышеобразования и кинетику роста нанокристаллов.
Способы замедления роста для синтеза наночастиц контролируемого размера.
Роль процессов Оствальдова созревания и агрегации нанокристаллов в процессах синтеза наночастиц в жидких средах.
Кристаллизация при пересыщении и переохлаждении. Способы кристаллизации.
Наноструктуры

Синтез наночастиц методами осаждения

Основные химические реакции, приводящие к синтезу наночастиц и жидких средах и их контролируемому выделению из растворов.
Получение наночастиц золота - метод Туркевича и метод Браста.
Синтез наночастиц серебра, платины, палладия и других благородных металлов.
Стабилизация синтезированных наночастиц в растворах - электростатическая, адсорбционная, хемосорбционная.
Получение наночастиц несферической формы.
Синтез наностержней металлов - роль зародышей кристаллизации и добавок ПАВ. Механизм роста наностержней металлов в жидких средах.
Особенности синтеза наночастиц металлов в форме кубов, призм, двадцати-гранников и др.
Синтез магнитных наночастиц в полярных и неполярных средах. Стабилизация наночастиц и получение магнитных жидкостей.
Основные способы синтеза полупроводниковых наночастиц - контролируемого осаждения, построения кластеров, молекулярных прекурсоров.
Основные факторы, влияющие на размер синтезируемых наночастиц полупроводников. Кинетический контроль роста наночастиц полупроводников.
Синтез анизотропных наночастиц полупроводников - наностержней, разветвленных структур.
Применение методов осаждения для синтеза наночастиц, состоящих из сплава металлов, со структурой ядро-оболочка, многослойных структур.
Синтез наночастиц оксида кремния и нанокомпозитов - многослойных структур, состоящих из металлов, магнитных материалов или полупроводников и оксида кремния.
Наноструктуры

Золь-гель метод

Основные стадии процесса.
Особенности гидролиза и поликонденсации в щелочной и кислой среде.
Гелеобразование и синерезис.
Удаление растворителя - образование ксерогелей и аэрогелей.
Влияние состава реакционной среды и условий протекания процесса на морфологию синтезируемого наноматериала.
Получение золь-гель методом наноматериалов на основе оксидов кремния и титана.
Синтез золь-гель методом нанокомпозитов типа "неорганика-неорганика" и "органика-неорганика".

Синтез наночастиц в сверхкритических жидкостях

Классификация методов синтеза наночастиц и наноматериалов в сверхкритических жидкостях.
Роль сверхкритической жидкости при синтезе - растворитель, сорастворитель, анти-растворитель, растворенное вещество, реакционная среда. Схемы основных методов.
Использование сверхкритической воды и диоксида углерода для получения наночастиц.
Варианты гидро- и сольвотермального синтеза - получение наночастиц при протекании физических и химических процессов.
Основные параметры, влияющие на морфологию синтезируемых наноматериалов.
Периодический и непрерывный способы организации гидро- и сольвотермального синтеза.
Виды автоклавов, используемых для синтеза наночастиц.
Гидро- и сольвотермальный синтез наночастиц металлов, оксидов металлов, полупроводников.
Гидротермальный синтез наночастиц цеолитов и цеолитов с нанопористой структурой.
Наноструктуры

Синтез наночастиц при физическом воздействии на реакционную среду

Особенности синтеза наночастиц при микроволновом нагреве. Гидротермальный синтез с микроволновым нагревом.
Синтез наночастиц при воздействии ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучения.
Механизм синтеза наночастиц при действии различных видов излучения.
Ультразвуковое воздействие. Синтез наночастиц с аморфной и нанокристаллической структурой.

Образование наночастиц при распылении растворов в пламени (мокрое сжигание)

Выпаривание и пиролиз аэрозоля.
Влияние состава исходного раствора и технологических параметров процесса на размер и морфологию синтезируемых наночастиц.
Способы распыления жидкости.
Агломерация наночастиц и получение нанопористых материалов.

Криохимический метод синтеза наночастиц

Основные стадии процесса. Способы замораживания и удаления растворителя.
Используемые хладоагенты.

Электрохимический метод получения наноматериалов

Катодные и анодные процессы, приводящие к синтезу наноматериалов.
Получение наноструктурированных покрытий. Электроосаждение наночастиц.
Формирование композитных покрытий, состоящих из металла и осажденных наночастиц.
Образование нанопористых материалов.
Синтез нановолокон в пористых материалах.
Наноструктуры

Матричный (темплатный) синтез наночастиц и наноматериалов

Синтез наночастиц в сферических и несферических мицеллах, микроэмульсиях.
Основные факторы, влияющие на размер и форму, синтезируемых наночастиц.
Синтез наночастиц в микроэмульсиях в сверхкритическом оксиде углерода.
Использование гексагональных и кубических жидкокристаллических фазах в качестве матрицы для синтеза наноматериалов.
Получение мезопористых силикатов.
Синтез нанокомпозитов наночастица-дендример.
Особенности строения дендримеров и способов формирования нанокомпозитов в зависимости от уровня генерации дендримера.

Биологические методы синтеза наночастиц

Внутриклеточный синтез наночастиц. Магнетобактерии, магнетосомы.
Синтез наночастиц с использованием ферритина.
Внеклеточный синтез наночастиц, формирование пористых иерархических структур.

Получение наноматериалов при самоорганизации наночастиц

Самоорганизация под действием капиллярных, гравитационной и центробежной сил, действии электрического и магнитного поля.
Матричная самоорганизация. Формирование плоских и объемных структур.
Формирование упорядоченных ансамблей бинарных наночастиц.

Лабораторный практикум

Так выглядела лабораторная работа по получению наночастиц золота в 2007 году. На фото - тогда ещё студенты группы Ф-54 Пашинин А. и Шаяхметов Р.

В лаборатории

А это - та же лабораторная работа, только в 2014 году.

В лаборатории

В лаборатории

_