Cluster nanosistemelor izolat
In ultimul deceniu, în studiul nanoclusters și nanostructurilor a luat un salt uriaș. Un număr foarte mare de publicații dedicate atât știința fundamentală a nanoclusters și nanostructuri, și posibilele aplicațiile lor în domeniul nanotehnologiei (crearea de dispozitive cu înregistrare magnetică, nanodiodes, nanofire, dispozitive de transfer cu un singur electron, acordabile prin modificarea dimensiunii nanolaser, obtinerea de noi nanomateriale cu specific mecanic, termice, electronice, optice și proprietăți magnetice).
Este cunoscut faptul că în timpul tranziției de la macrostructuri la microstructuri a cărui dimensiune se află în intervalul nanometri, proprietățile materialului substanțial neschimbate. Astfel, în nanoclusterii stat condensate au diferiți parametri de cristal cu zăbrele, căldura specifică, temperatură de topire și conductivitate electrică decât macrocristalelor corespunzătoare. In plus, ele dezvolta noi proprietăți optice, magnetice și electronice variază de reacție și proprietăți catalitice. Proprietățile nanostructurilor sunt determinate nu numai de mărimea clusterelor, dar, de asemenea, metodele de organizare a acestora sau nanocluster de sine într-o structură în care clusterele acționează ca atomi individuali. Nanostructuri la rândul lor, pot forma structuri supramoleculare.
Modalități de organizare a nanoclusters în nanostructuri depind nu numai de proprietățile nanoconglomerate izolate și interacțiunile interclusteri, ci și la generarea de nanoclusteri. În acest sens, există mai multe direcții principale în studiul nanoclusters și nanosisteme cu dispersie:
- metodele de obținere și clasificarea nanoclusters;
- proprietățile nanoclusters izolate;
- moduri de organizare (auto-organizare) nanosistemelor cu dispersie;
- proprietăți ale sistemelor nanocluster.
După cum sa menționat deja, multe dintre proprietățile nanoclusters și nanosisteme depind de metodele de preparare a acestora. Așa că am încercat să clasifice cluster-ele, pe baza metodelor de sinteză a acestora. Această abordare empirică ne permite să reprezinte diversitatea proprietăților clusterelor și sistemele de grup, în funcție de originea lor. În funcție de metoda de obținere a clusterelor pot fi împărțite în șase grupe: moleculare, în fază gazoasă, coloidale, solide, iar filmul de matrice. nanoclusters izolate pot fi preparate prin reacții chimice (clustere moleculare) prin evaporare cu laser (clustere în fază gazoasă), sau prin izolarea matricei (atunci când o sinteză în stare solidă și coloidal). Nanosistemelor format în principal ca urmare a unor sinteze solide și coloidale.
clustere de metal ligand molecular
clusterele metalici Moleculare - un compus complex polinucleare, pe baza structurii moleculare care este înconjurat de liganzi cadru (celulă) de atomi de metal (numărul lor trebuie să fie mai mult de doi) sunt direct interconectate. Lungimile metal - grup de metal este de obicei mai scurt decât în metalul vrac. 11 reprezintă un lanț schelet metalic de diferite lungimi și ramificarea, looping, poliedre, iar combinația acestor elemente structurale. homo- Cunoscut și clustere heterometalici.
clusterele ligand metalici moleculari sunt formate din compuși metalici, ca urmare a fluxului de diferite reacții chimice. Sinteza, structura moleculară și proprietățile clusterelor metalice dedicate număr enorm de publicații (vezi. De exemplu, Monografie 11 și referințele din aceasta).
Fază gazoasă clustere de ligand liber
clustere fără liganzi din metal sau oxid de metal este preparat, de exemplu, prin vaporizarea cu laser de metal din substratul urmată de separarea de mărime (de masă) pentru spectrometru de masă cu timp de zbor. Format în timpul clusterele de evaporare fixe în capcane (pe substraturile), iar apoi a studiat proprietățile lor electronice, optice și altele. Clusterele astfel obținute conțin de la zeci la sute de atomi. nanoclusters Sinteză mari (> 100 nm), se realizează prin încălzirea și evaporarea metalelor într-un câmp electromagnetic de înaltă frecvență într-un vid sau gaz inert, urmată de precipitarea ciorchine pe un substrat sau un filtru. Aplicarea substratului este necesară, deoarece nanoparticule sunt foarte activi și se lipesc între ele în coliziune, iar substratul joacă rolul unui stabilizator.
Un alt procedeu în fază gazoasă pentru prepararea clusterelor de metal - de metal evaporare într-un gaz inert, urmată de formarea de clustere de metal în matricea de temperatură joasă (metoda cryochemical).
Metodele de sinteză în fază gazoasă sunt utilizate pentru producerea de clustere de carbon (cum ar fi fullerene). Astfel, evaporarea laser grafit în 1985 a fost primit prima C60. Sintetizat ca compoziție fullerene MSB, C70, C82, C84, C90, C96.
în fază gazoasă clustere suplimentare de ligand liber trebuie remarcat faptul clusterele van der Waals de gaze nobile și apă.
Metoda de evaporare-condensare permite obținerea particulelor de metal mai pure și, prin urmare, în prezent nu a pierdut relevanța. Cu toate acestea, folosind această metodă, este dificil de controlat dimensiunile clusterelor metalice formate. Clusterele astfel obținute se caracterizează printr-o distribuție mai largă a dimensiunii.
clusterele coloidal și nanosisteme
au fost mult timp cunoscute soluții coloidale care conțin nanoclusters de metale și compuși metalici, dar din cauza necesității de a obține nanostructuri organizate este necesară în sinteza sistemelor coloidale monodisperse cu dimensiune de cluster controlată. Pentru sinteza sistemelor coloidale monodisperse folosesc de obicei un sol-gel - tehnologia implică prepararea soluției și transferul ulterior l gel. Pentru a obține coloizi utilizate variance - NAVIGATION și condensare (fizic și chimic) metode. Astfel, în timpul hidrolizei alcoxizilor metalici sau săruri metalice formate coloizi de oxizi și hidroxizi de metale, care sunt caracterizate printr-un exces de energie mare. Din cauza excesului de energie în astfel de sisteme coloizilor se produce agregarea, însoțită de formarea unui gel. Aceasta are ca rezultat un nanostructuri cu o dimensiune de până la 100 nm.
Recent, pentru sinteza nanoclusters cu o distribuție îngustă a dimensiunii particulelor a început să utilizeze sisteme de microemulsii (miceliene directă și inversă - ly) T Acest produs multe clustere de metal cu dimensiuni variind de la 1 la 10 nm.
clusterele solide sunt formate ca urmare a unei varietăți de reacții în fază solidă: în cursul reacțiilor chimice în fază solidă, în timpul tranziției de la faza amorfă la cristal în timpul reacțiilor mecano etc. Multe reacții chimice în stare solidă, de exemplu, o reacție de descompunere termică a complecșilor metalici și săruri ale acestora, însoțite de formarea de nuclee de metal sau de oxid metalic și creșterea ulterioară a acestora datorită sinterizării. Marimea astfel format nanoclusters variază într-o gamă extrem de largă, de la unul la sute de nanometri.
Pentru nanoclusters de aliaje amorfe cristalizare. Condițiile de cristalizare sunt menținute astfel încât să se creeze la fel de mult ca nucleaŃie poate fi în timp ce rata de creștere nanoclusters ar trebui să fie lent.
nanoclusters solide pot fi obținute ca rezultat al reacțiilor fotochimice, de exemplu, cu halogenuri de argint. În aceste reacții, așa cum apare mai întâi și apoi nucleația de extindere a acestora, însoțită de formarea de nanoclusters cu dimensiuni variind de la zeci la sute de nanometri.
În plus față de reacțiile chimice în solide pentru clustere solide pot fi utilizate transformări mecano. Astfel, prin măcinarea mecanică a unui bloc a unui corp solid poate fi obținut nanoclusters a căror mărime nu depășește câteva nanometri. În acest caz, din cauza activării suprafeței nou create pot fi noi compuși nanocluster altele decât originalul.
O altă metodă de obținere a nanoclusters solid este un material nanostructurarii sub acțiunea presiunii și forfecare. Prin creșterea presiunii la 5 GPa și forfecare până la 1000 ° nanoclusters posibile pentru a obține o granulație de până la câteva nanometri, și cu proprietăți care diferă semnificativ de proprietățile materialului inițial. Nanoclusters format, de asemenea, atunci când alte metode de deformare plastică.
Metodele de preparare a nanoclusters folosind diferite tipuri de matrici organice și anorganice și semnificație independentă izolare matrice dobândită, deși ele pot include elemente ale fazei gazoase, în stare solidă și alte metode. Faptul că nanoclusters obținute folosind matrici difera de clustere formate, de exemplu, în reacțiile chimice în stare solidă, astfel încât acestea să poată fi izolate una de alta printr-o matrice, astfel încât încălzirea întregului NanoSystems nu crește mărimea clusterului datorită sinterizării . Originalitatea acestei abordări constă în posibilitatea de a limita dispersia nanoclusteri privind mărimea și direcția interacțiunilor schimbare interclusteri. Astfel, pentru metoda fază gazoasă folosind clustere de metal nanoclusteri microencapsulation gaze inerte, la temperatură scăzută.
Deseori, grupurile și sistemele de cluster obținute ca rezultat al reacțiilor chimice în soluție, urmată de precipitarea compușilor rezultați în porii solidelor. Nanoclusters și nanosisteme formate de asemenea în timpul impregnării soluțiilor matrici poroase și efectuarea reacțiilor chimice în porilor ca în micro- sau nanoreactor. Astfel sintetizat prin, de exemplu, clusterele, din metal și oxid metalic în zeoliți, dimensiunea cluster este determinată de celulele zeoliti de mărime (1 la 2 nm). În acest caz, silicați de aluminiu contribuie la formarea structurilor de cluster organizate.
largi posibilități pentru modificarea dimensiunii și compoziției clusterelor sunt deschise folosind adsorbanți anorganici și organici (de exemplu, gel de silice și alumină rășini schimbătoare de ioni și polysorbitol). În acest caz, modificarea dimensiunii cluster și organizație se produce din cauza modificărilor de mărimea porilor și prin variația hidrofiliei (sau hidrofobie) a concentrației de suprafață a componentelor inițiale, temperatura, etc.
Pentru nanoclusteri formate în nanofilms, caracterizat printr-un mecanism nucleaŃie și creștere diferit de mecanismul de formare a clusterelor solide deoarece sinteza lor este asociată cu chimia suprafeței (cu formarea structurilor bidimensionale). Pentru nanofilms epitaxiale pe suprafața cristalului orientate folosind evaporare laser si fascicule moleculare.
Recent, pentru aplicarea pe suprafața Nanofilms nanocluster a devenit utilizat pe scară largă BCV - metoda. Prin această metodă, materiile prime la început se evaporă și apoi le transporta prin faza de gaz și depozitate în proporțiile corecte la substratul selectat.
Pentru a crea o compoziție controlată și grosimea straturilor moleculare folosind metoda de depunere stratului atomic, esența care constă în organizarea reacțiilor chimice de suprafață, cu separare spațială și temporală. În acest fel se obține nanoplenki care conține de la unu la zece monostraturi.
Tehnologia dezvoltată recent de sinteză Langmuir-Blodgett permite intrarea în Emerging pe suprafața agenților activi de suprafață (surfactanți peliculă) ionii metalici și complexele acestora și asupra nanoclusters lor de jos. Această abordare permite formarea filmelor Langmuir-Blodgett cu monostrat ordonate clusterelor, și apoi sa le aplice o tehnică specială pe un substrat solid. Această procedură poate fi repetată, formând astfel un film multistrat și suprastructura.