Найден способ получения наноразмерных порошков и суспензий с помощью терагерцового излучения

11 октября 2018
Суспензия под электронным микроскопом

Специалисты Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (ИХКГ СО РАН) совместно с коллегами из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) провели серию экспериментов, в ходе которых образцы различных твердых материалов с тонким слоем воды на поверхности – среди них, например, латунь, свинец, а также углерод - облучали сфокусированным терагерцовым излучением. В результате этого воздействия формируются нансуспензии или взвеси. Вещества в такой форме активно применяются в химической промышленности, а также при производстве электроники. Исследования проводились на Новосибирском лазере на свободных электронах (ЛСЭ) в Центре коллективного пользования "Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения".

Наноразмерные, с частицами до 100 нм, суспензии и порошки востребованы в различных областях промышленности. Поскольку спрос на них растет день ото дня, специалисты ищут новые способы их получения. Однако существует ряд нюансов: в каждом конкретном случае нужны материалы со своими уникальными свойствами – состав, форма частиц, кристаллические характеристики. Кроме того, методы получения должны быть экономически выгодными. Традиционно нанопорошки получают путем измельчения исходных веществ на специальных мельницах, но при таком способе трудно получить порошки с частицами одинакового размера, к тому же компоненты могут вступать в химические реакции друг с другом, что отрицательно сказывается на качестве конечного продукта. Команда новосибирских ученых в ходе экспериментов на Новосибирском ЛСЭ обнаружила интересный феномен, на основе которого возможно разработать новую технологию получения нанопорошков с однородными частицами и абсолютно произвольным составом.

«Изначально мы подвергали воздействию лазера диатомовые водоросли, которые находились в воде, в латунном контейнере, - рассказывает кандидат химических наук, старший научный сотрудник ИХКГ СО РАН Александр Козлов. - Мы заметили, что раствор окрашивается, и, чтобы выяснить причину, исследовали его на атомно-силовом, оптическом и электронном микроскопах. В ходе исследований мы пришли к выводу, что под действием излучения у нас получилась своеобразная латунная стружка, которая и послужила «красителем» для раствора».

По словам Александра Козлова, после латуни исследователи экспериментировали с различными материалами, например, графитом, керамикой, свинцовыми сплавами и другими веществами. В результате было установлено, что под действием терагерцового излучения аналогичным образом разрушаются практически все твердые материалы, кроме, например, стекла и пластика. Ученые предполагают, что это связано с особенностями структуры: наличие кристаллической решетки – необходимое условие для получения нанопорошков при помощи ЛСЭ.

Еще одно обязательное условие - наличие тонкого слоя воды, потому что без него излучение просто отразится от поверхности материала. В данном случае вода работает как своеобразный преобразователь, который превращает оптическое излучение в ультразвук.

«Излучение нашего лазера состоит из коротких импульсов длительностью ~100 пикосекунд, которые следуют друг за другом с частотой 5.6 МГц (то есть 5 млн. 600 тыс. импульсов в секунду), – объясняет кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН Олег Шевченко. – При этом каждый из множества поступающих импульсов можно образно сравнить с молотком, который ударяет по наковальне – поверхности воды».

Сейчас «глубина» действия излучения всего несколько микрон, поэтому чтобы получить даже один грамм порошка, придется облучать материал целый день, при том, что длительность каждого «сеанса» - секунды. Но специалисты отмечают, что технически возможно сделать «проточную» установку, которая будет работать непрерывно и позволит производить нанопорошки, в объемах, достаточных для лабораторных применений.

Результаты представлены научному сообществу на конференции «Синхротронное и терагерцовое излучение: генерация и применение (SFR-2018)».
Работы по определению и достижению требуемых параметров работы Новосибирского ЛСЭ выполнены при поддержке гранта РНФ №14-50-00080.