Всемогутні крихітки

Наночастинки є у миючих засобах, лаках, поверхнях, каталізаторах та автомобільних шинах, сонячних батареях та складових мікроелектроніки. Без них вже не можна уявити собі й сучасної медицини. Промисловості їх потрібно усе більше й більше.

Професор Кристоф Шульц з Дуйсбург-Ессенського університету керує центром наноінтеграції - CENIDE. Його підлеглі розробили загалом три різні способи виробництва мікроскопічних частинок. Одне при цьому спільне – газоподібні вихідні речовини різко охолоджуються та конденсуються.

Газ як вихідний матеріал

«Можна уявити собі дуже насичену водяну пару, яка раптом стає нестабільною та утворює туман, - пояснює дослідник.- Так само пара з металу може конденсуватися в малесенькі крапельки, які після охолодження стають твердими і залишаються».

Охолодження вчені добиваються тим, що поміщають гарячий газ у вакуум. Там панує надзвичайно низький тиск. Керівник робочої групи з питань синтезу наночастинок Гартмут Віґґерс пояснює, що газ із вихідним матеріалом всмоктується через отвір діаметром у півміліметра.

Промінь надзвукової швидкості

Але це лише перший крок. Далі розташований другий отвір, який вибиває з газового потоку другий промінь, так званий молекулярний промінь – в ньому частинки пролітають крізь цей прилад із надзвуковою швидкістю. Наночастинки при цьому вкрай швидко замерзають. Вони охолоджуються з 2700 градусів за Цельсієм до лише кількох сотень градусів за якісь мілісекунди.

Через високу швидкість частинки не зіштовхуються одна з одною та не сплющуються. Крім того, електростатика не дає частинкам розчавитися. "Вони мають позитивно заряджені ядра та купу вільних електронів довкола. Це все має наслідком, що частинки мають, як правило, дуже багато негативних зарядів", - каже Віґґерс. А оскільки дві негативно заряджені частинки відштовхуються, вони не можуть зліпитися одна з одною.

Три способи виробництва наночастинок відрізняються насамперед в тому, яким чином вчені створюють газ, перш ніж він всмокчеться у вакуумну камеру. А саме – у полум’яних реакторах, у реакторах з гарячими стінками та мікрохвильових плазмових реакторах.

Спалення дає окиси металів

Полум’яний реактор слугує для того, щоб спалювати певні гази або рідину, в якій містяться металічні частинки. В такий спосіб з’являються окиси металів, як-от двоокис кремнію або титану. «Окиси мають широку сферу застосування, - пояснює керівник інституту Шульц. – Наприклад, їх використовують, щоб зробити жорсткішими лаки». Ще однією сферою використання окисів є каталізатори - не лише для зменшення шкідливих речовин у автомеханіці, але й в хімічній промисловості.

Чистий метал завдяки недопущенню кисню

Якщо потрібні не окиси, а частинки з чистого металу, тоді використовується реактор з гарячими стінками. В ньому газ направляється через гарячу трубку і відносно повільно розігрівається. У таких реакторах науковці, наприклад, виробляють частинки кремнію.

Якщо перед виготовленням наночастинок додати інші елементи, то можна змінювати електропровідність матеріалу. Отримані таким чином спеціальні частинки кремнію застосовують насамперед для того, щоб зробити літієво-іонні батареї ще потужнішими.

Потрібне швидке охолодження

В третьому варіанті газ проходить крізь мікрохвильовий плазмовий реактор, який функціонує майже так само, як звичайна мікрохвильова піч. «Вона має таку саму потужність і працює з такою ж частотою», - наголошує Віґґерс. Усередині «печі» науковці створюють максимальну силу поля. «Ми поміщаємо трубку з кварцового скла і в цій трубці можемо спалювати плазму»,- каже фізик. Гарячий газ тече крізь реактор, наче полум'я.

Кілограми наночастинок для промисловості

У залі колишнього сталеливарного заводу концерну Krupp в Дуйсбургу розташований прилад, який поєднує в собі усі три типи реакторів. Він заввишки з двоповерховий будинок і може виробляти кілограми наночастинок на годину. Насамкінець їх розфасовують у пакети.

Але наночастинки повинні бути в розпорядженні промисловості не лише у вигляді пилу, а й у формі водних розчинів, говорить фізик Тім Гюльзер.
Він керує цією установкою Інституту енергії та екологічної техніки (IUTA). Тож науковці розробили систему, що дозволяє частинкам одразу переходити в рідину. Крім того, що промисловості легше переробляти наночастинки у рідкому вигляді, вони ще й безпечніші, ніж нано-пил, котрий, не виключено, завдає шкоду здоров'ю.

Автори: Фабіан Шмідт, Захар Бутирський
Редактор: Тетяна Бондаренко