Способ получения наночастиц из газов и паров жидкостей, существующих при комнатной температуре в виде газов или жидкостей

Изобретение относится к нанотехнологии, а именно к способу получения наночастиц для исследования их физических свойств. Осуществляют смешивание газов или паров жидкостей с газообразным гелием при комнатной температуре с получением примесь-гелиевой смеси, имеющей концентрацию примеси не более нескольких процентов. Полученную смесь подают по трубке наполнения в сверхтекучий гелий ниже его уровня при ламинарном течении смеси. Смесь быстро охлаждают в трубке наполнения до температуры сверхтекучего гелия в образующемся противотоке холодного гелия и осаждают на поверхности сверхтекучего гелия наночастиц из газов или жидкостей. Обеспечивается получение наночастиц для проведения исследований их физических свойств при сверхнизких температурах.

 

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно предлагаемый способ позволяет получать частицы малых размеров (наночастицы) из материалов, существующих при комнатных температурах в виде газов или паров, и проводить исследование их физических свойств при сверхнизких температурах.

Известен способ получения тонкопленочного материала (заявка РФ 98102841/04, опубликована 1999.11.10), заключающийся в том, что на границе раздела жидкость - газовая фаза формируют нерастворимый ленгмюровский монослой поверхностно-активного вещества, сжимают монослой, производят погружение твердотельной подложки в жидкую фазу с находящимся на поверхности жидкой фазы ленгмюровским монослоем, в котором на границе раздела жидкость-газовая фаза производится формирование металлсодержащих наночастиц (кластеров) путем разложения металлсодержащих соединений общей формулы M_m(L)_n, где М - металл или несколько разных металлов, L - лиганд или несколько разных лигандов, под действием излучений, а также механических, термических воздействий и/или их комбинаций.

Такой способ позволяет получать наночастицы только из металлсодержащих соединений с химической связью на поверхности неполярного растворителя, например, в качестве металлсодержащего соединения M_m(L)_n используется карбонил железа Fe(CO)₅, а в качестве летучего неполярного растворителя используется хлороформ.

Известен способ получения нанопорошка теллурида кадмия (CdTe) с размером частиц 10 нм [N.N.Kolesnikov, V.V.Kveder, R.В.James, D.N.Borisenko, М.P.Kulakov. Growth of CdTe nanocrystals by vapor deposition method. Nuclear Instr. and Meth. in Phys. Research A., 2004, v.527, N 1-2, p.73-75 - прототип], включающий осаждение из газовой фазы в потоке гелия с использованием реактора с источником испарения, имеющим состав CdTe.

К недостаткам вышеописанных способов получения нанопорошков относится возможность получения частиц только из материалов с температурой испарения существенно выше комнатной.

Задачей данного изобретения является получение наночастиц из газов и паров жидкостей, существующих при комнатной температуре в виде газов и жидкостей для проведения исследований их физических свойств при сверхнизких температурах, например получение наночастиц дейтерия или паров воды для их использования в научных исследованиях при этих температурах.

Эта задача решается в способе получения наночастиц из газов и паров жидкостей, существующих при комнатной температуре в виде газов и жидкостей путем осаждения из газовой фазы в потоке гелия предварительно подготовленной сильно разбавленной смеси (до концентрации от долей процента до нескольких процентов) нужного газа (называемого ниже примесью, например, дейтерия или паров воды) с гелием на поверхность сверхтекучего гелия. При этом образуется взвесь наночастиц в сверхтекучем гелии - примесь-гелиевый гель (например, дейтериево-гелиевый или водно-гелиевый гели).

Способ характеризуется тем, что смесь легколетучих газов или паров жидкостей в малых концентрациях смешивается с газообразным гелием (примесь-гелиевая смесь) при комнатных температурах и затем быстро охлаждается до температуры сверхтекучего гелия, при которой все вещества (кроме гелия) становятся твердыми. При высокой температуре (в данном случае комнатной) молекулы примеси или пара низкой концентрации (МП) и атомы гелия (Г) перемешаны за счет высокой подвижности МП и Г. В процессе охлаждения МП проходят точку перехода сначала в жидкое, а потом и в твердое состояние. Однако малые концентрации примесных молекул и обилие нейтральных атомов гелия, совместно с быстрым охлаждением смеси меняют картину фазовых переходов. Малые концентрации смесей (от долей процентов до нескольких процентов) позволяют образовывать наночастицы, примеси в которых являются центрами притяжения не только для однородных молекул примеси, но и, в основном, для атомов гелия, концентрация которых существенно больше (на два порядка). Быстрое охлаждение (за минуты) до очень низких температур (до температуры жидкого гелия, когда тепловая диффузия примесных атомов практически отсутствует) и окружение примесных центров оболочкой из нейтральных атомов гелия приводит к тому, что затрудняется образование стандартных для данных условий (температуры и давления) состояний примесных атомов или молекул и образование больших кристаллов примесного вещества.

Поток смеси малого давления движется в широкой трубе за счет небольшой разности давлений, создающей ламинарное течение. Эксперименты показали, что для образования наночастиц разность давлений должна быть от долей до нескольких миллибар при давлении смеси и паров жидкого гелия до десяти миллибар. Уменьшение разности давлений приводит к резкому замедлению скорости образования примесь-гелиевой смеси, увеличение - к нарушению условий ламинарного течения смеси в трубке конденсации, соответственно вымораживании примеси вдоль трубки и нарушении условий конденсации на границе сверхтекучий гелий-смесь.

Особенностью данного способа является также то, что конец трубы наполнения помещен ниже уровня жидкого гелия. Это приводит к тому, что вся газовая смесь поступает на границу раздела, где и происходит образование наночастиц. Поступление смеси на границу раздела жидкий гелий-пар и конденсация наночастиц в жидком гелии обуславливает дополнительное тепловыделение (теплота конденсации) и дополнительное испарение жидкого гелия. Таким образом, в трубе образуется встречный поток холодного гелия, который охлаждает смесь в процессе ее движения к поверхности раздела и еще сильнее уменьшает концентрацию примесных атомов.

После нуклеации более плотные наночастицы примесь-гелиевого геля погружаются в объем жидкого гелия, удаляясь от границы раздела жидкость-пар (из зоны образования наночастиц) и скапливаясь на дне сосуда с жидким гелием.

Наличие сверхтекучего гелия является принципиальным для данного способа получения наночастиц из газов и паров жидкостей за счет бесконечно большой теплопроводности сверхтекучего гелия и идеального теплооттока из зоны конденсации наночастиц. Следует отметить, что такие наночастицы (примесь-гелиевые гели) существуют только в области гелиевых температур. Повышение температуры выше нескольких градусов кельвина, испарение гелия, иногда просто переход гелия из сверхтекучего состояния в нормальное резко меняет свойство геля.

Пример 1: В эксперименте смешивалось ~2% тяжелой воды (в виде пара) с газообразным гелием. Затем смесь по широкой трубе подавалась к поверхности сверхтекучего гелия. При разности давления в трубке наполнения и окружающего гелия в 1 миллибар время движения смеси по трубе и соответственно время охлаждения смеси составляло порядка 20-30 секунд. При таком охлаждении образуется пористая структура из этих наночастиц, насыщенная жидким гелием (тяжеловодно-гелиевый гель). В образующемся при этом тяжеловодно-гелиевом геле по исследованию рассеяния нейтронного пучка были обнаружены частицы с размерами меньше 10 нанометров. Повышение температуры выше 3-5 К приводит к низкотемпературному превращению такого гелиево-водяного геля в одну из плотных низкотемпературных модификаций льда.

Пример 2: При комнатной температуре в баллоне предварительно смешивались газообразные дейтерий и гелий. В разных экспериментах концентрации менялись от долей процента до 4% газообразного дейтерия. Затем смесь по широкой трубе подавалась к поверхности сверхтекучего гелия. При конденсации смеси на поверхности сверхтекучего гелия в объеме гелия образовалась легкая дымка, которая сгущалась по мере увеличения количества сконденсированной смеси. Размер частиц такого геля, по результатам исследования рассеяния нейтронов, был распределен во всем диапазоне размеров, начиная с ~1 нанометра. Дейтериево-гелиевый гель существует только в сверхтекучем гелии. Свойства такого геля резко меняются по мере выхода геля над поверхностью сверхтекучего гелия, при этом его плотность резко возрастает (более чем на порядок).

Способ получения наночастиц из газов или паров жидкостей, существующих при комнатной температуре в виде газов или жидкостей, включающий смешивание газов или паров жидкостей с газообразным гелием при комнатной температуре с получением примесь-гелиевой смеси, имеющей концентрацию примеси не более нескольких процентов, подачу полученной смеси по трубке наполнения в сверхтекучий гелий ниже его уровня при ламинарном течении смеси, быстрое охлаждение в трубке наполнения до температуры сверхтекучего гелия в образующемся противотоке холодного гелия и осаждение на поверхности сверхтекучего гелия наночастиц из газов или жидкостей.