Главная » Статьи » Физика

Метод изготовления оптически активных материалов на основе металлических наночастиц для регулирования радиационного потока
Метод изготовления оптически активных материалов на основе металлических наночастиц для регулирования радиационного потока.
Авторы: Евин Олег Алексеевич к.т.н., докторант ИМАШ РАН,
Ушаков Владимир Арсентьевич, к.т.н., доцент, заведующий лабораторией ИнИДО РАО.

    Один из авторов данной работы имеет многочисленные патентные публикации и патенты в этом научно-техническом направлении, опубликованные в Европе, Тайване и США. Предложенный авторами метод изготовления оптически активного стекла, покрытого структурами, содержащими металлические наночастицы, позволяет контролировать радиационный поток через поверхность стекла.
    В работе рассматривается один из первых обоснованных и экспериментально подтвержденных, запатентованных [1,2] методов изготовления оптически активного стекла, покрытого наноструктурами [6], позволяющего регулировать радиационный поток через поверхность стекла. Впервые излагаются нанотехнологические аспекты изготовления такого оптически активного стекла, а также впервые предлагается использование двухстадийного метода самосборки металических наночастиц для создания многократно используемой оптически активной поверхности.
    Материал с такими свойствами безусловно найдет практическое применение, а значит и свое место на рынке новых технологий и материалов, куда можно включить автомобильную и строительную промышленности.
    Это становится возможным благодаря системному использованию многофункциональных свойств металлических наночастиц и их комплексов из благородных материалов (золото, серебро, платина). Основные функциональные особенности таких металлических наночастиц и комплексов, построенных на их базе, можно разделить на две взаимно связанные группы функциональных свойств.
    К первой группе относятся химические функциональные свойства наночастиц и комплексов на их базе, ко второй группе - физические функциональные свойства тех же наночастиц и комплексов из них.
    Уникальным химическим функциональным свойством благородных металлов (золото, серебро, платина) в случае, когда такие металлы используются в виде металлических наночастиц, в первую очередь является их чрезвычайно высокая химическая активность в сравнении с их высокой химической инертностью (золото, платина) при использовании этих металлов в привычных условиях (размерах). Диапазон этих привычных размеров можно определить с помощью традиционных оптических методов, включая оптическую микроскопию.
    Для контроля геометрии наночастиц требуется, как правило, уже электронная микроскопия. Такая высокая химическая активность лежит в основе явления самосборки (self-assembly phenomena), которое реализуется как на структурном уровне в виде образования структур на основе наночастиц, так и на биомолекулярном уровне (липиды, ДНК, протеины, SAM).
    Уникальным физическим функциональным свойством металлических частиц нано размера (20-200нм) из благородных металлов является их способность поглощать радиационное инфракрасное излучение.
    Этот феномен является возможным благодаря явлению плазмонного резонанса, т.е. осцилляции свободных электронов в металлических наночастицах, чья резонансная частота соответствует форме металлической наночастицы.
    Существует ряд хорошо освоенных способов получения наночастиц из золота, серебра. Это можно сделать методом лазерного напыления в вакууме (laser ablation method), методом нанолитографии, или другими способами с многочисленными вариациями, подробно изложенными в многочисленной литературе. 
    Одним из наиболее изученных в настоящее время и, вероятно, наиболее применяемых, способов получения наночастиц из золота, серебра и структур на их базе, является способ формирования наночастиц в коллоидном растворе, с последующей их агрегацией описанный в работе [5].
    Сама возможность получения таким достаточно простым и надежным физико-химическим методом наночастиц из золота и серебра, и что очень важно, с возможностью длительного хранения этих наночастиц в активном состоянии, позволяет широко использовать эти оптически активные наночастицы и структуры на их базе на практике.
    Агрегация таких наночастиц в коллоидных растворах в активные структуры осуществляется путём добавления в коллоидный раствор небольшого количество раствора соли (NaCl). Скорость такой агрегации, и что более важно с практической точки зрения, последующая стабильность этих структур [5] существенным образом зависит от правильно подобранной концентрации соли для данного коллоидного раствора.
    Концентрация соли является квазиравновесной, если в результате агрегации получаются стабильные в структуры. На стабильность оптически активных структур могут влиять и другие факторы [7]. Так в работе [6] показано, что в определённых условиях наличие микро и нано размера пузызьков газа в коллоидном растворе и их участие в процессе агрегации, влияет на формирование оптически активных структур (ОАС). Это влияние сказывается как на усилительных свойствах, так и на стабильности таких комплексов.
    Взаимодействие между металлическими наночастицами в коллоидном растворе определяется в значительной степени соотношением «Кулоновских» и «Ван-дер-ваальсовских» сил [7] между этими наночастицами. При правильно подобранной концентрации соли, эти силы сбалансированы таким образом, что процесс агрегации идёт достаточно медленно, не позволяя процессу коагуляции превалировать. Это в свою очередь не допускает потерю оптической активности в течение длительного времени тем структурам, которые образуются в результате агрегации, или как минимум затормаживают процесс коагуляции.
    Ту же роль играют микро и нано размеров пузырьки газа, которые встраиваются в эти структуры. Они затормаживают процесс коагуляции и помогают стабилизировать оптическую активность агрегированных структур в течение длительного времени. В определённых условиях, находящиеся в растворе ОАС всплывают [8] на поверхность благодаря пузырькам газа, которые образуют единый комплекс с агрегированными металлическими наночастицами.
    Предварительное вакуумирование коллоидного раствора [6] перед добавлением соли, которая запускает процесс агрегации, существенным образом влияет на скорость этой агрегации, стабильность и на итоговую оптическую активность получаемых структур. Очень важно отметить, что концентрация соли, а также размер и количество пузырьков газа совершенно независимо влияют на результаты процесса агрегации.
    Изготовление материалов на основе ОАС достаточно непростое дело, но может быть организовано практически в физико-химической лаборатории. В работе предлагается один из возможных способов изготовления таких материалов. Процесс реализации такого способа изготовления можно разделить на несколько основных этапов.
    Первый этап заключается в изготовлении наночастиц из золота или серебра. Для этих целей можно использовать метод изготовления наночастиц в коллоидном растворе, описанный в работе [5], или вариации этого метода.
    Второй этап заключается в правильном включении механизма агрегации наночастиц в коллоидном растворе. Как правило, основной целью на сегодняшний день является получение стабильных ОАС. Для этих целей подбирается нужная концентрация соли, которая зависит от концентрации наночастиц в коллоидном растворе, размера и формы этих наночастиц, а также от знака и величины заряда на поверхности этих наночастиц [7]. В этом случае скорость агрегации, или, говоря по-другому, скорость первого этапа самосборки (self-assembly) наночастиц в коллоидном растворе в ОАС должна быть сравнительно небольшой, чтобы существенно не нарушить баланса сил и не допустить развития процесса коагуляции наночастиц с потерей основного функционального свойства.
    Для целей изготовления ОАС правильное включении механизма агрегации наночастиц в коллоидном растворе заключается не только в выборе правильной скорости агрегации, но и в правильном выборе момента и способа прекращения такой агрегации. Для того чтобы обеспечить надёжную связь между подложкой и ОАС необходимо сместить баланс сил в процессе агрегации в сторону сил «Ван-дер-Ваальса», но при этом не допустить развития процесса коагуляции. Для реализации этого режима скорость агрегации наночастиц в коллоидном растворе должна быть выше, чем при создании стабильных структур. 
    Этот режим агрегации достигается за счёт добавления соли в коллоидный раствор в концентрации выше, чем квазиравновесной. В результате этого процесс агрегации ускоряется, и при значительном нарушении баланса сил, заканчивается коагуляцией агрегированных наночастиц и структур на их базе. Однако, можно прекратить как процесс агрегации, а значит и процесс коагуляции ОАС, если вмешаться в этот процесс на промежуточном этапе. Для целей получения материалов на базе ОАС это делается путём нанесения коллоидного раствора, в котором уже образовались ОАС, но процесс коагуляции ещё не является доминирующим, на поверхность стекла, которая является подложкой для этих структур. Момент нанесения определяется по изменению цвета коллоидного раствора. При правильно выбранной концентрации соли в момент её добавления буро-жёлтый цвет коллоидного раствора в течение нескольких секунд изменяется и приобретает фиолетовый оттенок. Нанесение такого раствора с ОАС, в котором еще активно идут процессы агрегации/коагуляции, немедленно включают процесс присоединения золотых или серебрянных наночастиц к подложке, т.е. наружной поверхности стекла. Эта поверхность может быть как гладкой, так и шероховатой. Процесс присоединения ОАС к поверхности стекла, который занимает несколько минут, можно с полным основанием отнести ко второму этапу само-сборки (self-assembly) ОАС.
    На третьем этапе изготовления материалов с ОАС осуществляется процесс отмывки. В этом процессе может быть использована для удаления ОАС, не присоединившихся к стеклу, как вода, так и различные растворы.
    Контроль качества получаемых предложенным методом материалов можно осуществлять различными способами.
    Предлагаемый простой и надёжный метод изготовления материалов на основе оптически активных структур может быть рекомендован для создания локальных охлаждающих систем, например, в различного вида автомобилях, тракторах и др. Такие охлаждающие системы позволяют поддерживать постоянную температуру в салоне автомобиля даже при выключенном двигателе и неработающей серийной системе охлаждения, что очень актуально и практически жизненно важно в жаркие периоды времени под воздействием прямого солнечного излучения (радиационного потока).

Литература
  1. Kreimer, D.I.; Nufert, T.H.; and Yevin, O.A. Patent TW530146 (B). Surfaces having particle structures with broad range radiation absorptivity.
  2. Kreimer, D.I.; Nufert, T.H.; and Yevin, O.A. Patent TW445362 (B). Fractal absorber for heat pipes with broad range heat radiation absorptivity.
  3. Le Ru, E.C.; Blackie, E.; Meyer, M.; and Etchegoin, P.G. J. Phys.Chem. C 2007, 111, 13794-13803. Surface Enhanced Raman Scattering Enhancement Factors: A Comprehensive Study.
  4. Kreimer, D.I.; Yevin, O.A., and Ginzburg, L., Patent Application WO 03014697, 2003, Amplification of Analyte Detection with Passivated Surfaces Having Receptors.
  5. Lee, P.C.; Meisel, D. J. Phys.Chem. 1982, 86, 3391-3395. Adsorption and Surface-Enhanced of Dyes on Silver and Gold Sols.
  6. 6. Kreimer, D.I.; Nufert, T.H.; Ginzburg, L., and Yevin,O.A. US Patent Application US5567628, 2003. Method for Manufacturing Nanoparticle Structures Using Hydrophobic or Charged Surfaces.
  7. Meyer, M.; Le Ru, E.C., and Etchegoin, P.G. J. Phys.Chem. B 2006, 110, 6040-6047. Self-Limiting Aggregation Leads to Long-Lived Metastable Clusters in Colloidal Solutions.
  8. Jiawen Hu, Bing Zhao, Weiqing Xu, Yuguo Fan, Bofu Li, and Yukihiro Ozaki, J. Phys.Chem B 2002, 106, 6500-6506. Aggregation of silver Particles Trapped at an Air-Water Interface for Preparation New SERS active Substrates.
  9. Le Ru, E.C.; Etchegoin, P.G. and Meyer, M. The Journal of Chemical Physics 125, 204701, 2006. Enhancement factor distribution around a single surface-enhanced Raman scattering hot spot and its relation to single molecule detection.

 

Категория: Физика | Добавил: Rawicz (27.09.2010)
Просмотров: 1166 | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: