Как получить нуклеацией наночастицы? Механизм роста частицы

Теперь мы можем довольно точно предсказать, какие условия будут способствовать получению наноразмерных частичек новой фазы. Фактически, получение наночастиц означает, что мы должны не дать нуклеусам слишком вырасти. Для этого нужно придерживаться нескольких правил:

1. "Старая" фаза не должна быть слишком пересыщенной, иначе процесс приобретет хаотический характер, а наночастицы, даже если они образуются, слипнутся друг с другом.

2. Повышение вязкости системы способствует образованию более мелких частиц.

3. Нельзя давать частицам слишком много времени, иначе они "перерастут" наноразмеры.

4. Добавка ПАВ или иные способы стабилизации поверхности облегчают получение наноразмерных частиц.

5. При гетерогенной нуклеации получаются частицы меньшего размера, чем при гомогенной. Следовательно, желательно избегать гомогенной нуклеации, или проводить ее в особых условиях (применяя стабилизаторы).

Перед тем как начать разговор о способах синтеза наночастиц, основанных на нуклеации, будет полезно подробнее обсудить механизмы, которые управляют ростом частиц. При этом мы будет говорить прежде всего о росте твердой фазы, поскольку наноматериалы всегда твердые (хотя могут находиться в жидкой или газообразной суспензии).

Вообще говоря, таких механизмов три:

1. Рост частиц под диффузионным контролем.

Диффузионным контролем называется в кинетике ситуация, когда система так бедна реагирующими веществами, что самое сложное  - доставить эти вещества к месту процесса. Когда я объясняю студентам, что такое диффузионный контроль, я привожу им пример супермаркета в дневные часы посреди недели. Покупателей почти нет, кассирши скучают. Если вас занесет в супер в эти счастливые часы, то ваше время потратится лишь на блуждания между рядами товаров. На кассе все произойдет очень быстро. В случае роста поверхности под диффузионным контролем получаются красивые аккуратные наночастички практически одинаковой формы и размера, поскольку не нужно никуда торопиться ("все кассы свободны"), атомы и молекулы новой фазы могут спокойно отыскать себе самое лучшее и удобное место. С другой стороны, продукта в единицу времени получается мало ("супер простаивает").

Для обеспечения роста под диффузионным контролем желательны низкое пересыщение и высокая вязкость системы, а также заметный потенциальный барьер роста фазы (когда новым частицам не очень легко "прилипнуть" к растущей фазе).

2. Рост частиц под контролем процесса образования монослоя

В этом случае поверхность растет таким образом, что атомы нового слоя сильнее притягиваются друг к другу, чем к внутренним слоям частицы. Поэтому новым атомам выгоднее всего образовать монослой - слой толщиной в один атом или в одну молекулу, равномерно окружающий внутренние слои. Когда монослой достроен и в нем нет свободного места, он перестраивается, становясь таким же как внутренние слои, а на нем начинает расти новый монослой. В терминах супермаркета это - случай, когда в каждую кассу выстраивается культурная вежливая очередь, где все терпеливо ждут, когда дойдет до них. Основная потеря времени покупателя приходится теперь на кассу, но процесс идет, в общем, спокойно. Частицы в этом случае получаются не такие аккуратные и одинаковые, как в диффузионном режиме, но зато выход продукта намного выше.

Для обеспечения режима контроля образования монослоя требуются умеренные (более высокие, чем в предыдущем случае) скорости роста.

3. Рост частиц под контролем полислойного образования

Самый кошмарный случай. В терминах супермаркета это - озверевшая от стояния нервная очередь, непрерывно скандалящая и ломающая порядок. Частица растет одновременно многими слоями, так что предыдущий слой не успевает толком упорядочиться, а на нем уже растет несколько следующих. Получается этакий "тетрис", где ни об одинаковых размерах, ни об аккуратных формах говорить не имеет смысла. Продукта получается много, но качество его оставляет желать лучшего.

Этот режим возникает при очень высокой скорости роста и обычно является нежелательным.