27. Нанобөлшектерді жалында алу қалай жүзеге асады?

Нанобөлшектердің жалында түзілу процесі күйе түзілумен бірге жүретін күрделі тізбекті реакциялардың нәтижесі болып табылады. Сондықтан күйе мен наноматериал түзілу механизмдерін қатар зерттеу негізгі мәселе болып тұр. Көптеген зерттеулерге қарамастан жану процесінде наноматериалдар түзілу жылдамдығының эффективтілігін қамтамасыз ететін әлі күнге дейін шешілмеген мәселелер бар, олар: оптимальді отын түрін таңдау, жанғыш қоспа құрамы, жану режимі оптимизациясы және жандырғы конструкциясы.

Мысалы, өзіндік құны төмен фуллерендерді, белгілі бір қасиеттерге ие күйені алумен байланысты, сонымен бірге күйе бөлшектерінің атмосфераға тасталуын төмендету мәселелерін шешуде нақты басқарылып отыратын жануды қолдану белгілі дәhрежеде қамтамасыз етеді. Және де жану процесін басқару әдістерінің бірі жалынға сыртқы электр өрісін енгізу әдісі болып табылады.

Фуллерендер көміртек атомының саны n=30-120 болатын қуыс сфералы кластерлер. Фуллерен атомдарының арасындағы ішкі байланыс сыртқы байланыстан көп, сондықтан фуллерендер тығыздығы 1,65г/см³ болатын өзінің ішкі құрылымын сақтай отырып (фуллерит) конденсация кезінде қатты дене түзеді.

Т>500 К температурадан бастап оттегімен әрекеттесу интенсивті тотығуға әкеліп, СО және СО₂ түзеді, осы ашық ауада нанообөлшектің қыздырылуын бөлме температурасынан жоғарылауына мүмкіндік бермейді. 0,5-5эв және жоғары фотонмен сәулеленуде С₆₀ тотығуы әлсіз формада өтуі мүмкін, сондықтан С₆₀ қараңғы жерде сақтау керек.

Жалынды жандыру үшін оптимальді жағдай жоғары вольтты трансформатор көмегімен жасалатын ұшқын доға болып табылады. Трансформатордың бір жағы электрод ретінде қолданылып, ал басқа жағы реактор массасына жалғанады. Жану реакторында қысымда тұрақтандырған соң, ұшқын жағылып, отын берілді. Жалынның тұрақты таралу процесіне әсер ететін негізгі фактор жандырғыдан жанғыш қоспаның шығу жылдамдығы болып табылады.

Электр өрісін енгізгенде және оның шамасын өзгерткен кезде жалынның геометриялық түрлерінің өзгеруі жүрді. Жалынның формасы мен биіктігінің өзгеруі берілген кернеу полярлығынан және шамасынан, және де электрод аралық арақашықтықтан тәуелді болды.

Электр өрісінің әсерінен оң иондар және олармен әкетілетін нейтрал бөлшектер жалын фронтынан жалынның алдыңғы аймағына шығарылып, содан кейін теріс электродқа – матрицаға әкетілді, осы жалынның өшуіне әкеледі деп болжанады. Жоғарғы электрод теріс полярлық мәнде болғанда, жалын өшпейді. Және ол нанобөлшектер немесе наноматериалдың жану процестерін ұйымдастыруда оң иондардың артықшылығын растайды.

28. Нанобөлшектердің жинақталуын түсіндіріңіз.

Фуллерендердің ашылуы келесі жайтты түсіндірумен байланысты: графиттің абляциясының кейбір шарттарында масс-спектр алынып, онда С₆₀-қа сәйкес шыңның биіктігі басқа кластерлерге сәйкес шыңдардан 40 есе үлкен болды. Бұл жайлы түсіндіру үшін формасы қима икосаэдр болатын С₆₀ тұрақты кластерінің болатындығы ұсынылады, онда барлық атомдар сфералы бетте 12 дұрыс бесбұрыш пен 20 алтыбұрыштың төбелерінде орналасады. Құрылымы мұндай кластер фуллерен деп аталады. Зерттеулер оншақты атомнан тұратын және фуллеренмен бірге басқа кластерлердің де бесбұрыштар мен алтыбұрыштар төбелерінде атомдар орналасатын ұқсас құрылымдар түзетіндігін көрсетті. Фуллерендер түзілуінің моделінің дұрыстығының басты критерийлерінің бірі – басқа фуллерендерге қарағанда С₆₀ фуллереннің кең таралуы. Маңызды жетістік Кречмер, Хафманның С₆₀ фуллеренді көп мөлшерде доғалық разрядта графит стерженьдерін буландыру арқылы алу әдісін табу болды.

1. Фуллеренді графит фрагменттерінен жинау

Бастапқыда С₆₀ жазық жапырақшалардың абляциясында графит қабатынан жиналады деп болжанды. Мұндай жинақтың қарапайым тәсілі – қос алтыбұрышты құрылымды С₁₀ –тың 6 кластерін біріктіру. Тостаған тәрізді бұралып келген графит жапырақшаларының формасы С₆₀ фуллереннің жартысы ұсынылды, олар сосын графиттің кішірек фрагменттерімен қосылып толық С₆₀ фуллеренді түзеді. Осы әдемі модельге сәйкес С₆₀ фуллеренді алудың оңтайлы шартарының болуы – осы шарттарды графиттің булануынан дәл осындай фрагменттердің түзілуі.

2. «Ұлу» моделі

Фуллерендердің түзілуін болжайтын келесі модель – «ұлу» моделі. Бұл модель бойынша фуллеренді алғанда плазмада өсетін көміректі кластер қисайған жапырақша аралық еркін байланыстар санын азайтуға тырысады. Қарастырылған модельде көміртекті кластердің өсуі ұлу қабыршағының өсуіне ұқсас.

Өсетін кластерлердің бір бөлігі фуллеренге тұйықталады, қалғандары күйенің «квазиспиральді» бөлшектеріне өседі. Бұл модель фуллерендердің түзілуін графиттің булануымен ғана байланыстырмайды. Сондай-ақ С₃₀₀-ге дейінгі үлкен көміртекті кластерлердің иондануының екінші потенциалы мен термоиондық эмиссиясын зерттеулер олардың барлығы«квазиспиральді» бөлшектер емес, фуллерендер екенідігін көрсетті.

3. Кластерлерден жинау

Бұл бөлімде құрылымы «фуллерендер фрагменттерінің» құрылымымен сәйкес келетін әртүрлі кластерлерден фуллерендер жинақталған модельдер қарастырылады. Жоғарыда келтірілген модельдерге тиісті кемшіліктер «бесбұрыш ережесі» деп аталатын. Фуллерендердің түзілу моделінде жойылған. «Бесбұрыш ережесіне» сәйкес өсетін жапырақша жанған кезде бесбұрыштар алтыбұрыштармен бөлінеді де, соңында С₆₀ фуллереннің түзілуіне алып келеді. С₆₀-дан үлкен кластерлердің басым саны тек атомдардың жұп санынан құралған, сондықтан бесбұрыш ережесі С₆₀-тің өсуі С₂-нің кезекпен қосылуы нәтижесінде жүзеге асатыны туралы болжаммен толықтырылған. Жұмыста бесбұрыш ережесіне сай С₂-ден С₆₀ пен С₇₀ өсу сызбанұсқалары келтірілген. Фуллерендердің үлкен фрагменттерден, атап айтқанда С₆₀-тің үш С₂₀-дан жинақталуының бернеше тәсілдері ұсынылған, сондай-ақ: С₆₀-тің алты С₁₀-нан; «сақиналардан жинақталу» моделі (3 – сурет) С₁₀+С₁₂+2С₁₈+С₂=С_60, 2С₁₀+2С₂₀+С₂₄=С₈₄С₁₀+С₈+С₂₀+С₁₆+3С₂=С_70, тағы басқа ұқсас фрагменттерде жинақталу тәсілдері ұсынылған.

4. Фуллерен жолы

«Фуллерен жолы» деп аталған фуллерендердің түзілу моделі ұсынылды, оған сәйкес көміртекті кластерлер 30-40 атом болса фуллерен болып табылады және кластердердің ары қарай өсуі фуллереннің С₂ микрокластерін қосу арқылы өсуі болып табылады.