CC BY
38
Структура образующегося фотонного кристалла зависит от многих факторов - от свойств осаждающихся частиц и жидкой среды, от условий проведения процесса. Скорость осаждения, как правило, достаточно низкая, от нескольких часов при испарении под вакуумом до нескольких суток при атмосферном давлении.
Определенная информация о типе структур, образующихся при осаждении, о скорости процесса может быть получена при математическом моделировании процесса осаждения частиц различной природы в различных средах.
В данной работе проводилось моделирование осаждения монодис-персных частиц. Осаждение рассчитывалось в модельной кубической ячейке с размером сторон - 5 мкм, количество частиц было равно 500 и 100, диаметр частиц - 300 нм. Плотность частиц принималась равной 2,6 г/см3.
При столкновении частиц со стенками ячейки предполагалось, что удар - абсолютно упругий. При столкновении с дном ячейки или уже осевшими частицами коэффициент упругости был равен 0,3.
На рис. 1 показана модельная ячейка в различные моменты времени.
Как видно, на изображениях ячейки в начальный момент времени частицы равномерно распределены в объеме. С течением времени происходит седиментация частиц. Объем, занимаемый частицами, уменьшается, при этом на дне ячейки образуется осадок.
В данном случае осадок имеет неупорядоченную структуру, так как расчеты проводились без учета броуновского движения частиц, вязкого сопротивления среды и реорганизации частиц в осадке.
Написанная при выполнении данной работы программа для расчета седиментации частиц послужит основой для создания программ с учетом вышеуказанных факторов и моделирования кинетики образования и структуры фотонных кристаллов.
УДК 541.18
Е.Н. Голубина, Н.Ф. Кизим, А.С. Сальников
Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, Россия
СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ СОЛИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
The wettability of the nanomaterial formed in a dynamic interfacial layer of system LnA3 - H20 - D2EHPA - C7Hi6, apply in the form of a thin film on a glass plate is studied. Dependence of the hydrophobicity by the generated film on time of contact of phases, the nature and concentration of salt Ln (III) at the receiving of the nanomaterial is shown.
Изучена смачиваемость наноматериала, образующегося в динамическом межфаз-ном слое системы LnA3 - Н20 - Д2ЭГФК - С7НК5, нанесенного в виде тонкой пленки на
стеклянную пластинку. Показана зависимость гидрофобности сформированной пленки от времени контакта фаз, природы и концентрации соли Ln(III) при получении наноматериала.
Известно [1-3], что наноматериалы нередко превосходят по свойствам «обычные» материалы. У них более высокая прочность (в 1,5-2 раза), твердость (в 50-70 раз), износостойкость (в 10-12 раз), при этом они имеют меньшую плотность. Уникальные свойства наноматериалов и наночастиц определяются, прежде всего, размерными эффектами. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических и др.) критический размер может быть различным, как и характер изменений (равномерный или неравномерный). Процесс получения наноматериалов обеспечивает высокую степень контроля над структурой, а, следовательно, над их свойствами.
Тонкие пенки наноматериалов, нанесенные на изделия придают им новые потребительские свойства. Диапазон использования структурированных тонких пленок широк: оптика (технология фильтрации), электроника (структурированные тонкие пленки используются в качестве диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью для уменьшения перекрестных помех в интегральных схемах), фотохимия и электрохимия.
В настоящее время для придания поверхности гидрофобных свойств на практике применяют полимерные композиционные материалы, силикатные растворы, силоксановые и т.п. Несмотря на то, что известно, много средств, используемых для модифицирования поверхности, но необходимость в синтезе новых материалов не исчезла.
В сообщении представлены результаты исследований смачивания структурированных пленок из синтезированного нами наноматериала на основе соли редкоземельных элементов (РЗЭ) с ди-(2-этилгексил)фосфорной кислотой (Д2ЭГФК), нанесенных на поверхность стеклянной пластинки.
Эксперимент проводили следующим образом. В стеклянную конусообразную ячейку с площадью поперечного сечения 6,07 см2 наливали 8 мл
0,1 М водного раствора ЕгСЬ или РгСЬ (pH = 5,3) и осторожно по стенке ячейки приливали 2 мл 0,05 М раствора Д2ЭГФК в гептане. Через заданные промежутки времени медленно погружали тонкую стеклянную пластинку (24x16x2 мм) узким торцом через слой органической фазы в водную фазу на глубину 7 мм. Выдерживали 20 с. в неподвижном положении, а затем медленно с постоянной скоростью (~ 1 мм/с) извлекали ее из системы.
Для оценки растекания воды по поверхности, нанесенного на подложку материала, определяли краевой угол смачивания, измеряя с помощью катетометра диаметр (d) и высоту капли (h). Краевой угол смачивания рассчитывали по уравнению
(d/2)2 - (h / 2 )2
COS (у =
(6 /2)2 + (Ь / 2)2 '
Процесс экстракции РЗЭ сопровождается формированием структурированного динамического межфазного слоя (ДМС).
Ранее нами [4] было замечено различие в структуре ДМС, формирующегося при экстракции РЗЭ иттриевой и цериевой подгрупп. На рис. 1 а
представлена фотография нанесенного на стеклянную пластинку материала, полученного при экстракции Рг(Ш). Можно заметить, что покрытие является однородным и представляет собой тонкую прозрачную пленку. На рис. 1 б представлена фотография нанесенного на стеклянную пластинку материла, полученного при экстракции Ег(Ш). В этом случае материал является неоднородным и можно наблюдать наличие двух областей: кристаллической структуры (1); аморфной структуры (2).
а б
Рис. 1. Фотографические изображения материала, нанесенного на стеклянную подложку.
Материал, извлекаемый из динамического межфазного слоя указанной экстракционной системы, характеризуется свойствами, зависящими от времени контакта фаз. Пленка наноматериала, полученная при времени контакта фаз 5 мин, нанесенная на поверхность стекла является гидрофильной. Однако при увеличении времени контакта фаз образующийся в ДМС наноматериал, будучи извлеченным из системы и помещенным на поверхность стекла в виде тонкой пленки, увеличивает гидрофобность (рис. 2), которая как нам представляется обусловлена следующими причинами. С одной стороны, растворитель и образующаяся в результате реакции РЗЭ и Д2ЭГФК соль обладают гидрофобными свойствами. С другой стороны, в случае кристаллической структуры покрытия предотвращается проникновение капли воды к поверхности подложки. По-видимому, в этом случае капля воды соприкасается только с самыми вершинами кристаллов, не достигая поверхности подложки. Сила прилипания воды обусловлена площадью поверхности взаимного контакта. Если бы поверхность была гладкой, без микрорельефа, то площадь контакта оказалась бы значительной и вода удерживалась бы достаточно прочно. Однако из-за острых концов кристаллов площадь контакта минимальна, капля воды не может растечься по поверхности подложки и стремится принять форму шара.
Таким образом, полученный материал обладает регулируемой способностью к смачиванию. Это позволяет использовать его для модифицирования твердых поверхностей. Данный материал обладает высокой прозрач-
ностью и может быть использован для покрытия поверхностей, не допускающих изменения светопропускания. Полученный при определенных условиях, будучи нанесенным в виде тонкой пленки, он придает модифицированной поверхности практически полную несмачиваемость водой и водными растворами. Уникальность этого материала обусловлена особенностями его получения в ДМС экстракционной системы.
Рис. 2. Зависимость краевого угла смачивания материала, нанесенного на стеклянную пластинку, от времени контакта фаз при его получении. (Водная фаза: 0,1 М раствор РгС13 (1); 0,01 М раствор ЕгС13 (2; 3). Капля воды нанесена на область поверхности, помеченной на рис. 16 «1» (нижняя кривая), и на область «2» (средняя кривая). Органическая фаза: 0,05 М раствор Д2ЭГФК в гептане).
В результате гетерофазного процесса между компонентами системы образуются молекулы соли, которые, взаимодействуя между собой, образуют наночастицы, объединяющиеся впоследствии в агрегаты, являющиеся «кирпичиками» структурообразования в динамическом межфазном слое. Получение материала с прогнозируемыми свойствами можно считать элементом будущей технологии получения «умных» покрытий.
Библиографические ссылки
1. Нанотехнологии. Наноматериалы. Наносистемная техника. Мировые достижения - 2008 г.: Сборник /под ред. П.П. Мальцева. - М.: Техносфера. 2008. 432с.
2. Елисеев А.А. Функциональные наноматериалы./ А.А. Елисеев, А.В. Лу-кашин / под ред. Ю.Д. Третьякова. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2010. 456с.
3. Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом./ М. Рыбал-кина// Nanotechnology News Network, 2005. 444 с.
4. Кизим Н.Ф. Накапливание некоторых редкоземельных элементов в динамическом межфазном слое экстракционной системы./ Н.Ф. Кизим, Е.Н. Голубина // Химическая технология, 2009. Т. 10. № 5. С. 296-301.
