Предварительные результаты исследования конденсационных и льдообразующих свойств нанотрубок AgI и оксида цинка Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 551.576

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНДЕНСАЦИОННЫХ И ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ СВОЙСТВ НАНОТРУБОК Agi И ОКСИДА ЦИНКА

© 2014 г. В.О. Тапасханов, Б.М. Хучунаев, Щ.И. Тлисов А.Б. Хучунаев, Г.В. Куповых

Тапасханов Валерий Оюсович - кандидат технических наук, директор, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-тай: кЬг@гатЫег. ги.

Tapaskhanov Valery Oyusovich - Candidate of Technical Science, Director, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: kbr@rambler. ru.

Хучунаев Бузигит Муссаевич - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией микрофизики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-тай: [email protected].

Тлисов Михаил Индрисович\ - доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-тай: [email protected].

Khuchunaev Buzigit Mussaevich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Senior Scientific Researcher, Head of the Laboratory of Physics of Clouds, High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected].

\Tlisov Michail Indrisovich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Main Scientific Researcher, HighMountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected].

Хучунаев Азамат Бузигитович - младший научный сотрудник, отдел физики облаков, Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, е-тай: [email protected].

Khuchunaev Azamat Buzigitovich - Junior Scientific Researcher, Department of Physics of Clouds, HighMountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, Russia, e-mail: [email protected].

Куповых Геннадий Владимирович - доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой высшей математики, Институт компьютерных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета, пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская обл., 347928, е-тай: [email protected].

Kupovykh Gennady Vladimirovich - Doctor of Physical and Mathematical Science, Head of High Mathematics Department, Institute of Computer Technology and Information Security of the Southern Federal University, Nekrasovsky St., 44, Taganrog, Rostov Region, 347928, Russia, e-mail: [email protected].

Приводится методика синтеза нанотрубок оксида цинка и AgI Обсуждаются результаты предварительных исследований их конденсационных и льдообразующих свойств. Нанотрубки синтезировались в камере при атмосферном давлении, в качестве катализатора использовался графит. Установлено, что нанотрубки оксида цинка обладают хорошими конденсационными и льдообразующими свойствами.

Ключевые слова: нанотехнологии, льдообразующие ядра, удельный выход, нанотрубки, реагент, капельный механизм.

The technique of synthesis of nanotubes of oxide of zinc and Agl is given. Results of preliminary researches of their condensation and ice-form properties are discussed. Nanotubes were synthesized in the camera with an atmospheric pressure, as the catalyst graphite was used. It is received that nanotubes of oxide of zinc possess good condensation and iceform properties.

Keywords: nanotechnologies, ice-form kernels, specific exit, nanotubes, reagent, drop mechanism.

Исследование атмосферных процессов и воздействия на них с целью управления осадками и уменьшения ущерба от опасных явлений погоды и обеспечения благоприятных безопасных условий для человека является одной из актуальных задач метеорологии.

Для её решения необходимо разработать эффективные реагенты, воздействующие на микрофизические процессы в облаках. В качестве реагента для управления облачными процессами

обычно используют химические вещества, обладающие конденсационными и кристаллизационными свойствами. При этом недостаточно изучены вопросы, связанные с образованием самих частиц реагента. У основного их количества размер 10-100 нм. В данной области размеров значение поверхностных явлений сильно возрастает, усиливается взаимодействие частиц друг с другом. Это существенно влияет на фазовые переходы и образование частиц реагента.

В последние годы интенсивное развитие исследований образования новой фазы и роста частиц в наноразмерном диапазоне открывает возможность создания более эффективных реагентов для воздействия на облачные процессы и туманы. Увеличение эффективности возможно, с одной стороны, за счет увеличения количества частиц с грамма реагента при одной и той же площади поверхности частиц, с другой - за счет роста влияния электрического поля вследствие усиления последнего нанотрубками.

Оценим, во сколько раз увеличивается льдо-образующая эффективность реагентов AgI при диспергировании их в виде нанотрубок. Предположим, что реагент в первом случае имеет сферическую форму с диаметром 5 10-6см, во втором - форму нанотрубки с наружным диаметром 5 10-7см и внутренним диаметром 3 10-7см. Масса одной сферической частицы М = Vp, где V = 3,810-16см3 - объем сферической частицы; p = 5,8 г/см3 - плотность реагента. Количество частиц с одного грамма N = 2,6-1015. Проведем аналогичный расчет для нанотрубок. Длину нанотрубки найдем из равенства площадей поверхностей сферической частицы и нанотрубки. Такой подход оправдан тем, что критический размер частиц реагента определяется площадью поверхности частицы.

Проводя элементарные расчеты, получим, что длина нанотрубки L=2,5- 105см. Масса одной частицы нанотруб-ки Mm=1,10-17, а количество частиц с одного грамма N = 5,51016. Сравнение результатов расчетов показывает, что если диспергировать реагент в виде на-нотрубок, то по сравнению со сферическими частицами удельный выход частиц будет более чем в 20 раз больше. В действительности частицы реагента не являются сферическими, поэтому разница будет меньше. В любом

случае их удельный выход из реагента при диспергировании в виде нанотрубок будет больше.

Таким образом, одним из путей увеличения льдообразующей активности реагентов является диспергирование льдообразующих частиц в виде нанотрубок. Более того, при этом можно добиться небольшого разброса размера частиц, что также приведет к увеличению активных льдооб-разующих ядер за счет уменьшения доли частиц меньше критического размера.

Возгонку проводили в закрытом объеме на графитовой подложке (рис. 1). Ток составлял 50 А, температура подложки измерялась пирометром и достигала 2200 °С. Частицы собирались на стеклянные подложки, которые исследовались под оптическим микроскопом МБИ-15. Для изучения под электронным микроскопом пробы осаждали на угольную пленку (рис. 2) с нанотрубками AgI.

Как видно из рис. 2, после выдержки во влажной среде нанотрубки увеличивали свои размеры за счет конденсированной влаги и становились видимыми в оптическом микроскопе. На рис. 3 представлена стеклянная подложка после 15 мин выдержки в облачной камере при влажности 100 %.

Рис. 1. Комплекс лабораторной аппаратуры для синтеза нанотрубок оксида цинка: 1 - электронный микроскоп ЭММА-4; 2 - оптический микроскоп МБИ-15; 3 - вакуумная установка; 4 - большая облачная камера; 5 - оптический микроскоп Modik

б

Рис. 2. Стеклянная подложка с нанотрубками: а - после осаждения; б - после выдержки 20 мин при влажности 70-90 %

Рис. 3. Стеклянная подложка с нанотрубками AgI после выдержки в облачной камере при влажности 100 % 15 мин

Определение льдообразующей активности реагентов связано с подсчетом ледяных кристаллов, выпадающих на дно камеры при введении в переохлажденный пар определенного количества льдообразующего реагента в виде аэрозоля. Ледяные кристаллы подсчитываются с помощью автоматизированной системы (рис. 4).

Рис. 4. Аппаратура для регистрации ледяных кристаллов:

1 - микроскоп с видеокамерой; 2 - термостолик; 3 -персональный компьютер с программным обеспечением

На этом этапе точно оценить удельный выход не представляется возможным. Предварительные оценки показали, что удельный выход льдообра-зующих частиц при диспергировании AgI в виде нанотрубок выше, чем 1012 г -1.

В настоявшее время считается, что нано-структурный оксид цинка является перспективным материалом для наноэлектроники и для его получения разработано много различных методов.

Установлено, что количество конденсированной воды гораздо больше самих нанотрубок. Однако имеется некоторая особенность эффективного использования конденсационных свойств нанотрубок для воздействия на облачные процессы, которая заключается в том, что последние необходимо получать в среде, на которую следует воздействовать, так как при хранении на них конденсируется влага.

Но для использования в метеорологии при активных воздействиях на облачные процессы по известным причинам предпочтительнее нано-трубки, полученные методом дугового разряда. Как нами было показано в [1], нанотрубки оксида цинка обладают хорошими конденсационными и льдообразующими свойствами. Метод дугового разряда для получения наночастиц был использован в работе [2].

Дуговой синтез проводился в вакуумной камере. В кювету из графита толщиной 0,5 см, длиной 7-9 см и шириной 2 см укладывались кусочки цинка размерами 0,4 х 0,4 см, туда же насыпался порошок графита, масса которого составляла 8 % от массы цинка. Первый служит катализатором роста нанотрубок оксида цинка.

Режим дугового разряда. Напряжение - 3040 В, ток - 80-150 А, разряд поддерживался от 2 до 5 мин.

Анализ рис. 5 показывает, что трубки имеют диаметр 7-10 мкм, у пластины толщина - несколько десятков мкм. На микронных трубках имеется множество пушистых шариков.

Как видно из рис. 6, эти шарики состоят из множества нанотрубок диаметром от 20 до 30 нм.

Пластины (рис. 6) состоят из нанотрубок одинаковой длины, расположенных параллельно друг другу. Нам представляется, что нанотрубки образуются по общеизвестному механизму пар -жидкость - кристалл.

Оценка выхода льдообразующих ядер показала их удельный выход при температуре -10 °С 11 -1

выше 10 г .

а

Рис. 5. Нанотрубки и пластины оксида цинка под оптическим микроскопом

Проведенные предварительные исследования показывают, что использование нанотехнологии в метеорологии может дать толчок к пониманию начальных механизмов фазовых переходов воды в реальной атмосфере и способствовать разработке более эффективных средств активных воздействий на облачные процессы.

Разработан метод синтеза нанотрубок для целей активных воздействий на облачные процессы.

Литература

1. Хучунаев Б.М., Степанова С.И., Хучунаев А.Б., Панаэтов В.П. Исследование льдообразующих свойств кристаллогидратов и нанотрубок оксида цинка // Докл. Всерос. конф. по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 2011. С. 396 - 402.

Поступила в редакцию

б

Рис. 6. Шарик из нанотрубок (а) и пластина оксида цинка (б), полученная дуговым разрядом

2. Покропивный В.В., Касумов М.М. Получение и механизм роста наноструктуры из оксида цинка в дуговом разряде // Письма в ЖФТ. 2007. Т. 33, вып. 1. С. 88 - 94.

References

1. Khuchunaev B.M., Stepanova S.I., Khuchunaev A.B., Panaetov V.P. Issledovanie l'doobrazuiushchikh svoistv kristallogidratov i nanotrubok oksida tsinka [The study of ice-forming properties of crystalline and zinc oxide nanotubes] // Dokl. Vseros. konf. po fizike oblakov i aktivnym vozdeistviiam na gidrometeorologicheskie protsessy. Nal'chik, 2011. S. 396 - 402.

2. Pokropivnyi V.V., Kasumov M.M. Poluchenie i mekhanizm rosta nanostruktury iz oksida tsinka v dugovom razriade [Receiving and growth mechanism of nanostructure of zinc oxide in the arc discharges] // Pis'ma v ZHFT. 2007. T. 33, vyp. 1. S. 88 - 94.

29 октября 2014 г.