Исследование динамики процесса осаждения наночастиц в жидкой гетерогенной матрице оптическим бесконтактным методом на основе процедуры пространственного усреднения данных

Н. П. КРАЕВА

Научные руководители: Ю. Н. КУЛЬЧИН, О. Б. ВИТРИК

Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ В ЖИДКОЙ ГЕТЕРОГЕННОЙ МАТРИЦЕ ОПТИЧЕСКИМ БЕСКОНТАКТНЫМ МЕТОДОМ НА ОСНОВЕ ПРОЦЕДУРЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО УСРЕДНЕНИЯ ДАННЫХ

Разработан спекл-корреляционный метод на основе пространственного усреднения данных позволяющий отслеживать динамику процесса осаждения наноразмерных частиц в жидких гетерогенных матрицах бесконтактным способом без отбора проб образцов их дальнейшего анализа (методами СЭМ и АСМ – микроскопии).

Одним из ведущих направлений исследований в области нанотехнологий является изучение особенностей структуры и свойств малых атомных агрегаций. Наноразмерность структуры композитных сред обуславливает целый ряд особенностей и уникальных свойств, которые делают их незаменимыми для решения широкого круга научных, технических и технологических задач. Однако широкомасштабное применение гетерогенных нанокомпозитов, в частности, на основе наноразмерных объектов и их конгломератов в жидкофазной диэлектрической матрице на сегодняшний день сдерживается рядом проблем, требующих проведения исследований как фундаментального, так и прикладного характера. Так актуальной задачей в настоящее время является исследование процессов осаждения малоразмерных частиц в жидкой среде. Наиболее важными параметрами, определяющими специфику данных процессов являются размерные характеристики, пространственное распределение наночастиц в различных слоях матрицы, однако количество существующих методов для проведения указанных исследований невелико. Разработанный оптический метод на основе пространственного усреднения данных позволяет отслеживать динамику процесса осаждения наноразмерных частиц бесконтактным способом без отбора проб образцов их дальнейшего анализа (методами СЭМ и АСМ – микроскопии). Для этого в составе экспериментальной установки (рис.1) используется He-Ne лазер (1), кварцевая прямоугольная кювета (2) с раствором частиц SiO2 в дистилляте (время отстаивания после приготовления раствора 20 минут). Кювета закреплена на вертикальной подвижке с микрометрическим винтом, позволяющим перемещать образец в вертикальной плоскости по направлению к основанию с шагом 1 мм. Время измерений среднего радиуса частиц в данном эксперименте определяется наибольшим из измеряемых значений параметра , который в условиях настоящего эксперимента составляет ~ 64 мc.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 - He-Ne лазер, 2 - взвесь малоразмерных частиц, 3 – линза, 4 – ПЗС матрица, 5 – компьютер

Распределение частиц по размерам для данного случая представлено на рис. 2а. Видно, что по мере приближения к основанию кюветы, размер частиц возрастает. Распределение по размерам для того же раствора частиц после длительного отстаивания показано на рис. 2б.

б

а

Рис. 2. Распределение частиц SiO2 по размерам в процессе осаждения:
а) после отстаивания взвеси в течение 20 минут,
б) после отстаивания взвеси в течение 24 часов

Таким образом, экспериментально установлено, что раствор частиц на основе нанопорошка SiO2, в разных слоях жидкости содержит различные по размерам частицы и агломераты частиц размером от ~50 до 350 нм в нижних слоях жидкости. Однако после длительного отстаивания состав частиц становится более монодисперсным, за исключением областей вблизи поверхности, где частицы удерживаются силами поверхностного натяжения жидкости и области основания кюветы, где частицы оседают и коагулируют.