Высокоэнергетичный поток электронов выбивает атомы никеля из образца. При последующем осаждении никеля на подложке формируются наночастицы. Российские физики продемонстрировали, что такой способ получения наноразмерных порошков обладает важным преимуществом по сравнению с другими методиками: он позволяет получать фракции наночастиц определённого размера.

Известно, что нанопорошки можно вводить в состав различных металлов, сплавов, масел и смазок для улучшения их технических характеристик. Эта методика работы с материалами оказывается эффективной в случае использования нанопорошков, в которых нет посторонних примесей, а сами частицы близки друг к другу по размеру. Получение таких порошков – достаточно сложная задача.

Российские исследователи из Института теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Хакасского государственного университета им. Н. Ф. Катанова, Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН и Бурятского государственного университета предложили высокопроизводительный метод синтеза нанопорошка никеля, обеспечивающий отсутствие примесей и однородность частиц. Результаты работы, поддержанной Российским фондом фундаментальных исследований и грантом президента РФ, опубликованы в журнале «Физика твёрдого тела».

Для синтеза нанопорошков никеля использовался метод осаждения из высокотемпературной фазы. Процесс начинается с того, что высокоэнергетичный поток электронов, созданный ускорителем, выбивает атомы никеля из образцов техногенного происхождения. Образуется газ, содержащий атомы никеля. Его температура достигает нескольких тысяч градусов Цельсия. Этот газ переносится в область пониженной температуры, где происходит осаждение никеля на специально подготовленных подложках. Наслаиваясь друг на друга, атомы никеля формируют наночастицы. При этом в проведённом эксперименте наблюдалась следующая закономерность: при осаждении образовывались две фракции частиц со средними размерами в 100 и 200 нм.

Юрий Гафнер и его коллеги также разработали математическую модель, описывающую процесс получения нанопорошков. Эта часть работы должна была ответить на вопрос о том, является ли подобный результат случайностью или закономерностью. Дело в том, что теоретические предсказания отрицают возможность одновременного получения двух наноразмерных фракций. Учёные прибегли к численному моделированию. Они создали компьютерную модель, содержащую 85 тысяч одиночных атомов Ni. Для каждого из них решались уравнения движения Ньютона. Полученные результаты моделирования подтвердили экспериментальные данные. Через 7 наносекунд система приходит к стабильному состоянию и на графике зависимости количества частиц от их размеров явно видны два пика, соответствующие 100– и 200-нанометровым фракциям.

Аналогичные численные эксперименты были проведены и для других начальных количеств атомов никеля. При этом вновь наблюдалось образование двух фракций с теми же размерами частиц. Таким образом, замеченное в прямых экспериментах разделение синтезированных наночастиц Ni по фракциям, по-видимому, считается закономерностью. Она не была предсказана теоретически до начала экспериментов, поскольку аналитическое рассмотрение больших молекулярных систем неизбежно сопровождается множественными упрощениями. Учёные особо отмечают, что

«реальными факторами, способными повлиять на величину синтезированных наночастиц, могут быть изменение концентрации атомов в пространстве и скорость охлаждения».

Источник информации: С. П. Бардаханов, Ю. Я. Гафнер, С. Л. Гафнер, А. И. Корчагин, В. И. Лысенко, А. В. Номоев Получение нанопорошка никеля испарением исходного крупнодисперсного вещества на ускорителе электронов, Физика твёрдого тела, 2011, том. 53, вып. 4.