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    大氣壓流動氣氛過程中實現尺寸可控的納米粒子合成

     更新時間:2023-10-27 點擊量:457

    引言


    在之前的文章中我們介紹了大氣壓條件下的火花燒蝕(spark ablation)技術,可實現納米粒子的連續氣相合成。通過控制粒子生長區的溫度以保證碰撞原子或顆粒的聚結,原則上可以調節單線態顆粒的尺寸——從單個原子的尺度到任何期望的值。結合火花燒蝕的放大和無限混合能力,可以實現在工業規模上低成本生產先進材料納米制造的關鍵模塊構筑。


    工程納米粒子 (ENP) 用于可印刷電子、能量轉換和存儲、催化、傳感器技術以及醫學領域新型關鍵納米結構材料。ENP 的尺寸和成分是決定所得材料和產品性能最重要的變量。


    在本文中,我們通過創造“單線態"顆粒生產的可擴展概念,挑戰“氣相中納米顆粒合成導致團聚"。使用火花燒蝕可以產生從幾個原子簇到任何所需尺寸的顆粒的單態,在高通量和超純生產方面表現出巨大的靈活性。從而有利于 ENP 合成并實現低成本制造工業規模的納米材料。


    01  更清潔、更簡單的干氣相工藝


    傳統上,ENP 的生成是通過濕化學技術進行的,該技術提供了控制顆粒形狀的可能性。然而,這些技術使用的前體溶液通常會導致合成的 ENP 中產生雜質和危險廢物。


    與傳統的濕化學技術方法相比,干氣相方法提供了更通用和更環保的替代方案。制備步驟更少,而且能夠以連續的方式生產 ENP。整個過程允許簡單連續的調節,并且很少產生浪費。


    清潔、簡單的氣相工藝,例如火花燒蝕,可以直接局部汽化塊狀材料形成納米顆粒,避免任何額外化合物的參與并保證納米粒子的高純度。得到的超純納米粒子可以在氣相中進一步加工,然后沉積固定到各種平坦或多孔的基底,例如硅晶片、載玻片、聚合物、濾膜和陶瓷上,從而為生產分層圖案涂層和薄膜開辟了新的可能性。除此之外,氣相合成的納米顆粒還可以懸浮在液體中,與濕化學路線耦合,從而創造其他創新材料合成的方法。


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    脈沖放電將電極材料閃蒸



    01  火花燒蝕氣溶膠法可匹配多種收集顆粒的方式,靈活性強


    02  更靈活的納米顆粒尺寸


    由于快速動力學,連續氣相方法通常會產生由難以分開的初級顆粒(通常被認為是顆??梢跃哂械淖钚〕叽纾┙M成的團聚體。因此,之前的許多工作都集中在如何避免這些顆粒在沉積或固定之前發生碰撞。例如,在火花放電中,可以通過使用高空間電荷密度來減少團聚,但這可能是該技術實現可擴展性的限制因素。


    在火花燒蝕技術中,金屬蒸氣是通過放電進行局部材料燒蝕而產生的。蒸氣被可變溫度的惰性氣流穿過驟冷,從而冷凝產生顆粒。由于快速淬滅的蒸氣達到的過飽和度非常高,臨界尺寸被推低至原子尺度。因此,粒子-粒子碰撞控制的生長可以被認為是從原子尺度開始的。但這種簡化僅在點源排放的蒸氣快速熄滅的情況下有效。


    如果像大多數氣相納米粒子的生產方法一樣,驟冷流量較低(冷卻速率相當低),則需要更復雜的模型來描述粒子形成和生長。即使在室溫下,該過程早期階段形成的原子簇和最小的納米粒子也是液體狀的。因此,當彼此碰撞時,會合并成單線態并生長到臨界尺寸。如果超過該尺寸在選定的操作溫度下僅部分發生或停止聚結,這標志著顆粒團聚的開始,從而導致非球形或團聚顆粒。在急劇淬火的過程中,顆粒生長階段的溫度可以與局部汽化分離,并且可以設置保證聚結的值。與其他高溫氣溶膠合成方法相比,該特征在控制所得納米顆粒的尺寸方面提供了極大的靈活性。


    大氣壓下材料燒蝕形成單線態和團聚氣溶膠納米粒子的示意圖


    原則上,通過火花燒蝕(以及任何其他類似的氣相過程)產生的單線態粒子的 GMD 可以通過仔細改變氣體流速 Q 和質量生產率來實現;通過改變火花能量 E 和火花重復頻率 F 以此實現從原子團簇調整到任何所需的尺寸。在這一過程中,必須選擇足夠高的操作溫度和高純度的載氣以達到聚結。


    03  總結


    在本文中,我們介紹了在納米尺寸甚至更低尺寸范圍內連續氣相合成單線態粒子的一般概念。通過在顆粒生長區域使用超純載氣和足夠高的溫度來促進聚結,這一概念已經在合成小于約 100 nm 的金納米顆粒的實驗中進行了測試。




    結合連續氣相工藝的各種優點,包括其可擴展性、顆粒純度高和多功能性(即火花燒蝕能夠實現生成幾乎任何無機成分或混合物的顆粒),這里用作示例的方法(火花燒蝕)在超純單線態的高通量生產方面表現出巨大的靈活性,特別是在尺寸范圍低于 10 nm 的情況下,而其他連續可擴展方法幾乎不存在。因此,該技術促進了 ENP 合成的進步,并為工業規模高效經濟地應用新型納米材料鋪平了道路。


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    Nano Spark 系列


    Nano Spark 系列聚焦火花燒蝕技術制備納米材料的研究,并將不斷介紹該技術的相關進展與應用。歡迎大家關注我們了解更多關于火花燒蝕技術的信息。


    VSParticle 是一家專注于納米技術的荷蘭公司,其聯合創始人為火花燒蝕氣溶膠技術的發明人:Andreas Schmidt Ott 教授。專注于氣溶膠技術,致力推廣火花燒蝕技術,促進交叉學科的發展,為納米研究帶來變革型技術。最新推出的 VSP-P1 納米印刷沉積系統可實現具有特別性能的無機納米結構材料的打印直寫。



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    參考文獻


    【1】Feng J, Biskos G, Schmidt-Ott A. Toward industrial scale synthesis of ultrapure singlet nanoparticles with controllable sizes in a continuous gas-phase process[J]. Scientific reports, 2015, 5(1): 15788.


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