Журнал наномедицинских и биотерапевтических открытий
Открытый доступ

Абстрактный

Путь к производству наноматериалов, включающий осаждение пучка наночастиц

Ричард Э. Палмер

Если представить себе фабрику будущего, в которой пучки наночастиц интегрированы в производство передовых материалов или устройств, то для кластерного пучкового осаждения (CBD) возникает ряд серьезных исследовательских задач. К ним относятся контроль состава, размера, количества наночастиц (масштабирование), взаимодействия с носителем, реакции на окружающую среду и проверки производительности. Наградой является набор приложений, начиная от очистки воды и тераности до катализа и мемристоров. Подход кластерного пучка экологичен; он не требует растворителей и сточных вод; Частицы можно выбирать по размеру, и можно легко производить сложные металлические металлы (наносплавы). Здесь мы обсудим четыре из этих исследовательских задач: Окружающая среда (температура), масштабирование, разработка формулы и проверка: (1) Окружающая среда: сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) с коррекцией аберраций используется для исследования поведения осажденных кластеров при повышенных температурах, включая структурные конвертировать и плавление (ядра и поверхность). (2) Масштабирование: для исследований и разработок в области промышленного катализа обычно требуется грамм катализатора или 10 мг кластеров при включении 1% на поддержание катализатора. Источник кластеров Matrix Assembly (MACS) основан на распылении ионного пучка матрицы инертного газа, в который загружены предварительно атомы металла. На сегодняшний день достигнуто масштабирование на пять порядков мощности кластеров. (3) Формула разработки: мы обсудим несколько способов, с помощью которых кластеры контролируемого размера могут быть представлены в форме, соответствующей желаемому функциональному применению, например, катализу и тераностике. Эти примеры формулы разработки в наномасштабе включают прямое осаждение пучков металлических кластеров в виде порошков. (4) Валидация: наконец, проиллюстрируемая проблема валидации, чтобы показать, что материальные материалы на основе кластеров превосходят более традиционные передовые материалы. Мы концентрируемся на гидрогенизации (как газовой, так и жидкой фазы) определения молекул или их применения в нынешней тонкой химии и в различных количествах воды.

Трудно предсказать будущее науки. Например, когда C ₆₀  и его структура были идентифицированы из масс-спектров кластеров, включенных в газовую фазу, мало кто мог предсказать эру углеродной нанотехнологии, которую включило в начало этого открытия. Растворение и функционализация C ₆₀ , идентификация и последующий синтез углеродных нанотрубок, а также генерация и физика графена оказали масштабное влияние на международный ландшафт НИОКР (и в некоторой степени на промышленный), которое невозможно было предвидеть. Технология была основана на нахождении молекул астрохимического интереса в межзвездном газе. Этот небольшой набросок дает авторам представление о представлении здесь отчета о состоянии дел на пути к случайному будущему — синтезу наночастиц (обычно металлов) в промышленном масштабе без растворителей и, следовательно, сточных вод, без соли и их иногда сопутствующей токсичности, с впечатляющими перспективами нежелательного выброса. наночастицы в окружающей среде, с высокой степенью точности контроля размера, формы и состава периодических наночастиц и с приложениями от катализаторов и датчиков до фотоников, электроники и тераностики. Таким образом, наша история начинается точно в том же месте, где и зарождение эры наноуглерода — генерация и массовый отбор последних атомных кластеров в вакуумной камере. Шаги на этом пути на данный момент включают осаждение таких пучков-кластеров на поверхности в вакууме, возникновение ключевых элементов взаимодействия кластера с поверхностью и демонстрацию эффективных прикладных осажденных кластеров. Основные текущие проблемы, серьезные, но разрешимые, — это необходимое масштабирование осаждения кластерного пучка от нанограммового до граммового масштаба и выше, а также обработка и интеграция нанокластеров в соответствующие структуры, такие как порошки для гетерогенного катализа, т. е. е. проблема разработки рецептур. Исследования, направленные на решение этих проблем, проиллюстрированы в этом отчете примерами производства кластеров (традиционно в масштабе нанограммов), ограничивающими самостоятельный выбор размеров, контролируемое создание несферических форм и несферических бинарных наночастиц; масштабированием производства кластерного пучка на порядки с помощью магнетронного распыления, источника кластеров газовой конденсации и особенно источника кластеров Matrix Assembly (MACS); и многообещающими демонстрациями осажденных кластеров в газовом зондировании и гетерогенном катализе (это в масштабе граммов) в соответствующих средах (как жидких, так и паровых фазах). При разработке новой парадигмы, описанной здесь, на протяжении всего периода; Прогнозы экономического успеха, как обычно, полны неопределенности. Пусть читатели сами вынесут обсуждения.