<<
>>

Глава III. Раздел 5. Методы получения фрактальных структур в микро и нанотехнологии.

В принципе методы получения фрактальных структур ничем не отличаются от обычных технологических методов микро и нанотехнологии. Более того, фрактальные структуры зачастую получаются без всяких особых ухищрений, но поскольку существенно отличаются от того, что рассчитывали получить технологи, то всегда объявлялись браком и служили объектом бескомпромиссной борьбы и уничтожения, вместо того, чтобы служить предметом исследования и источником нобелевских премий, вместо синяков и шишек от тупого начальства.

Но безусловно, получение фрактальных структур имеет свои ньюансы и тонкости.

Фрактальные агрегаты металлов и получают при испарении металла в атмосфере аргона при давлении 0,25-10 торр и собирают образовавшийся конденсат металлических частиц в виде фрактальных образований. Осадок имеет пористую структуру и основной объем его занимают поры. Средний радиус частиц в этих образованиях возрастает с увеличением давления аргона. Фрактальная размерность агрегатов лежит обычно в пределах 1,75-1,9 при давлении аргона в 0,9-8 торр, средний радиус частиц - менее 0,8 нм.

Фрактальные агрегаты могут быть получены также путем сжигания смеси в горящем пламени, если обеспечиваются условия конденсации и образования твердых частиц. Этот метод используется для получения фрактальных агрегатов Si02 путем сжигания в водородно-кислородном пламени SiH4 . Образующийся при сжигании порошок содержит фрактальные агрегаты, состоящие из частиц с радиусом в пределах 8-10 нм. Фрактальная размерность фрегатов D = 1,8-2,0. Образующиеся частицы имеют внутреннюю структуру, поскольку их удельная поверхность в 1,8-3,0 раза превышает поверхность частиц, являющихся сплошными наночастицами. С ростом размера фрактального агрегата падают его плотность и прочность. Максимальный размер фрактальных агрегатов достигает микронов.

Полученные путем конденсации в газовой среде фрактальные агрегаты имеют очень высокую степень пористости.

Объемная доля твердого вещества обычно составляет 10-2 - 10-4. Определение каких-либо свойств твердого тела становится при этом чрезвычайно затруднительным и в большинстве случаев даже невозможным. Поэтому актуальным является поиск способов и методов создания в твердых телах управляемой фрактальной структуры.

Фрактальные агрегаты можно также получать путем изменения дислокационной структуры в металле при возрастающих степенях деформации, приводящих к созданию ячеистой структуры. В начальной стадии пластической деформации образуется значительное количество дислокаций, равномерно распределенных по объему. При более высоких степенях деформации образуются скопления в виде клубков и рыхлых стенок ячеек. В конце концов образуется четко выраженная ячеистая структура. Считается, что скопления дислокаций, формирующие стенки

ячеек, являются фракталами, размерность которых сначала увеличивается от D = 1 (равномерное распределение дислокаций) до 1 lt; D lt; 2 (рыхлые скопления), а затем достигает D = 2 (геометрические стенки ячейки). Таким образом могут быть созданы фрактальные структуры в твердых телах с компактностью, близкой к равновесной.

Все больший интерес привлекают пористые фрактальные структуры, относящиеся к классу аэрогелей и представляющие собой макроскопическое твердое тело, состоящее из связанных между собой микрочастиц, образующих жесткий каркас, который занимает лишь малую часть общего объема. В названии "аэро" (воздух) отражен малый удельный вес вещества. Способ производства аэрогеля SiO2 был разработан в 30-х годах нашего столетия. В качестве исходного вещества берется силикат натрия Na2SiO3, который помещается в водный раствор соляной кислоты. При этом протекает химическая реакция:

Na2SiO3 + 2НС1 *nH20 ^ Si02*(n+l)H20+2NaCl

Образование аэрогеля происходит следующим образом. На первой стадии выделяется одно из веществ (SiO2) из раствора в твердую фазу в виде микроскопических частичек на многих центрах конденсации. Диаметр таких микрочастиц на порядок и более превышает диаметр входящих в ее состав молекул.

Растущая микрочастица должна приобретать заряд, который препятствует присоединению к ней молекул Si02, которые сами заряжены. Такой процесс возможен всего лишь в небольшом интервале кислотностей раствора. Входящие в состав частицы молекулы должны быть прочно связаны, тогда как в растворе они должны находиться в виде ионов или молекул. Все это может осуществиться, если молекулы в растворе появляются в результате медленных химических процессов и микроскопическая частица образуется в результате химического прилипания отдельных молекул. Химический характер процесса образования аэрогеля играет важную роль.

По мере образования частиц в растворе начинается объединение отдельных частиц, определяющее структуру аэрогеля. Оно идет достаточно медленно, ибо зависит от диффузии микрочастиц в растворе. Очень важное значение имеет последняя стадия процесса формирования аэрогеля, связанная с удалением жидкости, находящейся в его порах. Молекулы жидкости создают высокие давления в порах. Расчеты показывают, что в порах аэрогеля Si02 диаметром 2 нм молекулы воды создают давление порядка 20 кбар. Высушивание аэрогеля на воздухе или в вакууме создает большие внутренние напряжения в каркасе, приводящие к его разрушению. Высушенный таким образом аэрогель получил название ксерогеля. Твердый каркас ксерогеля в значительной степени разрушается при удалении воды, и удельный объем внутренних пор в нем значительно ниже, чем у аэрогеля. Чтобы предотвратить разрушение структуры каркаса аэрогеля, воду в порах заменяют этиловым спиртом (ах!), молекулы которого создают меньшее напряжение, а удаление спирта облегчается благодаря более низким, чем у воды, критическим точкам. После этого аэрогель высушивается в автоклаве.

Удельная площадь для большинства реальных аэрогелей Si02 S = 300-1000 м / г. Структура аэрогеля состоит из фрактальных агрегатов, строение которых обусловлено диффузионным процессом и слипанием отдельных микрочастиц, движущихся в растворе. В процессе образования отдельные агрегаты будут соприкасаться между собой и рост их при этом прекращается.

Поэтому при расстояниях фрак- тальность структуры не возобновляется, а совокупность фрактальных агрегатов становится в среднем однородной.

Фрактальная размерность аэрогеля Si02, определяемая по интенсивности рассеяния рентгеновского излучения, оказалась равной D = 2,12 ± 0,05. Радиус частиц находится в пределах 4-10 нм, а максимальный размер пор 35-120 нм. .Наиболее характерным свойством аэрогеля является гигантский объем внутренних пор. Поэтому аэрогель можно использовать для хранения различных веществ в виде так называемого наноконтейнера. В частности, аэрогели АЬОз и SiOz могут быть использованы для хранения компонент ракетного топлива: азотной кислоты, оксидов азота и диметилгидразина. Кислота и оксиды азота служат окислителями, а диметилгидразин - топливом. Проведенные эксперименты показали, что можно хранить 20 г азотной кислоты и 40 г диметилгидразина в одном грамме аэрогеля. Аэрогель SiOz является прозрачным веществом с низкой теплопроводностью, поэтому его можно использовать в качестве прозрачных теплоизолирующих стен и перегородок, например в космических кораблях. Поскольку в аэрогелях скорость звука ниже, чем в воздухе, они могут найти применение в акустических линиях задержки, звуконепроницаемых перегородках и т.д.

Другим объектом, состоящим из фрактальных кластеров и являющимся в чем- то сходным с аэрогелем являются фрактальные нити, полученные при лазерном облучении металлических поверхностей. Начало этому процессу дает образование плотной плазмы вблизи поверхности (давление — десятки — сотни атмосфер, температура — несколько тысяч градусов), которая разлетается в окружающее пространство и в процессе эволюции при охлаждении превращается во фрактальные нити. Принципиальное значение для образования фрактальных нитей имеет внешнее электрическое поле, которое наводит индуцированные дипольные моменты на фрактальные кластеры, и они объединяются, образуя в конечном итоге фрактальные нити. Фрактальные нити являются аналогами аэрогелей, но в отличие от аэрогелей фрактальные нити анизотропны, ибо образуются во внешнем поле (диаметр нити в эксперименте составляет 30 — 40 мкм, их длина — несколько сантиметров).

Существенно, что нити формируются в свободном пространстве и далее прилипают к электродам, причем одновременно в эксперименте образуются несколько десятков фрактальных нитей.

Для образования фрактальных нитей должны быть выполнены два требования. Во-первых, испаренное вещество должно быть в состоянии атомов и плазмы (а не капель), во-вторых, последняя стадия процесса эффективно протекает только во внешнем поле. Фрактальные нити могут образовываться из разного материала поверхности и в разных буферных газах и при разных способах воздействия на поверхность — лазерном облучении, электрическом пробое или разряде, взаимодействии поверхности с электронными или ионными пучками и в других случаях, когда это воздействие приводит к испарению атомов и ионов материала поверхности.

Действие потоков энергии на поверхность материала вызывает появление слабоионизованного плотного пара, эволюция которого во внешнем электрическом поле может привести к образованию совокупности фрактальных нитей. Такая форма вещества соответствует новому состоянию вещества и заслуживает внимательного изучения. Поскольку образование такого состояния вещества имеет универсальный характер, оно может возникать при разных физических явлениях в случае воздействия потоков энергии на твердые поверхности.

В зависимости от характера взаимодействия между нитями возможны два фазовых состояния. При слабом взаимодействии между нитями фрактальная нить не связана с соседями, а только сталкивается с ними. В конечном итоге такая система фрактальных нитей распадается на отдельные фрагменты. В другом предельном случае совокупность нитей образует жесткую конструкцию Система связанных фрактальных нитей — фрактальный клубок — является своеобразным состоянием вещества, которое может быть образовано при разных способах воздействия потоков энергии на материалы во внешнем электрическом поле. Это состояние по своему удельному весу соответствует газам, а по поведению — жидкостями твердым телам. Фрактальный клубок в силу жесткости конструкции обладает поверхностным натяжением, однако из-за малого удельного веса поверхностное натяжение относительно невелико.

Поэтому под действием потока газа вблизи отверстия сферическая форма поверхности фрактального клубка нарушается; из него вырывается цилиндрическая струя, с помощью которой все вещество перетекает по другую сторону отверстия. Там вдали от отверстия под действием поверхностного натяжения восстанавливается сферическая форма системы.

Другое свойство фрактального клубка связано с тем, что фрактальная нить состоит из нанометровых частиц и поэтому обладает развитой внутренней поверхностью. Размеры частиц в структуре фрактальных нитей заданы самим процессом их образования — рост частиц на последней стадии определяется их коагуляцией и заканчивается, когда температура расширяющейся плазмы сравнивается с температурой плавления вещества. А скорость коагуляции частиц резко падает с их размерами, так что размеры частиц в структуре слабо зависят от условий ее образования. Развитая внутренняя поверхность создает поверхностную энергию структуры. Эта энергия выделяется при сокращении площади внутренней поверхности, когда поверхностные молекулы оказываются внутри вещества и образуют новые химические связи.

Удельная внутренняя энергия может быть достаточно высокой - 2 - 5 кДж/г, совпадающая с удельной химической энергией лучших порохов (вот радость то какая). Получается, что система фрактальных нитей является взрывчатым веществом, однако, к счастью, проявляются эти полезные для здоровья свойства при достаточно высоких температурах. Если в некоторой области фрактальной нити создать высокую температуру, то возникнет тепловой взрыв, который будет распространяться в виде тепловой волны вдоль нити и переходить на другие нити в точках пересечения.

На фронте тепловой волны структура плавится, распадаясь на отдельные капли. Объединение капель приводит к выделению энергии, которая идет на испарение молекул с поверхности образуемой капли. Эти молекулы переходят в соседние области структуры и, конденсируясь на ней, переносят туда энергию. Так тепловая волна переносится вдоль фрактальной нити. За фронтом тепловой волны охлаждение происходит за счет теплопроводности воздуха или газа, в котором находится нить. Тепловая волна разрушает соответствующую фрактальную нить, ее фронт в силу высокой температуры будет наблюдаться в виде движущейся светящейся точки, а по мере ветвления волн число таких точек будет возрастать.

<< | >>
Источник: В. И. Марголин. Основы нанотехнологии. Учебное пособие. 2004

Еще по теме Глава III. Раздел 5. Методы получения фрактальных структур в микро и нанотехнологии.:

  1. Раздел 1. Понятие континуума. Непрерывность и дискретность
  2. Глава III. Раздел 4. Фрактальный подход в микро и нанотехнологии.
  3. Глава III. Раздел 5. Методы получения фрактальных структур в микро и нанотехнологии.