Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Поры бывают разные – длинные, узкие, частые…

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Харламова Марианна Вячеславовна

Опубликовал(а):  Травкин Илья Олегович

10 мая 2009

Ответ М.В.Харламовой на задачу "Поры бывают разные, ..." секции "Наноматериалы"

1. Для формирования защитных покрытий на металле (например, алюминии или титане) используется метод анодного окисления, которое позволяет получить толстую оксидную пленку. На аноде протекают следующие реакции:

Ti(тв) + 2H2O (жидк) – 4e-= TiO2 (аморф) + 4H+;

Al(тв) + 1.5 H2O -3e = 0.5 Al2O3 (аморф) + 3H+, а ионы водорода восстанавливаются на катоде с образованием газообразного водорода: H+ + e- → 1/2H2(газ)

Механизм образования пор схематично показан на рис. 1. Образование пор протекает в четыре стадии. На первой стадии окисления поверхность алюминия покрывается барьерным слоем, который состоит из непроводящего оксида алюминия (r = 1010 - 1012 Ом×см). Напряженность электрического поля резко возрастает в углублениях оксидной пленки (стадия 2 на рис. 1), что приводит к протеканию процесса растворения оксида под действием электрического поля, либо растворения за счет локального роста температуры (стадия 3 на рис. 1).

Ввиду конкуренции соседних точек стока заряда часть пор прекращают свой рост, (стадия 4 рис.1).

Изначальное расположение пор на поверхности алюминия случайное, однако в процессе длительного окисления они упорядочиваются. Для получения пленки с прямыми цилиндрическими гексагонально упорядоченными порами необходимо проводить так называемое двух стадийное окисление.

Для объяснения гексагонального упорядочения пор в процессе длительного окисления Jessensky с сотрудниками предложил модель механических напряжений. В рамках данной модели авторы основываются на нескольких предположениях:

Поры растут перпендикулярно металлической подложке. При этом процессы растворения оксида под действием электрического поля на границе раздела оксид/электролит и роста оксида на границе металл/оксид находятся в равновесии.

Окисление алюминия происходит ионами O2- и OH-, диффундировавшими через оксидный слой.

Ионы Al3+ также диффундируют через оксидный слой, при этом в случае образование пористой пленки часть ионов Al3+ переходят в электролит на границе раздела оксид/электролит. В случае же образования пленок барьерного типа все ионы Al3+ достигшие границе раздела оксид/электролит вносят вклад в образование оксидной пленки и не переходят в электролит.

В результате окисления образуется Al2O3. Атомная плотность алюминия в оксиде в два раза меньше, чем в металлическом алюминии, следовательно, при анодировании происходит увеличение объема приблизительно в два раза.

В результате объемного расширения оксида алюминия в плоскости пленки возникают сжимающие напряжения, способствующие образованию упорядоченной пористой структуры. Кроме того, сжимающие напряжения в плоскости пленки способствуют росту пленки вверх.

Таким образом, за счет механических напряжений происходит самоупорядочение структуры пленки в процессе роста, то есть самоорганизация.

На упорядоченность структуры анодных оксидов влияет наличие примесей в исходном металле, так для получения пористого алюминия с высокоупорядоченной структурой требуется использовать высокочистый алюминий (>99,99%). Окисление алюминия, содержащего большее количество примесей, приводит к формированию неупорядоченной структуры из-за различий в коэффициентах объемного расширения различных оксидов и наличия дефектов в исходном металле и растущей пленке.

Шероховатость поверхности также может оказывать существенную роль при получении пленок анодных оксидов. Если поверхность будет иметь большую шероховатость, то концентрация силовых линий будет происходить на впадинах на поверхности металла, таким образом, поры начнут прорастать там, где была впадина. А поскольку впадины расположены случайно, следовательно, будет случайное расположение пор.

2. Пористость – отношение объема занимаемого пор в материале ко всему объему материала: (см. Рис. слева)

3. Для получения мезопористого диоксида кремния используется методика поликонденсации источника кремния тетроэтоксисилана или силиката натрия вокруг темплата, представляющего собой мицеллы поверхностно активного вещества. Поскольку в растворе мицеллы располагаются упорядоченно друг относительно друга, то и структура образующаяся после поликонденсации будет упорядоченной. После поликонденсации темплат можно удалить путем отжига или отмывания мезопористого оксида кремния в органических растворителях.

4. Магнитные записывающие элементы могут быть введены в поры пористого оксида кремния путем пропитки его прекурсором (например карбонилами железа, никеля или кобальта) из которого, затем формируются магнитные наночастицы с последующей модификацией. Либо можно пропитать наночастицами, и затем отжечь для формирования нанонитей.

5. В результате проведения данного процесса в порах мезопористого оксида кремния формируются магнитные нанонити, которые обладают магнитной анизотропией (то есть их достаточно сложно перемагнитить в направлении совпадающим с направлением оси нанонити) – следовательно, если намагничивать данные нити в направлении их оси то они будут ферримагнитными, в отличии он наночастиц, которые не обладают анизотропией.

6. Рассчитаем плотность записи на пленку из такого нанокомпозита. Диаметр пор мезопористого оксида кремния – 2 нм (что соответствует диаметру нити), длина нити должна быть минимум в 10 раз больше, для того, чтобы наблюдалась анизотропия магнитных свойств. Для уверенности возьмем нитку в 50 раз больше – 100 нм. Пусть расстояние между нитями в дорожке – 5 нм. Расстояние между дорожками – 20 нм.

Таким образом, площадь, занимаемая одним битом информации, будет равна: (см. Рис. слева)

Рассматриваемые пористые системы могут также применяться в качестве газоселективных мембран, работающих за счет механизма диффузии Кнудсена. В качестве носителей для различных катализаторов и наполнителей для хроматографических колонок. Также могут использоваться для ультра- и микрофильтрации.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 10.0 (голосов 5)

 


Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Искуственный нанолабиринт
Искуственный нанолабиринт

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.