«Формирование наноразмерных кристаллических частиц оксидов металлов в процессе испарение-конденсация при воздействии потока сфокусированного субтерагерцового излучения»

Наноразмерные порошки химических элементов и их неорганических соединений с размерами частиц менее 100 нм в настоящее время находят широкое применение для создания наноструктурных материалов и покрытий с уникальными свойствами, в приложениях биологии и медицины, связанных с селективным воздействием на клетки тканей и направленным транспортом лекарственных средств, в качестве катализаторов химических реакций, для защиты окружающей среды от токсичных соединений, в медицине и т.д. Целью проекта является разработка физических основ технологии формирования порошков наноразмерных кристаллических частиц неорганических соединений (оксидов элементов) методом испарения-конденсации при воздействии на исходный перерабатываемый материал сфокусированного потока микроволнового излучения, генерируемого субтерагерцовым гиротроном. В настоящее время существует большое количество различных методов получения наноразмерных частиц элементов и их неорганических соединений, среди которых в практической реализации ведущее место занимает группа аэрозольных процессов, формирование наночастиц в которых происходит в результате конденсации пересыщенных паров из газовой фазы, получаемых в результате охлаждения системы или химической реакции. Для получения высокочистых порошков наночастиц используется вариант процесса такого типа – метод испарения/конденсации, осуществляемый при воздействии высокоинтенсивного потока энергии, который может генерироваться лазером, ускорителем электронов, электродуговым разрядом. Электродуговые процессы характеризуются трудностями при получении высокочистых целевых продуктов вследствие эрозии электродов при работе. Лазерное испарение имеет низкую производительность и высокие затратами электроэнергии. Использование потока электронов связано с большими энергозатратами и, кроме того, с радиационной опасностью. Таким образом, известные к настоящему времени процессы получения нанопорошков элементов и их неорганических соединений методом «испарения-конденсации» имеют ряд серьезных недостатков, к числу которых, прежде всего, относятся низкие производительность и энергоэффективность. Для создания высокопроизводительного, ресурсо- и энергоэффективного процесса получения нанопорошков методом испарения/конденсации чрезвычайно актуален поиск принципиально новых подходов к решению данной проблемы. Ранее при участии авторов проекта были проведены исследования, результатом которых оказалась разработанная оригинальная методика получения нанопорошков оксидов металлов в процессе «испарение - конденсация» с использованием для нагрева порошков СВЧ излучения миллиметрового диапазона [A1, A2]. В качестве источника излучения использовался гиротрон с частотой 24 ГГц. Максимально достигнутая плотность потока энергии на поверхность обрабатываемого материала составила 13 кВт/см2, что обеспечивало получение нанопорошков соединений с температурой кипения на уровне 2000 – 2300 К. В частности для этих экспериментов была разработана оригинальная конструкция охлаждаемого блока испарения-конденсации, показавшая его работоспособность и возможность использования для проведения экспериментальных работ. В данном проекте предполагается развитие существующей концепции с целью повышения скорости обработки материалов и расширения спектра обрабатываемых материалов за счет использования субтерагерцового излучения. Предполагается использование излучения с частотой 263 ГГц, что на порядок превосходит частоту использованного ранее излучения. Увеличение частоты излучения позволяет существенно повысить плотность мощности за счет лучшей фокусировки и, кроме того повышает коэффициент поглощения в широком ряде материалов. Результаты уже проведенных исполнителями проекта предварительных исследования по применению 263 ГГц гиротрона для получения нанопорошков WO3 и ZnO методом испарения-конденсации [A3] показали перспективность предлагаемых в проекте подходов, а, с другой стороны, выявили ряд инженерно-технических проблем, которые будут решены в рамках проекта.