Материал: Лебедев-Степанов ВВедение в самосборку ансамблей наночастиц 2012

В Г

Рис. 11.3. Моделируемое (а) и экспериментальное (б) изображение структуры для концентрации частиц 1 % по объему, функции распределения:

в – расчет и г – эксперимент. Размер изображения 150х150 мкм [75]

Сравнение визуального распределения частиц (рис.11.2 а и рис.11.3 а) и соответствующих графиков функции распределения (рис.11.2 (в),(г) и рис.11.3 (в),(г)) позволяет судить о качественном и количественном соответствии реального эксперимента и расчета. Это дает возможность заключить, что исходные предположения об основных движущих силах самосборки в микрокапле, положенные в основу физической модели, справедливы [75].

162

На рис. 11.4 показаны результаты численного исследования влияния броуновского движения на процессы кластерообразования частиц наноалмазов, выполненные в ЦФ РАН в программном пакете оригинальной разработки. В расчетах предполагается, что частица наноалмаза представляет собой усеченный октаэдр и может быть по своей форме аппроксимирована сферой диаметром 3,2 нм массой около 20 000 а.е.м. или 3,3 ·10-23 кг. Этому отвечает средняя плотность 2,1 г/см3. Заряд такой сферы в растворе имеет величину 5…15 элементарных зарядов.

Рис. 11.4. Стадии развития кластеров наночастиц (ансамбля из 500 наночастиц) в процессе высыхания капли начальным объемом 30 нл (контактный угол 300, угол отекания капли 300); подложка предполагается гладкой. Заряд наночастиц – 5 элементарных зарядов. Слева – без учета броуновского движения, справа – с учетом броуновского движения. Верхний ряд рисунков – внутри испаряющейся капли. Нижний ряд – твердая фаза на подложке в конце процесса

163

Воснове проведенных исследований – сравнение результатов, учитывающих броуновское движение частиц с расчетами, где броуновское движение не принимается во внимание. Кроме того, рассматривалась зависимость разупорядочивающего действия, создаваемого броуновским движением, от разных факторов (размера капли, количества частиц, шероховатости подложки, величины и формы потенциалов взаимодействия частиц, контактного угла и угла отекания).

Было показано, что при столь малых размерах частиц тепловые флуктуации существенно влияют на характер движения наночастиц на фоне гидродинамических потоков и на макроскопическое распределение частиц, придавая ему характерный размытый вид, что не наблюдается для частиц, для которых броуновским движением можно пренебречь.

Численное моделирование показало, что ультрадисперсные наночастицы диаметром 3–4 нм в испаряющейся микрокапле раствора подвержены действию радиальных потоков, как и более крупные частицы размером 100 и более нм, которые испытывают существенно более слабое воздействие тепловых флуктуаций (рис.11.5). Это имеет место в широком диапазоне размеров капли в условиях, когда вследствие пиннинга контактной линии происходит образование радиальных потоков компенсационной природы. При этом возникает характерное распределение с выраженным преобладанием частиц на периферии капли.

Вкомпьютерных исследованиях влияния формы капли на морфологию твердой фазы после испарения капли, проведенных в ЦФ РАН (рис.11.5), было рассмотрено действие направленных к периферии гидродинамических потоков.

Один из наиболее интересных физических результатов, полученных в ЦФ РАН при численном моделировании, связан с исследованием возникновения доменных структур в системе наночастиц в процессе самосборки (рис.11.7). Было теоретически установлено, что упорядоченные массивы наночастиц могут быть получены в процессе самосборки в результате оптимального взаимодействия двух основных факторов: капиллярных сил, которые по мере

164

высыхания капли собирают частицы на подложке, и сил отталкивания между частицами, этому противодействующих.

Рис.11.5. Расположение ансамбля из 500 наночастиц на подложке после высыхания капли начальным объемом 30 нл (контактный угол 300, угол отекания 00); подложка предполагается гладкой. Заряд наночастиц – 5 элементарных зарядов: а – без учета броуновского движения, б – с учетом броуновского движения.

Рис. 11.6. Моделирование формирования периферийного уплотнения, возникающего при испарении капли коллоидного раствора прямоугольной формы (капля 300 пл) для капель прямоугольной формы: а – 1000 частиц, б – 3000 частиц.

165