Buhar kondensasyonla
gaz faz sentezi (buharlaştırma-yoğunlaştırma metodu), metaller,
alaşımlar veya bileşiklerin nanotozlarının üretilmesinde uygulanan bir
metottur; inert düşük basınçlı bir atmosferde ve kontrollü sıcaklıkta buharlarının
yoğunlaştırılmasına (kondensasyon) dayanır.
Vakumda buharlaştırmanın tersine, inert düşük yoğunluklu bir
atmosferde buharlaştırılan atomlar, gaz atomlarla çarpışmalar nedeniyle hızla
kinetik enerjilerini kaybederler ve kümeler (cluster) oluştururlar. Metal
krözeden buharlaştırılır veya tel, injekte metal tozu veya bir sıvı jetinde ısı
ve buharlaşma bölgesine injekte edilir. Argon iyon demeti ile metal püskürtme
de kullanılır. Enerji direkt ısıtma, bir telden elektrik akımı geçirme,
plazmada elektrik deşarjı, yüksek ve ultra yüksek frekanslı akımlar ile
indüksiyon ısıtma, lazer radyasyonu, elektron demet ısıtması ile sağlanır.
Bir gaz karışımı (5000-10000 K sıcaklıkta), soğuk inert
gazla doldurulmuş büyük bir kesit-alanına ve hacme sahip bir odaya (chamber)
girdiğinde soğur ve yoğunlaşır; soğuma, gaz karışımının genleşmesinden ve soğuk
inert bir atmosferle temasından kaynaklanır. Yoğunlaşma (kondensasyon) odası
eşmerkezli iki akışa sahip olan proses ekipmanları türleri vardır; örneğin, buhar-gaz
karışımı oda ekseni boyunca beslenir, ve çevrede soğuk inert gazın halkalı bir
jet akışı yapılır. Türbülent karıştırma, metal buharının sıcaklığını düşürür, aşırı
doymuşluk artar ve bu da hızlı yoğunlaşma ile sonuçlanır.
Metal buharlarının yoğunlaşması için uygun koşullar, hızlı
genleşmenin yüksek bir sıcaklık gradyanına neden olduğu ve buharların neredeyse
anında yoğunlaştığı bir Laval ağzında (nozul) adyabatik genleşmeyle oluşur.
Oluşan kondensasyon nanotozun toplanması önemli bir konudur;
çünkü parçacıkları o kadar küçüktür ki, bunlar hareket eden gazda (yerçekimi
tarafından çökelmeyen) askıda kalırlar. Toz partikülleri özel filtreler ve
santrifüj sedimantasyonu ile toplanır; bazı durumlarda sıvı film yakalama tekniği
kullanılır.
Buharlaşma ve yoğunlaşma yoluyla nanopartiküllerin
oluşumundaki başlıca önemli noktalar:
·
Nanopartiküllerin oluşması, gaz basıncı daha
düşük olduğu için yoğunlaşma bölgesindeki buharların soğumasında meydana gelir.
Yoğunlaşma bölgesinin iç sınırı buharlaştırıcının yanına yerleştirilmiştir ve
gaz basıncı düşerken dış kenarı reaksiyon kabının dışına hareket edebilir.
Yoğunlaşma prosesinde, konvektif gaz akışları önemli bir rol oynar.
·
Gaz basıncı birkaç yüz Paskal’a kadar
yükseldiğinde, ortalama partikül boyutu başlangıçta hızla artar ve sonra 2500
Pa üzerindeki basınçlarda yavaş yavaş sınır değerine yaklaşır.
·
Aynı gaz basıncı altında, helyumdan ksenona
geçiş, yani daha az yoğun inert gazdan daha yoğun olana geçiş, parçacık
boyutunun birkaç kat artmasına eşlik eder
Aynı buharlaştırma ve kondensasyon koşullarında, ergime noktası
daha yüksek olan bir metaller daha küçük partiküller oluşturur. Gaz fazının
kompozisyonu ayarlayarak, kristalinite dereceleri değişen farklı şekillerde
küçük parçacıklar oluşturulabilir.
Gaz fazı sentez tekniğiyle metallerden
nanotozların üretimi
