Влияние локальных взаимодействий металлических наночастиц на структурообразование в дисперсных системах и их оптические свойства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Сёмина, Полина Николаевна

• Сёмина, Полина Николаевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Сёмина, Полина Николаевна

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы

Глава 2. Оптодинамические и фотохромные эффекты в агрегатах плазмонно-резонансных частиц

2.1. Оптодинамическая модель

2.1.1. Упругое взаимодействие

2.1.2. Ван-дер-ваальсово взаимодействие

2.1.3. Диссипативные силы касательного и межчастичного трения

2.1.4. Светоиндуцированные оптические силы

2.1.5. Термодинамические характеристики системы и внешний теплообмен

2.1.6. Кинетические уравнения для частиц доменов в процессе фотомодификации

2.2. Взаимодействие импульсного лазерного излучения с резона йсны-м-и—домен-ам-и—м н о го ч ает-и-чн ых—агрегатов—плазмо-ыжь-

резонансных наночастиц

2.2.1. Взаимодействие резонансных доменов плазмонно-резонансных наночастиц с излучением продольной поляризации

2.2.1.1. Монодисперсный димер в поле импульсного лазерного излучения пикосекундной длительности

2.2.1.2. Полидисперсный димер в поле импульсного лазерного излучения пикосекундной длительности

2.2.1.3.Монодисперсный тример в поле импульсного лазерного

излучения пикосекундной длительности

2.2.1.4. Полидисперсный тример в поле импульсного лазерного

излучения пикосекундной длительности

2.2.1.5.Зависимость порога статической фотомодификации от степени полидисперсности домена и локального окружения его частиц

2.2.1.6. Монодисперсный димер и тример в поле импульсного лазерного излучения наносекундной длительности

2.2.1.7. Полидисперсный димер и тример в поле импульсного лазерного излучения наносекундной длительности

2.2.2. Взаимодействие резонансных доменов плазмонно-резонапсных наночастиц с излучением ортогональной поляризации

2.2.3. Взаимодействие импульсного лазерного излучения пикосекундной длительности с многочастичными агрегатами плазмонно-резонансных наночастиц

лава 3 Особенности коагуляции полидисперсных коллоидных систем

3.1. Теория коагуляции дисперсных систем

3.2. Модель броуновской динамики для исследования кинетики коагуляции

3.3. Результаты по кинетике коагуляции в рамках теории Мюллера-Смолуховского

3.4. Электронный туннельный эффект и его роль в коагуляции полидисперсных золей металлов

3.5. Результаты по кинетике коагуляции с учетом электронного ту инельногоэффе кта

3.6. Экспресс-методы определения степени агрегации моно- и

полидисперсных наноколлоидов

Заключение

Литература

Приложение 1. Оценка скорости нагрева частиц полидисперсного домена

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние локальных взаимодействий металлических наночастиц на структурообразование в дисперсных системах и их оптические свойства»

Введение

Актуальность работы

Исследования нанокомпозитных материалов, содержащих агрегаты плазмонно-резонансных наночастиц, приобрели особую актуальность в связи с обнаружением у них ряда уникальных оптических свойств и возможности многочисленных приложений [1-5]. Нанокомпозитные материалы и наноколлоиды, содержащие локально анизотропные агрегаты плазмонно-резонансных наночастиц, обнаруживают нетривиальные оптические и нелинейно-оптические свойства в импульсных лазерных полях. К ним, в частности, относятся нереверсивные спектрально- и поляризационно-селективные фотохромные процессы, сопровождающиеся сильным изменением спектра плазмонного поглощения этих материалов и появлением окраски облучаемой области, соответствующей цвету излучения. За десятилетия, прошедшие с начала этих исследований, накоплен большой объем экспериментальных данных и выявленных закономерностей по воздействию импульсного лазерного излучения на такие материалы, который не получил должного объяснения в силу сложности и взаимосвязанности сопутствующих процессов. При этом агрегаты с локально анизотропной структурой обладают свойством гигантского усиления пространственно локализованных электромагнитных полей вблизи частиц, резонансных внешнему электромагнитному полю. Появление высокодобротных оптических резонансов наночастиц связано с возбуждением поверхностных плазмонов, а само усиление наблюдается в области неоднородно уширенной полосы плазмонного поглощения. Однако к числу нерешенных проблем относится отсутствие полных представлений о доминирующих механизмах формирования нелинейно-оптических откликов. Установлено, что одним из источников низкоинерционной оптической нелинейности является фотохромный эффект спектрально- и поляризационно-селективного просветления

агрегированных наноколлоидов и нанокомпозитов металлов под воздействием лазерных импульсов [6].

Процессы, связанные с движением наночастиц под действием оптического излучения, соответствуют термину оптодинамика [7,8]. Этим термином обозначается широкий спектр оптически индуцированных механических движений и других динамических явлений, сопровождающих действие лазерного излучения, в том числе, и на наноструктурированные материалы. Понимание закономерностей оптодинамических процессов позволяет описать селективное светоиндуцированиое изменение структуры резонансных доменов коллоидных агрегатов и вызванную этими изменениями эволюцию спектров плазмонного поглощения агрегатов, а также выявить физические механизмы, лежащие в основе нелинейно-оптических процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с нанокомпозитными материалами.

Еще одно важное направление связано с исследованиями процессов быстрой и медленной коагуляции дисперсных систем и их влиянием на оптические свойства коллоидов, что играет важную роль в решении многих задач технологического и прикладного характера. Это относится и к технологиям производства фармакологических препаратов на основе гидрозолей металлов с длительным сроком хранения, и к разработке агрегативно-устойчивых химических катализаторов из ультрадисперсных материалов, нелинейно-оптических лимитеров на основе наноколлоидов для защиты оптоволоконных линий связи и т. д. В других случаях практическую важность приобретает обратная задача - снижение агрегативной устойчивости коллоидов, например, при разработке технологических процессов очистки жидкостей от взвесей или выделения из них дисперсной фазы нужного состава.

Кинетика коагуляции полидисперсных золей металлов описывается на

основе классической теории Мюллера-Смолуховского, однако, эта теория не

учитывает влияние реальных взаимодействий частиц и физических механизмов,

которые могут ускорять коагуляцию полидисперсных коллоидов. Кроме того,

применение теории коагуляции Мюллера-Смолуховского к произвольным

б

полидисперсным системам без установления границы применимости этой теории может приводить к неправильной интерпретации кинетики агрегации нестабилизированных коллоидных систем.

Таким образом, обозначенные выше направления определяют актуальность исследований, выполненных в рамках настоящей диссертации.

Цели диссертационной работы

Целью работы является исследование особенностей взаимодействия импульсного лазерного излучения с дисперсными системами, установление механизмов низкоинерционных нелинейно-оптических откликов и фотохромных реакций наноколлоидов металлов и нанокомпозитов, содержащих агрегаты металлических наночастиц; исследование закономерностей и механизмов ускорения коагуляции полидисперсных наноколлоидов.

Конкретными задачами, решаемыми в рамках диссертации, являются:

1. Исследование оптодинамических процессов, связанных с движением металлических наночастиц под действием оптического излучения в резонансных доменах многочастичных агрегатов в импульсных лазерных полях.

2. Разработка физической модели, описывающей термодинамические, оптические, физико-химические, механические и другие явления, лежащие в основе эффектов взаимодействия нанокомпозитных материалов с лазерным излучением.

3. Исследование влияния локальных взаимодействий металлических наночастиц, сопровождающих воздействие импульсного лазерного излучения на нанокомпозитные материалы, установление взаимосвязи структурных и оптических характеристик дисперсных материалов. Сравнение результатов расчетов лазерных фотохромных эффектов в нанокомпозитных материалах с экспериментальными данными.

4. Исследование коагуляции нестабилизированных коллоидных систем с

возрастающей степенью полидисперсности; анализ нестационарных физических

7

процессов, сопутствующих коагуляции коллоидных структур с управляемой степенью полидисперсности.

5. Выявление факторов, приводящих к ускоренной коагуляции полидисперсных коллоидных систем металлических наночастиц по сравнению с монодисперсными и установление границ применимости классической теории Мюллера-Смолуховского.

Научная новизна

Исследована взаимосвязь структурных и оптических характеристик многочастичных коллоидных агрегатов, подвергаемых действию импульсного лазерного излучения, установлена роль локальных взаимодействий наночастиц в агрегате и сопутствующих физических процессов, приводящих к изменению этих характеристик.

Разработана универсальная оптодинамическая модель, позволяющая исследовать влияние импульсного лазерного излучения различной интенсивности, длины волны, поляризации и длительности импульса на резонансные домены многочастичных агрегатов из плазмонно-резонансных наночастиц. По сравнению с ранее разработанной моделью [9,10] в настоящей работе учтены факторы полидисперсности наночастиц и температурное изменение константы релаксации свободных электронов материала нагреваемых излучением частиц. Кроме того, разработанная модель позволяет исследовать процессы в агрегатах, состоящих из произвольного числа частиц. Выполнен сравнительный анализ влияния фактора локального окружения частиц домена и порождаемого этим окружением эффекта усиления локального поля на оптодинамические процессы в доменах и их фотомодификацию. Установлено, что учет вышеизложенных факторов приводит к существенным изменениям в описании оптодинамики и оптических характеристик систем связанных металлических наночастиц.

Показано, что причины проявления статического (сохраняющегося)

фотохромного эффекта в дисперсных системах (т.е. их оптической памяти),

содержащих коллоидные агрегаты плазмонно-резонансных наночастиц, в

8

импульсных лазерных полях обусловлены нереверсивным светоиндуцированным сближением наночастиц в резонансных доменах агрегатов и изменением резонансных свойств доменов.

Методом броуновской динамики исследована кинетика коагуляции коллоидных систем с различной степенью полидисперсности с учетом реальных характеристик нестабилизированных коллоидных систем. Установлены границы достоверности классической теории коагуляции полидисперсных систем Мюллера-Смолуховского применительно к реальным коллоидным структурам (наличие межчастичных взаимодействий, адсорбционного слоя, вязкости дисперсионной среды и т.д.). Показано, что существенную роль в ускорении коагуляции полидисперсных наноколлоидов может играть электронный туннельный эффект и порождаемое им взаимное разнополярное заряжение разноразмерных частиц.

Практическая значимость работы состоит в разработке универсальной

онтодинамической модели взаимодействия импульсного лазерного излучения и

нанокомпозитных материалов, позволяющей воспроизводить экспериментально

наблюдаемые нелинейно-оптические и фотохромные процессы в таких

материалах, а также предсказывать физические свойства новых, перспективных

типов нанокомпозитных материалов. Создание на основе метода броуновской

динамики модели для исследования кинетики коагуляции дисперсных систем,

внесение важных поправок и уточнений в классическую теорию коагуляции

металлических наноколлоидов Мюллера-Смолуховского, определение границ

применимости этой теории позволяют использовать результаты для получения

коллоидных фармакологических препаратов с улучшенными потребительскими

качествами. В частности, обращено внимание на целесообразность увеличения

степени монодисперсности металлических коллоидов с целью повышения их

агрегативной устойчивости при ограничении толщины полимерного

адсорбционного слоя частиц. При этом способом дополнительного повышения

такой устойчивости может быть увеличение толщины этого слоя или увеличение

9

концентрации ионов в межчастичной среде. Данный вывод может быть, в частности, учтен в промышленных технологиях приготовления антисептических препаратов коллоидного серебра, требующих длительного (более года) хранения.

Достоверность результатов может быть обоснована совпадением общих закономерностей исследуемых процессов с работами других авторов, совпадением результатов расчетов с имеющимися экспериментальными данными. Кроме того, разработанные физические модели протестированы на моделях с известными аналитическими решениями и дают совпадающие результаты в диапазоне применимости аналитических моделей.

Положения, выносимые на защиту

Основной причиной статической лазерной фотомодификации агрегатов плазмонно-резонансных наночастиц (т.е. их оптической памяти) является сближение частиц в резонансных доменах агрегатов, вызванное действием оп 1;ического излучения.

Фактор локального окружения частиц домена и порождаемый этим окружением эффект усиления локального электромагнитного поля определяют кинетику оптодинамических процессов в доменах (скорость нагрева и сближения частиц) и фотомодификацию агрегатов.

Существенный вклад в ускорение коагуляции коллоидных систем может вносить электронный туннельный эффект. Этот эффект порождает взаимное разнополярное заряжение частиц разного размера, которое приводит к их дополнительному электростатическому взаимодействию в полидисперсных золях металлов (по сравнению с монодисперсными системами) и к ускорению коагуляции на порядок и более.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

XLVIII Международная научная студенческая конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010); Всероссийский семинар «Моделирование неравновесных систем» (Красноярск, 2010, 2011, 2012, 2013); Международная молодежная научная школа «Функциональные напокомпозиционные материалы и их применение в атомной отрасли», Международная конференция, посвященная 80-летию исследований в области физики и химии аэрозолей в НИФХИ им. Карпова (Москва, 2012); Всероссийская молодежная школа-конференция «Физические проблемы наноэлектроники, паночехнологий и микросистем» (Ульяновск, 2012, 2013); Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов, аспирантов, студентов и учащихся Атомградов России «Научный потенциал молодежи в развитии атомной промышленности России» (Москва, 2013); Конференция-конкурс молодых ученых Красноярского научного Центра (Красноярск, 2013); 1CONO/LAT (Москва, 2013).

Материалы диссертации опубликованы в 13 печатных работах, включая статьи в сборниках трудов Всероссийских и Международных конференций, а гакже в 3 рецензируемых изданиях, входящих в список ВАК.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в разработке физических моделей и интерпретации полученных результатов. По второй главе расчеты выполнены совместно с Ершовым А.Е. Е1о третьей главе расчеты выполнены лично автором при участии д.ф.-м.н. Гаврилюка А.П. Постановка задач и интерпретация полученных результатов выполнены совместно с научным руководителем д.ф.-м.н. Карповым C.B.

Автор выражает особую признательность и благодарность своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, Карпову Сергею Васильевичу за его понимание, настойчивость и терпение, за помощь в решении поставленных задач, за создание благоприятной рабочей обстановки, в условиях которой проводились исследования. Автор благодарит Гаврилюка Анатолия

Петровича, доктора физико-математических наук, старшего научного сотрудника ИВМ СО РАН, за ценные и весомые советы, за помощь в решении сложностей, возникающих на пути в ходе работы. Особую благодарность автор выражает коллеге, Ершову Александру Евгеньевичу, за совместное сотрудничество, за неоценимую помощь в решении новых задач и помощь в проведении расчетов в рамках оптодинамической модели. Хочется поблагодарить коллег, Грачёва Алексея Сергеевича, кандидатов физико-математических наук, Герасимова Валерия Сергеевича, Исаева Ивана Леонидовича, за ценные консультации, совместный труд.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, списка цитируемой литературы (82 наименования) и изложена на 115 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков.

Глава 1 Обзор литературы

Уникальные свойства материалов, диспергированных до размеров наночастиц, находят применения в самых разнообразных областях - от космических технологий и солнечной энергетики до медицины. Оптические свойства таких материалов существенно отличаются от макрообразцов: наночастицы поглощают оптическое излучение в той спектральной области, где макрообразцы его не поглощают [1-4]. Эта особенность становится причиной сильной цветовой изменчивости коллоидов благородных металлов при отсутствии таковой у макрообразцов этих же металлов [1,4]. В частности, в [1,4| рассматривается вопрос о появлении интенсивной окраски золей благородных металлов и причинах ее резких изменений.

Оптические свойства малых металлических частиц находят применение при разработке оптических фильтров, переключателей и ловушек оптического излучения; спектрально- и поляризационно-селективных пленочных материалов для оптической записи информации, реверсивных фоточувствительных стекол [11,12], меток биомакромолекул [13]; эти свойства могут использоваться для повышения чувствительности спектроскопии комбинационного рассеяния света [1-6|, а свойства коллоидных кристаллов находят разнообразное применение [14, 15]. Наноколлоиды могут быть востребованы в качестве ограничителей интенсивности оптического излучения [16, 17], а периодические цепочки из близкорасположенных частиц - в качестве нановолноводов [18].

Нанокомпозитные материалы и наноколлоиды, содержащие локально анизотропные агрегаты плазмонно-резонансных наночастиц, обнаруживают нетривиальные оптические и нелинейно-оптические свойства в импульсных лазерных полях [см. обзор в 4, 9,10].

Прежде всего, агрегаты в таких дисперсных системах с локально анизотропной структурой обладают свойством гигантского усиления

пространственно локализованных электромагнитных полей вблизи частиц, резонансных внешнему электромагнитному полю [19-22].

Эффекты, связанные со значительным усилением локальных электромагнитных полей, свойственны фрактальным структурам по причине присущей агрегатам в таких структурах локальной анизотропии окружения их частиц. Количественное определение параметра локальной анизотропии и экспериментальная проверка концепции изложены в работах [19, 21]. Наблюдавшееся в первых экспериментах [4] гигантское (в 106 раз) усиление вырожденного четырехволнового параметрического рассеяния при агрегации частиц серебра придает особую важность исследованию подобных сред, в том числе в связи с необходимостью оценки роли сопутствующих процессов. Для анализа закономерностей, обнаруженных в нелинейной рефракции и нелинейном поглощении золей, необходимо детальное рассмотрение всей совокупности процессов взаимодействия часгиц агрегата с внешним излучением с учетом процессов на межфазной границе. К этим закономерностям, в частности, относится смена знака нелинейной рефракции при возрастании степени агрегации гидрозоля серебра [16,24,25] на длине волны 1.064 мкм. Однако к числу нерешенных проблем относится отсутствие полных представлений о доминирующих механизмах формирования нелинейно-оптических откликов.

Появление высокодобротных оптических резонансов наночастиц связано с

возбуждением поверхностных плазмонов, а само усиление наблюдается в области

неоднородно уширенной полосы плазмонного поглощения. Установлено, что

одним из источников низкоинерционной оптической нелинейности является

эффект спектрально- и поляризационно-селективного просветления

агрегированных наноколлоидов и нанокомпозитов металлов под воздействием

лазерных импульсов. Этот фотохромный эффект был впервые обнаружен в [6] и

более детально экспериментально исследован в работах [23, 26-28, см. также

обзор в [4]. Он проявляется в случае попадания частоты лазерного излучения в

полосу плазмонного поглощения агрегатов, что вносит значительный вклад в

формирование неинерционной компоненты нелинейно-оптического отклика

14

агрегатов. Обнаружено нетривиальное проявление разнообразных нелинейно-оптических процессов в агрегированных наноколлоидах благородных металлов, а гакже фотохромных реакций, лежащих в основе эффекта оптической памяти нанокомпозитов [27, 28]. Суть эффекта оптической памяти состоит в следующем. При облучении лазерным импульсом гидрозолей, содержащих сильно неупорядоченные агрегаты из наночастиц серебра, обнаруживается фотохромный эффект - в спектре экстинкции агрегатов появляется относительно узкий долгоживущий провал вблизи длины волны лазерного излучения. Провал возникает в спектре поглощения той же линейной поляризации, что и у лазерного импульса. При этом визуально в проходящем свете в области облучения образца обнаруживается пятно, имеющее тот же цвет, что и у падающего излучения. Нанокомпозитные материалы, в которых проявляются вышеуказанные эффекты, рассматриваются в качестве перспективного типа фотохромных материалов, в которых может быть реализована полихромная поляризационно-селективная оптическая запись информации [2, 23] в спектральном диапазоне, охваченном длинноволновым крылом спектра плазмонного поглощения коллоидных агрегатов (от 400 до 1500 нм). При этом показано, что такие материалы позволяют записывать до 10 бит информации в одну точку размером порядка длины волны излучения (время сохранения спектрального провала в облученном образце превышает 15 лет).

Эффект оптической памяти агрегатов плазмонно-резонансных наночастиц также связывают с их лазерной фотомодификацией - локальным изменением характеристик агрегатов, которое отражается на их спектрах плазмонного поглощения. Полагается, что в данном процессе происходит селективное изменение структуры резонансных доменов агрегатов [9, 10].

Понятие резонансного домена многочастичного коллоидного агрегата

введено, в частности, в работах [19, 21]. Под резонансным доменом

подразумевается отдельная частица агрегата с ее индивидуальным окружением

другими частицами, с которыми она электродинамически взаимодействует во

внешнем электромагнитном поле, что отражается на спектрально-резонансных

15

характеристиках самой частицы. При этом резонансная частота самой частицы изменяется в зависимости от межчастичных зазоров и геометрии ее ближайшего окружения другими частицами. Неоднородно уширенный спектр экстинкции многочастичного агрегата представляет собой набор распределенных в широком спектральном интервале резонансных полос, которые соответствуют резонансным доменам, входящим в агрегат [6]. Резонансный домен можно определить и как группу близкорасположенных частиц в агрегате, имеющих определенную резонансную частоту, которая, в данном случае, определяется из условия максимума наведенного дипольного момента частиц [9, 19].

Воздействие внешнего оптического поля изменяет геометрию локального окружения частиц домена и его спектральные характеристики. Изменение резонансных свойств домена, положение и величина максимума спектра экстинкции которого динамически изменяется за время действия импульса, может быть связано как с изменением относительного расположения соседних частиц, гак и с изменением размеров, формы и агрегатного состояния резонансных частиц (их плавлением или испарением). В работах [9, 10, 29-31] обсуждается принципиальная возможность движения частиц в агрегате под действием светоиндуцированных диполь-дипольных (в общем случае, мультипольных) сил. Сближение частиц сопровождается сдвигом их плазмонных резонансов из-за возрастающего электродинамического взаимодействия. К сдвигу частиц в агрегатах может также приводить коллапс адсорбционного слоя частиц при фото-или термоэлектронной эмиссии из металлического ядра [4].

Процессы, связанные с движением наночастиц под действием оптического излучения, соответствуют термину оптодинамика. Этот термин, использованный в работах [7,8] был введен для описания широкого спектра оптически индуцированных механических движений и других динамических явлений, которые играют важную роль в процессах воздействия лазерного излучения, в том числе и на наноструктурированные материалы.

Таким образом, проявление в процессе фотомодификации совокупности

взаимообусловленных физико-химических, механических, оптических,

16

термодинамических и других явлений требует создание адекватной физической модели для описания взаимодействия импульсного лазерного излучения с резонансными доменами многочастичных агрегатов. В работах [9,10] с помощью оптодинамической модели исследованы динамически изменяющиеся спектральные характеристики простейшего домена из двух наночастиц, который претерпевает процесс фотомодификации в импульсных лазерных полях.

Плазмонно-резонансные наноколлоиды могут использоваться для получения новых типов метаматериалов на основе наночастиц и образованных из них самоорганизующихся сверхрешеток различной размерности [15, 32]. Другой важный аспект обсуждаемой проблемы состоит в том, что в настоящее время концепция манипулирования световыми потоками на субволновых масштабах с помощью плазмонных материалов на основе агрегатов металлических наночастиц, а также создание на их основе метаматериалов привлекают нарастающее внимание [33-35]. В частности, агрегаты в виде упорядоченных цепочек наночастиц рассматриваются в качестве перспективных оптических волноводов. При этом важно иметь представление, насколько такие агрегаты способны сохранять свою структуру, точнее структуру фрагментов, облучаемых импульсным лазерным излучением, поскольку изменение геометрии агрегата вызовет изменение его спектрально-трансмиссионных и резонансных свойств [3335].

Важными задачами, имеющими разнообразные технологические применения, являются исследование закономерностей коагуляции дисперсных систем из наночастиц (гидрозолей, аэрозолей), а также использование оптического метода контроля степени их агрегации и получение наноколлоидов с заданными свойствами устойчивых к коагуляции частиц дисперсной фазы [4]. Это относится и к технологиям производства фармакологических препаратов на основе гидрозолей металлов с длительным сроком хранения, и к разработке агрегативно-устойчивых химических катализаторов из ультрадисперсных материалов, нелинейно-оптических лимитеров интенсивности лазерного

излучения на основе наноколлоидов для защиты оптоволоконных линий связи и т.

17

д. В других случаях практическую важность приобретает обратная задача -снижение агрегагивной устойчивости коллоидов, например, при разработке технологических процессов очистки жидкостей от взвесей или выделения из них дисперсной фазы нужного состава [36,37].

Классическая теория коагуляции нестабилизированных коллоидных систем была сформулирована Смолуховским в 1916 г. применительно к монодисперсному в исходном состоянии золю со сферическими частицами [3842], находящимися в тепловом движении. Теория Смолуховского описывает коагуляцию золя как бимолекулярную химическую реакцию и предполагает, что каждое столкновение частиц коллоида приводит к их объединению (режим так называемой быстрой коагуляции). Классическая теория коагуляции монодисперсных золей Смолуховского и само уравнение Смолуховского, являющееся выводом настоящей теории, находят в последнее десятилетие широкое практическое применение в таких областях как коллоидная химия, кристаллофизика, биофизика, астрономия, метеорология [43-47]. Теория Смолуховского, касающаяся быстрой коагуляции монодисперсных золей, была развита Мюллером [38-42] применительно к быстрой коагуляции полидисперсных золей и утверждает, что полидисперсные системы коагулируют быстрее по сравнению с монодисперсными. Фуксом [38-42,48-50] была развита теория медленной коагуляции реальных частично стабилизированных коллоидных систем, дисперсная фаза которых состоит из частиц, имеющих полимерный адсорбционный слой конечной толщины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Сёмина, Полина Николаевна, 2013 год

Литература

1. Ivreibig U., Vollmer М. Optical Properties of Metal Clusters. Berlin: SpringerVerlag, 1995. 532 pp.

2. Shalaev V.M. Electromagnetic properties of small-particle composites // Physics Reports. 1996. Vol. 272. Pp. 61-137.

3. Shalaev V.M. Nonlinear Optics of Random Media: Fractal Composites and Metal-Dielectric Films. Berlin: Springer-Verlag, 2000. 159 pp.

4. Карпов C.B., Слабко В.В. Оптические и фотофизические свойства фрактально-структурированных золей металлов. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. 264 с.

5. Stockman М.1., Pandey L.N., George T.F. Enhanced Nonlinear-Optical Responses of Disordered Clusters and Composites in Nonlinear Optical Materials // SpringerVerlag, New York. 1998. Vol. 101. Pp. 225-245.

6. Карпов С.В., Попов А.К., Раутиан С.Г., Сафонов В.П., Слабко В.В., Шалаев В.М., Штокман М.И. Обнаружение фотомодификации кластеров серебра, селективной по длине волны и поляризации // Письма в ЖЭТФ. 1988. Т. 48, №10. С. 528-531.

7. Mozina J., Diaci J. Recent advances in optodynamics // Appl. Phys. B. 2011. Vol. 105, no. 3. Pp. 557-563.

8. Mozina J., Hrovatin R. Optodynamics - a synthesis of optoacoustics and laser processing // Prog. Nat. Sci. 1996. Vol. 6. Pp. 709-714.

9. Gavrilyuk A.P., Karpov S.V. Processes in resonant domains of metal nanoparticle aggregates and optical nonlinearity of aggregates in pulsed laser fields // Applied Physics B. 2009. Vol. 97. Pp. 163-173.

10. Gavrilyuk A.P., Karpov S.V. Dynamic changes of optical characteristics of resonant domains in metal nanoparticle aggregates under pulsed laser fields // Applied Physics B. 2011. Vol. 102. Pp. 65-72.

П.Ролдугин В.И. Фрактальные структуры в дисперсных системах // Успехи химии. 2003. Т.72, № 10. С.931-959.

12. Ролдугин В.И. Свойства фрактальных дисперсных систем // Успехи химии. 2003. Т. 72, № 1 1. С. 1027-1054.

13.Klebtsov N.G., Melnikov A.G., Yu-lin Xu. Optical properties of aggregated colloidal gold bioconjugates: Effects of monomer size, polymer coating, and cluster structure // Proc. VII Int. Conf. on Electromagnetic and Light Scattering by Nonspherical Particles «Electromagnetic and Light Scattering: Theory and Applications». Bremen. 2003. Pp. 147-151.

14. Ефремов И.Ф. Периодические коллоидные структуры. Л.: Химия, 1971. 192 с.

15. Ролдугин В.И. Самоорганизация наночастиц на межфазных поверхностях // Успехи химии. 2004. Т.73, № 2. С. 123-156.

16. Ganeev R.A., Ryasnyanski A.I., Kamalov S.R., Kodirov M.K., Usmanov T.J. Nonlinear susceptibilities, absorption coefficients and refractive indices of colloidal metals //J. ofPhys. D: Appl. Phys. 2001. Vol. 34, no. 1 1. Pp. 1602-161 1.

17. Lepeshkin N.N., Kim W., Safonov V.P., Zhu J. G., Armstrong R.L., White C.W., Zuhr R.A., Shalaev V.M. Optical nonlinearities of metal-dielectric composites // J. of Nonlinear Optical Physics and Materials. 1999. Vol. 8, no. 2. Pp. 191-210.

18. Markel V.A., Sarychev A.K. Propagation of surface plasmons in ordered and disordered chains of metal nanospheres // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 75, no. 8. Pp. 085426-1-1 1.

19. Karpov S.V., Gerasimov V.S., Isaev I.L., Markel V.A. Local anisotropy and giant enhancement of local electromagnetic fields in fractal aggregates of metal nanoparticles // Phys. Rev. B. 2005. Vol. 72, no. 20. Pp. 205425-1-8.

20. Karpov S.V., Gerasimov V.S., Isaev I.L., Markel V.A. Spectroscopic studies of fractal aggregates of silver nanospheres undergoing local restructuring // J. Chem. Phys. 2006. Vol. 125, no. 11. P. 11 1101-1-4.

21. Карпов С.В., Герасимов B.C., Исаев И.Л., Подавалова О.П., Слабко В.В. Происхождение аномального усиления электромагнитных полей во

фрактальных агрегатах металлических наночастиц // Коллоидный журнал. 2007. Т.69, №2. С. 178-189.

22. Карпов С.В., Герасимов B.C., Грачев А.С., Исаев И.Л., Подавалова О.П., Слаб ко В.В. Экспериментальные проявления взаимосвязи локальной структуры агрегатов наночастиц серебра и их оптических свойств // Коллоидный журнал. 2007. Т.69, №2. С. 190-200.

23. Satonov V.P., Shalaev V.M., Markel V.A., Lepeshkin N.N., Kim W., Danilova Yu.E., Rautian S.G. and Armstrong R.L. Spectral dependence of selective photomodification in fractal aggregates of colloidal particles // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80, no. 5. Pp.1 102-1105.

24. Данилова Ю.Э., Раутиан С.Г., Сафонов В.П. Взаимодействие фрактальных кластеров серебра с мощным излучением: поглощение, обращение волнового фронта, фотомодификация // Изв. РАН. Серия физ. 1996. Т. 60, №3. С. 56-63.

25. Карпов С.В., Кодиров М.К., Ряснянский А.И., Слабко В.В. Нелинейная рефракция гидрозолей серебра в процессе их агрегации // Квантовая электроника. 2001. Т.31, №10. С.904-908.

26. Карпов С.В., Попов А.К., Слабко В.В. Динамика фотохромных реакций металлического коллоидного серебра // Изв. РАН. Серия физ. 1996. Т.60, №6. С.43-50.

27. Карпов С.В. Оптическая память агрегатов металлических наночастиц // Фотоника. 2012. №3. С. 32-43.

28. Butenko A.V., Danilova Yu.E., Chubakov P.A., Karpov S.V., Popov A.K., Rautian S.G., Safonov V.P., Slabko V.V., Shalaev V.M., Stockman M.I. Nonlinear optics of metal fractal clusters // Z. Phys. 1990. Vol. 1 7. Pp. 283-289.

29. Драчев В.П., Перминов С.В., Раутиан С.Г., Сафонов В.П., Халиуллин Э.Н. Поляризационные эффекты в наноагрегатах серебра, обусловленные локальным и нелокальным нелинейно-оптическими откликами // ЖЭТФ. 2002. Т.121, вып. 5. С. 1051-1067.

30. Perminov S.V., Drachev V.P., Rautian S.G. Optics of metal nanoparticle aggregates with light induced motion // Optics Express. 2007. Vol. 15, no. 14. Pp. 8639-8648.

31. Перминов С.В., Драчев В.П. Нелинейная восприимчивость металл-диэлектрического нанокомпозита, обусловленная наведенными диполь-дипольными силами между частицами // Оптика и спектроскопия. 2009. Т. 107, №6. С. 1039-1044.

32. Карпов С.В, Ершов А.Е. Общие закономерности формирования монослойных коллоидных кристаллов в условиях применения метода подвижного мениска // Коллоидный журнал. 2011. Т.73, №6. С. 788-800.

33. Poclolskiy V.A, Sarychev А.К., Narimanov Е.Е., Shalaev V.M. Resonant light interactions with plasmonic nanowire system // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2005. Vol. 7. Pp. 32-37.

34. Govyadinov A.A., Markel V.A. From slow to superluminal propagation: Dispersive properties of surface plasmon polaritons in linear chains of metallic nanospheroids // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 78. Pp. 035403-1-12.

35. Weber W.H., Ford G.W. Propagation of optical excitations by dipolar interactions in metal nanoparticle chains // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70, no. 12. Pp.l25429-1-8.

36. Карпов С.В., Сёмина П.Н. О коагуляции полидисперсных наноколлоихюв металлов и условиях применимости теории Мюллера-Смолуховского // Коллоидный журнал. 2012. Т.74, №3. С. 319-328.

37. Карпов С.В., Сёмина П.Н., Гаврилюк А.П. Роль электронного туннельного эффекта в кинетике коагуляции полидисперсных наноколлоидов металлов // Коллоидный журнал. 2012. Т.74, №3. С. 329-336.

38. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975. 512 с.

39. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 1989. 464 с.

40. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л.: Химия, 1984. 368 с.

41. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия. М.: Издательство МГУ, 1984. 444 с.

42. Кроит Г.Р. Наука о коллоидах. М.: Изд-во иностр. лит. 1955. Т. 1. 538 с.

43. Галкин В.А. Уравнение Смолуховского. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. 336 с

44. Галкин В.А. Об одном свойстве процесса коагуляции атмосферного аэрозоля // Метеорология и гидрология. 1983. №12. С. 11-19.

45. Дубовский П.Б. «Треугольник» моделей коагуляции и гельпереход в дисперсных системах // Природа. 2000. №5. С. 32-37.

46. Сафронов B.C. Эволюция допланетного облака и образование Земли и планет. М.: Наука, 1969. 244 с.

47. Хачатурян A.A., Лунина М.А. Автокоагуляция частиц высокодисперсных металлов в водной среде // Коллоидный журнал. 1985. T. XLVI1, №3. С. 562567.

48. Фукс H.A. Механика аэрозолей. М.: Издательство Академии наук СССР, 1955. 344 с.

49. Фукс H.A. Испарение и рост капель в газообразной среде. М.: Издательство Академии наук СССР, 1958. 90 с.

50. Фукс H.A. Итоги науки. Химические науки 5. М.: Издательство Академии наук СССР, 1961. 157 с.

51. Kiely С.J., Fink J., Brust M., Bethell D., Shiffrin D.J. Spontaneous ordering of bimodal ensembles of nanoscopic gold clusters // Nature. 1998. Vol. 396, no. 6710. Pp. 444-446.

52. Kiely C.J., Fink J., Zheng Jian Guo, Brust M., Bethell D., Shiffrin D.J. Ordered colloidal nanoalloys // Adv. Materials. 2000. Vol. 12, no. 9. Pp. 640-643.

53. Карпов C.B.. Исаев И.Л., Гаврилюк А.П., Грачев A.C. Влияние электронного туннельного эффекта на кристаллизацию наноструктурированных золей металлов // Коллоидный журнал. 2009. Т. 71, № 3. С. 347-354.

54. Карпов C.B., Исаев И.Л., Гаврилюк А.П., Грачев A.C., Герасимов B.C. Общие закономерности кристаллизации наноструктурированных дисперсных систем // Коллоидный журнал. 2009. Т. 71, № 3. С. 3 14-329.

55. Карпов С.В., Исаев И.Л., Гаврилюк А.П., Грачев A.C., Герасимов B.C. Кинетика кристаллизации наноструктурированных дисперсных систем // Коллоидный журнал. 2009. Т. 71, № 3. С. 342-346.

56. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. М.-.ФИЗМАТЛИТ, 2003. 264 с.

57. Бараш Ю.С. Силы Ван-дер-Ваальса. М.: Наука, 1988. 344 с.

58. Карпов С.В., Слабко В.В., Чиганова Г.А. О причинах фотостимулированной агрегации золей металлов // Коллоидный журнал. 2002. Т.64, № 4. С.474-492.

59. Claro F., Rojas R. Novel laser interaction profiles in cluster of mesoscopic particles // Applied Physics Letters. 1994. Vol.65, no. 21. Pp.2643-2745.

60. Слабко В.В., Хачатрян Г.Г., Александровский A.C. Управляемая внешним световым полем самоорганизованная агрегация малых металлических частиц // Письма в ЖЭТФ. 2006. Т.84, вып 6. С.360-364.

61. Markel V.A., Shalaev V.M., Stechel E.B., Kim W., Armstrong R.L. Small-particle composites, П. Nonlinear optical properties // Phys. Rev. B. 1996. Vol 53, no. 5. Pp. 2425-2436.

62. Markel V.A., Pustovit V.N., Karpov S.V., Obuschenko A.V., Gerasimov V.S., Isaev l.L. Electromagnetic density of states and absorption of radiation by aggregates of nanospheres with multipole interactions // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70. P. 054202-1-19.

63. Ershov A.E., Isaev l.L., Semina P.N., Markel V.A., Karpov S.V. Effects of size polydispersity on the extinction spectra of colloidal nanoparticle aggregates // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 85. 045421-1-10.

64. Johnson P.В., Christy R.W. Optical Constants of the Noble Metals // Phys. Rev. B. 1972. Vol 6, no. 12. Pp. 4370-4379.

65. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.:Наука, 1978. 789 с.

66. Otter М. Temperaturabhängigkeit der optischen Konstanten massiver Metalle // Z. Phys. 1961. Vol. 161. Pp. 539-549.

67. Arnold G.S. Absorptivity of several metals at 10.6 jim: Empirical Expressions for the Temperature Dependence Computed from the Drude theory // Appl. Opt. 1984. Vol. 23, no. 9. Pp. 1434-1436.

68. Wright O.B. Ultra fast nonequilibrium stress generation in gold and silver // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 49, no. 14. Pp. 9985-9988.

69. Castro T., Reifenberger R., Choi E., Andres R.P. Size-dependent melting temperature of individual nanometer-sized metallic clusters // Phys. Rev. B. Vol. 42, no. 13. Pp. 8548-8556.

70. Sun C.-K., Vallée F., Acioli L. H., Ippen E. P., Fujimoto J. G. Femtosecond-tunable measurement of electron thermalization in gold // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50, no. 20. Pp. 15337-15348.

71. Fatti N. Del, Voisin С., Achermann M., Tzortzakis S., Christofilios D., Vallée F. Nonequilibrium electron dynamics in noble metals // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61, no. 24. Pp. 16956-16966.

72. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. JT.: Наука, 1975. 592 с.

73. Дерягин Б.В., Власенко Г.Я. Поточный метод ультрамикроскопического аэрозолей и других дисперсных систем // Доклады АН СССР. 1948. Т.63, №2. С. 155-159.

74. Thelma M. Herrington, Brian R. Midmore. Determination of rate constants for the rapid coagulation of polydisperse suspensions using photon correlation spectroscopy // Chem. Soc. Faraday trans. 1990. Vol. 86, № 4. Pp. 671-674.

75. Карпов C.B., Исаев И.Л., Шабанов В.Ф., Гаврилюк А.П., Герасимов B.C., Грачев А.С. Спонтанная кристаллизация наноколлоидов //Доклады академии наук. 2009. Т. 424, № 4. С. 469-473.

76. Зонтаг Г., Штренге К. Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. Л.: Химия, 1979. 150 с.

77. Борзяк П.Г., Горбань С.А., Григорьева Л.К., Нагаев Э.Л., Непийко С.А., Чижик С.П. Взаимное заряжение малых металлических частиц // ЖЭТФ. 1990. Т. 97. С. 623-633.

78. Григорьева Л.К., Лидоренко Н.С., Нагаев Э.Л., Чижик С.П. Силы взаимного заряжения в коллективе высокодисперсных металлических частиц // Письма в ЖЭТФ. 1986. Т. 43, Вып. 6. С. 290-292.

79. Нагаев Э.Л. Малые металлические частицы // УФЫ. 1992. Т. 162, № 9. С. 49124.

80. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982. 620 с.

81. Нагаев Э.Л. Размерно-зависящие деформация и работа выхода проводящих тел малых размеров // ФТТ. 1983. Т. 25, № 5. С. 1439-1446.

82. Саранин В.А. О взаимодействии двух электрически заряженных проводящих шаров // УФЫ. 1999. Т. 169, № 4. С. 453-458.

Приложение 1 Оценка скорости нагревзГчастиц полидисперсного домена

Рассмотрим димер во внешнем поле Е0, частицы которого отличаются по размерам друг от друга: Я2<Я.Г Темп нагрева определяется удельной поглощаемой мощностью

3 I .2 ( И

¿/77 с//1 ~ XV//г , XV ~ |(|| 1т — , (П1)

где W - поглощаемая частицей мощность излучения. Сравним темп нагрева частиц между собой. Взаимодействие частиц будем рассматривать в дипольном приближении. Полагаем:

(&р/)\;2 » г2 > Г1 11 (®Р1)\-(со/у)2 = 03Рь (П2)

то есть частоты, соответствующие плазмонным резонансам обеих частиц, слабо отличаются. Соответственно для дипольных моментов частиц можно записать:

М!| = 8/и1а|МЕ0 + М?1 = £/и1а2МЕ0 +Е||'Е1 =

3 '

8/н'|2

,(ПЗ)

ешг12

где Е| и Е2 - поля, создаваемые первой и второй частицей в месте нахождения соседней, г{2 - + + /?,у, /г,у - межчастичная щель. Подставляя (ПЗ) в (П1),

получаем

Щ 2 Ь 1^12

м

1+ J '12 ■ 1т

*

\а\ )

IV-

№

2 р2 |0С2| .2

'ш

2

2 м

, 2а, ■ 1т

1+—г1

у

'12

,(П4)

Поляризуемости частиц СС| 2 = х! 2 ~ 1Х\ ~> ПРИ ^-^р! можно представить в виде [4]:

5С?.2='|?2тА (П5)

а1.2 =-/ЗС|.2»

Г

1.2

Подставляя (П5) в (П4), находим удельные поглощаемые мощности:

? 7

и/,

я?

£

ш

СО

Я р/

Л

Е

о

V 11 ;

- /

2°У >±

Г\ 'г?

IV-

я

2 г2 2

03 р! V г2 ;

Е

О

-1

Отсюда получаем оценку для отношения темпов нагрева

¡У2/Я1 Г 2 Г^+4со;,/(^|/Г12)6

г, Г9 +4со^/(/г2 //12)

б'

Используем

(П7)

для

11, = 8 нм, Е12 = 2 нм, г,2 = 11 нм, сор, = 4.7 • 101 1,

нашего

£

'гЦ

(П6)

(П7)

случая:

Г12 = Гда+^, Гад = 1.5 • 1014с~', Г| = 3.25 • 10|4с~', Г9 = 8.5 • Ю14с~ г1.2

В

итоге получаем (\У2/К2)/(\У|/К]5) - 47. То есть начальная скорость нагрева малой частицы значительно выше скорости разогрева большой.

6/