Металеві нанокластери. Нанокластери благородних металів

Спектри поглинання металевих нанокластерів характеризуються широкою інтенсивною смугою, яка відсутня у масивних матеріалів. Ця смуга пов'язана з колективним збудженням електронів провідності (появою квазічастинок-поверхневих) плазмонів).

Колоїдні розчини та гранульовані плівки інтенсивно фарбуються через оптичні властивості наночастинок. Розведені колоїдні розчини благородних, лужних та рідкісноземельних металів утворюють колірну гаму від червоного до синього кольорів. Гранульовані плівки золота із часток розміром 4 нм мають максимум поглинання в діапазоні 560-600 нм (червоний колір). Гранульовані плівки з металу зменшують поглинання світла при переході з видимого світла в інфрачервоний діапазон, а масивні метали навпаки збільшують поглинання зі зростанням довжини хвилі.

Плазмонний ефект полягає у резонансному поглинанні нанокластером падаючого електромагнітного випромінювання.

Уявна частина діелектричної проникності ансамблю 10 10 -10 13 наночастинок (дисперсія) обернено пропорційна радіусу наночастинки

Де -уявна частина діелектричної проникності макрокристалу, -деяка функція частоти.

Від розміру частинок залежить ширина смуги поглинання та форма її низькочастотного краю.

Експерименти та розрахунки показують, що зсув частоти резонансу для нанокластерів металу в основному визначається діелектричною проникністю матриці (оточення нанокластера). Якщо варіювати міжкластерну взаємодію та діелектричну проникність можна формувати наноматеріали із зміненою довжиною хвилі плазмонного поглинання та кольору наноструктури. Тунельне проходження електрона через бар'єр між нанокластерами колоїдному розчині може використовуватися при створенні нових наноматеріалів.

Металеві нанокластери в оптичному склі

Кольорове вітражне скло середньовічних соборів містить нанорозмірні металеві частинки. Розмір наночастинок золота впливає на оптичний спектр поглинання кварцового скла (окису кремнію) у видимому діапазоні. Спектри поглинання металевих нанокластерів характеризуються інтенсивною широкою смугою, яка відсутня у масивних матеріалів.

При дуже високих частотах електрони провідності в металах поводяться як плазма-електрично нейтральний іонізований газ. У плазмі твердого тіланегативні заряди-електрони, позитивні заряди-іони решітки. Якщо кластери мають розміри менше довжини хвилі падаючого світла і не взаємодіють один з одним, то електромагнітна хвиля викликає коливання електронної плазми, що призводить до її поглинання. При збігу своєї частоти коливань електронів і частоти зовнішнього електричного поля хвилі виникає резонансне поглинання металевим нанокластером падаючого електромагнітного випромінювання. Колективний рух електронів описується як газ квазічастинок плазмонівякі мають енергією (-власна частота плазмонів).

Для обчислення залежності коефіцієнта поглинання від довжини хвилі використовують класичну теорію розсіювання Мі. Коефіцієнт поглинання невеликої сферичної частки металу. що знаходиться в непоглинаючому середовищі Пул139 +

Де -концентрація сфер об'ємом , - дійсна і уявна частини комплексної діелектричної проникності сфер, -показник заломлення непоглинаючого середовища, -довжина хвилі падаючого світла.

Профіль лінії поглинання у сфері резонансу має лоренцову форму. Для нанокластерів розміром багато менше довжини хвилі резонансна частота визначається формулою

Де -щільність електронів, -електрична стала СІ, -маса елнктрона, -дійсна частина діелектричної проникності середовища -компонента пов'язана з міжзонними переходами в нанокластері.

Іншою важливою для технології властивістю композитного металізованого скла є оптична нелінійність- Залежність показників заломлення від інтенсивності падаючого світла.

Нелінійні оптичні ефекти можна використовувати для створення оптичних ключів, які стануть основними елементами фотонного комп'ютера.

Нелінійність характеризується поляризацією під впливом напруженості електричного поля світлової хвилі

Де -діелектричне постійне середовище.

У наноматеріалах, що включають нанокластери золота та срібла, плазмонний резонанс виникає при збігу частот випромінювання лазера із частотою коливання вільних електронів у нанокластерах металів. Це веде до локалізації збудження в нанокластерах і різкого посилення локального поля, яке генерується первинним випромінюванням лазера з напруженістю більше . Полімерний нанокомпозит на основі діацетиленового мономеру, що включає кластери золота з розмірами близько 2 нм, що містить 7-16% металу, дозволяв збільшувати в 200 разів оптичну поляризуемість третього порядку. На основі такого нелінійного оптичного матеріалу можна створювати електронно-оптичні перетворювачі із значним посиленням.

Через те, що наночастки складаються з 106 або ще меншої кількості атомів, їх властивості відрізняються від властивостей тих самих атомів, пов'язаних в об'ємній речовині. Розміри наночастинок менші, ніж критичні довжини, що характеризують багато фізичних явищ, і надають їм унікальні властивості, роблячи їх такими цікавими для різних додатків. Взагалі, багато Фізичні властивостівизначаються деякою критичною довжиною, наприклад, характерною відстанню теплової дифузії, або довжиною розсіювання. Електропровідність металу великою мірою залежить від відстані, яку електрон проходить між двома суударениями з атомами або атомами домішки, що коливаються. твердому тілі. Ця відстань називається середньою довжиною вільного пробігу, або характерною довжиною розсіювання. Якщо розмір частинки менший за будь-яку характерну довжину, можлива поява нових фізичних і хімічних властивостей.

Металеві нанокластери

Модель, що використовується для обчислення властивостей нанокластрів, розглядає їх як молекули та застосовує для обчислень існуючі теорії молекулярних орбіталей, такі як теорія функціоналів густини. Цей підхід можна використовувати для обчислення реальної геометричної та електронної структури дрібних металевих кластерів. У квантовій теорії атома водню електрон, що обертається навколо ядра, сприймається як хвиля. Структуру з найменшою енергією можна знайти обчислювальними методами, що визначає рівноважну геометрію молекули. Такі методи молекулярних орбіталей з деякими змінами застосовуються і до металевих наночасток.

Власники патенту UA 2382069:

Винахід відноситься до галузі розробки металоплакувальних присадок до мастильних композицій, що містять твердофазні ультрадисперсні добавки металів, і призначений для отримання нанокластерів міді, свинцю, цинку, нікелю з розмірами частинок 15-50 нм. Спосіб включає електрохімічне відновлення металу, обраного з групи Cu, Pb, Zn, Ni, у водно-органічному розчині електроліту з розчинним анодом з металу, що відновлюється, з одночасним диспергуванням відновленого металевого шару на катоді. Електрохімічне відновлення та диспергування відновленого металевого шару здійснюють у водному розчині трьох-шестіатомних спиртів, при цьому диспергування ведуть шляхом тертя пари сталевий катод-сталь під впливом регульованого навантаження не менше 7,5 МПа. У пристрої для здійснення способу катод виконаний у формі сталевого диска, над поверхнею сталевого диска з можливістю вертикального переміщення встановлена ​​державка, на нижній поверхні якої рівномірно по колу виконані три пази із закріпленими в них сталевими пальцями, робочі торці яких контактують із поверхнею сталевого диска з утворенням зони тертя. Технічний результат - отримання стабілізованих нанокластерів металів Cu, Pb, Zn, Ni, стійких до дії кисню і вологи, підвищення триботехнічних характеристик водно-спиртових мастильних композицій, що отримуються, забезпечення можливості контролю триботехнічних характеристик водно-спиртових мастильних композицій. 2 зв. та 4 з.п. ф-ли, 8 іл.

Винахід відноситься до галузі розробки металоплакувальних присадок до водно-розчинних та інших протизносних мастильних композицій, що містять твердофазні ультрадисперсні добавки металів, і може бути використане для отримання нанокластерів міді, свинцю, цинку, нікелю, з розмірами частинок 15-50

В даний час розвивається напрямок, пов'язаний зі створенням нових присадних матеріалів до мастил і мастил, які формують поверхневі плівки в зоні контактної взаємодії, що забезпечують підвищення зносостійкості пар тертя і являють собою мастильні мастильні композиції на основі твердофазних кластерних добавок. Основними компонентами даного типуПрисадки є нанорозмірні порошки м'яких металів або їх сплавів. Такі добавки покращують експлуатаційні та триботехнічні характеристики мастильних матеріалів, т.к. утворюють на поверхні тертя міцну плівку, що перешкоджає схоплюванню, що знижує коефіцієнт тертя.

Відома протизносна мастильна композиція РіМЕТ, що випускається ЗАТ «НВП ВМП», яка є дисперсією нанокристалічних частинок сплаву міді в рідкому мастильному матеріалі. (Золотухіна Л.В., Батуріна О.К., Пургіна Т.П., Жидовінова С.В., Кишкопаров Н.В., Фрішберг І.В. Формування нанокристалічної структури на поверхнях тертя у присутності нанопорошків сплавів міді у мастильному матеріалі // Тертя та мастило в машинах і механізмах, №3, 2007, с.7-12) /1/.

Активні функціональні наноматеріали, що наночастинки або формують на поверхнях тертя захисні граничні наноструктурні шари, що перешкоджають зношуванню деталей, містяться в мастильних композиціях, пропонованих на світовому ринку: Fenom Metal Conditioner/Nanoconditioner (протизносні та протизадирні масла димми); Old Chap Reconditioner (аддитиви - реставратори до мастил для двигунів та трансмісій з ознаками зносу та старіння); Renom Engine / Gear NanoGuard (нанозахист двигуна та трансмісії - присадки до моторної та трансмісійної олії); Fenom NanoCleaner / NanoTuning (наноочисники паливних систем та наноприсадки, що покращують властивості палив - добавки до моторного палива), (Беклемишев В.І., Махонін І.І., Летов А.Ф., Балабанов В.І., Філіппов К.В. .Розробка ресурсозберігаючої автохімії і застосуванням ефективних компонентів і наноматеріалів // Матеріали міжнародної. 27) /2/.

Сформувалися дві основні групи способів одержання нанокластерів металів: фізичний та хімічний. До фізичним способамвідносяться:

1. Газофазний синтез, що полягає у випаровуванні металу при контрольованій температурі в атмосфері інертного газу низького тискуз наступною конденсацією пари поблизу або на холодній поверхні. Цей метод дозволяє отримувати найбільш чисті металеві частинки, проте ведуться пошуки методів, що забезпечують отримання наночастинок без використання твердих підкладок (Гусєв А.І. Наноматеріали, наноструктури, нанотехнології. – М.: Фізматліт, 2005. .

2. Механічна обробка твердих металевих сумішей ініціаторами, наприклад металевими кулями, в результаті якої відбуваються подрібнення та пластична деформація металів /3/ с.73-81; (Суздальов І.П. Нанотехнологія: фізико-хімія нанокластерів, наноструктур та наноматеріалів. М.: КомКніга, 2006, с.406-423) /4/. Однак механічний вплив є локальним, оскільки не відбувається рівномірно за обсягом речовини, а тільки в області застосування поля напруг, в результаті нанокластери, що утворюються, мають великий розкид за розмірами.

3. Дроблення (диспергування) металів під впливом ультразвукових (УЗ) хвиль застосовують при отриманні ультрадисперсних суспензій ряду металів (Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд І.Є. Наночастинки металів у полімерах. М.: Хімія, 2000 . с.186-188) /5/. При цьому отримані кластери металу мають відносно більші розміри близько 1000 нм.

До хімічних способів належать:

4. Спосіб з використанням просторово-обмежених систем - нанореакторів (міцел, крапель, плівок) (Третьяков Ю.Д., Лукашин А.В., Єлісєєв А.А. Синтез функціональних нанокомпозитів на основі твердофазних нанореакторів // Успіхи хімії 73 ). 2004. с.974-996) /6/.

5. Термічне розкладання та відновлення металоорганічних та металонеорганічних сполук, які за певної температури розпадаються з утворенням синтезованої речовини та виділенням газової фази /3/ с.70-73; /5/ с.221-255; (Столяров І.П., Гаугаш Ю.В., Крюкова Г.М., Кочубей Д.І., Варгафтік М.М., Мойсеєв І.І. Нові нанокластери паладію: синтез, будова та каталітичні властивості// Изв. АН. Сірий. Хім., 2004 №6 с.1147-1152) /7/. Нагрівання вихідної сировини до температури 2000-8000 К в спеціальних умовах (вакуум або інертний газ) ускладнює технологію.

6. Кристалізацією з розчинів відповідних солей з виділенням нанорозмірних мідьвмісних порошків на катоді при відновленні в ході електролізу /5/ с.219-221 (Чуловська С.А., Парфенюк В.І., Лілін С.А., Гіричев Г.В. .Електрохімічний синтез і високотемпературні дослідження нанорозмірних мідьвмісних порошків. До складу електролітичного розчину входять поверхнево-активні речовини (ПАР), які стабілізують утворюються нанокластери металів. Недоліком методу є широке розкидання нанокластерів за розмірами.

Найбільш близьким по технічній сутності до винаходу є спосіб отримання нанокластерів металів, який полягає в поєднанні електрохімічного відновлення металів з водно-органічного розчину електроліту з одночасним диспергуванням під впливом ультразвукових коливань відновленого на катоді шару металу (US 5925463, B4 /46, B01J 35/00, 1999-07-20) /9/, який приймається за прототип.

Для стабілізації нанокластерів у водно-органічний розчин електроліту додають тетраалкіламонієві та тетраалкілфосфонієві солі. В отриманий розчин поміщають катод та анод. Як матеріал анода використовують метали широкої групи. періодичної системи, включаючи мідь Cu, свинець Pb, цинк Zn, Ni Ni. Електрохімічне відновлення металів здійснюється традиційним способом у встановленій на підставі електрохімічної ванні з водно-органічним розчином електроліту. При підключенні електродів до джерела постійного струмувідбувається розчинення металевого аноду. Іони металу переносяться до катода та відновлюються на ньому. Під дією УЗ коливань одночасно з електролізом здійснюють диспергування відновленого шару металу на поверхні катода. При цьому нанокластери металів видаляються з поверхні катода, стабілізуються тетраалкіламонієвими та тетраалкілфосфонієвими солями і переходять у розчин у колоїдному стані. Отримані способом та пристроєм-прототипом нанокластери металів призначені для виготовлення каталізаторів, мають малі розміри 2-30 нм та високу хімічну активність, що вимагає спеціальних методів захисту при їх виготовленні (використання інертної атмосфери, вільних від розчиненого кисню розчинників). Наявність високої хімічної активності перешкоджає використанню одержуваних нанокластерів як присадку до мастильних композицій.

Технічним результатом цього винаходу є отримання стабілізованих нанокластерів металів групи Cu, Pb, Zn, Ni, стійких до дії кисню та вологи, які можуть бути використані як присадка до мастильних композицій, отримання водно-спиртових мастильних композицій з високими триботехнічними характеристиками, забезпечення триботехнічних характеристик водно-спиртових мастильних композицій у процесі одержання нанокластерів

Зазначений технічний результат досягається тим, що у відомому способі отримання нанокластерів металів, що включає електрохімічне відновлення металу, вибраного з групи Cu, Pb, Zn, Ni, у водно-органічному розчині електроліту з розчинним анодом з металу, що відновлюється, з одночасним диспергуванням відновленого металевого шару на ката , згідно винаходу, електрохімічне відновлення та диспергування відновленого металевого шару здійснюють у водному розчині трьох-шестіатомних спиртів, при цьому диспергування ведуть шляхом тертя пари "сталевий катод-сталь" під впливом регульованого навантаження не менше 7,5 МПа.

Пристрій для отримання нанокластерів металів електрохімічним відновленням металу, обраного з групи Cu, Pb, Zn, Ni, містить встановлену на підставі електрохімічну ванну для водно-органічного розчину електроліту, занурені в неї катод і розчинний анод з металу, що відновлюється, підключені до джерела постійного електричного струму .

Згідно винаходу катод виконаний у формі сталевого диска, який жорстко закріплений на дні електрохімічної ванни, встановленої на підставі на опорних кулькових підшипниках, над поверхнею сталевого диска з можливістю вертикального переміщення встановлено державку, на нижній поверхні якої рівномірно по колу виконані три пази із закріпленими в них сталевими пальцями, робочі торці яких контактують з поверхнею сталевого диска з утворенням зони тертя, причому неробочі поверхні пальців і сталевого диска мають діелектричне плівкове покриття для ізоляції від розчину електроліту, а верхня частина державки виконана з виступом, в центрі якого розміщена кульова опора, пов'язана за допомогою головки приводу, що має повідець, зі шпиндельним валом, який з'єднаний рухомим блоком за допомогою важеля з регульованим вантажем, а на зовнішній поверхні електрохімічної ванни закріплений динамометр.

У окремих випадках виконання способу як спиртового компонента розчину електроліту використовують гліцерин C 3 H 8 O 3 або еририт С 4 Н 10 О 4 , або арабіт

C 5 H 12 O 5 або сорбіт C 6 H 14 O 6 .

При терті пари сталевий диск-сталь під впливом регульованого навантаження не менше 7,5 МПа у водно-спиртовому розчині електроліту на поверхні нерухомого катода відбувається диспергування відновленого шару металу з утворенням нанокластерів розміром 15-50 нм, стійких до дії вологи та кисню. того, що окислення дисперсних частинок металів відбувається безпосередньо у водно-спиртовому розчині електроліту, таким чином виключається необхідність використання спеціальних методів захисту від окисних реакцій. Зменшення навантаження нижче 7,5 МПа призводить до збільшення часу виходу пари тертя сталевий диск-сталь на режим беззносу, а збільшення навантаження більше 10 МПа не було досліджено, т.к. потужність наявного електродвигуна була достатня для отримання обертання валу при підвищених навантаженнях більше 10 МПа. Збільшення навантаження призводить до зменшення часу виходу пари тертя режим беззносності.

Використання трьох-шестіатомних спиртів для стабілізації нанокластерів м'яких металів забезпечує триботехнічну ефективність мастильної композиції за рахунок зменшення коефіцієнта тертя пари сталевий диск-сталь до 10 -3 а величини інтенсивності зношування пари тертя - до 10 -11 . Це з тим, що із збільшенням числа атомів кисню у молекулі спирту швидко зростає кількість хімічних реакцій, що протікають під дією тертя, а разом з ними і кількість можливих стереохімічних структур, що беруть участь у модифікації поверхні тертя. Крім того, при терті пари сталевий диск-сталь у водно-спиртовому розчині електроліту протікають хімічні реакції, в результаті яких утворюються продукти, що містять карбонільні та карбоксильні групи, що є стабілізаторами нанокластерів, що утворюються, що надає стійкість нанокластерам металів до дії кисню і вологи.

Винахід пояснюється кресленнями, графіками, фотомікрографія.

На фіг.1 наведено схематичне креслення пристрою для отримання нанокластерів металів, вид спереду, вертикальний розріз.

На фіг.2 наведено схематичне креслення сталевого диска, вид зверху.

На фіг.3 наведена схема динамометра, вид зверху, розріз А.

На фіг.4 наведені залежності коефіцієнтів тертя f від часу електролізу t, з, для мідного анода, отримані з використанням пристрою, що заявляється при навантаженні 7,5 МПа, де крива 1 відповідає водному розчину етиленгліколю З 2 Н 6 Про 2 , 2 - водному розчину гліцерину С 3 Н 8 Про 3 , 3 - водного розчину еритриту С 4 Н 10 Про 4 , 4 - водного розчину арабіту С 5 Н 12 Про 5 , 5 - водного розчину сорбіту С 6 Н 14 Про 6 .

На фіг.5 наведені залежності коефіцієнтів тертя f від часу електролізу t, с, для свинцевого анода, отримані з використанням заявляється пристрою при навантаженні 7,5 МПа, де крива 1 відповідає водному розчину етиленгліколю З 2 Н 6 Про 2 , 2 - водному розчину гліцерину С 3 Н 8 Про 3 , 3 - водного розчину еритриту С 4 Н 10 Про 4 , 4 - водного розчину арабіту С 5 Н 12 Про 5 , 5 - водного розчину сорбіту

На фіг.6 наведені фотомікрографії робочої поверхні одного з металевих пальців, що містить нанокластери свинцю.

На фіг.7 наведені фотомікрографії робочої поверхні одного зі сталевих пальців, що містить міді нанокластери.

На фіг.8 наведені залежності коефіцієнтів тертя f від часу електролізу t, для мідного анода, отримані з використанням заявляється пристрою при навантаженні 5 МПа, де крива 1 відповідає водному розчину гліцерину C 3 H 8 O 3 , 2 - водному розчину еритриту C 4 H 10 O 4 , 3 - водного розчину арабіту C 5 H 12 O 5 , 4 - водного розчину сорбіту C 6 H 14 O 6 .

Пристрій для отримання нанокластерів металів електрохімічним відновленням металу, вибраного з групи Cu, Pb, Zn, Ni, (фіг.1) містить встановлену на підставі 1 на опорних кулькових підшипниках 2 електрохімічну ванну 3, виконану з діелектрика, що витримує нагрівання до 200°С, для водно-спиртового розчину 4. Як спиртовий компонент розчину електроліту використовують триатомний спирт - гліцерин C 3 H 8 O 3 , чотирихатомний спирт - еририт C 4 H 10 O 4 , п'ятиатомний спирт - арабіт С 5 Н 12 О 5 , шестиатомний спирт - сорбіт С 6 Н 14 Про 6 . У електрохімічну ванну 3 занурений сталевий катод 5 і анод 6, виконаний з металу, вибраного з групи металів: Cu, Pb, Zn, Ni, здатних утворювати на поверхні тертя сервовітну плівку в зоні контакту деталей, що труться, що призводить до зменшення коефіцієнта тертя на порядок в порівнянні з відсутністю сервовитої плівки. Катод 5 і анод 6 підключені до полюсів джерела постійного струму 7. Катод 5 виконаний у формі сталевого диска, який жорстко закріплений на дні електрохімічної ванни 3. Над поверхнею сталевого диска 5 з можливістю вертикального переміщення встановлено державка 8, виконана з діелектрика, на нижній поверхні якої рівномірно по колу виконані три пази 9 із закріпленими в них за допомогою кріпильних гвинтів 10 сталевими пальцями 11. Верхня частина державки 8 забезпечена виступом 12, в центрі якого розміщена кульова опора 13, пов'язана за допомогою головки приводу 14 зі шпиндельним валом 15. головки приводу 14 встановлений повідець 16, який забезпечує передачу обертального руху від головки приводу 14 до державки 8. Шпиндельний вал 15 з'єднаний рухомим блоком 17 за допомогою важеля 18 з регульованим вантажем 19. На зовнішній поверхні електрохімічної ванни 3 закріплений динамометр поверхні 20. пари тертя торцева поверхня сталевих пальців 11- сталевий диск 5, мали шорсткість Ra=0,63 мкм. Після знежирення етиловим спиртом і сушіння при кімнатній температурі зазначена пара тертя занурювалася в електрохімічну ванну 3. У конкретному прикладі виконання анод виконаний з міді або свинцю, які найбільш часто використовують як металоплакувальну присадку до мастильних композицій (UA 2161180 С, 7 С102 2000-12-27) /10/, (UA 2123030 C, 6 С10М 125/00, 1998-12-10) /11/, (UA 2019563 C, 5 С10М 169/04, 1994-09-15) /, (SU 1214735 A, 4 С10М 133/16, 1986-02-28) /13/. При підключенні джерела постійного струму 7 силою 20 мA і включенні електроприводу (на кресленні не показаний) наводиться в обертальний рух шпиндельний вал 15 і за допомогою повідця 16 обертальний рух шпиндельного валу 15 передається державці 8 і сталевим пальцям 11, нижні робочі поверхнею сталевого диска 5 і утворюють зону тертя 21 (фіг.2). При цьому на поверхні тертя за рахунок розчинення м'якого металу анода формується металева плівка, яка піддається деформації та стирання в процесі тертя під впливом регульованого навантаження не менше 7,5 МПа, що призводить до накопичення нанокластерів міді або свинцю розміром 15-50 нм у водно- спиртовий розчин електроліту. Швидкість обертання сталевих пальців 11 вибирають із умови забезпечення відновлення шару з кількох атомів металу на поверхні сталевого диска 5 і становить 0,5-1,0 м/с. При ковзанні пальців 11 по зоні тертя 21 сталевого диска 5 виникає момент, що крутить, що впливає на стінки електрохімічної ванни 3, т.к. сталевий диск 5 жорстко закріплений на дні електрохімічної ванни 3. Крутний момент викликає прокручування електрохімічної ванни 3 до врівноважування пружиною 22 динамометра 20, закріпленого між важелем 23 і стійкою 24 (фіг.3). Бічні поверхні 25 сталевих пальців 11 (фіг.1) і неробоча поверхня 26 (фіг.2) сталевого диска 5 покриті захисною діелектричною плівкою для ізоляції цих зон від впливу електроліту. За величиною деформації пружини 22 динамометра 20 визначається окружна сила F пр. Коефіцієнт тертя розраховували за формулою

де F пр – окружна сила, Н; l 1 - відстань від точки закріплення пружини динамометра до важеля до осі обертання м; l 2 - відстань між віссю обертання та центрами сталевих пальців, М; Р – сила притискання (або осьове навантаження на пальці), Н.

Інтенсивність зношування визначали за формулою

де h - величина лінійного зносу, розрахована за втратою маси пальців та сталевого диска, м; L - шлях тертя, розрахований за формулою 2πrn; r -радіус зони тертя, м; n – число робочих циклів.

У кожному досвіді шлях тертя становив близько 10 км, що було достатньо отримання необхідної для зважування величини.

Як мастильних рідин використовувалися водно-органічні розчини спиртів марки ч.д.а.: триатомний спирт - гліцерин C 3 H 8 O 3 , чотирихатомний спирт-еририт С 4 Н 10 О 4 , п'ятиатомний спирт - арабіт С 5 Н 12 О 5 , шестиатомний спирт - сорбіт С 6 Н 14 Про 6 . Для збільшення електропровідності водно-органічні розчини додавали 0,01М перхлорату літію LiClO 4 марки х.ч. Розчини готувалися у відсотковому співвідношенні компонентів: 50% спирту на 50% води. Знімні сталевий диск і сталеві пальці зважували визначення величини лінійного зносу на електронних лабораторних вагах ЛВ 210-А і розраховували за формулою (2) інтенсивність зношування пари тертя 5, 11 (фіг.1). Як видно з фіг.4, 5 триботехнічна ефективність металовмісних мастильних композицій залежить від атомності спирту і збільшується при переході від двоатомного спирту етиленгліколю (крива 1) до шестиатомного спирту сорбіту (крива 5). Утворення нанокластерів свинцю або міді для водних розчинів гліцерину (крива 2), еритриту (крива 3), арабіту (крива 4) та сорбіту (крива 5) сприяє виходу трибологічної системи на режим виборчого перенесення або беззносності (Гаркунов Д.Н. Наукові відкриття триботехніки, ефект беззносності, водневе зношування металів. значення коефіцієнта тертя встановлюються лише на рівні 10 -3 . Причому час виходу на режим беззносності зменшується в ряді гліцерин – еририт – арабіт – сорбіт. Розмір інтенсивності зношування для водних розчинів трьох-шестіатомних спиртів становить близько 10 -11 . Нанокластери м'яких металів у процесі тертя заповнюють мікронерівності поверхонь тертя, збільшуючи фактичну площу контакту, що призводить до різкого зниження тиску в зоні тертя, що полегшує порівняно з основним металом опір зсуву на ділянках металевого контакту. При цьому час, необхідний переходу системи, що містить нанокластери свинцю (фіг.5) або міді (фіг.4) в режим беззносності, зменшується в ряді металів, тобто. нанокластери міді є ефективнішими.

Згідно з результатами атомно-силової мікроскопії (фіг.6, фіг.7), виконаним на сканувальному зондовому мікроскопі Solver Р47Н за допомогою промислових кремнієвих кантилеверів NSG10, отримані заявляється нанокластери міді і свинцю мають розміри 15-50 нм. Аналогічні результати слід очікувати і для цинку та нікелю. Для отримання ультрадисперсних порошків нанокластери металів попередньо відокремлюють від водно-спиртового розчину за допомогою ультрацентрифугування і потім як металоплакуючі присадки додають до різних мастильних композицій в кількості 0,5-3%. Крім того, сам водно-спиртовий розчин електроліту з нанокластерами металів є готовою мастильною композицією і може бути розлитий в ємності для реалізації.

Як видно з фіг.8 зменшення навантаження на пару тертя «сталевий диск-сталь» призводить до збільшення часу виходу пари тертя на режим беззносу з 8,3 години (30000 с) (фіг.4, крива 5) до 12,5 годин ( 45000 с) (фіг.8 крива 4), а у разі гліцерину не забезпечує режим беззносності (фіг.8 крива 1).

Приклад 1. Отримання міді нанокластерів.

Поверхні сталевого диска 5 та сталевих пальців 11 обробляють наждачним папером, знежирюють етиловим спиртом та висушують. В електрохімічну ванну 3 додають водний розчин сорбіту у співвідношенні 1:1 та 0,01М перхлорату літію LiClO 4 марки х.ч. Опускають мідний анод 6, виготовлений з листової міді розміром 1×2 см, товщиною 1 мм, попередньо оброблений концентрованою азотною кислотою, промитий і висушений. Одночасно з включенням електроприводу підключають джерело струму силою 20 мA. За допомогою важеля 18 з регульованим вантажем 19 встановлюють регульоване навантаження 7,5 МПа в парі тертя. Швидкість обертання пальців становить 0,5 м/с. На початку тертя йде процес приробітку, який характеризується відносно високими значеннями коефіцієнта тертя. У міру накопичення нанокластерів у розчині величина коефіцієнта тертя знижується і через 8,3 години (30000 с) трибологічна система перетворюється на режим беззносності. На робочих поверхнях сталевого диска 5 і 11 пальців утворюється видимий неозброєним оком блискучий шар міді. Отримана мастильна композиція містить нанокластери міді в стабільному колоїдному стані.

Приклад 2. Одержання свинцевих нанокластерів.

Поверхні сталевого диска 5 і 11 пальців обробляють наждачним папером, знежирюють етиловим спиртом і висушують. В електрохімічну ванну додають 3 водний розчин сорбіту (1:1), 0,01М перхлорату літію LiClO 4 марки х.ч. і занурюють анод 6, виготовлений з свинцевої пластини розміром 1×1 см, товщиною 3 мм, попередньо оброблений концентрованої азотної кислоти, промитий і висушений.

Одночасно з включенням електроприводу підключають джерело постійного 7 електричного струму силою 20 мA і встановлюють регульоване навантаження 7,5 МПа в парі тертя. Швидкість обертання сталевих пальців становить 11 0,5 м/с. Процес опрацювання пари тертя характеризується відносно високими значеннями коефіцієнта тертя. Принаймні накопичення нанокластерів у розчині електроліту значення коефіцієнта тертя знижуються і через 11,1 години (40000 з) трибологічна система перетворюється на режим беззносності. На робочій поверхні сталевого диска 5 і 11 пальців утворюється видимий неозброєним оком блискучий шар свинцю. Отримана мастильна композиція містить нанокластери свинцю в стабільному колоїдному стані. Розроблений експериментальний зразок пристрою для отримання нанокластерів металів дозволяє отримувати безпосередньо в процесі відновлення мастильні композиції з прогнозованими протизносними характеристиками, що раніше не досягалося у відомих аналогах.

Джерела інформації

1. Золотухіна Л.В., Батуріна О.К., Пургіна Т.П., Жидовінова С.В., Кишкопаров Н.В., Фрішберг І.В. Формування нанокристалічної структури на поверхнях тертя в присутності нанопорошків сплавів міді в мастильному матеріалі // Тертя та мастило в машинах та механізмах, №3, 2007, с.7-12.

2. Беклемишев В.І., Махонін І.І., Лєтов А.Ф., Балабанов В.І., Філіппов К.В. Розробка ресурсозберігаючої автохімії та сучасних масел із застосуванням ефективних компонентів та наноматеріалів // Матеріали межд. науково-практичний. школи-конфер. «Слов'янтрибо-7а.» Рибінськ-Санкт-Петербург-Пушкін, 2006, Т.3. с.21-27.

3. Гусєв А.І. Наноматеріали, наноструктури, нанотехнології. - М: Фізматліт, 2005. с.46-53.

4. Суздальов І.П. Нанотехнологія: фізико-хімія нанокластерів, наноструктур та наноматеріалів. М: КомКнига, 2006, с.406-423.

5. Допомогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд І.Є. Наночастинки металів у полімерах. М: Хімія, 2000. с.186-188.

6. Третьяков Ю.Д., Лукашин А.В., Єлісєєв А.А. Синтез функціональних нанокомпозитів на основі твердофазних нанореакторів // Успіхи хімії 73(9), 2004. с.974-996.

7. Столяров І.П., Гаугаш Ю.В., Крюкова Г.М., Кочубей Д.І., Варгафтік М.М., Мойсеєв І.І. Нові нанокластери паладію: синтез, будова та каталітичні властивості // Изв. АН. Сірий. Хім., 2004 №6 с.1147-1152.

8. Чуловська С.А., Парфенюк В.І., Лілін С.А., Гіричев Г.В. Електрохімічний синтез та високотемпературні дослідження нанорозмірних мідьвмісних порошків. // Хімія та хімічна технологія 2006. Т.49. вип.1 с.35-39.

9. US 5925463, B01J 23/44, B01J 23/46, B01J 35/00, 1999-07-20 - прототип.

10. UA 2161180 C, 7 С10М 155/02, 2000-12-27.

11. UA 2123030 C, 6 С10М 125/00, 1998-12-10.

12. UA 2019563 C, 5 С10М 169/04, 1994-09-15.

13. SU 1214735 A, 4 C10M 133/16, 1986-02-28.

14. Гаркунов Д.М. Наукові відкриття у триботехніці; ефект беззносності; водневе зношування металів. М: Вид-во МСХА, 2004. С.15-17, с.195-205.

1. Спосіб отримання нанокластерів металів, що включає електрохімічне відновлення металу, вибраного з групи Cu, Pb, Zn, Ni, у водно-органічному розчині електроліту з розчинним анодом з відновлюваного металу з одночасним диспергуванням відновленого металевого шару на катоді, що відрізняється тим, що електрохімічне відновлення і диспергування відновленого металевого шару здійснюють у водному розчині трьох-шестіатомних спиртів, при цьому диспергування ведуть шляхом тертя пари сталевий катод-сталь під впливом регульованого навантаження не менше 7,5 МПа.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що як спиртовий компонент розчину електроліту використовують гліцерин С 3 Н 8 Про 3 .

3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що як спиртовий компонент розчину електроліту використовують еририт С 4 Н 10 О 4 .

4. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що як спиртовий компонент розчину електроліту використовують арабіт С 5 Н 12 Про 5 .

5. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що як спиртовий компонент розчину електроліту використовують сорбіт С 6 Н 14 Про 6 .

6. Пристрій для отримання нанокластерів металів електрохімічним відновленням металу, вибраного з групи Cu, Pb, Zn, Ni, що містить встановлену на підставі електрохімічну ванну для водно-органічного розчину електроліту, занурені в неї катод і розчинний анод з металу, що відновлюється, підключені до джерела постійного електричного струму, яке відрізняється тим, що катод виконаний у формі сталевого диска, який жорстко закріплений на дні електрохімічної ванни, встановленої на підставі на опорних кулькових підшипниках, над поверхнею сталевого диска з можливістю вертикального переміщення встановлено державку, на нижній поверхні якої рівномірно по колу виконано три паза із закріпленими в них сталевими пальцями, робочі торці яких контактують із поверхнею сталевого диска з утворенням зони тертя, причому неробочі поверхні пальців та сталевого диска мають діелектричне плівкове покриття для ізоляції від розчину електроліту, а верхня частина державки виконана з виступом, у центрі якого розміщена кульова опора, пов'язана за допомогою головки приводу, що має повідець, зі шпиндельним валом, який з'єднаний рухомим блоком за допомогою важеля з регульованим вантажем, на зовнішній поверхні електрохімічної ванни закріплений динамометр.

Винахід відноситься до мастильних композицій, зокрема до багатокомпонентних добавок або концентратів, що вводяться в мінеральні олії з метою отримання високоякісних пластичних (консистентних) мастильних матеріалів, що володіють підвищеною термостійкістю та адгезією до поверхні тертя, високою задиро- та зносостійкістю.

Винахід відноситься до складів (мастилів), призначених для захисту від задира і зносу, а також "схоплювання" сполучених поверхонь як в умовах атмосферної корозії, так і теплових впливів, наприклад в конструкціях автомобілів, різьбових з'єднаннях збірно-розбірних складських і магістральних трубопроводів, може бути використане в машинобудуванні, нафтохімічній та інших галузях промисловості.

Винахід відноситься до промисловості будівельних матеріалів і може бути використане при виготовленні виробів з карбід-кремнієвих жаростійких бетонів, які отримують без попереднього випалу.

Винахід відноситься до галузі розробки металоплакувальних присадок до мастильних композицій, що містять твердофазні ультрадисперсні добавки металів, і призначене для отримання нанокластерів міді, свинцю, цинку, нікелю з розмірами частинок 15-50 нм.

До багатьох нанооб'єктів відносяться надмалі частинки, що складаються з десятків, сотень або тисяч атомів. Властивості кластерів кардинально відрізняються від властивостей макроскопічних обсягів матеріалів того самого складу. З нанокластерів, як із великих будівельних блоків, можна цілеспрямовано конструювати нові матеріали із заздалегідь заданими властивостями та використовувати їх у каталітичних реакціях, для поділу газових сумішей та зберігання газів. Одним із прикладів є Zn4O(BDC)3(DMF)8(C6H5Cl)4. Великий інтерес представляють магнітні кластери, які з атомів перехідних металів, лантиноїдів, актиноїдів. Ці кластери мають власний магнітний момент, що дозволяє керувати їх властивостями за допомогою зовнішнього магнітного поля. Прикладом є високоспинова металоорганічна молекула Mn12O12(CH3COO)16(H2O)4. Ця витончена конструкція складається з чотирьох іонів Мn4+зі спином 3/2, розташованих у вершинах тетраедра, восьми іонів Мn3+зі спином 2, що оточують цей тетраедр. Взаємодія між іонами марганцю здійснюється іонами кисню. Антиферомагнітні взаємодії спинів іонів Мn4+і Мn3+приводять до повного досить великого спину, що дорівнює 10. Ацетатні групи та молекули води відокремлюють кластери Мn12 один від одного в молекулярному кристалі. Взаємодія кластерів у кристалі надзвичайно мала. Наномагніти цікаві при проектуванні процесорів для квантових комп'ютерів. Крім того, при дослідженні цієї квантової системи виявлено явища бістабільності та гістерези. Якщо врахувати, що відстань між молекулами становить близько 10 нанометрів, то щільність пам'яті в такій системі може бути 10 гігабайт на квадратний сантиметр.

В останнє десятиліття розвиток експериментальних методів отримання та вивчення властивостей нанокластерів та наноструктур призвело до значного прогресу в цій галузі та створення напряму дослідження фізикохімії нанокластерів та нанокластерних систем.

Для синтезу нанокластерів та наноструктур застосовувалися як традиційні методихімії твердого тіла та твердотільні хімічні реакції, так і спеціальні методиматричного наноструктурування з утворенням кластерів у мікропорах за допомогою хімічних реакцій. Методи другої групи дозволяють переходити від ізольованих (матричної ізоляції) до взаємодіючих кластерів. До кола питань вивчення нанокластерів та наносистем входили атомна нанокластерна динаміка, магнітні властивості та магнітні фазові переходи, каталітичні властивості. При цьому використовувалися теоретичні методи: термодинамічний підхід до опису магнітних фазових переходів у наносистемах, що враховує поверхневу енергію кластерів та міжкластерні взаємодії, та математична модель нуклеації, яка в ході твердотільної реакції враховує термодинамічні аспекти зародка утворення та зростання кластерів. Методичну базу експериментальних дослідженьстановили метод релеєвського розсіювання мессбауеровського випромінювання для характеристики динамічних властивостей наносистем, у порі, що дозволяє оцінити потенціали руху кластера, методи каталітичного тестування (на основі визначення активності та селективності каталізатора) властивостей поверхні та обсягу нанометричних шаруватих оксидів допованих іонами перехідних металів. Як об'єкти синтезу та дослідження були обрані нанокластери та наносистеми на основі оксидів заліза, а також полімерні нанокластерні системи, які цікаві не тільки в плані вивчення та моделювання нових властивостей, пов'язаних з розмірними ефектами та міжкластерними взаємодіями, але, що вкрай важливо, перспективні для створення нових магнітних матеріалів та каталізаторів.

Формування нанокластерної системи оксидів заліза. Термодинамічна модель зародження та зростання кластерів.

Ефективний метод синтезу наносистем із твердотільних залізооксидних кластерів ґрунтується на термічному розкладанні оксалату заліза. Процес розкладання при температурі вище деякої критичної точки починається з формування активного реакційного середовища, в якому відбувається зародження нанокластерів оксиду заліза. Цей процес формування кластерів можна порівняти з процесом утворення зародків у розчині чи розплаві, що заповнює обмежений об'єм. Обмеження має місце, коли кластер утворюється в замкнутій порі кінцевого об'єму або в результаті дифузійного обмеження, яке не дозволяє обурення концентрації маткового середовища, викликаного зміною розміру кластера, просунутися за час нуклеації на певну відстань. Саме ця відстань визначає розмір навколишнього кластер осередку, за межі якого компоненти маткового середовища під час нуклеації проникнути не можуть. Для одного кластера в системі неконтактуючих наночасток залежність вільної енергії Гіббса від радіусу кластера.

Магнітні властивості наносистеми оксидів заліза. Зміна міжкластерної взаємодії від слабкого до сильного призводить до зміни магнітних властивостей наносистеми. Ці зміни досліджувалися методом мессбауерівської спектроскопії. Для системи 1 (ізольовані кластери) характерне явище суперпарамагнетизму, що проявляється у вигляді теплових флуктуацій магнітного моменту кластера як цілого, що призводить до розмивання надтонкої магнітної структури спектру. З моменту утворення системи 2 (взаємодіючі кластери) з'являється досить чітко виражена надтонка магнітна структура з вузьким центральним парамагнітним дублетом. Такий же ефект спостерігався раніше для нанокластерів феригідриту, ізольованих у порах полісорбу, а також в ядрі білків залізовмісних феритину і гемосидерину. Спостерігається спектр ми пояснюємо, як наслідок наявності у системі нанокластерів магнітного фазового переходу першого роду, у якому намагніченість чи магнітний порядок змінюються стрибком. Стрибкоподібний перехід може спостерігатися при зміні температури в деякій критичній точці, а також зміні розміру кластера, коли здійснюється перехід через критичне значення радіуса. Стрибкоподібні переходи в наносистемі, зумовлені сильною міжкластерною взаємодією, тиском і деформацією, найбільш повно спостерігаються для системи 2, що складається з великих кластерів, що спеклися (20-50 нм).

Одним із найстаріших прикладів використання нанотехнології є кольорове вітражне скло середньовічних соборів, що є прозорим тілом з включеннями у вигляді нанорозмірних металевих частинок. Скло, що містить невелику кількість диспергованих нанокластерів, демонструє різноманітність незвичайних оптичних властивостей з широкими можливостями застосування. Довжина хвилі максимального оптичного поглинання, що істотно визначає колір скла, залежить від розміру і типу металевих частинок. На рис. 8.17 показаний приклад впливу розміру наночастинок золота на оптичний спектр поглинання SiO 2 скла у видимому діапазоні. Ці дані підтверджують усунення піку оптичного поглинання до більш коротких довжин хвиль при зменшенні розмірів наночастинок з 80 до 20 нм. Такий спектр викликається плазмовим поглинанням у металевих наночастинках. При дуже високих частотах електрони провідності у металі поводяться як плазма, тобто електрично нейтральний іонізований газ, у якому негативними зарядами є рухомі електрони, а позитивний заряд залишається на нерухомих атомах решітки. Якщо кластери мають розміри менші за довжину хвилі падаючого світла і добре розсіяні, так що можуть розглядатися як невзаємодіючі один з одним, то електромагнітна хвиля викликає коливання електронної плазми, що призводять до її поглинання. Для розрахунку залежності коефіцієнта поглинання від довжини хвилі можна використовувати теорію, розвинену Майєм (Mie). Коефіцієнт поглинання αмаленької сферичної частинки металу, що знаходиться в непоглинаючому середовищі, задається як

де N s -концентрація сфер обсягом V , ε 1і ε 2 -дійсна та уявна частини діелектричної проникності сфер, п 0 -показник заломлення непоглинаючого середовища і - довжина хвилі падаючого світла.

Іншим важливим для технології властивістю композитного металізованого скла є оптична нелінійність, тобто залежність показників заломлення від інтенсивності падаючого світла. Таке скло має суттєву сприйнятливість третього порядку, що призводить до наступного виду залежності показника заломлення. пвід інтенсивності падаючого світла I:

n=n 0 +n 2 I (8.9)

Коли розміри частинок зменшуються до 10 нм, починають відігравати важливу роль ефекти квантової локалізації, що змінюють оптичні характеристики матеріалу.

Найстаріший метод отримання композитного металізованого скла полягає в додаванні металевих частинок до розплаву. Однак при цьому складно керувати властивостями скла, що залежать від ступеня агрегованості частинок. Тому було розроблено більш керовані процеси, такі як іонна імплантація. Скло обробляється іонним пучком, що складається з атомів металу, що імплантується, з енергіями від 10 кеВ до 10 МеВ. Для застосування металевих частинок у скло використовується також іонний обмін. На рис. 8.18 показано експериментальне встановлення для введення частинок срібла в скло шляхом іонного обміну. Одновалентні приповерхневі атоми, наприклад, натрій, присутній у приповерхневих шарах у всіх стеклах, заміщається іншими іонами, наприклад сріблом. Для цього скляна основа міститься в розплаві солі, що знаходиться між електродами, до яких прикладена напруга зазначеної на рис. 8.18 полярності. Іони натрію в склі дифундують до негативного електрода, а срібло дифундує зі срібломісткого електроліту на поверхню скла.

Пористий кремній

При електрохімічному травленні кремнієвої пластини утворюються пори. На рис. 8.19 показано зображення площини (100) кремнію, отримане на скануючого тунельного мікроскопа після травлення. Видно пори (чорні області) мікронних розмірів. Такий матеріал називають пористим кремнієм (PoSi). Змінюючи умови обробки, можна досягти нанометрових розмірів таких пір. Інтерес до досліджень пористого кремнію зріс у 1990 році, коли було виявлено його флюоресценцію при кімнатній температурі. Люмінесценцією називається поглинання енергії речовиною з подальшим її перевипромінювання у видимому або близькому до видимого діапазону. Якщо емісія відбувається за час менше 10 -8 с, процес називається флюоресценцією, а якщо спостерігається затримка перевипромінювання, то фосфоресценцією. Звичайний (не пористий) кремній має слабку флюоресценцію між 0,96 і 1,20 еВ, тобто на енергіях, близьких до ширини забороненої зони, що становить при кімнатній температурі 1,125 еВ. Така флюоресценція кремнію є наслідком переходів електронів через заборонену зону. Однак, як можна побачити на рис. 8.20 пористий кремній демонструє сильну індуковану світлом люмінесценцію з енергіями помітно більше 1,4 еВ при температурі 300 К. Положення піку в емісійному спектрі визначається часом травлення зразка. Це відкриття набуло великого резонансу через можливість використання фотоактивного кремнію в добре відпрацьованих технологіях з метою створення нових дисплеїв або оптоелектронних пар. Кремній - найпоширеніша основа транзисторів, що є перемикачами комп'ютерів.

На рис. 8.21 показаний один із способів травлення кремнію. Зразок поміщають на металеве, наприклад, алюмінієве дно контейнера, стінки якого зроблені з поліетилену або тефлону, що не реагують з плавиковою кислотою (HF), яка використовується як травник.

Між платиновим електродом та кремнієвою пластиноюподається напруга, причому кремній є позитивним електродом. Параметрами, що впливають на характеристики пір, є концентрація HF в електроліті, сила струму, присутність поверхнево-активних речовин і полярність напруги. Атоми кремнію мають чотири валентні електрони і утворюють зв'язки в кристалі з чотирма найближчими сусідами. Якщо замінити один з них атомом фосфору, що має п'ять валентних електронів, то чотири його електрони братимуть участь в утворенні зв'язків з чотирма найближчими атомами кремнію, залишаючи один електрон не пов'язаним і здатним брати участь у перенесенні заряду, вносячи в провідність. Це створює у забороненій зоні рівні, що лежать близько до дна зони провідності. Кремній з домішкою такого роду називається напівпровідником n-типу. Якщо атом домішки - алюміній, що має три валентні електрони, то для утворення чотирьох зв'язків з найближчими атомами одного електрона не вистачає. Структура, що у такому разі, називається діркою. Дірки теж можуть брати участь у перенесенні заряду та збільшувати провідність. Кремній, легований таким чином, називається напівпровідником р-типу. Виявляється, що розмір пір, що утворюються в кремнії, залежить від того, якого він типу, n або р-. При травленні кремнію р-типу утворюється дуже тонка мережа пір з розмірами менше 10 нм.

Для пояснення походження люмінесценції пористого кремнію було запропоновано безліч теорій, що ґрунтуються на різних гіпотезах, в яких враховувалися такі фактори: присутність оксидів на поверхні пор; вплив стану дефектів поверхні; утворення квантових дротів, квантових точок та обумовлена ​​ними квантова локалізація; поверхневі стани квантових точок. Пористий кремній також демонструє електролюмінесценцію, при якій світіння викликається невеликою напругою, прикладеною до зразка, і катодолюмінесценцію, що викликається електронами, що бомбардують зразок.