Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
28.08.2015

Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди

Газенаур Никита Владимирович
бакалавр 3 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: В работе рассчитаны максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения наночастиц меди в спектральном диапазоне от ближнего УФ (20 эВ) до ИК (0.2 эВ), и соответствующие им радиусы.
Ключевые слова: Теория Ми, коэффициент эффективности поглощения, наночастицы меди
Электронная версия
Скачать (736.2 Kb)

Исследование свойств наночастиц меди показало их ранозаживляющие, регенерирующие и бактерицидные свойства. Медь (вместе с серебром и золотом) играет важную метаболическую роль в обмене веществ всех живых организмов [1]. В [2-4] обоснована возможность использования наночастиц благородных металлов в составе композитов на основе прозрачной матрицей взрывчатого вещества в качестве капсюлей оптических детонаторов. Металлы группы железа [5-7] и алюминия [8-9], где максимальные коэффициенты эффективности поглощения (Qabs) не превышают 2.5, для наночастиц меди [10], серебра [11-12] и золота [13] Qabs превышает в максимуме 6 [10-13]. Следовательно, сечение поглощения этих наночастиц более чем в 6 раз превышает геометрическое. Для повышения селективной чувствительности прикладных устройств с участием наночастиц с большими значениями коэффициента эффективности поглощения играет позитивную роль [14]. Поглощение света является первичным актом инициирования взрывного разложения как вторичных [15-16], так и инициирующих взрывчатых веществ [17-19]. Во втором случае возможны цепно-тепловые режимы протекания процесса [20-21]. С другой стороны, нагревание матрицы может привести к деградации потребительных свойств спектрально чувствительных покрытий. Для расширения возможностей использования наночастиц меди в оптических системах необходимо рассчитать спектральные зависимости коэффициентов эффективности поглощения в широком диапазоне и оценить области размеров, имеющих максимальные при данной длине волны Qabs.

Экспериментальное решение данной задачи даже для одной длины волны [22-24] и одного радиуса наночастиц [25] является чрезвычайно трудоемкой проблемой. Поэтому коэффициенты эффективности поглощения сферическими наночастицами радиуса R рассчитывались в рамках теории Ми по методике, приведенной в работах [22-25]. При расчетах коэффициента эффективности поглощения необходим комплексный показатель преломления, который в свою очередь, также зависит от длины волны падающего излучения [26]. Так как комплексный показатель преломления состоит из двух частей, действительной (n) и мнимой (k), то при каждой энергии кванта света () и соответствующей ему длине волны (λ) каждая часть комплексный показатель преломления приведена в таблице отдельно.

Таблица. Значения энергии кванта света () в эВ, соответствующей ему 
длине волны (λ) в нм, действительной (n) и модуля мнимой (k
частей комплексного показателя преломления металла на данной длине волны 
по данным [26], рассчитанные максимальные значения показателя поглощения меди (Qabs
и соответствующий ему радиус (R)

, эВ

λ, нм

n

k

Qabs

R

20

61.9900

0.882

0.455

1.1337

27.8

19

65.2500

0.883

0.507

1.1766

25.4

18

68.8800

0.890

0.561

1.2263

23.0

17

72.9300

0.913

0.620

1.2912

21.6

16

77.4900

0.954

0.673

1.3582

21.4

15.5

79.9900

0.981

0.695

1.3889

21.6

15

82.6500

1.01

0.707

1.4109

22.2

14.5

85.5

1.03

0.717

1.4265

22.9

14

88.5600

1.06

0.724

1.4429

23.8

13

95.3700

1.08

0.724

1.4500

25.8

10

124.0

1.04

0.818

1.5111

21.1

9.5

130.5

1.03

0.867

1.5680

20.2

9.0

137.8

1.03

0.921

1.6353

20.0

8.5

145.9

1.03

0.979

1.7095

20.1

8.0

155.0

1.03

1.03

1.7755

20.6

7.5

165.3

1.01

1.09

1.8601

21.0

7.0

177.1

0.972

1.20

2.0264

20.9

6.5

190.7

0.958

1.37

2.2531

21.3

6.0

206.6

1.04

1.59

2.3413

23.4

5.8

213.8

1.20

1.67

2.2070

25.7

5.6

211.4

1.18

1.74

2.2377

25.2

5.4

229.6

1.28

1.78

2.1548

28.2

5.2

238.4

1.38

1.80

2.0824

30.2

5.0

248.0

1.47

1.78

2.0251

32.2

4.8

258.3

1.53

1.71

1.9856

34.3

4.6

269.5

1.52

1.67

1.9850

35.9

4.4

281.8

1.49

1.64

1.9953

37.3

4.2

295.2

1.42

1.64

2.0357

38.3

4.0

309.9

1.34

1.72

2.1040

38.9

3.8

326.3

1.34

1.81

2.1104

40.8

3.6

0.3444

1.31

1.87

2.1295

42.6

3.4

0.3646

1.27

1.95

2.1461

44.6

3.2

0.3874

1.18

2.21

2.0897

47.1

3.0

0.4133

1.18

2.21

2.0897

50.2

2.8

0.4428

1.17

2.36

1.9855

54.4

2.6

476.8

1.15

2.50

1.8749

59.2

2.4

516.6

1.12

2.60

1.7897

64.5

2.3

539.0

1.04

2.59

1.8037

66.6

2.2

563.5

0.826

2.60

1.7711

68.3

2.1

590.4

0.468

2.81

1.1885

72.9

2.0

619.9

0.272

3.24

0.5050

81.1

1.9

652.5

0.214

3.67

0.2739

88.8

1.85

670.2

0.215

3.86

0.2361

92.4

1.80

688.0

0.213

4.05

0.2034

96.0

1.75

708.4

0.214

4.24

0.1794

99.8

1.70

729.3

0.223

4.43

0.1654

103.7

1.50

826.5

0.260

5.26

0.1231

121.0

1.00

1240

0.433

8.46

0.0684

189.7

0.98

1265

0.496

6.78

0.1269

190.3

0.96

1291

0.505

6.92

0.1234

194.6

0.94

1319

0.515

7.06

0.1203

199.1

0.92

1348

0.525

7.21

0.1170

203.8

0.90

1378

0.536

7.36

0.1141

208.7

0.88

1409

0.547

7.53

0.1107

213.7

0.86

1442

0.559

7.70

0.1077

219.1

0.84

1476

0.572

7.88

0.1047

224.6

0.82

1512

0.586

8.06

0.1021

230.4

0.80

1550

0.606

8.26

0.1000

236.5

0.78

1589

0.627

8.47

0.0980

242.8

0.76

1631

0.649

8.69

0.0959

249.5

0.74

1675

0.672

8.92

0.0939

256.6

0.72

1722

0.697

9.16

0.0919

264.1

0.70

1771

0.723

9.41

0.0900

271.9

0.68

1823

0.752

9.68

0.0881

280.3

0.66

1878

0.782

9.97

0.0860

289.0

0.64

1937

0.815

10.3

0.0836

298.5

0.62

2000

0.850

10.6

0.0821

308.5

0.60

2066

0.890

11.0

0.0795

319.0

0.58

2138

0.933

11.3

0.0787

330.4

0.56

2214

0.980

11.8

0.0755

342.6

0.54

2296

1.03

12.2

0.0740

355.5

0.52

2384

1.09

12.7

0.0720

369.5

0.50

2480

1.15

13.2

0.0701

384.7

0.48

2583

1.22

13.7

0.0688

401.0

0.46

2695

1.29

14.4

0.0656

418.8

0.44

2818

1.37

15.0

0.0640

438.2

0.42

2952

1.47

15.7

0.0625

459.3

0.40

3100

1.59

16.5

0.0610

482.7

0.38

3263

1.73

17.4

0.0594

508.4

0.36

3444

1.90

18.4

0.0582

536.9

0.34

3646

2.09

19.6

0.0562

568.7

0.32

3874

2.32

20.8

0.0552

604.6

0.30

4133

2.59

22.2

0.0539

645.3

0.28

4428

2.92

23.7

0.0531

691.6

0.26

4768

3.32

25.4

0.0523

745.0

0.24

5166

3.81

27.5

0.0510

807.4

0.22

5635

4.44

30.0

0.0497

881.0

0.20

6199

5.23

33.0

0.0481

969.5


Рассчитаны для различных квантов света в диапазоне энергий от 20 эВ до 0.2 эВ зависимости коэффициента эффективности поглощения лазерного излучения от радиуса наночастиц меди в матрице с показателем преломления m0 =1 (вакуум). Все кривые, как и для исследованных в работах [2-16, 22-25, 27-31] металлов имеют абсолютный максимум. Амплитуда максимума сильно зависит от энергии кванта. При энергии кванта 5.6 эВ Qabs = 2.2377 при R = 25.2 нм. Это максимальное значение Qabs во всем исследованном диапазоне длин волн. Для кванта света с энергией 0.2 эВ (длина волны почти 6.2 мкм) Qabs уменьшается почти в 50 раз и наблюдается для наночастиц почти в 50 раз больших (969.5 нм). При радиусах наночастиц меньших R кривая Qabs(R) спадает до нуля с соблюдением закона Рэлея. При больших радиусах происходит выход на плато, при некоторых длинах волн – с ярко выраженными осцилляциями. Зависимости Qabs() для наночастиц меди, как и серебра, алюминия, золота, хрома и других металлов имеют тенденцию к понижению при уменьшении энергии кванта света [2-16, 22-25, 27-31]. Однако в диапазоне от 20 эВ до 5.6 эВ Qabs несколько повышается, достигая максимума, называемого плазмонным резонансом [28]. В диапазоне энергий 7 - 2.2 эВ Qabs имеет достаточно большое значение, достигая локального максимума при энергии кванта 3.4 эВ (при радиусе 2.1461 нм). В районе энергий квантов 2 эВ происходит резкое уменьшение Qabs. Осцилляции зависимости Qabs(R) наблюдаются вблизи плазмонного резонанса. Наличие локальных максимумов поглощения на зависимости Qabs(R) в спектральной области около 2.5 эВ является существенной особенностью наночастиц меди. В исследованных в работах [5-9, 14-16, 22-25] оптических свойствах наночастиц алюминия и металлов группы железа в этом спектральном диапазоне проявляется один небольшой максимум и практически отсутствуют выраженные локальные максимумы. Эту особенность наночастиц меди необходимо учитывать при оптимизации исполнительных устройств. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.

Список литературы:

  1. Ряснянский А.И., Palpant B. и др. Нелинейные оптические свойства наночастиц золота диспергированных в различных оптически прозрачных матрицах // Физика твердого тела. – 2009. – Т. 51. – № 1. – С. 52-56.
  2. Ananyeva M.V., Kriger V.G. и др. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 13-17.
  3. Ананьева М.В., Каленский А.В. Математическое моделирование взрывного разложения энергетических материалов // Молодой ученый. – 2014. – №21. – С. 1-6.
  4. Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. – 2014. – № 7. – С. 5-12.
  5. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2014. – Т. 11. – № 3. – С. 340-345.
  6. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – № 2(9). – С. 29-34.
  7. Каленский А.В., Ананьева М.В. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц кобальта в прозрачных средах // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2015. – № 5 (218). – С. 56-60.
  8. Никитин А.П. Эффективность поглощения лазерного излучения наноразмерными включениями металлов в зависимости от длины волны// Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2012. – №4 (7) – С. 81-86.
  9. Каленский А.В., Зыков И.Ю. и др. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3(59). – С. 211-217.
  10. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю. и др. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. – 2014. –№5. – С. 89-93.
  11. Зыков И.Ю., Одинцова О.В. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице// Аспирант. – 2014. – №5. – С. 94-97.
  12. Одинцова О.В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – №3(14). С. 40-44.
  13. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. – 2014. – № 4-2(60). – С. 218-222.
  14. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 6. – С. 803-810.
  15. Каленский А.В., Звеков А.А. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // Физика горения и взрыва. – 2014. – Т. 50. – № 3. – С. 98-104.
  16. Ананьева М.В., Каленский А.В. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. – 2014. – № 1-1(57). – С. 194-200.
  17. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. – 2014. – № 19. – С. 52-55.
  18. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал СФУ. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7.– №4. – С. 470-479.
  19. Каленский А.В., Булушева Л.Г. и др. Моделирование граничных условий при квантовохимических расчетах азидов металлов в кластерном приближении //Журнал структурной химии. – 2000. – Т. 41. – № 3. – С. 605-608.
  20. Гришаева Е.А., Каленский А.В. и др. Неизотермическая модель разветвленной цепной реакции взрывного разложения энергетических материалов // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2013. –Т. 10. – № 1. – С. 44-49.
  21. Гришаева Е.А., Кригер В.Г. и др. Механизм цепно-теплового взрыва энергетических материалов // Известия ВУЗов. Физика. – 2013. – Т. 56. – № 9-3. – С. 159-161.
  22. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. – 2014. – Т. 84. – № 9. – С. 126 - 131.
  23. Kalenskii A.V., Kriger V.G. and others The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 62-65.
  24. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. – 2013. – Т. 32. – № 8. – С. 39-42.
  25. Звеков А.А., Каленский А.В. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38. – № 4. – С. 749-756.
  26. Handbook of Optical Constants of Solids / ed. by E.D. Palik. – Academic, 1998.
  27. Каленский А.В., Ананьева М.В. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. – 2014. – № 11-1(43). – С. 5-13.
  28. Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Особенности плазмонного резонанса в наночастицах различных металлов // Оптика и спектроскопия. – 2015. – Т. 118. – № 6. – С. 1012-1021.
  29. Zvekov A.A., Ananyeva M.V. и др. Regularities of light diffusion in the composite material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 5. – С. 685-691.
  30. Лукатова С.Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото - ТЭН // Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – № 1(12). – С. 95-98.
  31. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др Механизмы взрывного разложения энергетических веществ при инициировании лазерным излучением //Известия высших учебных заведений. Физика. – 2011. – Т. 54. – № 1 (3). – С. 18 - 23.