Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди

Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц меди

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 (hг) и соответствующей ему длине волны (л) каждая часть комплексный показатель преломления приведена в таблице отдельно.

Таблица. Значения энергии кванта света (hг) в эВ, соответствующей ему длине волны (л) 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 ®.

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(hг) 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.

лазерный излучение плазмонный резонанс.

• 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 tetranitratealuminium 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.