УДК 621.365.5 Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

УДК 621.365.5
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНОГО РАСТВОРА
НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Кожевников В.Ю., Дихор Д.В.
В статье рассмотрен вопрос исследования диэлектрических параметров водного
раствора наночастиц серебра при изменении температуры.
свч нагрев, диэлектрические параметры, наночастицы серебра
STUDY OF DIELECTRIC PARAMETERS AQUEOUS SOLUTION
OF SILVER NANOPARTICLES
Saratov State Technical University. By. Yuri Gagarin
Kozhevnikov V.Y., Dikhor D.V.
In article the question of study dielectric parameters aqueous solution of silver nanoparticles with a temperature change.
microwave heating, dielectric properties, silver nanoparticles
В последние годы очень быстро развивается такая область науки, как нанотехнологии.
Это связанно с характеристиками получаемых материалов, не доступных для «обычных» материалов. Одним из самых интересных и уникальных металлов является серебро. Уникальность наночастиц серебра заключается в их бактерицидных свойствах, что находит применение в медицине, экологии и во многих других отраслях.
Одним из наиболее перспективных способов синтеза наночастиц серебра в водных
растворах является метод химического восстановления при СВЧ воздействии[1]. При данном
способе размер образующихся частиц лежит в диапазоне 1 – 6 нм. Из литературных данных
известно, что бактерицидный эффект наночастиц сильно зависит от их размера и возрастает
с его уменьшением. Только наночастицы диаметром меньше 10 нм способны к непосредственному взаимодействию с бактерией, а следовательно применение СВЧ энергии для синтеза частиц является одним из ключевых.
СВЧ установка состоит из следующих основных узлов: источника СВЧ энергии,
линии передачи, рабочей камеры с бегущей волной, системы загрузки-выгрузки и системы
управления.
В свою очередь для проектирования рабочей камеры СВЧ установки необходимо
знать значения диэлектрических параметров обрабатываемого вещества ε’ и tgδ. В этой статье приведен способ нахождения ε’ и tgδ волноводным методом [2].
Исследованию подвергался водный раствор наночастиц серебра, состоящий из нитрата серебра (AgNO3), водного раствора аммиака(NH3*H2O), дистиллированной воды (Н2О),
водного раствора карбоксиметилцеллюлозы.
Экспериментальная установка (рис.1) позволяет проводить измерения ε(T) и tgδ(T)
исследуемого диэлектрика волноводным методом, использующим характер распределения
поля в волноводе.
Если плечи С и D электрически симметричны (имеют одинаковую длину и нагружены одинаковыми сопротивлениями), то СВЧ-энергия, поступающая от СВЧ-генератора в
плечо А, делится между плечами С и D поровну. При этом в плечо В энергия не поступает.
Рис.1. Блок-схема установки для измерения диэлектрических параметров с помощью волноводного моста: 1 – СВЧ генератор; 2 – волноводно-коаксиальный переход; 3 – соединение
волноводов; 4 – аттенюатор; 5 – двойной волноводный тройник; 6 – подвижный реактивный
короткозамыкатель; 7 – индикаторный прибор; 8 – детекторная головка; 9 – короткозамкнутая волноводная секция с исследуемым образцом; 10 – электронагреватель.
Если к одному из плеч С и D подключить нагрузку, принятую за эталонную (например К.З.), а к другому - исследуемую нагрузку (коротко замкнутую волноводную секцию с
исследуемым диэлектриком), то та часть энергии, которая поступит в плечо В, и характеризует отличие исследуемой нагрузки от эталонной. Это свойство волноводного моста и используется для измерения ε’ и tgδ.
В отсутствие исследуемого образца диэлектрика в коротко замкнутой волноводной
секции подбирают такое положение поршня подвижного короткозамыкателя в плече D, при
котором наступает электродинамическая симметрия плеч С и D, т.е. добиваются минималь-
ного показания индикаторного прибора и величина смещения поршня определяют искомые
величины ε’ и tgδ; ε’ и tgδ определяются из соотношения:
 
  (2 /  )     j    
 2a 
2
(1)
где = α+j - постоянная распространения электромагнитной волны в волноводе; α,  - коэффициент затухания и фазовая постоянная; λ - длина волны генератора СВЧ; а - ширина широкой стенки волновода;       tg , причем находится из дисперсионного уравнения для
короткозамкнутого волновода с исследуемым диэлектриком, расположенным вплотную к
короткозамыкающей пластине и без зазора по стенкам волновода.
thd 
  б  jtg
j

d
2d 1  j б tg
(2)
где d - толщина исследуемого образца диэлектрика; В   / 1   / 2a 2 - длина волны в
волноводе с воздушным заполнением;  б  x /  - коэффициент бегущей волны;
  (2 / )   m - фазовый угол;  m  ( / 2)  d  l - расстояние от поверхности образца до
первого узла стоячей волны (рис.2); х=х2–х1 - определяется по рис.3.
Рис.2. Эпюр стоячей волны в волноводе:
Рис.3. График удвоенного минимума
а) без образца, б) с образцом
Чтобы решить уравнение (2) относительно dγ, надо измерить Кб и Θ. Кб находится методом удвоенного минимума (рис.3).
Измерение Θ сводится к измерению l с помощью микрометрического винта подвижного короткозамыкателя.
Трансцендентное уравнение (2) может быть решено строго при использовании двух
образцов с кратными толщинами. Этот метод хорош тем, что исключает неоднозначность
определения ε’ и ε”, связанную с периодичностью функций, входящих в уравнение (2).
Для образцов с толщинами d и 2d на основании (2) можно записать:
th( 1d1 )
 X 1  jY1 ,
 1d1
th( 2 d 2 )
 X 2  jY2
 2d2
(3)
где X1, Y1 и X2, Y2 - экспериментально определяемые величины для образцов толщиной d 1 =
d и d 2 = 2d соответственно. Используя формулу для тангенса двойного угла, при d 2 = 2d 1
можно получить:
 1d1 
( X 2  X 1 )  j (Y2  Y1 )
(4)
( X 1  jY1 ) 2 ( X 2  jY2 )
откуда определяются комплексная постоянная распространения и значения ε’ и ε”.
Измерения раствора проводилось при температурах 200С и 1000С.
Данные измерений обрабатывались в программе Visual Basic, с помощью которой был
реализован расчет ε’, ε” и tgδ по уравнениям (3) и (4) методом двух толщин. Ниже представлены значения, полученные в ходе измерений.
Таблица 1
Диэлектрические параметры водного раствора наночастиц серебра
T=200C
T=1000C
ε’
81.93
80.34
ε”
11.48
11.12
tgδ
0.14
0.14
Изменение температуры раствора привело к тому, что ε’ изменилась в диапазоне от
81.93 до 80.35, ε” от 11.48 до 11.12, а значение тангенса угла диэлектрических потерь не изменилось tgδ= 0.14.
ЛИТЕРАТУРА
1. Access to small size distributions of nanoparticles by microwave-assisted synthesis. Formation of Ag nanoparticles in aqueous carboxymethylcellulose solutions in batch and continuousflow reactors/ Horikoshi S., Abe H., Torigoe K., Abe M., Serpone N.// Nanoscale. -2010. Vol 2. –
P. 1441-1447.
2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах/ А.А. Брандт.
М.: Физматгиз, 1963. 403с.