Формула изобретения

   1. Способ получения металлического нано порошка путем использования процесса электролиза в гальванической ванне, имеющей  катод, анод и заполненной содержащим катионы металла электролитом, отличающийся тем, что ванна герметически плотно разделена  изоляционной диафрагмой, в которой проделана серия отверстий таких, что их диаметр в 4 – 5 раз меньше толщины диафрагмы, причем на анод относительно катода подаются положительные импульсы напряжения такой амплитуды, чтобы в отверстиях периодически загорался тлеющий газовый разряд, разделяющий жидкий электролит  на анодную и катодную половины.

   2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полости отверстий при возникновении тлеющего газового разряда заполняются водяным паром, который частично ионизуется с образованием свободных электронов, а также положительных кислород водородных ионных комплексов, причем свободные электроны, попадая под действием электрического поля из газовой фазы в электролит на анодной половине ванны, восстанавливают находящиеся в растворе катионы металла до нейтральных атомов.

   3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образующиеся в растворе электролита  в результате взаимодействия свободных электронов с катионами металла агломераты чистого металла отводятся из реакционной зоны потоком электролита с целью отделения и рафинирования товарного нано порошка.

   1. Способ получения металлического нано порошка путем использования процесса электролиза в гальванической ванне, имеющей  катод, анод и заполненной содержащим катионы металла электролитом, отличающийся тем, что ванна герметически плотно разделена  изоляционной диафрагмой, в которой проделана серия отверстий таких, что их диаметр в 4 – 5 раз меньше толщины диафрагмы, причем на анод относительно катода подаются положительные импульсы напряжения такой амплитуды, чтобы в отверстиях периодически загорался тлеющий газовый разряд, разделяющий жидкий электролит  на анодную и катодную половины.

   Для примера возьмем гальваническую ванну с медными электродами, заполненную раствором медного купороса, в ней катионы меди под действием электрического поля переносятся от анода через электролит к катоду. Добавка серной кислоты, принятая в такой ванне не желательна, - она приведет к излишнему выделению водорода на анодной стороне диафрагмы и нежелательному увеличению плотности тока тлеющего разряда.

Теперь разделим ванну пополам электрически изолированной диафрагмой, например, стандартной 8 дюймовой пластиной и монокристаллического кремния (диаметр 200 мм, толщина 725 мкм). Ток в цепи гальванической ванны полностью прекратится и напряжение без видимого результата можно поднимать вплоть до электрического пробоя.

     Теперь просверлим в этой пластине (допустим, с помощью лазера), отверстие диаметром 150 мкм. Появится очень небольшой ток и, при обычном для такой гальванической ванны напряжении  (5 -  7 вольт), качественных изменений процесса не происходит. При увеличении напряжения до 30 – 50 вольт ток пропорционально растет, затем  сначала возникает периодический процесс в темпе 100 – 1000 герц, и, наконец, в полости отверстия возникнет постоянный тлеющий разряд, разделяющий правую и левую половины гальванической ванны газовым промежутком.

       При этом катионы меди уже не могут переходить через диафрагму. Тлеющий газовый разряд не переходит в дуговой, поскольку локальная проводимость электролита не велика, вследствие ограниченной плотности носителей тока (катионов меди) в электролите. Тем не менее, в микрообъеме полости отверстия образуется высокотемпературная плазма, о чем свидетельствует оранжевое свечение.  По этой причине предпочтительнее использовать импульсное напряжение. С одной стороны, можно облегчить условия работы диафрагмы, с другой, периодически возникающие и затем схлопывающиеся паровые пузырьки в отверстиях интенсивно выталкивают из них электролит, что способствует получению более мелких кластеров чистого металла. Кроме того возникающие при схлопывании паровых пузырьков ультразвуковые волны препятствуют осаждению металла на поверхность диафрагмы.

   2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полости отверстий при возникновении тлеющего газового разряда заполняются водяным паром, который частично ионизуется с образованием свободных электронов, а также положительных кислород водородных ионных комплексов, причем свободные электроны, попадая под действием электрического поля из газовой фазы в электролит на анодной половине ванны, восстанавливают находящиеся в растворе катионы металла до нейтральных атомов.

   Тлеющий разряд обычно возникает в разряженном газе под действием разности потенциалов между двумя металлическими электродами, возможен такой процесс между жидкостью и помещенным над его поверхностью электродом. В нашем случае процесс электрического пробоя начинается в узком канале, проделанном в изоляционном материале и заполненном электролитом. Нагреваясь, жидкость превращается в водяной пар, напряженность электрического поля растет, молекулы воды ионизуются, появляются носители электрического тока. Прежде всего, это свободные элекроны, они в образовавшемся объеме газовой фазы ускоряются в сторону анода и, попадая в жидкую фазу электролита, восстанавливают катионы меди до нейтральных атомов металла.

   С другой стороны, из условия квазинейтральности плазмы в любом рассматриваемом микрообъеме, в нашем паровом пузырька неизбежно возникнут образующиеся из кислорода и водорода воды (других атомов там нет) различные ионные комплексы положительного знака. Они будут, на несколько порядков медленнее, чем электроны направляться в сторону катода и, встречаясь с фронтом электролита, обратно превращаться в воду.

     Классический тлеющий разряд наблюдается в разряженном газе, а у нас в ванне атмосферное давление. В рассматриваемом паровом пузырьке развивается высокая температура и, уже поэтому, плотность газа уменьшается в температура, поделенная на 273, раз по сравнению с атмосферным давлением. Далее, дуговой разряд в нашем случае не может развиться потому, что в прилегающем к газовой фазе электролите недостаточно катионов меди, чтобы образовать значительный ток, а новые катионы в жидкой среде оперативно подойти не могут. 

    В микрополости плазменного пузырька помимо высокой температуры возникают такие агрессивные агенты, как  атомарный кислород и озон. Отсюда высокие требования к стойкости диафрагмы, - монокристаллический кремний сам защищает свою поверхность плотной пленкой окиси кремния.

   Работать с одним отверстием, конечно, не имеет смысла, просверлив лазером матрацу 30 на 30 отверстий, можно на три порядка увеличить производительность процесса. Если же отверстия располагаются друг от друга на расстояниях, соизмеримых с их диаметром, можно при приложении напряжения получить сплошной консолидированный фронт электролита, отделенный от диафрагмы на длину свободного пробега электронов. Это также позволит предотвратить нежелательное осаждение металла на поверхности диафрагмы.

   3. Способ по п.1, отличающийся тем, что образующиеся в растворе электролита  в результате взаимодействия свободных электронов с катионами металла агломераты чистого металла отводятся из реакционной зоны потоком электролита с целью отделения и рафинирования товарного нано порошка.

   Восстанавливаемые из катионов атомы меди под действием сил адгезии стремятся объединяться в кластеры или агломераты. Больше того, такие образования концентрируют на себе электрическое поле, притягивают подлетающие электроны и превращаются в псевдокатоды, на которые будут разряжаться находящиеся поблизости катионы меди. Это понижает возможности образование новых независимых кластеров, поэтому для получения нано порошка необходимой степени дисперсности нужно принять меры по возможно быстрому отводу зрелы кластеров из реакционной зоны. Для этого создается интенсивный поток электролита перед сеткой диафрагмы а также непрерывный отвод отработавшего электролита с целью отделения взвешенных частиц металла от жидкой фазы по известным методикам.

    По предлагаемой здесь методике экспериментальное устройство построено не было. Проводились простые эксперименты с медной ванной, разделенной пополам диафрагмой. В качестве диафрагма использовалась пластина стеклотекстолита толщиной 0.5 мм с отверстием диаметром 0.15 мм. При повышении напряжения до 30 вольт начинался  периодический процесс возбуждения разряда, затем при дальнейшем повышении напряжения тлеющий разряд стабилизировался. В отверстии наблюдалось свечение оранжевого цвета. Газовыделения замечено не было, перед анодной стороной диафрагмы против отверстия появлялось облачко мути. После забора пипеткой злектролита из этой зоны и его высушивания на фильтровальной бумаге идентифицировалась металлическая медь.

     При информационном поиске мною не было обнаружено каких либо исследований по физике тлеющего разряда в среде водяного пара при отсутствии металлических электродов, между которыми этот разряд возбуждается. Обычно при тлеющем разряде первичным источником носителей тока – электронов является катод (автоэлектронная эмиссия или нить накала) и тогда в объеме разряда в результате соударения заряженных частиц появляются как положительные, так и отрицательные ионы. В нашем уникальном случае электроны в интересующем нас пространстве могут появиться только при разрушении молекул воды, и какие положительно заряженные комплексные ионы из «обломков» молекул воды могут появляться, можно только догадываться. Необходимы серьезные научные исследования протекания тлеющего разряда в системе жидкость – пар - жидкость.

   Рассматриваемый здесь способ должен также работать и с растворами, содержащими катионы  других металлов. Возможно получение нано порошков более ценных и более нужных металлов, чем медь.

                                                        Резюме

    Заявляется способ газоэлектролитического получения металлического нано порошка, основанный на восстановлении металла из его катионов в электролитической ванне. Восстановление идет на границе раздела жидкой фазы электролита и газовой фазы, состоящей из водяного пара, периодически разделяющей анодное и катодное пространство электролита. Катионы восстанавливаются электронами, возникающими при ионизации водяного пара под действием электрического поля. Восстанавливающиеся атомы металла собираются в  нано размерные кластеры, из которых может быть изготовлен нано порошок необходимой дискретности.