활성 플라즈마 - 용융 금속반응

아크를 가진 나노입자 제조방법은 활성 플라즈마 - 용융 금속반응법이있다. 활성 플라즈마 - 용융 금속반응법은 양극에 나노입자의 원료가 되는 금속 덩어리를 두고 플라즈마 아크 안에서 원자 형태로 분리한 활성종에 의해 용융 금속 나노입자를 합성하는 방법이다. 양극에 금속을 단순히 증발시켜 금속 나노입자를 합성하는 방법도 있지만, 2종류의 금속을 양극에두고 증기의 응축​​ 과정에서 합금 나노입자와 금속간 화합물 나노입자를 합성할 수도 있다.

활성 플라즈마 - 용융 금속 반응법은 나노입자의 생성량이 많아 효율적인 나노입자의 합성 방법이다. 플라즈마 중에서 해리된 수소원자가 용융 금속에 녹아있는 용융 금속중에 수소가 다시 결합할 때의 발열에 의해 용융 금속이 국소적으로 가열되 나노입자의 생성 촉진에 도움이있다. 실제로 수소를 50% 정도까지 더하면 용융금속 나노입자의 발생량은 비약적으로 증가한다. 수소의 재결합 열등에 의해 나노 입자의 발생량을 추산하는 식도 제안되고 있지만, 단순히 수소의 재결합 열뿐만 실험 결과를 설명할수 없는 실험 결과도 나와있다. 예를 들어, 합금의 각 구성 원소의 증발 속도가 성분에 따라 크게 달라이 증발 속도가 아크중의 수소 농도에 의존하는 것은 우전들에 의해 제안된 모델에서는 설명 할 수 없다. 수소 첨가에 의해 나노 입자 생성이 촉진되는 것은 단순히 용융 금속중의 수소의 재결합뿐만 아니라 수소 용해에 의해 용융 금속의 활동도가 변화할 증기압이 큰 수소의 생성이 이유라고 생각된다. 아크중의 수소의 농도에 따라 나노 입자의 조성을 제어할수 있는 것은 이러한 이유가 올바른지 뒷받침하고있다. 그러나 수소는 용융 금속 주위의 아크 중에서는 불안정하여 그 증거를 실험적으로 확인하는 것은 곤란하다.

불안정한 수소보다 안정적인 염소화물의 생성에 주목하여 나노입자 생성기구를 검토했다. 염소 가스를 이용한 아크에 의해 합금의 각 성분의 증발 속도를 실험적으로 구하고, 그 증발 속도가 각 성분의 염소화 반응의 자유 에너지 변화와 관련되었던 것을 보여 주었다. 증발 성분의 조성과 염소화 반응의 자유 에너지 변화와를 비교한 결과 염소화물을 생성하기 쉬운 성분수록 원료의 증발 속도가 큰 것을 정량적으로 확인할 수 있었다. 이 결과에서 유추하면 활성 플라즈마 - 용융 금속 반응 법에서는 증기압이 큰 수소등이 생성될 수 있는 나노 입자 생성기구의 하나라고 생각된다.

Si 3 N 4 , AlN, GaN, TiN등의 질화물 나노 입자는 아크 질소와 NH3를 추가해서 합성 할 수있다. WO 3 , MoO 3 , Nb 2 O 5 등의 산화물 나노 입자는 산소 아크에 의해 합성 할 수있다. 희토류 산화물 나노 입자로는 Sm 2 O 3 , Nd 2 O 3 가보고되고있다. 또한 Fe 3 C 등의 탄화물 나노입자는 아크에 CH4를 추가해서 합성할수 있다. 이들은 모두 플라즈마에서 분리한 활성종이 양극에 놓인 금속과 반응하여 나노 입자를 생성하는 과정이므로, 나노 입자의 생성기구는 일반적이다.

최근에는 자성체로서의 응용을 목적으로 한 나노 입자의 합성이 많이 행해지고 있으며, Mn 나노 입자, CH 4 를 이용한 아크에 의해 탄소를 함유 한 Fe, Co, Ni 나노 입자 등의 자성 입자로 응용이 검토되고있다. 자성입자로서 특히 합금 및 금속 간 화합물이 주목 받고있다. 지금까지 Fe-Co 나노 입자, Fe-Ni 나노 입자 등의 합성이보고되어있다. 합금 및 금속 간 화합물 나노 입자를 활성 플라즈마 - 용융 금속 반응 법에 의해 합성하는 경우에는 나노 입자의 조성을 어떻게 제어하여 요구되는 나노 입자의 특성을 발휘할 수 있는지가 중요하다. 나노 입자의 조성은 양극에서 원료의 각 성분의 증발 속도에 따라 제어하게되기 때문에, 아크중인 활성 종에 의한 용융 금속의 증발 촉진기구에 관한 연구는 흥미있는 연구 과제이다.