Физические причины специфики наноматериалов


 

________________________________________________________________________________________11 _____

Особенностью наночастиц является большое отношение поверхности к массе. Это можно пояс­нить следующим образом: шарик с поверхностью 1 см2 имеет диаметр 0,5642 см и объем 0, 094 см3. Шарики с диаметром 1 нм (10-7см) имеют объем 5,236·10-22 см3, их поверхность составляет 3,1416·10-14 см2. Из первого шарика можно сделать 1,7959·1020 таких шариков, у которых суммарная поверхность составит 5 640 000 см2, т.е. 564 м2. Такие матери­алы характеризуются высокой поверхностной энергией и, соответст­венно, большим поверхностным напряжением.

Наночастицы обладают уникальными свойствами. Важно знать, что чем меньше частица, тем большая часть составляющих ее атомов распо­ложена на поверхности. Эта особенность наноразмерных материалов сильно влияет на химические и физические свойства (транспортные, каталитические, механические, оптические и др.).

Принято различать два типа размерных эффектов: собствен­ный, или внутренний, и внешний. Внутренний связан со специфи­ческими изменениями в объемных и поверхностных свойствах частиц. Внешний эффект является реакцией объекта на внешнее поле или действие сил, независимых от внутреннего эффекта.

Эксперименты с внутренним размерным эффектом направлены на решение проблем электронных и структурных свойств. К ним относят­ся химическая активность, потенциал ионизации, энергия связи между атомами в частице, кристаллографическая структура. Температуру плавления и оптические свойства можно также рассматривать как функции размера частицы и ее геометрии.

Доля приповерхностных атомов будет пропорциональна отношению площади поверхности частицы S к ее объему V . Если обозначить характерный размер частицы (кристаллита) как D, то: S /V ~ D2/D3 ~ 1/D(см. рис. 3). У поверхностных атомов, в отличии от находящихся в объеме твердого тела, задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов находящихся на выступах и уступах поверхности ненасыщенность связей еще выше. Атомы с незадействованными связями находятся в ином энергетическом состоянии, чем находящиеся в объеме. В результате в приповерхностном слое возникают сильные искажения кристаллической решетки и даже может происходить смена типа решетки. Как один из результатов этого является установленный факт: процессы деформации и разрушения протекают в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, что во многом определяет возникновение ряда физических эффектов, в т.ч. физического предела текучести и физического предела усталости. Зависимость физических и химических свойств наночастиц от их размера называют размерным эффектом. Это – один из важнейших эффектов в нанохимσии. Он уже нашел теоретическое объяснение с позиций классической науки, а именно – химической термодинамики. Так, зависимость температуры плавления от размера объясняется тем, что атомы

внутри наночастиц испытывают дополнительное поверхностное давление, которое изменяет их энергию Гиббса. Анализируя зависимость энергии Гиббса от давления и температуры, можно вывести уравнение, связывающее температуру плавления и радиус наночастиц – его называют уравнением Гиббса–Томсона:
 

 

где Tпл(r) – температура плавления нанообъекта с радиусом наночастиц r, Tпл(∞) – температура плавления обычного металла (объемной фазы), σтв.-ж – поверхностное натяжение между жидкой и твердой фазами, Hпл – удельная теплота плавления, ρтв – плотность твердого вещества.

Используя это уравнение, оцените, начиная с какого размера свойства нанофазы начнут отличаться от свойств обычного материала. В качестве критерия возьмем отличие в температуре плавления 1 % : для расчета используем следующие данные Hпл = 12,55 кДж/моль = 63,71 Дж/г, ρтв = 19,3 г/см3. В научной литературе для поверхностного натяжения приводится значение σтв.-ж = 0,55 Н/м = 5,5–10–5 Дж/см2. Решим с этими данными неравенство:

Разумеется, здесь мы не учитывали зависимость теплоты плавления от температуры и поверхностного натяжения от размера частиц, а последний эффект может быть вполне значимым, например, по мере уменьшения размера наночастиц золота температура плавления падает от значения 1337 К, характерного для обычного материала (который по-другому называют объемной фазой, или макрофазой) до 400 К для частиц размером 2 нм.

 



Дата добавления: 2017-01-16; просмотров: 2540;


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2024 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.007 сек.