Лекция 30-31. РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ
литература:
1. Суздалев, Игорь Петрович. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев .— М.
:КомКнига, 2006 .— 589 с.
2.Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.:
Академия, 2005.- 187 с.
3. Физическое металловедение: Учебник для вузов./ Грачев С.В., Бараз В.Р., Богатов А.А.,Швейкин В.П. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ- УПИ, 2001. 534 с.
4. Пул, Ч. Нанотехнологии : Учеб. пособие для вузов / Ч. Пул, Ф. Оуэнс
.— 2-е изд., доп .— М. : Техносфера, 2005.— 334 с.
5. А.И.Гусев. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Фзматлит, 2009.- 416 с.
6. Д.И.Рыжонков, В.В.Лёвина, Э.Л.Дзидзигури. Наноматериалы: Учеб. Пособие. М.:БИНОМ, Лаборатория знаний. 2008. 365 с.
К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы,
содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры которых
1)хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и
2)обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками
для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла,
для электропроводности – длина свободного пробега электронов
Структура частицы
1 – агрегат
3 – ОКР
2 - частица
Агломерированный порошок |
Агрегатированный порошок |
|
1 – агломерат |
2 – частица |
|
2 - частица |
||
5 – агрегат |
||
3 – внутриагломератная пора |
||
6 – межагрегптная пора |
||
4 – межагломератная пора |
||
|
Первая особенность большое число поверхностных атомов
•Чем больше число атомов с оборванными связями, тем больше поверхностная энергия
Доля поверхности в наноматериалах
•Чем больше атомов, тем менее энергетически устойчива частица, частица метастабильна.
= ½ Nb a
- поверхностная энергия
•Nb – число оборванных связей
- сила связи
a - плотность поверхностных атомов
Объем поверхностных |
Радиус частицы, |
атомов, % |
нм |
0,01 |
30000 |
0,1 |
3000 |
1 |
300 |
10 |
30 |
50 |
5 |
Термодинамика
•Поверхностная энергия возрастает с увеличением площади поверхности (уменьшением радиуса частицы)
•Наносреды по сравнению с
материалами обычными обладают большей энергией на величину dS
•dU = TdS - pdV+ dS
•dU – внутренняя энергия
•T – температура
•dS –изменение энтропии
•p – давление
•dV – объем тела
- поверхностное натяжение
•dS – приращение площади поверхности
Система находится
в неустойчивом состоянии.
Наночастицы должны самопроизвольно укрупняться, чтобы уменьшить свою внутреннюю энергию.
склонность к самоорганизации
Вторая особенность
В частицах с размером меньше 10 нм электроны ведут себя подобно электронам в изолированном атоме, то есть как квантовые объекты
объекты
Третья особенность – увеличение скорости переноса вещества и энергии при уменьшении размера частиц
Изменение свойств наноматериалов
•Химические
•Появление химической активности (золото)
•Увеличение растворимости (ацетилацетилат гадолиния в воде в 4 раза)
•Физические – снижение температуры плавления
•Механические
•Твердость SiO2 увеличивается в 4 раза
•Прочность нанонитей увеличивается в несколько раз
•Оптические
•Наночастицы могут становиться прозрачными из-за того, что размер световой волны больше размера частицы
•Электронные
•Ведут себя как квантовые точки
•Переход некоторых металлов в неметаллы (потеря электропроводимости) Pb, Ag, Pd, Ni, Cu
•сверхпроводимость
•Магнитные -
•Магнитный момент каждого атома увеличивается при уменьшении размера частицы.