Лекция №3

2.5. Особенности физических взаимодействий на наномасштабах. Механика нанообъектов. Термодинамические свойства наносред. Тепловые свойства наноматериалов. Структура наноразмерных объектов. Химические свойства наноматериалов. Механические характеристики наносред. Электронная структура наночастиц. Электрические свойства наноматериалов. Ферромагнитные характеристики наноматериалов. Особенности оптических свойств наноматериалов.

Обычно анализ наноматериалов, нанотехнологий начинают с того, что определяют, насколько малы эти наноразмеры. На рис. 32 представлена до некоторой степени условная классификация атомных кластеров на основании их размеров и связь между размерами частицы и количеством составляющих ее атомов.

Например, кластер радиусом один нанометр содержит примерно 25 атомов, причем большинство из них находится на поверхности кластера. Множество молекул состоит из более чем 25 атомов, особенно молекулы биологического происхождения. Мы с Вами знаем о том, что есть очень маленькие физические объекты: электроны, атомы, ядра, протоны, нейтроны и тому подобное, которые очень малы. И эти очень маленькие объекты давно известны, хорошо изучены и все мы более или менее к ним привыкли. Наномир для нас является, несмотря на то, что о нанотехнологиях и наноматериалах говорят более двух десятков лет, тем не менее, он является относительно новым понятием в нашей жизни. И поэтому важно понимать, что нанообъекты представляют собой относительно большие по сравнению с очень маленькими физическими объектами сущности. И вот это обстоятельство нужно постоянно учитывать, поскольку это означает, что нанообъекты с точки зрения физического описания закономерности поведения, которое им свойственно, находятся на границе между объектами классической физики и физики, основанной на квантовых законах.

Рассматривая сущность физических закономерностей на наномасштабах, обратимся к двум типам взаимодействия: электромагнитному и гравитационному. Еще в школе мы изучаем основные формулы, описывающие эти взаимодействия. Для гравитационного взаимодействия – это всемирный закон тяготения, который выражает силу взаимодействия между двумя массами m₁ и m₂ и этот закон показывает, что сила взаимодействия уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния R между ними:

(18)

где G = –6,67310^–11 м³/кгс² гравитационная постоянная.

Если мы находимся на земной поверхности, то сила гравитационного взаимодействия описывается более простым соотношением:

F_T = mg, (19)

где – ускорение свободного падения.

Для электростатического взаимодействия – это закон Кулона:

(20)

где

Для того чтобы упростить закон Кулона, мы должны ввести понятие электрического поля, и в этом случае сила, действующая на заряд, помещенный в электрическое поле, будет равна произведению заряда на силу этого поля, для точечного заряда:

(21)

Как же эти закономерности будут видоизменяться в случае наномира? Пусть наш объект представлен в виде кубика с ребром, равным а (рис. 33). Рассчитаем какая сила тяжести действует на такой кубик. Если этот кубик имеет нанометровый размер, пусть это будет 10 нм, то его объем будет равен 10^–24м³, а если этот кубик изготовлен, например, из стали, то его масса будет равна произведению плотности на объем, около 810^–21кг. Это значит, что сила тяжести, действующая на такой нанометровый объект, будет составлять порядка 10^–20 Н. Чтобы определить, насколько эта цифра велика или мала по отношению к электростатическому типу взаимодействий, мы возьмем формулу (21), описывающую силу, воздействующую на заряд в электрическом поле, и приравняем эту силу 10^–20 Н. В качестве заряда возьмем заряд, равный заряду одного электрона q₂ = e = 1,60221764610^–19 Кл. После несложных оценок мы получим, что для того, чтобы сила, действующая на тело и имеющая заряд в 1 электрон, была равна силе тяжести, действующей на кубик стали с ребром 10 нм, для этого электрическое поле должно быть равно 0,5В/м. Например, известная всем пальчиковая батарейка (рис. 34) при длине порядка 5 см имеет на своих концах полтора вольта. Это значит, что по порядку величины электрическое поле, создаваемое такой батарейкой, будет равно 30 В/м. Тогда в поле, созданном такой батарейкой, объект, имеющий заряд в 1 электрон будет испытывать силу воздействия в 60 раз больше, чем сила притяжения, действующая на кубик из стали нанометрового размера. Это означает, что в большинстве случаев, когда мы находимся в наномире, мы можем не учитывать гравитационных взаимодействий вообще и действуют только электростатические физические взаимодействия. Например, если мы рассмотрим формирование капель воды или капель других жидкостей (рис. 35), когда одновременно на формирование капли действуют два фактора: сила тяжести и электростатическое взаимодействие, вызывающее поверхностное натяжение, то достаточно простой анализ показывает нам, что отношение гравитационного взаимодействия и сил поверхностного натяжения, которое выражается формулой:

(22)

где  = 10³ кг/м³ – плотность воды;

 = 7810^–3 Н/м – поверхностное натяжение для воды;