Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1. Зависимость температуры плавления наночастиц алюминия Tm от их радиуса R в ангстремах. Взято из Lai et al. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72:1098-1100).
Рисунок 2. Зависимость «поверхностной» доли атомов (ось ординат) от кубического корня из их числа N в кубике кристаллического вещества. Взято из лекции E. Roduner (Stuttgart, 2004).
Рисунок 3. Схематическое изображение поперечного среза льда. Беспорядочное расположение молекул воды на поверхности соответствует плёнке жидкости, а гексагональная структура в толще – льду. Красные кружки – атомы кислорода; белые – атомы водорода (из книги К.Ю. Богданова «Прогулки с физикой», Москва, 2006).

Почему наночастицы плавятся при низкой температуре?

Ключевые слова:  довузовское образование, наноазбука, наночастицы, температура плавления

Автор(ы): Богданов Константин Юрьевич

Опубликовал(а):  Богданов Константин Юрьевич

19 февраля 2008

При уменьшении размеров частицы изменяются не только её механические свойства, но также и её термодинамические характеристики - температура её плавления становится гораздо ниже, чем у образцов обычного размера.

Lai с сотр. (Applied Physics Letters, 1998, v. 72: 1098-1100), используя сверхчувствительный калориметр с чувствительностью 0,1 нДж, показали, что температура плавления наночастиц алюминия падает с уменьшением размеров частицы. При этом температура плавления частицы размером 4 нм уменьшается на 140оС по сравнению с температурой плавления образца алюминия обычных размеров (см. рис. 1).

Зависимости, аналогичные той, которая показана на рис.1, были получены для многих металлов. Так, при уменьшении диаметра наночастиц из олова до 8 нм их температура плавления падает на 100оС (от 230оС до 130оС). При этом самое большое падение температуры плавления (более чем на 500оС ) было обнаружено у наночастиц золота.

У наночастиц почти всё атомы на поверхности!

Причиной понижения температуры плавления у наночастиц служит то, что атомы на поверхности всех кристаллов находятся в особых условиях, а доля таких «поверхностных» атомов у наночастиц становится очень большой. Сделаем оценку этой «поверхностной» доли для алюминия.

Легко вычислить, что в 1 см3 алюминия содержится примерно 6.1022 атомов. Для простоты будем считать, что атомы находятся в узлах кубической кристаллической решётки, тогда расстояние между соседними атомами в этой решётке будет равно около 4.10-8 см. А значит, плотность атомов на поверхности составит 6.1014/см2.

Теперь возьмём кубик из алюминия с ребром 1 см. Число поверхностных атомов у него будет равно 36.1014, а число атомов внутри - 6.1022. Таким образом, доля поверхностных атомов у такого алюминиевого кубика «обычных» размеров составляет всего 6.10-8.

Если сделать такие же вычисления для кубика из алюминия размером 5 нм, то окажется, что на поверхности такого «нанокубика» находится уже 12% всех его атомов. Ну, а на поверхности кубика размером 1 нм, вообще, находится больше половины всех атомов! Зависимость «поверхностной» доли от числа атомов показана на рис.2.

На поверхности кристалла порядка нет!

С начала 60-х годов прошлого века учёные считают, что атомы, расположенные на поверхности кристаллов, находятся в особых условиях. Силы, заставляющие их находиться в узлах кристаллической решётки, действуют на них только снизу. Поэтому поверхностным атомам (или молекулам) ничего не стоит «уклониться от советов и объятий» молекул, находящихся в решётке, и если это происходит, то к такому же решению приходят сразу несколько поверхностных слоёв атомов. В результате, на поверхности всех кристаллов образуется плёнка жидкости. Кстати, кристаллы льда не являются исключением (см. рис. 3). Поэтому лёд и скользкий.

Толщина жидкой плёнки на поверхности кристалла растёт с температурой, так как более высокая тепловая энергия молекул вырывает из кристаллической решётки больше поверхностных слоёв. Теоретические оценки и эксперименты показывают, что как только толщина жидкой плёнки на поверхности кристалла начинает превышать 1/10 размеров кристалла, кристаллическая решётка разрушается и частица становится жидкой.

Очевидно, что «легкоплавкость» наночастиц следует учитывать на любых нанопроизводствах. Известно, например, что размеры современных элементов электронных микросхем находятся в нанодиапазоне. Поэтому понижение температуры плавления кристаллических нанообъектов накладывает определённые ограничения на температурные режимы работы современных и будущих микросхем.

Об других "загадочных" явлениях наномира информацию можно найти в научно-популярной лекции «Что могут нанотехнологии», а ссылки на другие публикации - на личной страничке автора.


В статье использованы материалы: Сайт К.Ю.Богданова


Средний балл: 10.0 (голосов 9)

 


Комментарии
Вообще говоря, об эту проблему уже много копий сломали, но интереснее случаи, когда для наносистем температура плавления ПОВЫШАЕТСЯ, такое редко тоже бывает
Трусов Л. А., 20 февраля 2008 01:07 
но самое интересное, когда не изменяется.
Соколов Петр Сергеевич, 20 февраля 2008 16:22 
конструктивное обсуждение))), порадовало... думаю с практикой распространения высокочувствительных приборов и умелых (аккурантных) экспериментаторов, будут найдены такие эффекты, над которыми теоретики ещё поломают головы)
Минкин Владимир Сергеевич, 28 февраля 2008 00:54 
Спасибо интересненько
Фомин Евгений Фёдорович, 05 февраля 2010 17:36 
Огромное спасибо! Теперь понятно, почему когда говорят о сублимации, употребляют слово "испарение".

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Магнитные жидкости для сбора нефтепродуктов
Магнитные жидкости для сбора нефтепродуктов

SCAMT Workshop Week - практическая летняя школа
SCAMT Workshop Week (SWW) - это уникальный новый формат летней школы: за 1 неделю у тебя будет возможность сделать научный проект в одной из самых современных областей нанотехнологий и освоить новые практические навыки.

МГУ — в сотне лучших вузов мира по версии QS World University Rankings
6 июня 2018 года опубликован новый глобальный рейтинг вузов QS World University Rankings, в котором Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова прибавил 5 позиций по сравнению с предыдущим годом и занял 90-е место. Как отметили составители рейтинга, с 2014 года Московский университет поднялся уже на 30 позиций и демонстрирует стабильную положительную динамику.

Пресс-служба МГУ: Химики МГУ научили анализаторы светиться от запаха взрывчатки
Сотрудники химического факультета МГУ совместно с исследователями ИОХ РАН создали пористый гель, способный изменять свои оптические свойства в присутствии опасных органических веществ.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2018 году
Коллектив авторов
Защиты квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 4, 5, 6, 7 и 8 июня 2018 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут в аудитории 221 корпуса Б.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре 2017/2018 учебного года. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ-2014, которая состоялась 22-23 января 2018 года.

Материалы к защитам квалификационных работ магистров на ФНМ МГУ в 2018 году

22-25 мая 2018 года в аудитории 235 лабораторного корпуса Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ (начало в 11:00).

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.