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.
