Les nanopoudres ont des caractéristiques qui diffèrent à la fois des atomes et des cristaux. Elles peuvent être considérées comme un nouveau matériau, différent des matériaux en vrac. Elles ont des propriétés physiques et chimiques qui diffèrent considérablement de celles des matériaux en vrac.
La structure de surface des nanoparticules diffère de la structure interne. L'espacement atomique à l'intérieur des particules est généralement plus petit que celui des matériaux en vrac, mais il peut également augmenter. La structure du niveau d'énergie électronique des nanoparticules est différente de celle des solides en vrac. Cela est dû à des facteurs tels que la neutralité électrique et les contraintes sur le mouvement des électrons. Lorsque la taille des petites particules entre dans l'échelle nanométrique, les particules et les nanosolides présentent les effets suivants :
1. Caractéristiques de la nanopoudre
1) Discontinuité des niveaux d'énergie électronique
La théorie de Kubo:La théorie de Kubo s'intéresse à la distribution des niveaux d'énergie électronique près de la surface de Fermi des particules de poudre ultrafines métalliques. Cette théorie diffère des approches traditionnelles. Elles se concentrent généralement sur la distribution des niveaux d'énergie électronique près de la surface de Fermi des matériaux en vrac. Lorsque la taille des particules atteint le niveau nanométrique, les niveaux d'énergie quasi continus du métal en vrac d'origine deviennent discrets. Cela est dû à l'effet de taille quantique.
2) Effet de taille quantique
Lorsque la taille des particules descend en dessous d'un seuil, les niveaux d'énergie électronique proches du niveau de Fermi métallique passent de quasi-continus à discrets. Les niveaux d'énergie des orbitales moléculaires occupées les plus élevées (HOMO) et des orbitales moléculaires inoccupées les plus basses (LUMO) des particules nano-semiconductrices deviennent également discontinus, ce qui entraîne une augmentation de l'écart énergétique. Ce phénomène est appelé effet de taille quantique. La théorie des bandes indique que les niveaux d'énergie électronique proches du niveau de Fermi métallique sont généralement continus.
Cependant, dans le cas des nanoparticules, le nombre d'atomes qu'elles contiennent est limité. Le nombre d'électrons conducteurs est très faible, ce qui entraîne une division de l'espacement des niveaux d'énergie. Lorsque l'espacement des niveaux d'énergie dépasse l'énergie thermique, l'énergie magnétique, l'énergie magnétoélectrique statique, l'énergie électrostatique, l'énergie des photons ou l'énergie de condensation de l'état supraconducteur, l'effet de taille quantique doit être pris en compte. Cet effet se traduit par des propriétés magnétiques, optiques, acoustiques, thermiques, électriques et supraconductrices des nanoparticules sensiblement différentes de celles des matériaux massifs.
3) Effet de petite taille
Lorsque la taille des particules ultrafines est comparable ou inférieure à des caractéristiques physiques telles que la longueur d'onde de la lumière, la longueur d'onde de De Broglie et la longueur de cohérence ou la profondeur de transmission de l'état supraconducteur, les conditions limites de la périodicité de la particule sont perturbées. La densité atomique près de la couche superficielle des nanopoudres amorphes diminue, ce qui entraîne de nouveaux effets de petite taille dans leurs propriétés acoustiques, optiques, électriques, magnétiques, thermiques et mécaniques.
4) Effet de surface
Les nanopoudres sont de petite taille et ont une énergie de surface élevée, les atomes situés à la surface représentant une proportion significative. En raison de l'augmentation du nombre d'atomes de surface, d'une coordination atomique insuffisante et d'une énergie de surface élevée, ces atomes de surface présentent une activité élevée, sont extrêmement instables et se combinent facilement avec d'autres atomes.
5) Effet tunnel quantique macroscopique
La capacité des particules microscopiques à traverser les barrières de potentiel est appelée effet tunnel. Il a été découvert que des quantités macroscopiques, comme l'intensité de magnétisation des particules et le flux magnétique dans les dispositifs, présentent également des effets tunnel. On parle alors d'effets tunnel quantiques macroscopiques.
2. Méthode de précipitation
Cette méthode consiste à utiliser une solution saline contenant un ou plusieurs cations solubles. Lorsqu'un précipitant (tel que OH⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻ ou d'autres anions) est ajouté, des hydroxydes, carbonates, oxalates et sulfates insolubles se forment et précipitent dans la solution. Le solvant et les anions d'origine de la solution sont ensuite filtrés et le précipité est décomposé thermiquement pour obtenir la poudre d'oxyde souhaitée. Lorsque deux ou plusieurs cations précipitent simultanément dans la solution, ce processus est appelé coprécipitation.
1) Formation de précipitations
Les types courants de précipitations comprennent : les précipitations cristallines grossières (par exemple, MgNH₄PO₄·6H₂O), les précipitations cristallines fines (par exemple, BaSO₄), les précipitations caillées (par exemple, AgCl) et les précipitations amorphes (par exemple, Fe₂O₃·xH₂O). La différence entre ces types réside principalement dans la taille des particules de précipité. Les particules de précipitation cristallines sont grosses, les particules de précipitation amorphes sont petites et les précipitations caillées se situent entre les deux. La formation des précipitations étant un processus complexe, il n'existe pas de théorie entièrement établie pour la décrire. Ce qui suit fournit une brève description du processus général de formation des précipitations.
2) Formation de noyaux cristallins
Les molécules de soluté ou les ions dans un état sursaturé, par collision et interaction les uns avec les autres, s'agrègent en amas ou groupes moléculaires. Lorsque ces amas atteignent une taille critique, ils deviennent des noyaux cristallins, des entités actives possédant l'énergie libre maximale pour la formation de particules précipitées. Ce processus d'agrégation et de nucléation est appelé nucléation cristalline. La nucléation cristalline est un phénomène instantané, et son étude présente de nombreux défis, ce qui signifie que son mécanisme n'a pas encore été entièrement résolu. On pense généralement que le noyau cristallin ne contient pas plus de 4 à 8 ions cristallisants ou 2 à 4 paires d'ions.
Conclusion
Les nanopoudres présentent des caractéristiques uniques qui les distinguent des atomes et des matériaux en vrac. Leur petite taille leur confère des propriétés physiques et chimiques distinctes, telles que des niveaux d'énergie électronique modifiés, des effets de taille quantique et une énergie de surface accrue. Ces propriétés se traduisent par une réactivité accrue et de nouveaux comportements dans divers domaines, notamment l'acoustique, l'optique, le magnétisme et l'électronique. De plus, la petite taille et la grande surface des nanoparticules les rendent particulièrement précieuses dans les applications où les matériaux traditionnels ne sont pas à la hauteur. Il est essentiel de comprendre le comportement et les processus de formation des nanopoudres, par exemple grâce à des méthodes comme la coprécipitation, pour exploiter tout leur potentiel dans des applications technologiques et industrielles avancées.
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