Нанопорошки обладают характеристиками, которые отличаются как от атомов, так и от кристаллов. Их можно считать новым материалом, который отличается от объемных материалов. Они обладают физическими и химическими свойствами, которые существенно отличаются от свойств объемных материалов.
Поверхностная структура наночастиц отличается от внутренней структуры. Атомное расстояние внутри частиц, как правило, меньше, чем в объемных материалах, но оно также может увеличиваться. Структура электронных энергетических уровней наночастиц отличается от объемных твердых тел. Это связано с такими факторами, как электрическая нейтральность и ограничения на движение электронов. Когда размер малых частиц переходит в наномасштаб, частицы и нанотвердые тела проявляют следующие эффекты:
1. Характеристики нанопорошка
1) Разрыв электронных энергетических уровней
Теория Кубо: Теория Кубо рассматривает распределение электронных уровней энергии вблизи поверхности Ферми сверхтонких частиц порошка металла. Эта теория отличается от традиционных подходов. Они обычно фокусируются на распределении электронных уровней энергии вблизи поверхности Ферми объемных материалов. Когда размер частицы достигает нанометрового уровня, квазинепрерывные уровни энергии исходного объемного металла становятся дискретными. Это происходит из-за квантового размерного эффекта.
2) Квантовый размерный эффект
Когда размер частицы падает ниже порогового значения, электронные уровни энергии вблизи уровня Ферми металла изменяются с квазинепрерывных на дискретные. Уровни энергии высшей занятой молекулярной орбитали (HOMO) и низшей незанятой молекулярной орбитали (LUMO) нано-полупроводниковых частиц также становятся прерывистыми, что приводит к увеличению энергетической щели. Это явление называется квантовым размерным эффектом. Зонная теория показывает, что электронные уровни энергии вблизи уровня Ферми металла, как правило, непрерывны.
Однако для наночастиц число атомов, которые они содержат, ограничено. Число электронов проводимости очень мало, что приводит к расщеплению интервала между уровнями энергии. Когда интервал между уровнями энергии превышает тепловую энергию, магнитную энергию, статическую магнитоэлектрическую энергию, электростатическую энергию, энергию фотона или энергию конденсации сверхпроводящего состояния, необходимо учитывать квантовый размерный эффект. Этот эффект приводит к тому, что магнитные, оптические, акустические, тепловые, электрические и сверхпроводящие свойства наночастиц существенно отличаются от свойств объемных материалов.
3) Эффект малого размера
Когда размер сверхтонких частиц сопоставим или меньше таких физических характеристик, как длина волны света, длина волны де Бройля, длина когерентности или глубина пропускания сверхпроводящего состояния, граничные условия периодичности частицы нарушаются. Атомная плотность вблизи поверхностного слоя аморфных нанопорошков уменьшается, что приводит к появлению новых эффектов малого размера в их акустических, оптических, электрических, магнитных, тепловых и механических свойствах.
4) Поверхностный эффект
Нанопорошки имеют малые размеры и высокую поверхностную энергию, причем значительную долю составляют атомы, расположенные на поверхности. Из-за увеличения числа поверхностных атомов, недостаточной атомной координации и высокой поверхностной энергии эти поверхностные атомы проявляют высокую активность, крайне нестабильны и легко соединяются с другими атомами.
5) Макроскопический квантовый туннельный эффект
Способность микроскопических частиц проникать через потенциальные барьеры называется эффектом туннелирования. Было обнаружено, что макроскопические величины, такие как интенсивность намагничивания частиц и магнитный поток в устройствах, также проявляют эффекты туннелирования. Их называют макроскопическими квантовыми эффектами туннелирования.
2. Метод осаждения
Этот метод включает в себя солевой раствор, содержащий один или несколько растворимых катионов. При добавлении осадителя (например, OH⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻ или других анионов) образуются нерастворимые гидроксиды, карбонаты, оксалаты и сульфаты, которые выпадают в осадок из раствора. Затем растворитель и исходные анионы в растворе отфильтровываются, а осадок термически разлагается для получения желаемого оксидного порошка. Когда в растворе одновременно выпадают два или более катионов, этот процесс называется соосаждением.
1) Образование осадков
Распространенные типы осадков включают: крупнокристаллические осадки (например, MgNH₄PO₄·6H₂O), мелкокристаллические осадки (например, BaSO₄), творожистые осадки (например, AgCl) и аморфные осадки (например, Fe₂O₃·xH₂O). Разница между этими типами в первую очередь заключается в размере частиц осадка. Кристаллические частицы осадков большие, аморфные частицы осадков маленькие, а творожистые осадки находятся между ними. Поскольку образование осадков является сложным процессом, не существует полностью установленной теории для его описания. Ниже приводится краткое описание общего процесса образования осадков.
2) Формирование кристаллических ядер
Молекулы растворенного вещества или ионы в пересыщенном состоянии посредством столкновения и взаимодействия друг с другом объединяются в кластеры или молекулярные группы. Когда эти кластеры достигают критического размера, они становятся зародышами кристаллов — активными образованиями с максимальной свободной энергией для образования частиц осадка. Этот процесс агрегации и зародышеобразования называется зародышеобразованием кристаллов. Зародышеобразование кристаллов — мгновенное явление, и его изучение представляет множество проблем, а это означает, что его механизм еще не полностью решен. Обычно считается, что зародыш кристалла содержит не более 4–8 кристаллообразующих ионов или 2–4 ионных пар.
Заключение
Нанопорошки обладают уникальными характеристиками, которые отличают их как от атомов, так и от объемных материалов. Их малый размер приводит к особым физическим и химическим свойствам, таким как измененные электронные энергетические уровни, квантовые размерные эффекты и повышенная поверхностная энергия. Эти свойства приводят к повышенной реакционной способности и новому поведению в различных областях, включая акустику, оптику, магнетизм и электронику. Кроме того, малый размер и большая площадь поверхности наночастиц делают их особенно ценными в приложениях, где традиционные материалы не справляются. Понимание поведения и процессов формирования нанопорошков, например, с помощью таких методов, как соосаждение, имеет важное значение для использования их полного потенциала в передовых технологических и промышленных приложениях.
Добро пожаловать в контакт Эпический порошокдля получения более подробной информации о струйных мельницах, производящих тонкие порошки.
