Termoquímica de Nanosintering: Mejorar el Mando de Nanostructure

por Profesor Ricardo H.R. Castro

Profesor Ricardo H.R. Castro, Ingeniería Química y Departamento de la Ciencia Material, Universidad de California en Davis
Autor Correspondiente: rhrcastro@ucdavis.edu

De Nanostructured de los materiales papeles importantes del juego ya en nuestras vidas cotidianas. De moldes del sol a las pinturas de anti-arañazo, los nanomaterials están revolucionando cómo vemos los materiales, mejorando sus funcionamientos, y ensanchando los horizontes de aplicaciones. Para entender completo el origen de sus propiedades únicas y utilizarlas mejor, es importante realizar que los nanomaterials son diferentes de los materiales a granel no apenas porque son más pequeños, pero porque las pequeñas tallas afectan importante a sus propiedades, creando reacciones nuevas y diversas al ambiente. Los efectos de talla se pueden considerar como diversos colores, gustos, reacciones eléctricas, actividades catalíticas, Etc.

La mayor parte de este comportamiento nano-relacionado se puede atribuir al hecho de que una gran parte del volumen del material es dentro de la “región de interfaz”, es decir, algunos nanómetros o menos del interfaz sí mismo (tal y como se muestra en del Cuadro 1)1,2. Así, las propiedades de los nanomaterials se pueden considerar una consecuencia de, y serán influenciadas fuertemente cerca, sus características del interfaz, tales como composición3, estructura4, tensión5,6 y, fundamental, energética1,7-10.

Cuadro 1. Cálculo de la fracción de átomos en la superficie (a 0,5 nanómetros de la superficie) para un nanoparticle general.

La energética gobernará la estabilidad de un nanomaterial y cómo su estructura crece o responde espontáneamente a un tratamiento térmico. Es decir, en cualquier sistema, micro o nano, la energía total tiene por lo menos dos contribuciones importantes: la energía a granel y la energía del interfaz. La energía a granel es determinada principal por la estructura y la composición cristalinas de la base del material. Esta energía se puede predecir usando los diagramas de fase regulares, con los cuales usted puede estudiar la estabilidad de la fase de muestras micras y macras.

La energía del interfaz es proporcional al área del interfaz. Por definición, los interfaces son inestables pues representan el trabajo necesario para crear un área de unidad rompiendo o estirando un material. Lógicamente, cuanto más alta es el área, más alta es la energía de un sistema. Por Lo Tanto, los sistemas con altas áreas del interfaz, tales como nanomaterials, tienden a desplomarse por embrutecer, la sinterización o la fusión para disminuir la energía libre total.

Aunque esto puede sonar como una cosa mala, la tendencia del sistema de sinterizar se puede explotar elegante para crear los nanostructures controlados, ofreciendo una opción a las metodologías que toma tiempo y costosas para crear los nanostructures basados en modelos duros y nanolithography complejo. Este mando termodinámico del nanostructure se basa en una manipulación de la energética del interfaz, que puede forzar el sistema para crecer solamente en una dirección deseada y parar venga conservan cierta estructura.

La Termodinámica Que Controla de Nanostructure

La Sinterización común se considera un proceso encendido calor que la fuerza impulsora sea los potenciales de la energía superficial y de la curvatura. Sin Embargo, un nuevo tipo de interfaz se crea cuando los cuellos comienzan a formar durante la sinterización. Esto se llama límite de grano (o interfaz sólido-sólidox) y se muestra generalmente esquemáticamente y en un micrográfo real en el Cuadro 2.

El Cuadro 2. nanoparticles2 de ZrO sinterizó parcialmente mostrar la formación del límite de grano.

Los límites de grano tienen típicamente diversas energías que las superficies (interfaces) del sólido-vapor, tales que, cuando el sistema está transformando la superficie en límite de grano durante la sinterización, hay una energía “costada” que es relacionada en el equilibrio entre la energía superficial y la energía del límite de grano. Este equilibrio definirá la evolución del nanostructure y se puede controlar para proporcionar a productos deseables.

Por ejemplo, el MgO y ZnO tienen energías importante diversas de la superficie y del límite de grano11. Una evolución importante diversa del nanostructure sobre la calefacción se observa en estas muestras, tal y como se muestra en del Cuadro 3. Observe eso aunque los nanoparticles que comienzan sean similares de tamaño y dimensión de una variable, el ZnO muestrea tosco considerablemente más que los polvos del MgO. Hay ciertamente muchos conceptos cinéticos para explicar este comportamiento, pero la diferencia en la relación de transformación entre la superficie y la energía del límite de grano desempeña un papel importante adicional aquí. Porque la energía del límite de grano del MgO es relativamente alta en relación a su energía superficial, hay un coste energético relativamente alto en crear un cuello. Así Pues, la formación del cuello para cuando la energía “ganada” por el sistema debido a la eliminación superficial es comparable a la energía “necesaria” formar el límite. Como la superficie a la relación de transformación de energía del límite de grano en ZnO es importante más alto, esta barrera de energía no está como presente, y el límite de grano se forma más libremente. Esto sugiere que las energías absolutas no sean de gran importancia, sino que las energías relativas estarían regulando nanosintering.

Cuadro 3. experimentos de la Sinterización que muestran el comportamiento del MgO, de ZnO, y del MgO dopado bajo tratamiento térmico. La cinética desempeña Sin Embargo un papel principal, nanoenergetics se demuestra ser manera de mejorar nanosintering. (el γS es energía superficial y el γGB es energía del límite de grano)

El efecto de la relación de transformación de energía sobre la evolución del nanostructure se considera sin obstrucción al dopar muestras del MgO con el CaO. Mientras Que este dopante se observa para cambiar las energías del interfaz sin importante el cambio de la cinética, una puede aislar de alguna manera los efectos enérgicos de las cinéticas. Observando la microestructura del MgO dopado después de sinterizar y de comparar al MgO y a ZnO, hay mucho más semejanzas con la microestructura de ZnO, constantemente con la tendencia de la energética.

Una aplicación lógica de esta aproximación estaría en la mejoría de sinterizarse. Uno de los retos principales en industrias de cerámica de la sinterización es obtener partes densas con la contracción controlada y tallas de grano controladas. Este mando se hace actualmente solamente sobre una base cinética, usando dopantes para controlar mecanismos del densification. La aproximación termodinámica puede ayudar a determinar cómo los dopantes afectan a fuerzas impulsoras del densification, proporcionando a una herramienta para optimizar más lejos el diseño industrial de la composición del nanoceramics.

Otra aplicación sería inducir dimensiones de una variable determinadas y ordenar del rango largo de nanoparticles como consecuencia de disminuir de la energía del interfaz. Esto puede ser impulsada cambiando la energética de aviones seleccionados para forzar cierto incremento preferencial. La idea miente en el hecho de que las energías superficiales no son únicas en una partícula, significando que, debido a la estructura cristalina, diversas facetas cristalinas están presentes en la superficie de una partícula. Cada Uno de esas facetas tiene una diversa energía, y podría ser independientemente controlada. Puesto Que las superficies de una energía más alta crecen más rápidamente, un mando fino de esas energías usando las atmósferas específicas, las fases líquidas, o los dopantes puede ascender el incremento de diversas morfologías, tales como estrellado y nanowires12(Cuadro 4).

El Cuadro 4. nanoparticles Tallados con los aviones expuestos de diversas energías del interfaz puede cambiar o venir dimensiones de una variable distintas y cambiar espontáneamente.

Energías de Medición del Interfaz

La medición de las energías del interfaz no es una tarea simple en absoluto, y por lo tanto los datos limitados están disponibles en la literatura que se explotará en la estrategia del nano-mando discutida aquí. La Termoquímica se ha propuesto como técnica muy potente para determinar las energías exactas del interfaz para el nanoceramics13,14. Abreviadamente, la idea de estas mediciones calorimétricas es evaluar el calor release/versión durante la disolución de muestras con dimensiones de una variable similares, pero diversas áreas del interfaz (Cuadro 5).

Cuadro 5. (Dejado) resultado Típico de mediciones de la energía superficial usando el DS. La superficie da exceso de una energía que sea proporcional a la superficie y se mida como diferencia en la entalpía del DS. (Derecho) Fijado para la medición de la entalpía de la solución de la caída (DS). El Disolvente se guarda en el °C 702 y la muestra se cae de la temperatura ambiente que se disolverá. Un ciclo termoquímico explica las reacciones durante la disolución.

Pues exceso de la energía es directamente proporcional a las áreas del interfaz, una buena caracterización de las muestras proporcionará a los valores absolutos para las energías del interfaz. Esta técnica se puede utilizar a virtualmente cualquier material cristalino, pues el único requisito es un área relativamente alta del interfaz para hacerlo mensurable.

Las perspectivas son que esta técnica podrá proporcionar a lotes de datos para mejorar el mando del nanostructure sobre una base de la termodinámica. Esto puede ser un descubrimiento en la nanotecnología, pero todavía está al principio de sus potenciales. Podemos soñar sin embargo en ser capaces de sintonizar las energías del interfaz de nanomaterials tales que pueden ensamblarse espontáneamente la manera que los queremos a, ascendiendo la macro ordenada dan forma, con los mesopores para las aplicaciones de la catálisis, los contactos controlados para los cátodos de la batería, los canales alineados para la filtración molecular, el Etc. Bien, quizás este sueño no es el lejos de llegar a ser verdad.


Referencias

  1. Navrotsky, A., Termoquímica de nanomaterials, en Revistas en Mineralogía y Geoquímica: Nanoparticles y el Ambiente, el Banfield, el J.F. y el Navrotsky, A., Editores. 2001, Sociedad Mineralógica de América y la Sociedad Geoquímica: Washington. p. 73-103.
  2. Cao, G., Nanostructures y Nanomaterials: Síntesis, Propiedades, y Aplicaciones. 1r ed. 2004, Danvers: Prensa Imperial de la Universidad. 433.
  3. Castro, R.H.R., Ushakov, S.V., Gengembre, L., Gouvea, D., y Navrotsky, A., energía Superficial y estabilidad termodinámica del gamma-alúmina: Efecto de dopantes y del agua. Química de los Materiales, 2006. 18: p. 1867-1872.
  4. Zhao, Z.J., Meza, J.C., y Van Hove, M., Usando los métodos de la búsqueda del modelo para la determinación superficial de la estructura de nanomaterials. Gorrón de la Materia Física-Condensada, 2006. 18(39): p. 8693-8706.
  5. YUN, G. y Parque, H.S., multiscale de A, formulación finita de la deformación para los efectos superficiales de la tensión sobre el comportamiento termomecánico acoplado de nanomaterials. Métodos del Ordenador en los Mecánicos Aplicados y la Ingeniería, 2008. 197 (41-42): p. 3337-3350.
  6. Castro, R.H.R., Marcos, P.J.B., Lorriaux, A., Steil, M.C., Gengembre, L., Roussel, P., y Gouvea, D., Exceso del Interfaz y Estabilidad Polimórfica de la Circona-Magnesia de Nanosized. Química de los Materiales, 2008. 20: p. 3505-3511.
  7. Navrotsky, A., Energética de nanomaterials: La competencia entre el polimorfismo y la energía superficial. Extractos de los Papeles de la Sociedad de Substancia Química Americana, 2003. 225: p. U939-U939.
  8. Colina, T.L., Perspectiva: Nanothermodynamics. Cartas Nanas, 2001. 1(3): p. 111-112.
  9. Colina, T.L., Extensión del nanothermodynamics para incluir un exceso superficial unidimensional. Cartas Nanas, 2001. 1(3): p. 159-160.
  10. Rusanov, A.I., Nanothermodynamics. Gorrón Ruso de la Química Física, 2003. 77(10): p. 1558-1563.
  11. Castro, R.H.R., Torres, R.B., Pereira, G.J., y Gouvea, D., Medición de la Energía del Interfaz del MgO y ZnO: Comprensión de la Estabilidad Termodinámica de Nanoparticles. Química de Materiales, 2010. 22(8): p. 2502-2509.
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  13. McHale, J.M., Auroux, A., Perrotta, A.J., y Navrotsky, A., energías Superficiales y estabilidad termodinámica de la fase en aluminas del nanocrystalline. Science, 1997. 277(5327): p. 788-791.
  14. Costa, G.C.C., Ushakov, S.V., Castro, R.H.R., Navrotsky, A., y Muccillo, R., Medición Calorimétrica de la Superficie y Entalpías del Interfaz de la Circona Yttria-Estabilizada (YSZ). Química de Materiales, 2010. 22(9): p. 2937-2945.

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Ricardo H.R. Castro (Uc Davis)

Date Added: Jan 9, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:44

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