Termochimica di Nanosintering: Miglioramento del Controllo di Nanostructure

dal Professor Ricardo H.R. Castro

Il Professor Ricardo H.R. Castro, Ingegneria Chimica e Servizio di Scienza dei Materiali, Università di California a Davis
Autore Corrispondente: rhrcastro@ucdavis.edu

Di Nanostructured dei materiali ruoli importanti del gioco già nelle nostre vite di tutti i giorni. Dagli stampi del sole alle pitture di anti-scratch, i nanomaterials stanno rivoluzionando come vediamo i materiali, miglioranti le loro prestazioni ed estendenti gli orizzonti delle applicazioni. Per completamente capire l'origine dei loro beni unici e per utilizzarli meglio, è importante rend contoere che i nanomaterials siano differenti dai materiali alla rinfusa non solo perché che sono più piccoli, ma perché le piccole dimensioni pregiudicano significativamente i loro beni, creando le risposte novelle e differenti all'ambiente. Gli effetti di dimensione possono essere veduti come i colori differenti, i gusti, le risposte elettriche, le attività catalitiche, Ecc.

La Maggior Parte di questo comportamento in relazione con nana possono essere attribuiti al fatto che una grande frazione del volume del materiale è all'interno “della regione di interfaccia„, cioè, alcuni nanometri o di meno dall'interfaccia stessa (secondo le indicazioni di Figura 1)1,2. Quindi, i beni dei nanomaterials possono essere considerati una conseguenza di e forte saranno influenzati vicino, le loro funzionalità dell'interfaccia, quali composizione3, la struttura4, lo sforzo5,6 e, fondamentalmente, l'energetica1,7-10.

Figura 1. Calcolo della frazione degli atomi sulla superficie (all'interno di 0,5 nanometri della superficie) per una nanoparticella generale.

L'energetica regolerà la stabilità di un nanomaterial e come la sua struttura spontaneamente si sviluppa o risponde ad un trattamento termico. Cioè in tutto il sistema, micro o nano, l'energia totale ha almeno due contributi importanti: l'energia in serie e l'energia dell'interfaccia. L'energia in serie pricipalmente è determinata dalla struttura e dalla composizione cristalline della memoria del materiale. Questa energia può essere preveduta usando i diagrammi di fase regolari, con cui potete studiare la stabilità di fase di micro e macro campioni.

L'energia dell'interfaccia è proporzionale all'area dell'interfaccia. Per definizione, le interfacce sono instabili poichè rappresentano il lavoro stato necessario per creare un'unità di superficie rompendo o allungando un materiale. Logicamente, più alta l'area, più alta l'energia di un sistema. Quindi, i sistemi con le alte aree dell'interfaccia, quali i nanomaterials, tendono a sprofondare rendendo ruvido, dalla sinterizzazione o dalla coalescenza per fare diminuire l'energia libera totale.

Sebbene questo possa sondare come una cattiva cosa, la tendenza del sistema a sinterizzare può brillantemente essere sfruttata per creare i nanostructures controllati, offrenti un'alternativa alle metodologie che richiede tempo e costose per creare i nanostructures basati sui modelli duri e sul nanolithography complesso. Questo controllo termodinamico del nanostructure è basato su una manipolazione dell'energetica dell'interfaccia, che può forzare il sistema per svilupparsi soltanto in una direzione desiderata e fermarsi diventi conservano determinata struttura.

Termodinamica Gestente di Nanostructure

La Sinterizzazione comunemente è considerata un trattamento bruciato il calore che la forza motrice è i potenziali di curvatura e di energia di superficie. Tuttavia, un nuovo tipo di interfaccia è creato quando i colli cominciano formarsi durante la sinterizzazione. Ciò generalmente è chiamata limite di granulo (o interfaccia solida solida) ed è indicata sia schematicamente che in un micrografo reale nella Figura 2.

La Figura 2. nanoparticelle2 di ZrO parzialmente ha sinterizzato la mostra della formazione di limite di granulo.

I limiti di granulo hanno tipicamente energie differenti che le superfici (interfacce) del solido-vapore, tali che, quando il sistema sta trasformando la superficie nel limite di granulo durante la sinterizzazione, c'è un'energia “costata„ che dipende dal bilanciamento fra energia di superficie ed energia di limite di granulo. Questo bilanciamento definirà l'evoluzione del nanostructure e può essere gestito per fornire i prodotti desiderabili.

Per esempio, il MgO e ZnO hanno energie significativamente differenti di limite di granulo e della superficie11. Un'evoluzione significativamente differente di nanostructure sopra il riscaldamento è osservata in questi campioni, secondo le indicazioni di Figura 3. Si Noti che sebbene le nanoparticelle comincianti siano simili nella dimensione e nella forma, lo ZnO campiona grezzo sensibilmente più delle polveri del MgO. Ci sono certamente molti concetti cinetici per spiegare questo comportamento, ma la differenza nel rapporto fra la superficie e l'energia di limite di granulo svolge un ruolo significativo supplementare qui. Poiché l'energia di limite di granulo di MgO è relativamente alta in relazione alla sua energia di superficie, c'è relativamente un costo energetico di alta energia nella creazione del collo. Così, la formazione del collo si ferma quando l'energia “guadagnata„ dal sistema dovuto l'eliminazione di superficie è comparabile all'energia “necessaria„ formare il limite. Come la superficie al rapporto di energia di limite di granulo in ZnO è significativamente più alto, questa barriera di energia non è come presente ed il limite di granulo è formato più liberamente. Ciò suggerisce che le energie assolute non siano di importanza fondamentale, ma le energie relative stavano governando nanosintering.

Figura 3. esperimenti di Sinterizzazione che mostrano il comportamento di MgO, di ZnO e di MgO verniciato nell'ambito del trattamento termico. Comunque la cinetica svolge un ruolo principale, nanoenergetics si rivela essere modo migliorare nanosintering. (γS è energia di superficie e il γGB è energia di limite di granulo)

L'effetto del rapporto di energia sull'evoluzione di nanostructure è veduto chiaramente quando vernicia i campioni del MgO con Cao. Mentre questo dopant è osservato per cambiare le energie dell'interfaccia senza significativamente cambiare la cinetica, una può isolare in qualche modo gli effetti energetici dalla cinetica. Osservando la microstruttura di MgO verniciato dopo la sinterizzazione ed il paragone al MgO e a ZnO, ci sono molto più similarità con la microstruttura di ZnO, coerente con la tendenza dell'energetica.

Un'applicazione logica di questo approccio sarebbe nel miglioramento della sinterizzazione. Una delle sfide principali nelle industrie ceramiche della sinterizzazione è di ottenere denso si separa il restringimento controllato e le granulometrie controllate. Questo controllo corrente è fatto soltanto su una base cinetica, mediante usando i dopant per gestire i meccanismi di densification. L'approccio termodinamico può contribuire ad identificare come i dopant pregiudicano le forze motrici di densification, fornendo uno strumento più ulteriormente per ottimizzare la progettazione industriale della composizione del nanoceramics.

Un'Altra applicazione sarebbe di indurre le forme particolari e l'ordinazione della lunga autonomia delle nanoparticelle in conseguenza della minimizzazione di energia dell'interfaccia. Ciò può essere guidata cambiando l'energetica degli aerei selezionati per forzare determinata crescita preferenziale. L'idea si trova sul fatto che le energie di superficie non sono uniche su una particella, significante che, a causa del sistema cristallino, le sfaccettature di cristallo differenti sono presenti alla superficie di una particella. Ciascuna di quelle sfaccettature ha un'energia differente e potrebbe essere indipendente controllata. Poiché le superfici di più alta energia si sviluppano più velocemente, un controllo fine di quelle energie usando le atmosfere specifiche, le fasi liquide, o i dopant può promuovere la crescita delle morfologie differenti, quali del tipo di stella e nanowires12(Figura 4).

La Figura 4. nanoparticelle Sfaccettate con i piani esposti delle energie differenti dell'interfaccia può riorganizzare o diventare le forme distinte e riorganizzare spontaneamente.

Energie di Misurazione dell'Interfaccia

La misura delle energie dell'interfaccia non è un compito semplice affatto e quindi i dati limitati sono disponibili nella letteratura da sfruttare nella strategia di nano-control discussa qui. La Termochimica è stata proposta come tecnica molto potente per determinare le energie accurate dell'interfaccia per il nanoceramics13,14. Brevemente, l'idea di queste misure calorimetriche è di valutare il calore rilasciato durante la dissoluzione dei campioni con le simili forme, ma le aree differenti dell'interfaccia (Figura 5).

Figura 5. (Lasciata) risultato Tipico delle misure di energia di superficie facendo uso del DS. La superficie dà un'energia in eccesso che è proporzionale all'area ed è misurata come differenza nell'entalpia del DS. (Giusto) Installato per la misura di entalpia della soluzione di goccia (DS). Il Solvente è tenuto a °C 702 ed il campione è caduto dalla temperatura ambiente da dissolvere. Un ciclo termochimico rappresenta le reazioni durante la dissoluzione.

Poichè l'energia in eccesso è direttamente proporzionale alle aree dell'interfaccia, una buona caratterizzazione dei campioni fornirà i valori assoluti per le energie dell'interfaccia. Questa tecnica può essere usata a virtualmente tutto il materiale cristallino, poichè il solo requisito è un'area relativamente alta dell'interfaccia per renderla misurabile.

Le prospettive sono che questa tecnica potrà fornire i lotti dei dati per migliorare il controllo del nanostructure su una base della termodinamica. Ciò può essere un'innovazione in nanotecnologia, ma è ancora all'inizio dei sui potenziali. Possiamo sognare tuttavia su essere capaci della sintonizzazione delle energie dell'interfaccia dei nanomaterials tali che possono montarsi spontaneamente il modo che li vogliamo a, promuovendo la macro organizzata modellano, con i mesopores per le applicazioni di catalisi, i contatti gestiti per i catodi della batteria, i canali stati allineati per la filtrazione molecolare, Ecc. Bene, forse questo sogno non è quello lontano di diventare vero.


Riferimenti

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Copyright AZoNano.com, il Professor Ricardo H.R. Castro (Uc Davis)

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

Last Update: 14. June 2013 04:16

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