Nanosintering の熱化学: Nanostructure 制御の改善

教授によってリカルド H.R. Castro

リカルド H.R. Castro、化学工学および物質科学の部門のデービスのカリフォルニア大学教授
対応する著者: rhrcastro@ucdavis.edu

私達の日常生活に於いての既に Nanostructured の文書の演劇の重要な役割。 太陽のブロッカーから反スクラッチの絵画への、 nanomaterials は私達が彼らのパフォーマンスを改善する、およびアプリケーションの地平線を広げる材料をどのように見るか革命化しています。 十分に一義的な特性の起源を理解し、よりよくそれらを利用するために、 nanomaterials が第一次製品と異なっていることを認識することは重要で、ちょうどより小さいがので、小さいサイズがかなり特性に影響を与えるので環境への新しく、異なった応答を作成します。 寸法効果は異なったカラー、好み、電気応答、触媒作用作業、等として見ることができます。

この nano 関連の動作のほとんどは材料の大部分のボリュームが 「インターフェイス領域の内に」、インターフェイス自体からのすなわち、少数のナノメーターまたはより少しであるという事実に帰因させることができます (図 1) に示すように1,2。 従って、 nanomaterials の特性は結果とのして考慮することができ強く、構成、構造、圧力および、基本的に3、エネルギー論4のような5,6 インターフェイス機能、影響を及ぼされます1,7-10

概要の nanoparticle のための表面の原子の一部分の図 1. 微積分 (表面の 0.5 nm 以内に)。

エネルギー論は構造が熱処理にどのように自発的になるか、または答えるか nanomaterial の安定性を支配し。 すなわち、あらゆるシステムで、マイクロか nano、総合エネルギーに少なくとも 2 つの重要な貢献があります: バルクエネルギーおよびインターフェイスエネルギー。 バルクエネルギーは材料のコアの結晶の構造そして構成によって主に定められます。 このエネルギーはあなたがマイクロおよびマクロサンプルの段階の安定性を調査できる規則的な状態図の使用によって予測することができます。

インターフェイスエネルギーはインターフェイス領域に比例しています。 定義上では、インターフェイスは単位面積を作成するのに材料を壊すか、または伸ばすことによって必要とされる作業を表すので不安定です。 論理的により高い領域、より高いシステムのエネルギー。 総自由エネルギーを減らすためにそれ故に、高いインターフェイス領域のシステムは、 nanomaterials のような、粗雑になるか、焼結するか、または凝結によって倒れがちです。

これが悪い事のように鳴るかもしれないけれども堅いテンプレートおよび複雑な nanolithography に基づいて nanostructures を作成するために時間のかかり、高い方法に代わりを提供する制御された nanostructures を作成するのに焼結するシステムの傾向が活発に開発することができます。 nanostructure のこの熱力学制御は望ましい方向でだけ育つためにシステムを強制するかもしれ、停止するためにある特定の構造を保つために大きくしなさいインターフェイスエネルギー論の処理に基づいています。

Nanostructure の制御の熱力学

焼結は一般に駆動力が表面のエネルギーおよび湾曲の潜在性である熱によって発火させるプロセスとして考慮されます。 ただし、インターフェイスの新型は首が焼結の間に形作り始めるとき作成されます。 これは一般に粒界 (か固体固体インターフェイスと) 呼出され、図式的にそして図 2. の実質の顕微鏡写真で示されています。

図 2. ZrO の2 nanoparticles は部分的に粒界の形成の提示を焼結させました。

」要される表面エネルギーと粒界エネルギー間のバランスに依存しているエネルギーが 「あるシステムが焼結の間に粒界に表面を変形させているときこと粒界に普通表面 (固体蒸気インターフェイス) より異なったエネルギーが、そのような物あります。 このバランスは nanostructure の改革を定義し、好ましい製品を提供するために制御することができます。

例えば、 MgO におよび ZnO に著しく異なる表面および粒界エネルギーがあります11。 暖房に著しく異なる nanostructure の改革は図 3. に示すようにこれらのサンプルで、観察されます。 開始の nanoparticles が類似して、形づくがそれに、 ZnO 見本抽出します粗い MgO の粉よりかなり多くを注意して下さい。 確かにこの動作を説明する多くの運動概念がありますが表面と粒界エネルギー間の比率の相違は追加重要な役割をここに担います。 MgO の粒界エネルギーが表面エネルギーに関連して比較的高いので、首の作成で要される比較的高エネルギーがあります。 従って、首の形成は表面の除去によるシステムによって」得られる境界を形作るためにエネルギーが 「「必要な」エネルギーと対等なとき停止します。 ZnO の粒界エネルギー比率への表面としてかなりより高いです、このエネルギー障壁は現在としてないし、粒界はより自由に形作られます。 これは絶対エネルギーが主な重要性をもたないが、相対的なエネルギーは nanosintering を支配していましたことを提案します。

熱処理の下で MgO、 ZnO および添加された MgO の動作を示す図 3. 焼結の実験。 しかし動力学は大きな役割、 nanoenergetics を nanosintering を改善する方法であると証明されます担います。 (γはS 表面エネルギーであり、γはGB 粒界エネルギーです)

nanostructure の改革に対するエネルギー比率の効果ははっきり CaO が付いている MgO のサンプルを添加するとき見られます。 かなり動力学を変更しないでインターフェイスエネルギーを変更するためにこの添加物が観察されると同時に 1 つはどうかして動力学からの精力的な効果を隔離できます。 添加された MgO の微細構造を MgO および ZnO との焼結し、比較の後で観察して、 ZnO の微細構造の大いにより多くの類似が、エネルギー論の傾向に一貫してあります。

このアプローチの論理的なアプリケーションはそれ自身の焼結の改善にあります。 陶磁器の焼結工業の主要な挑戦の 1 つは制御された収縮および制御された結晶粒度の密な部分を得ることです。 この制御は現在運動基礎で densification のメカニズムを制御するのに添加物の使用によってしか、行われません。 熱力学のアプローチは添加物が densification の駆動力にどのようにの影響を与えるか識別を助けることができま、更に nanoceramics の産業構成デザインを最適化するためにツールを提供します。

もう一つのアプリケーションはインターフェイスエネルギー最小化の結果として nanoparticles の特定の形そして長距離命令を誘導することです。 これはある特定の優先成長を強制するために指定平面のエネルギー論の変更によって運転することができます。 考えは表面エネルギーが、結晶構造のために、異なった水晶面が粒子の表面であることを意味する粒子で一義的ではないという事実にあります。 それらの面のそれぞれに別のエネルギーがあり、単独制御であることができます。 高エネルギーの表面がより速く育つので、特定の大気、液体段階、または添加物の使用によるそれらのエネルギーの良い制御は星そっくりおよび nanowires (図 4) のような異なった形態の成長を12、促進できます。

異なったインターフェイスエネルギーの露出された平面が付いている図 4. 彫面を切り出された nanoparticles は個別の形に再配列しか、またはなり、自発的に再配列できます。

測定インターフェイスエネルギー

インターフェイスエネルギーの測定は全然簡単なタスクではないし、従って限られたデータはここに論議される nano 制御の作戦で開発されるべき文献で使用できます。 熱化学は非常に強力な技術として nanoceramics のための正確なインターフェイスエネルギーを定めるために提案されました13,14。 端的に説明すると、これらの熱量測定測定の考えは同じような形のサンプルの分解の間に解放される熱しかし異なったインターフェイス領域 (図 5) を評価することです。

図 5. (残っている) DS を使用して表面エネルギー測定の典型的な結果。 表面は表面積に比例して、 DS のエンタルピーの相違として測定される過剰な[余分な・高過ぎる・多すぎる・余剰]エネルギーを与えます。 (右) 低下の解決のエンタルピーの測定のためにセットアップされて (DS)。 溶媒は 702 °C で保たれ、サンプルは室温から分解するべき落ちます。 熱化学サイクルは分解の間に反作用を説明します。

過剰な[余分な・高過ぎる・多すぎる・余剰]エネルギーがインターフェイス領域に正比例しているので、サンプルのよい性格描写はインターフェイスエネルギーに絶対値を提供します。 この技術は事実上あらゆる結晶材料に唯一の条件がそれを測定可能にさせる比較的高いインターフェイス領域であるので使用することができます。

見通しは熱力学の基礎の nanostructure の制御を改善するためにこの技術がデータの多くを提供できることです。 これはナノテクノロジーの進歩であるかもしれませんが潜在性の始めにまだあります。 私達は nanomaterials のインターフェイスエネルギーを調整することができるでそのような物夢を見るかもしれしかし、それらが触媒作用アプリケーションのための mesopores、電池の陰極のための制御された接触、分子にフィルタに掛けることのための一直線に並べられたチャネル、等と私達はそれらがにほしいと思う方法彼ら自身を自発的にアセンブルしてもいいこと組織されるマクロを形づく、促進します。 それで、多分この夢は本当になることの遠くにそれではないです。


参照

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、版権 AZoNano.com リカルド H.R. Castro (カリフォルニア州立大学デーヴィス校) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

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