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Nanosintering의 열화학: Nanostructure 통제 향상

교수에 의하여 Ricardo H.R. Castro

Ricardo H.R. Castro, 화학 공학 및 재료 과학 부 의 데이비스에 가주 대학 교수
대응 저자: rhrcastro@ucdavis.edu

우리의 일상 생활에 있는 이미 Nanostructured 물자 실행 중요한 역할. 태양 차단제에서 반대로 긁는 색칠에, nanomaterials는 우리가 그들의 성과를 향상하고, 응용의 수평선을 확장하는 물자를 어떻게 보는지 혁명을 일으키고 있습니다. 완전히 그들의 유일한 속성의 기점을 이해하고 잘 그(것)들을 이용하기 위하여, nanomaterials가 대량 물자와 다르다는 것을 실현하는 것이 중요하, 다만 더 작기 때문에, 그러나 작은 규모가 중요하게 그들의 속성에 영향을 미치기 때문에 환경에 비발하고 다른 반응을 만들기. 크기 효과는 다른 군기, 맛, 전기 반응, 촉매 활동, 등등으로 보일 수 있습니다.

이 nano 관련된 행동의 대부분은 물자의 대부분 양이 "경계면 영역 안에", 공용영역 자체에서 i.e, 약간 나노미터 또는 더 적은이다 는 사실에 기인할 수 있습니다 (숫자 1)에서 보이는 것처럼1,2. 따라서, nanomaterials의 속성은 결과이라고의 여겨질 수 있고, 강하게, 구성 구조물, 긴장 및, 기본적으로3, 에너지론4과 같은 그들의5,6 공용영역 특징 곁에 좌우될 것입니다1,7-10.

일반적인 nanoparticle를 위한 표면에 원자의 조각의 숫자 1. 미적분학 (표면의 0.5 nm 이내에).

에너지론은 그것의 구조물이 열처리에 자발적으로 성장하거나 반응하는 방법 nanomaterial의 안정성을 지배하고. 다시 말하면 어떤 시스템든지에서, 마이크로 nano, 총에너지에는 적어도 2개의 중요한 기여금이 있습니다: 대량 에너지 및 공용영역 에너지. 대량 에너지는 물자의 코어의 크리스탈 구조물 그리고 구성에 의해 주로 결정됩니다. 이 에너지는 당신이 마이크로와 큰 견본의 단계 안정성을 공부할 수 있는 정규 단계 도표를 사용해서 예상될 수 있습니다.

공용영역 에너지는 공용영역 지역에 비례적입니다. 정의상으로, 공용영역은 단위 넓이를 만들기 위하여 물자를 끊는 기지개해 필요로 하기 일을 나타내기 때문에 불안정합니다. 더 높은 지역, 논리적으로, 더 높은 시스템의 에너지. 그러므로, 높은 공용영역 지역을 가진 시스템은 nanomaterials와 같은 총 자유 에너지 줄이기 위하여 조잡하게 만들거나, 소결하거나 합체에 의하여 쓰러져 경향이 있습니다.

이것이 나쁜 것 같이 소리가 날 수 있더라도, 시스템의 추세는 소결하는 지능적으로 단단한 템플렛 및 복잡한 nanolithography에 근거를 둔 nanostructures를 만들기 위하여 시간이 걸리는 비싼 방법론에 대안을 제안하는 통제되는 nanostructures를 만들기 위하여 이용될 수 있습니다. nanostructure의 이 열역학적 제어는 요구한 방향에서서만 증가하기 위하여 시스템을 강제할 수 있고 중단하기 위하여 유지하는 특정 구조물을 되십시오 공용영역 에너지론의 조작에 근거를 둡니다.

Nanostructure의 통제 열역학

소결은 일반적으로 원동력이 표면 에너지와 곡율 잠재력인 열에 의하여 발화된 프로세스이라고 여겨집니다. 그러나, 공용영역의 신형은 목이 소결 도중 형성할 것을 시작할 때 만듭니다. 이것은 일반적으로 결정 입자 경계 (또는 단단하 단단한 공용영역에게) 불리고 개요로 그리고 숫자 2.에 있는 실제적인 현미경 사진에서 보입니다 모두.

숫자 2. ZrO2 nanoparticles는 부분적으로 결정 입자 경계 대형의 보여주를 소결했습니다.

" 요할 표면 에너지와 결정 입자 경계 에너지 사이 균형 에 의지하고 있는 에너지가 "있을 시스템이 소결 도중 결정 입자 경계로 표면을 변형시킬 때 결정 입자 경계에는 전형적으로 표면 (단단하 수증기 공용영역) 보다는 다른 에너지가, 그 같은 있습니다. 이 균형은 nanostructure의 기동전개를 정의하고 바람직한 제품을 제공하기 위하여 통제될 수 있습니다.

예를 들면, MgO에는과 ZnO에는 현저하게 다른 표면과 결정 입자 경계 에너지가 있습니다11. 난방에 현저하게 다른 nanostructure 기동전개는 숫자 3.에서 보이는 것처럼 이 견본에서, 관찰됩니다. 시작 nanoparticles가 크기로 유사하 형성하더라도 그것을, ZnO 간색합니다 조악한 MgO 분말 보다는 상당히 더 많 주의하십시오. 확실히 이 행동을 설명하는 많은 활동적인 개념이 있습니다, 그러나 표면과 결정 입자 경계 에너지 사이 비율에 있는 다름은 추가 중요한 역할을 여기에서 합니다. MgO의 결정 입자 경계 에너지가 그것의 표면 에너지에 관하여 상대적으로 높기 때문에, 목을 만들기에서 요한 상대적으로 고에너지가 있습니다. 따라서, 목 대형은 지상 제거 때문에 시스템에 의해" 주어질 경계를 형성하기 위하여 에너지가 ""필요한" 에너지에 대등하 때 중단합니다. ZnO에 있는 결정 입자 경계 에너지 비율에 표면으로 현저하게 더 높습니다, 이 에너지 장벽은 현재로 이지 않으며, 결정 입자 경계는 더 자유롭게 형성됩니다. 이것은 절대적인 에너지가 주요한 중요성 이지 않다는 것을 건의합니다, 그러나 상대적인 에너지는 nanosintering를 제어하고 있을 것입니다.

열처리의 밑에 MgO, ZnO 및 진한 액체로 처리된 MgO의 행동을 보여주는 숫자 3. 소결 실험. 그러나 활동은 중요한 역할, nanoenergetics를 nanosintering를 향상하는 쪽인 입증됩니다 합니다. (γ는S 표면 에너지입니다 γ는GB 결정 입자 경계 에너지입니다)

nanostructure 기동전개에 대한 에너지 비율의 효력은 명확하게 CaO를 가진 MgO 견본을 진한 액체로 처리할 때 보입니다. 중요한 활동을 바꾸는 없이 공용영역 에너지를 바꾸는 위하여 이 반도체에 첨가하는 소량의 불순물이 관찰되는 때, 사람은 여하튼 활동에서 정력적인 효력을 고립시킬 수 있습니다. 진한 액체로 처리한 MgO의 미세를 MgO와 ZnO에 소결하고 비교 후에 관찰해서, ZnO 미세를 가진 매우 추가 상사성이, 에너지론 동향으로 일관되게 있습니다.

이 접근의 논리적인 응용은 소결의 개선에 있을 것입니다. 세라믹 소결 산업에 있는 주요 도전의 한개는 통제되는 수축량 및 통제되는 입자 크기를 가진 조밀한 부분을 장악하기 위한 것입니다. 이 통제는 활동적인 기초에 densification 기계장치를 통제하기 위하여 반도체에 첨가하는 소량의 불순물을 이용해서 지금 단지, 행해집니다. 열역학 접근은 반도체에 첨가하는 소량의 불순물이 densification 원동력에 어떻게 영향을 미치는지 확인하는 것을 도울 수 있어, nanoceramics의 산업 구성 디자인을 더 낙관하기 위하여 공구를 제공하.

또 다른 응용은 공용영역 에너지 극소화 때문에 nanoparticles의 특정한 모양 그리고 장거리 명령을 유도하기 위한 것일 것입니다. 이것은 선정한 비행기의 특정 우선적인 성장을 강제하기 위하여 에너지론을 바꾸어서 몰 수 있습니다. 아이디어는 표면 에너지가, 결정 구조 때문에, 다른 수정같은 면이 입자의 표면에 나타나 의미하는 입자에 유일하지 않다 는 사실에 속입니다. 그 면의 각각에는 다른 에너지가 있고, 단독 제어 일 수 있었습니다. 고에너지 표면이 더 단단 증가하기 때문에, 특정 대기권, 액체 단계, 또는 반도체에 첨가하는 소량의 불순물을 사용해서 그 에너지의 정밀한 통제는 별 모양과 nanowires (숫자 4)와 같은 다른 형태학의 성장을12승진시킬 수 있습니다.

다른 공용영역 에너지의 드러낸 비행기를 가진 숫자 4. 면을 낸 nanoparticles는 재정비해거나 명백한 모양을 되고 자발적으로 재정비할 수 있습니다.

측정 공용영역 에너지

공용영역 에너지의 측정은 전혀 간단한 업무가 아니, 그러므로 한정된 데이터는 여기에서 토론된 nano 통제 전략에서 개발될 문서에서 유효합니다. 열화학은 아주 강력한 기술로 nanoceramics를 위한 정확한 공용영역 에너지를 결정하기 위하여 제시되었습니다13,14. 간단히, 이 열량 측정 측정의 아이디어는 유사한 모양을 가진 견본의 해체 도중 풀어 놓인 열, 그러나 다른 공용영역 지역 (숫자 5)를 평가하기 위한 것입니다.

(남겨두는) 숫자 5. DS를 사용하는 표면 에너지 측정의 전형적인 결과. 표면은 표면에 비례적이고 DS의 엔탈피에 있는 다름으로 측정되는 초과 에너지를 줍니다. (맞은) 투하 해결책의 엔탈피의 측정을 위해 설치해 (DS). 용매는 702 °C에 지켜지고 견본은 실내 온도에서 녹을 드롭됩니다. 열화학 주기는 해체 도중 반응에 대하여 설명합니다.

초과 에너지가 공용영역 지역에 정비례하기 때문에, 견본의 좋은 특성은 공용영역 에너지를 절대값을 제공할 것입니다. 이 기술은 실제로 어떤 크리스탈 물자든지 유일한 필수품이 그것을 만들기 상대적으로 높은 공용영역 지역 이기 때문에, 사용될 수 있습니다.

관점은 열역학 기초에 nanostructure의 통제를 향상하기 위하여 이 기술이 데이터의 제비를 제공할 수 있을 입니다. 이것은 나노 과학에 있는 돌파구일지도 모르곱니다, 그러나 그것의 잠재력의 초에 아직도 입니다. 우리는 nanomaterials의 공용영역 에너지 조정 가능한에 그 같은 꿈꿀 수 있어 그러나, 그(것)들이 촉매 작용 응용을 위한 mesopores, 건전지 음극선을 위한 통제한 접촉, 분자 필터를 위한 맞추어진 채널 통신로, 등등과 더불어 우리가 그(것)들을에 원하는 쪽 자발적으로 조립해서 좋다 편성된 모듬 명령을 형성한다는 것을, 승진시키. 그래서, 아마 이 꿈은 확실하게 되기의 아주 저쪽에 그것이 아닙니다.


참고

  1. Navrotsky, A. 의 광물학과 지구화학에 있는 검토에서 nanomaterials의 열화학: Nanoparticles 및 환경, Banfield, J.F. 및 Navrotsky, A. 의 편집자. 미국의 2001년, 광물학 사회 및 지구화학 사회: 워싱톤. p. 73-103.
  2. Cao, G., Nanostructures 및 Nanomaterials: 종합, 속성 및 응용. 제 ed. 2004형의, Danvers: 제국 대학 압박. 433.
  3. Castro, R.H.R., 감마 반토의 Ushakov, S.V., Gengembre, L., Gouvea, D. 및 Navrotsky, A., 표면 에너지 및 열역학 안정성: 반도체에 첨가하는 소량의 불순물과 근해의 효력. 물자, 2006년. 18의 화학: p. 1867-1872년.
  4. Zhao, Z.J., Meza, J.C. 및 밴 Hove, nanomaterials의 지상 구조물 결심을 위한 패턴 수색 방법을 사용하는 M.. 물리학 압축된 사정 2006년의 전표. 18(39): p. 8693-8706.
  5. Yun, G. 및 공원, H.S. 의 A multiscale, nanomaterials의 결합된 thermomechanical 행동에 대한 지상 긴장 효력을 위한 유한 개악 정립. 적용되는 기계공 및 기술설계, 2008년. 197에 있는 컴퓨터 방법 (41-42): p. 3337-3350.
  6. Castro, R.H.R., 마르코스, P.J.B., Nanosized 지르코니아 마그네시아의 Lorriaux, A., Steil, M.C., Gengembre, L., Roussel, P. 및 Gouvea, D., 공용영역 과잉 및 다형태 안정성. 물자, 2008년. 20의 화학: p. 3505-3511.
  7. Navrotsky, A. 의 nanomaterials의 에너지론: 동질다상 그리고 표면 에너지 사이 경쟁. 미국 화학제품 사회의 종이, 2003년. 225의 요약: p. U939-U939.
  8. 언덕, T.L. 의 관점: Nanothermodynamics. Nano 편지 2001년. 1(3)년: p. 111-112.
  9. 언덕, T.L. 의 1차원적인 지상 과잉을 포함하는 nanothermodynamics의 연장. Nano 편지 2001년. 1(3)년: p. 159-160.
  10. Rusanov, A.I., Nanothermodynamics. 물리 화학 2003년의 러시아 전표. 77(10): p. 1558-1563년.
  11. Castro, R.H.R., MgO의 Torres, R.B., Pereira, G.J. 및 Gouvea, D., 공용영역 에너지 측정 및 ZnO: Nanoparticles의 열역학 안정성 이해. 물자의 화학, 2010년. 22(8): p. 2502-2509.
  12. 장, P., Xu, F., Navrotsky, A., 이, J.S., 김, S. 및 Liu, J. 의 형태학 여러가지 nanophase ZnO의 지상 엔탈피. 물자, 2007년. 19의 화학: p. 5687-5693.
  13. nanocrystalline aluminas에 있는 McHale, J.M., Auroux, A., Perrotta, A.J. 및 Navrotsky, A., 표면 에너지 및 열역학 단계 안정성. Science 1997년. 277(5327): p. 788-791.
  14. 늑골, G.C.C., Ushakov, S.V., Castro, R.H.R., 표면의 Navrotsky, A. 및 Muccillo, R., 열량 측정 측정 및 Yttria 안정된 지르코니아의 공용영역 엔탈피 (YSZ). 물자의 화학, 2010년. 22(9): p. 2937-2945.

, 저작권 AZoNano.com Ricardo H.R. Castro (데이비스 주립 대학) 교수

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

Last Update: 14. June 2013 04:23

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