Thermochemie van Nanosintering: Het Verbeteren van Controle Nanostructure

door Professor Ricardo H.R. Castro

Professor Ricardo H.R. Castro, Chemische Techniek en de Dienst van de Wetenschap van Materialen, Universiteit van Californië in Davis
Overeenkomstige auteur: rhrcastro@ucdavis.edu

De materialen van Nanostructured spelen reeds belangrijke rollen in ons dagelijks leven. Van zonblockers aan anti-krast schilderijen, hervormen nanomaterials hoe wij materialen die zien, die hun prestaties verbeteren, en de horizonnen van toepassingen verbreden. De oorsprong van hun unieke eigenschappen volledig om te begrijpen en beter hen te gebruiken, is het belangrijk om te realiseren dat nanomaterials niet alleen van bulkmaterialen verschillend zijn omdat zij kleiner zijn, maar omdat de kleine grootte beduidend hun eigenschappen beïnvloedt, creërend nieuwe en verschillende reacties op het milieu. De groottegevolgen kunnen als verschillende kleuren, smaken, elektroreacties, katalytische activiteiten, enz. worden gezien.

Het Grootste Deel van dit verwante gedrag kunnen aan het feit dat worden toegeschreven een grote fractie van het volume van het materiaal binnen het „interfacegebied“, d.w.z., een paar nanometers of minder van de interface zelf (zoals aangetoond in Figuur 1) is1,2. Aldus, kunnen de eigenschappen van nanomaterials als een gevolg van worden beschouwd, en, hun interfaceeigenschappen, zoals samenstelling, structuur, 3spanning en4, fundamenteel5,6 , energetica langs sterk beïnvloed1,7-10.

Figuur 1. Rekening van de fractie atomen op de oppervlakte (binnen 0.5 NM van de oppervlakte) voor een algemene nanoparticle.

De energetica zal de stabiliteit van nanomaterial beslissen en hoe zijn structuur spontaan groeit of aan een thermische behandeling antwoordt. Namelijk in om het even welk systeem, micro of nano, heeft de totale energie minstens twee belangrijke bijdragen: de bulkenergie en de interfaceenergie. De bulkenergie wordt hoofdzakelijk bepaald door de kristallijne structuur en de samenstelling van de kern van het materiaal. Deze energie kan worden voorspeld door regelmatige fasediagrammen te gebruiken, waarmee u fasestabiliteit van micro en macrosteekproeven kunt bestuderen.

De interfaceenergie is evenredig aan het interfacegebied. Per definitie, zijn de interfaces onstabiel aangezien zij het werk nodig vertegenwoordigen om een eenheidsgebied tot stand te brengen door een materiaal te breken of uit te rekken. Logisch Gezien, hoger het gebied, hoger de energie van een systeem. Vandaar, neigen de systemen met hoge interfacegebieden, zoals nanomaterials, om door het ruw maken, het sinteren of samenvoeging in te storten om de totale vrije energie te verminderen.

Hoewel dit als een slecht ding kan klinken, kan de tendens van het te sinteren systeem smartly worden geëxploiteerd om gecontroleerde nanostructures te creëren, biedend een alternatief aan de tijdrovende en dure methodologieën die nanostructures te creëren op harde malplaatjes en complexe nanolithography wordt gebaseerd. Deze thermodynamische controle van nanostructure is gebaseerd op een manipulatie van de interfaceenergetica, die het systeem kan dwingen om slechts in een gewenste richting te groeien en op te houden groei om bepaalde structuur te behouden.

Controlerende Thermodynamica van Nanostructure

Het Sinteren wordt algemeen beschouwd als een hitte aangestoken proces dat de stuwende kracht het oppervlakte-energie en krommingspotentieel is. Nochtans, wordt een nieuw type van interface gecreeerd wanneer de halzen om zich tijdens het sinteren beginnen te vormen. Dit wordt over het algemeen genoemd korrelgrens (of solid-solid interface) en zowel een echte micrograaf in Figuur 2 schematisch als in getoond.

Figuur 2. ZrO2 nanoparticles sinterde gedeeltelijk het tonen van de vorming van de korrelgrens.

De korrelgrenzen hebben typisch verschillende energieën dan de oppervlakten (stevig-dampinterfaces), dusdanig dat, wanneer het systeem oppervlakte in korrelgrens tijdens het sinteren omzet, kost er een energie „is“ wat van het evenwicht tussen oppervlakte-energie en de energie van de korrelgrens afhankelijk is. Dit saldo zal de evolutie van nanostructure bepalen en kan worden gecontroleerd om wenselijke producten te verstrekken.

Bijvoorbeeld, hebben MgO en ZnO beduidend verschillende oppervlakte en korrelgrensenergieën11. Een beduidend verschillende nanostructureevolutie op het verwarmen wordt waargenomen in deze steekproeven, zoals aangetoond in Figuur 3. Merk op dat hoewel de aanvang nanoparticles in grootte en vorm gelijkaardig is, de beduidend ruwe steekproeven ZnO meer dan het MgO poeder. Er zijn zeker vele kinetische concepten om dit gedrag te verklaren, maar het verschil in de verhouding tussen de oppervlakte en de energie van de korrelgrens speelt hier een extra significante rol. Omdat de energie van de korrelgrens van MgO met relatie aan zijn oppervlakte-energie vrij hoog is, zijn er vrij hoge energiekosten in het creëren van een hals. Zo die, houdt op de halsvorming wanneer de energie door het systeem toe te schrijven aan de oppervlakteverwijdering met de „nodig“ energie vergelijkbaar is „wordt bereikt“ om de grens te vormen. Aangezien de oppervlakte aan de energieverhouding van de korrelgrens in ZnO beduidend hoger is, is deze energiebarrière niet huidig, en de korrelgrens wordt vrijer gevormd. Dit stelt voor dat de absolute energieën niet van eerste belang zijn, maar de relatieve energieën zouden het nanosintering regeren.

Figuur 3. Het Sinteren experimenten die het gedrag van MgO, ZnO, en gesmeerde MgO tonen onder thermische behandeling. Hoewel de kinetica een belangrijke rol speelt, wordt nanoenergetics bewezen om manier te zijn om het nanosintering te verbeteren. (γS is oppervlakte-energie en γGB is de energie van de korrelgrens)

Het effect van de energieverhouding op de nanostructureevolutie wordt duidelijk gezien wanneer het smeren van MgO steekproeven met CaO. Aangezien dit additief wordt waargenomen om de interfaceenergieën te veranderen zonder de kinetica beduidend te veranderen, kan men de energieke gevolgen van kinetica op de een of andere manier isoleren. Waarnemend de microstructuur van gesmeerde MgO na het sinteren en vergelijkend bij MgO en ZnO, zijn er veel meer gelijkenissen met microstructuur ZnO, constant met de energeticatendens.

Een logische toepassing van deze benadering zou in de verbetering van het sinteren van zijn. Één van de belangrijkste uitdagingen in de ceramische sinterende industrieën moet dichte delen met gecontroleerde inkrimping en gecontroleerde korrelgrootte verkrijgen. Deze controle wordt momenteel slechts gedaan op een kinetische basis, door additieven te gebruiken om densificationmechanismen te controleren. De thermodynamische benadering kan helpen om te identificeren hoe de additieven densification drijfkrachten beïnvloeden, die een hulpmiddel verstrekken om het industriële samenstellingsontwerp van nanoceramics verder te optimaliseren.

Een Andere toepassing zou bijzondere vormen en lange waaier het opdracht geven tot van nanoparticles moeten veroorzaken ten gevolge van interfaceenergie het minimaliseren. Dit kan worden gedreven door de energetica van geselecteerde vliegtuigen te veranderen om bepaalde preferentiële groei te dwingen. Het idee ligt op het feit dat de oppervlakte-energie niet uniek op een deeltje is, betekenend dat, wegens de kristalstructuur, de verschillende kristalfacetten aan de oppervlakte van een deeltje aanwezig zijn. Elk van die facetten heeft een verschillende energie, en kon onafhankelijk worden gecontroleerd. Aangezien de hogere energieoppervlakten sneller groeien, kan een fijne controle van die energieën door specifieke atmosferen, vloeibare fasen, of additieven te gebruiken de groei van de verschillende morfologie, zoals star-like bevorderen en nanowires12(Figuur 4).

Figuur 4. Gefacetteerd nanoparticles met blootgestelde vliegtuigen van verschillende interface kunnen de energieën aan verschillende vormen herschikken of groeien en spontaan herschikken.

Het Meten van de Energieën van de Interface

De meting van interfaceenergieën is een eenvoudige taak helemaal niet, en daarom de beperkte gegevens beschikbaar in de literatuur zijn dat in de hier besproken nano-controlestrategie moet worden geëxploiteerd. De Thermochemie is als zeer krachtige techniek voorgesteld om nauwkeurige interfaceenergieën voor nanoceramics te bepalen13,14. Kortom die, het idee van deze calorimetrische metingen is de hitte tijdens de ontbinding van steekproeven met gelijkaardige vormen wordt vrijgegeven, maar verschillende interfacegebieden (Figuur 5) te evalueren.

Figuur 5. (Weggegaan) Typisch resultaat van oppervlakte-energiemetingen die DS gebruiken. De oppervlakte geeft een bovenmatige energie die evenredig aan de oppervlakte is en als verschil in de enthalpie van DS gemeten. (Juiste) Opstelling voor de meting van enthalpie van dalingsoplossing (DS). Het Oplosmiddel wordt gehouden bij 702 °C en de steekproef wordt van op te lossen kamertemperatuur gelaten vallen. Een thermochemische cyclus geeft van de reacties tijdens ontbinding rekenschap.

Aangezien de bovenmatige energie aan de interfacegebieden direct evenredig is, zal een goede karakterisering van de steekproeven absolute waarden voor de interfaceenergieën verstrekken. Deze techniek kan aan vrijwel om het even welk kristallijn materiaal worden gebruikt, aangezien het enige vereiste een vrij hoog interfacegebied is om het meetbaar te maken.

De perspectieven zijn dat deze techniek veel gegevens zal kunnen verstrekken om de controle van nanostructure op een thermodynamicabasis te verbeteren. Dit kan een doorbraak in de nanotechnologie zijn, maar is nog in het begin van zijn potentieel. Wij kunnen dromen nochtans op het kunnen de interfaceenergieën van nanomaterials stemmen dusdanig dat zij kunnen spontaan assembleren de manier willen wij hen aan, bevorderend macro georganiseerde vormen, met mesopores voor katalysetoepassingen, controleerden contacten voor batterijkathoden, gerichte kanalen voor het moleculaire filtreren, enz. Goed, misschien is deze droom niet dat veel weg van waar het worden.


Verwijzingen

  1. Navrotsky, A., Thermochemie van nanomaterials, in Overzichten in Mineralogie en Geochemie: Nanoparticles en het Milieu, Banfield, J.F. en Navrotsky, A., Redacteurs. 2001, de Mineralogische Maatschappij van Amerika en de Geochemische Maatschappij: Washington. p. 73-103.
  2. Cao, G., Nanostructures en Nanomaterials: Synthese, Eigenschappen, en Toepassingen. 1st E-D. 2004, Danvers: De Keizer Pers van de Universiteit. 433.
  3. Castro, R.H.R., Ushakov, S.V., Gengembre, L., Gouvea, D., en Navrotsky, A., Oppervlakte-energie en thermodynamische stabiliteit van gamma-alumina: Effect van additieven en water. Chemie van Materialen, 2006. 18: p. 1867-1872.
  4. Zhao, Z.J., Meza, J.C., en Van Hove, M., Gebruikend de methodes van het patroononderzoek voor de bepaling van de oppervlaktestructuur van nanomaterials. Dagboek van fysica-Gecondenseerde Kwestie, 2006. 18(39): p. 8693-8706.
  5. Yun, G. en Park, H.S., multiscale van A, eindige misvormingsformulering voor de gevolgen van de oppervlaktespanning voor het gekoppelde thermomechanische gedrag van nanomaterials. De Methodes van de Computer in Toegepaste Werktuigkundigen en Techniek, 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., en Gouvea, D., de Bovenmatige en Veelvormige Stabiliteit van de Interface van zirconiumdioxyde-Magnesia Nanosized. Chemie van Materialen, 2008. 20: p. 3505-3511.
  7. Navrotsky, A., Energetica van nanomaterials: De concurrentie tussen polymorfisme en oppervlakte-energie. Samenvattingen van Documenten van de Amerikaanse Chemische Maatschappij, 2003. 225: p. U939-U939.
  8. Heuvel, T.L., Perspectief: Nanothermodynamics. Nano Brieven, 2001. 1(3): p. 111-112.
  9. Heuvel, T.L., Uitbreiding van nanothermodynamics om een ééndimensionale oppervlakteovermaat te omvatten. Nano Brieven, 2001. 1(3): p. 159-160.
  10. Rusanov, A.I., Nanothermodynamics. Russisch Dagboek van Fysieke Chemie, 2003. 77(10): p. 1558-1563.
  11. Castro, R.H.R., Torres, R.B., Pereira, G.J., en Gouvea, D., de Meting van de Energie van de Interface van MgO en ZnO: Het Begrip van de Thermodynamische Stabiliteit van Nanoparticles. Chemie van Materialen, 2010. 22(8): p. 2502-2509.
  12. Zhang, P., Xu, F., Navrotsky, A., Lee, J.S., Kim, S., en Liu, J., de enthalpie van de Oppervlakte van nanophase ZnO met de verschillende morfologie. Chemie van Materialen, 2007. 19: p. 5687-5693.
  13. McHale, J.M., Auroux, A., Perrotta, A.J., en Navrotsky, A., Oppervlakte-energie en thermodynamische fasestabiliteit in nanocrystallinealuminas. Wetenschap, 1997. 277(5327): p. 788-791.
  14. Costa, G.C.C., Ushakov, S.V., Castro, R.H.R., Navrotsky, A., en Muccillo, R., Calorimetrische Meting van Oppervlakte en de Enthalpie van de Interface van yttria-Gestabiliseerd Zirconiumdioxyde (YSZ). Chemie van Materialen, 2010. 22(9): p. 2937-2945.

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

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

Last Update: 14. June 2013 04:02

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit