Термохимия Nanosintering: Улучшать Управление Nanostructure

Профессором Рикардо H.R. Castro

Dept. Науки Профессора Рикардо H.R. Castro, Химического Машиностроения и Материалов, Университет Штата Калифорнии на Davis
Соответствуя автор: rhrcastro@ucdavis.edu

Nanostructured материалов роли игры уже важные в наших обычных жизнях. От блокаторов солнца к анти--царапая картинам, nanomaterials революционизируют как мы видим материалы, улучшая их представления, и расширяя горизонты применений. Полно для того чтобы понять начало их уникально свойств и более лучше использовать их, важно осуществить что nanomaterials отличал кусковые материалы не как раз потому что они более малы, но потому что малые размеры значительно влияют на их свойства, создающ романные и различные реакции к окружающей среде. Влияния размера можно увидеть как различные цветы, вкусы, электрические реакции, каталитические деятельности, Etc.

Большое Часть из этого nano-родственного поведения можно отнесла к факту что большая часть тома материала в пределах «зоны интерфейса», т.е., немного нанометров или от интерфейса самого (как показано в Диаграмме 1)1,2. Таким Образом, свойства nanomaterials можно рассматривать последствием, и сильно будут повлияны на мимо, их характеристики интерфейса, как состав3, структура4, усилие5,6 и, фундаментально, energetics1,7-10.

Диаграмма 1. Расчет части атомов на поверхности (не познее 0,5 nm поверхности) для общего nanoparticle.

Energetics будет управлять стабилностью nanomaterial и как своя структура самопроизвольно растет или отвечает к термической обработке. То есть, в любой системе, микро- или nano, полная энергия имеет хотя бы 2 важного вклада: навальная энергия и энергия интерфейса. Навальная энергия главным образом определена кристаллическим строением и составом сердечника материала. Эта энергия может быть предсказана путем использование регулярн фазовых диаграмм, с которыми вы можете изучить стабилность участка образцов микро- и макроса.

Энергия интерфейса пропорциональна к зоне интерфейса. определением, интерфейсы неустойчивы по мере того как они представляют работу необходимы для того чтобы создать единственную поверхность путем ломать или протягивать материал. Логически, высоко область, высоко энергия системы. Следовательно, системы с высокими зонами интерфейса, как nanomaterials, клонат обрушиться путем coarsening, спекать или срастание для того чтобы уменьшить полную свободную энергию.

Хотя это может звучать как плохая вещь, тенденцию системы спеччь можно умно эксплуатировать для того чтобы создать контролируемые nanostructures, предлагая алтернативу к требующий много времени и дорогим методологиям для того чтобы создать nanostructures основанные на трудных шаблонах и сложном nanolithography. Это термодинамическое управление nanostructure основано на манипуляции energetics интерфейса, который может принудить систему для того чтобы вырасти только в пожеланном направлении и остановить вырастите, что сохранить некоторую структуру.

Контролируя Термодинамика Nanostructure

Спекать обыкновенно учтен процессом воспламененным жарой которого движущая сила поверхностной потенциалы энергии и погнутости. Однако, новый Н тип интерфейса создан когда шеи начинают сформировать во время спекать. Это вообще вызвано границей между зернами (или тверд-твердым интерфейсом) и показано и схематически и в реальном микрорисунке в Диаграмме 2.

Диаграмма 2. nanoparticles2 ZrO частично спекла показывать образование границы между зернами.

Границы между зернами типично имеют различные энергии чем поверхности (интерфейсы) тверд-пара, такие что, когда система преобразовывает поверхность в границу между зернами во время спекать, «стоимая» энергия которая зависел на балансе между поверхностной энергией и энергией границы между зернами. Этот баланс определит развитие nanostructure и может быть проконтролирован для того чтобы обеспечить желательные продукты.

На пример, MgO и ZnO имеют значительно различные энергии поверхности и границы между зернами11. Значительно различное развитие nanostructure на топлении наблюдается в этих образцах, как показано в Диаграмме 3. Заметьте то хотя начиная nanoparticles подобны в размере и форме, ZnO пробует грубо значительно больше чем порошки MgO. Определенно много кинетических принципиальных схем для того чтобы объяснить это поведение, но разница в коэффициенте между поверхностью и энергией границы между зернами играет дополнительную значительно роль здесь. Потому Что энергия границы между зернами MgO относительно высока относительно своей поверхностной энергии, относительно цена высокой энергии в создавать шею. Так, образование шеи останавливает когда энергия «приобретенная» системой должной к поверхностному исключению соответствовал к «необходимой» энергии для того чтобы сформировать границу. По Мере Того Как поверхность к коэффициенту энергии границы между зернами в ZnO значительно более высока, этот энергетический барьер нет как настоящий момент, и граница между зернами более свободно сформирована. Это предлагает что абсолютные энергии нет основной важности, но относительные энергии управляли бы nanosintering.

Диаграмма 3. эксперименты по Спекать показывая поведение MgO, ZnO, и данного допинг MgO под термической обработкой. Однако доказаны, что будет кинетика играет главную роль, nanoenergetics путем улучшить nanosintering. (γS поверхностная энергия и γGB энергия границы между зернами)

Влияние коэффициента энергии на развитии nanostructure ясно увидено давая допинг образцам MgO с CaO. По Мере Того Как наблюдается, что изменяет этот dopant энергии интерфейса без значительно изменять кинетику, одно может как-то изолировать напористые влияния от кинетик. Наблюдающ микроструктурой данного допинг MgO после спекать и сравнивать к MgO и ZnO, очень больше сходств с микроструктурой ZnO, последовательно с тенденцией energetics.

Логически применение этого подхода находилось бы в улучшении спекать. Одна из главным образом возможностей в керамических индустриях спекать получить плотные части с контролируемой усушкой и контролируемыми размерами зерна. Это управление в настоящее время только сделано на кинетическое основание, путем использование dopants для того чтобы контролировать механизмы densification. Термодинамический подход может помочь определить как dopants влияют на движущие силы densification, обеспечивающ, что инструмент более далее оптимизировал промышленную конструкцию состава nanoceramics.

Другое применение было бы навести определенные формы и приказывать долгосрочного nanoparticles как последствие уменьшать энергии интерфейса. Это может управляться путем изменять energetics выбранных плоскостей для того чтобы принудить некоторый преференциальный рост. Идея лежит на факте что поверхностные энергии не уникально на частице, что, из-за кристаллической структуры, различные кристаллические фасетки присутствовал на поверхности частицы. Каждая из тех фасеток имеет различную энергию, и смогло независимо быть проконтролировано. В Виду Того Что поверхности более высокой энергии растут более быстро, тонкое регулирование тех энергий путем использование специфических атмосфер, жидкостных участков, или dopants может повысить рост различных словотолкований, как звезд-как и nanowires12(Диаграммы 4).

Диаграмма 4. Граненные nanoparticles с, котор подвергли действию плоскостями различных энергий интерфейса может переставить или вырасти к определенным формам и переставить самопроизвольно.

Измеряя Энергии Интерфейса

Измерение энергий интерфейса нет простой задачи на всех, и поэтому ограниченные данные доступны в литературе быть эксплуатированным в стратегии nano-управления обсуженной здесь. Была предложены, что как очень мощный метод определяет Термохимия точные энергии интерфейса для nanoceramics13,14. Кратко, идея этих калориметрических измерений оценить жару выпущенную во время растворения образцов с подобными формами, но различные зоны интерфейса (Диаграмму 5).

(Выйденная) Диаграмма 5. Типичный результат измерений поверхностной энергии используя DS. Поверхность дает сверхнормальную энергию которая пропорциональна к поверхностной области и измерена как разница в энтальпии DS. (Право) Настроено для измерения энтальпии разрешения падения (DS). Растворитель сдержан на °C 702 и образец упаден от комнатной температуры, котор нужно растворить. Химикотермический цикл определяет реакции во время растворения.

По Мере Того Как сверхнормальная энергия прямо-пропорциональна к зонам интерфейса, хорошая характеризация образцов предусмотрит абсолютные величины для энергий интерфейса. Этот метод можно использовать к фактически любому кристаллическому материалу, по мере того как единственное требование относительно высокая зона интерфейса, котор нужно сделать его измеряемый.

Перспективы что этот метод будет обеспечить серии данных для того чтобы улучшить управление nanostructure на основание термодинамики. Это может быть прорывом в нанотехнологии, но все еще в начале своих потенциалов. Мы можем мечтать однако на быть способны настраивать энергии интерфейса nanomaterials такие что они могут собрать самопроизвольно путь мы хотим их к, повышающ формы организованные макросом, с mesopores для применений катализирования, контролируемыми контактами для катодов батареи, выровнянными каналами для молекулярный фильтровать, Etc. Хорошо, возможно это сновидение нет то далеко отсутствующее быть истинно.


Справки

  1. Navrotsky, A., Термохимия nanomaterials, в Просмотрениях в Минералогии и Геохимии: Nanoparticles и Окружающая Среда, Banfield, J.F. и Navrotsky, A., Редакторы. 2001, Минералогическое Общество из Америки и Геохимическое Общество: Вашингтон. P. 73-103.
  2. Cao, G., Nanostructures и Nanomaterials: Синтез, Свойства, и Применения. 1-ый ed. 2004, Danvers: Имперское Давление Коллежа. 433.
  3. Castro, R.H.R., Ushakov, S.V., Gengembre, L., Gouvea, D., и Navrotsky, A., Поверхностная энергия и термодинамическая стабилность гамм-глинозема: Влияние dopants и воды. Химия Материалов, 2006. 18: P. 1867-1872.
  4. Zhao, Z.J., Meza, J.C., и Van Hove, M., Используя методы поиска картины для поверхностного определения структуры nanomaterials. Журнал Физик-Сконденсированного Дела, 2006. 18(39): P. 8693-8706.
  5. Yun, G. и Парк, H.S., multiscale A, небесконечное образование деформации для поверхностных влияний усилия на соединенном термомеханикомагнитном поведении nanomaterials. Методы Компьютера в Прикладных Механиках и Инджиниринге, 2008. 197 (41-42): P. 3337-3350.
  6. Castro, R.H.R., Маркос, P.J.B., Lorriaux, A., Steil, M.C., Gengembre, L., Roussel, P., и Gouvea, D., Избыток Интерфейса и Polymorphic Стабилность Zirconia-Магнезии Nanosized. Химия Материалов, 2008. 20: P. 3505-3511.
  7. Navrotsky, A., Energetics nanomaterials: Конкуренция между полиморфизмом и поверхностной энергией. Конспекты Бумаг Общества Американского Химиката, 2003. 225: P. U939-U939.
  8. Холм, T.L., Перспектива: Nanothermodynamics. Nano Письма, 2001. 1(3): P. 111-112.
  9. Холм, T.L., Выдвижение nanothermodynamics для того чтобы включить одноразмерный поверхностный избыток. Nano Письма, 2001. 1(3): P. 159-160.
  10. Rusanov, A.I., Nanothermodynamics. Русский Журнал Физической Химии, 2003. 77(10): P. 1558-1563.
  11. Castro, R.H.R., Torres, R.B., Pereira, G.J., и Gouvea, D., Измерение Энергии Интерфейса MgO и ZnO: Понимать Термодинамическую Стабилность Nanoparticles. Химия Материалов, 2010. 22(8): P. 2502-2509.
  12. Zhang, P., Xu, F., Navrotsky, A., Ли, J.S., Ким, S., и Liu, J., Поверхностные энтальпии nanophase ZnO с различными словотолкованиями. Химия Материалов, 2007. 19: P. 5687-5693.
  13. McHale, J.M., Auroux, A., Perrotta, A.J., и Navrotsky, A., Поверхностные энергии и термодинамическая стабилность участка в aluminas nanocrystalline. Наука, 1997. 277(5327): P. 788-791.
  14. Коста, G.C.C., Ushakov, S.V., Castro, R.H.R., Navrotsky, A., и Muccillo, R., Калориметрическое Измерение Поверхности и Энтальпии Интерфейса Yttria-Стабилизированного Zirconia (YSZ). Химия Материалов, 2010. 22(9): P. 2937-2945.

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Рикардо H.R. Castro (UC Davis)

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

Last Update: 14. June 2013 04:41

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