There is 1 related live offer.

Save 25% on magneTherm

Thermochemistry av Nanosintering: Förbättra Nanostructure Kontrollera

vid Professorn Ricardo H.R. Castro

Professor Ricardo H.R. Castro, Kemiskt Iscensätta och Dept. för MaterialVetenskap, Universitetar av Kalifornien på Davis
Motsvarande författare: rhrcastro@ucdavis.edu

Nanostructured material leker redan viktiga roller i våra vardagsliv. Från sunblockers till anti-skrapande målningar revolutionerar nanomaterials hur vi ser material som förbättrar deras kapaciteter och breddar horisonterna av applikationer. Att fullständigt förstå beskärningen av deras unika rekvisita och bättre använd dem, är det viktigt att realisera att nanomaterials är olika från bulk material därför att inte, precis de är mindre, men därför att det litet storleksanpassar markant affekt deras rekvisita och att skapa nya och olika svar till miljön. Storleksanpassa verkställer kan ses som olikt färgar, smaker, elektriska svar, katalytiska aktiviteter, Etc.

Mest av detta nano-släkta uppförande kan tillskrivas till faktumet, som ett stort del av volymen av det materiellt är inom ”har kontakt region”, dvs., några nanometers, eller mindre från ha kontakt sig själv (som visat in Figurera 1)1,2. Således nanomaterialss kan rekvisita vara ansedd en följd av, och att ska påverkas starkt by, deras har kontakt särdrag, liksom sammansättning3, strukturerar4, spänningen5,6 och, grundläggande, energetics1,7-10.

Figurera 1. Calculus av del av atoms på ytbehandla (inom 0,5 nm av ytbehandla) för en allmän nanoparticle.

Den ska energeticsen härskar stabiliteten av en nanomaterial och hur dess strukturera spontaneously, växer eller reagerar till en värma - behandling. Det är, i något system, mikro, eller nano, har den sammanlagda energin åtminstone två viktiga bidrag: den bulk energin och ha kontaktenergin. Den bulk energin är främst beslutsam vid det crystalline strukturerar och sammansättning av kärna ur av det materiellt. Denna energi kan förutsägas, genom att använda stamgäst, arrangerar gradvis diagram, som du kan studien arrangera gradvis med stabilitet av microen, och makroen tar prov.

Ha kontaktenergin är proportionell till ha kontaktområdet. Vid definition har kontakt är instabilt, som de föreställer arbetet som behövs för att skapa ett enhetsområde, genom att bryta eller att sträcka ett materiellt. Logiskt högre området, högre energin av ett system. Hence har kontakt ansar system med kick områden, liksom nanomaterials, för att kollapsa vid att förråa, att sintra eller förening till minskning den sammanlagda fria energin.

Fast detta kan låta något liknande ett dåligating, kan tendensen av systemet att sintra smartly exploateras för att skapa kontrollerade nanostructures som erbjuder att ett alternativ till de tidskrävande och dyra methodologiesna ska skapa nanostructures som baseras på hårda mallar och komplex nanolithography. Detta thermodynamic kontrollerar av nanostructure baseras på en behandlig av ha kontaktenergeticsen, som kan tvinga systemet för att växa endast i en önskad riktning, och att stoppa väx för att behålla bestämt strukturerar.

Kontrollera Thermodynamics av Nanostructure

att Sintra är gemensamt ansett ett värma antänt processaa som drivkraft är ytbehandlaenergi- och krökningspänningarna. Emellertid har kontakt en ny typ av skapas, när hånglar start för att bilda under att sintra. Detta kallas korngränsen (eller fast-fast ha kontakt) och visas allmänt att både schematically och i en verklig micrograph Figurera in 2.

Figurera 2. ZrO2 nanoparticles sintrade delvist bildande för visningkorngräns.

Korngränserna har typisk olika energier, än ytbehandlar (fast-dunsten har kontakt), sådan att, när systemet omformar, ytbehandla in i korngräns under att sintra, finns det en energi ”kostar” som är anhörigen på balansera between ytbehandlar energi och energi för korngräns. Detta balanserar ska definierar evolutionen av nanostructuren och kan kontrolleras för att ge önskvärda produkter.

För anföra som exempel, har MgO och ZnO markant olikt att ytbehandla och energier för korngränsen11. En markant olik nanostructureevolution på uppvärmning observeras i dessa tar prov, som visat in Figurera 3. Notera att, även om startnanoparticlesna är liknande storleksanpassar och formar in, ZnOen tar prov grovt markant mer, än MgOen pudrar. Det finns bestämt många kinetic begrepp som förklarar detta uppförande, men skillnaden i förhållandet mellan ytbehandla och energin för korngräns leker en extra viktig roll här. Ytbehandla energi, Därför Att energin för korngränsen av MgO är förhållandevis kicken med hänsyn till dess, finns det förhållandevis en kickenergi kostar, i att skapa en hångla. Så stoppar hånglabildandet, när energin ”som nås” av systemet ytbehandlaelimineringen, är tack vare jämförbar till ”den nödvändiga” energin att bilda gränsen. Som ytbehandla till förhållandet för energi för korngränsen i ZnO är markant högre, äger rum denna energibarriär inte som gåva, och korngränsen bildas friare. Detta föreslår att evig sanningenergierna inte är av främsta betydelse, men de skulle släktingenergierna reglerar nanosintering.

Figurera 3. Sintra experimenterar visning uppförandet av MgO, ZnO, och dopad MgO värmer under - behandling. Fast kinetics leker en ha som huvudämneroll, bevisas nanoenergeticsen att vara långt att förbättra nanosintering. (γS är ytbehandlar energi, och γGB är energi för korngräns),

Verkställa av energiförhållandet på nanostructureevolutionen ses klart, när du dopar MgO, tar prov med CaO. Som denna dopant observeras för att ändra ha kontaktenergierna, utan markant att ändra kineticsen, kan en somehow isolaten som det driftigt verkställer från kinetics. Observera microstructuren av dopad MgO, når att ha sintrat och det har jämfört till MgO och ZnO, finns det mycket mer likheter med den ZnO microstructuren som är konsekvent med energeticstrenden.

En logisk applikation av denna att närma sig skulle är i förbättringen av att sintra sig. En av de huvudsakliga utmaningarna i keramiska sintra branscher är att erhålla täta delar med kontrollerad krympning, och kontrollerat korn storleksanpassar. Detta kontrollerar göras för närvarande endast på en kinetic bas, genom att använda dopants för att kontrollera densificationmekanism. De thermodynamic att närma sig kan hjälpa att identifiera, hur dopants påverkar densificationdrivkrafter och att ge en bearbeta vidare för att optimera den industriella sammansättningsdesignen av nanoceramicsen.

En Annan skulle applikation är att framkalla detalj formar och spänner long att beställa av nanoparticles som en följd av har kontakt att minimera för energi. Detta kan vara drivande, genom att ändra energeticsen av utvalt, hyvlar för att tvinga bestämd preferens- tillväxt. Idén ligger på faktumet, som ytbehandlaenergierna inte är unika på en partikel som är menande det, på grund av kristallen, strukturerar, den olika kristallen fasetterar är närvarande på ytbehandla av en partikel. Varje av de fasetterar har en olik energi och kunde självständigt kontrolleras. Väx snabbare, Sedan den högre energin ytbehandlar, kontrollerar en bot av de energier, genom att använda specifika atmosfärer, arrangerar gradvis flytande, eller dopants kan främja tillväxten av olika morfologier, liksom stjärna-något liknande och nanowires12(Figurera 4).

Figurera 4. Fasetterade nanoparticles med utsatt hyvlar av olikt har kontakt energier kan organisera om, eller att växa till distinkt formar och organiserar om spontaneously.

att Mäta Har Kontakt Energier

Mätningen av har kontakt energier är inte en enkel uppgift alls, och därför är inskränkt data tillgängliga i litteraturen som ska exploateras i denkontrollera strategin som här diskuteras. Thermochemistry har varit föreslagen som en mycket kraftig teknik att bestämma exakt har kontakt energier för nanoceramics13,14. Kort är idén av dessa calorimetric mätningar att utvärdera värma som är utsläppt under upplösningen av, tar prov med liknande formar, men olikt ha kontakt områden (Figurera 5).

Figurera 5. (Lämnat) ytbehandlar det Typiska resultatet av energimätningar genom att använda DS. Ytbehandla ger en överskottenergi som är proportionell till ytbehandlaområdet och mätas som en skillnad i enthalpyen av DS. Ställa In för mätningen av enthalpy av tappar lösningen, (Rätt) (DS). Vätskan hålls på °C 702 och tar prov tappas från rumstemperaturen som ska upplösas. Ett thermochemical cyklar konton för reaktionerna under upplösning.

Som överskottenergin är direkt proportionell till ha kontaktområdena, tar prov en bra karakterisering av ska ger evig sanning värderar för ha kontaktenergierna. Denna teknik kan vara van vid faktiskt any crystalline materiellt, som det enda kravet är en kick har kontakt förhållandevis område för att göra det mätbart.

Perspektiven är att denna teknik ska är kompetent att ge raddadata för att förbättra kontrollera av nanostructuren på en thermodynamicsbas. Detta kan vara ett genombrott i nanotechnologyen, men är stilla i början av dess spänningar. Vi kan drömma emellertid på att vara kapabla av att trimma ha kontaktenergierna av sådan nanomaterials att de kan montera sig spontaneously oss önskar långt dem till och att främja den organiserade makroen formar, med mesopores för catalysisapplikationer, kontrollerade kontakter för batterikatoder som arrangera i rak linje kanaliserar för molekylärt filtrera, Etc. Väl, denna dröm inte är kanske away av passande true så långt.


Hänvisar till

  1. Navrotsky A., Thermochemistry av nanomaterials, Granskar in i Mineralogy och Geochemistry: Nanoparticles och Miljön, Banfielden, J.F.EN och Navrotskyen, A., Redaktörer. 2001, Mineralogical Samhälle av Amerika och det Geochemical Samhället: Washington. p. 73-103.
  2. Cao, G., Nanostructures och Nanomaterials: Syntes, Rekvisita och Applikationer. 1st ed. 2004 Danvers: Imperialistisk HögskolaPress. 433.
  3. Castro, R.H.R., Ushakov, S.V., Gengembre, L., Gouvea, D. och Navrotsky, A., Ytbehandlar energi och thermodynamic stabilitet av gamma-alumina: Verkställa av dopants och bevattna. Kemi av Material, 2006. 18: p. 1867-1872.
  4. Zhao, Z.J., Meza, J.C. och Skåpbil Hove, M. som Använder mönstrar sökandemetoder för ytbehandlar strukturerar beslutsamhet av nanomaterials. Föra Journal över av denKondenserade Materien, 2006. 18(39): p. 8693-8706.
  5. Yun G. och Parkerar, H.S., A-multiscale, den finite deformeringutformningen för ytbehandlar spänning verkställer på det förbundna thermomechanical uppförandet av nanomaterials. DatorMetoder, i Applicerade Mekaniker och att Iscensätta, 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. och Gouvea, D., Har Kontakt Överskott och Polymorphic Stabilitet av Nanosized Zirconia-Magnesia. Kemi av Material, 2008. 20: p. 3505-3511.
  7. Navrotsky A., Energetics av nanomaterials: Konkurrensen mellan polymorphismen och ytbehandlar energi. Abstrakt begrepp av Legitimationshandlingar av det Kemiska Samhället för Amerikan, 2003. 225: p. U939-U939.
  8. Kull T.L., Perspektiv: Nanothermodynamics. Nano Märker, 2001. 1(3): p. 111-112.
  9. Kullen T.L., F8orlängning av nanothermodynamicsen som inkluderar ettdimensionellt, ytbehandlar överskotts. Nano Märker, 2001. 1(3): p. 159-160.
  10. Rusanov A.I., Nanothermodynamics. Ryssen Förar Journal över av LäkarundersökningKemi, 2003. 77(10): p. 1558-1563.
  11. Castro, R.H.R., Torres, R.B., Pereira, G.J. och Gouvea, D., Har Kontakt EnergiMätning av MgO och ZnO: Överenskommelse den Thermodynamic Stabiliteten av Nanoparticles. Kemi av Material, 2010. 22(8): p. 2502-2509.
  12. Zhang, P., Xu, F., Navrotsky, A., Lee, J.S., Kim, S. och Liu, J., Ytbehandlar enthalpies av nanophasen ZnO med olika morfologier. Kemi av Material, 2007. 19: p. 5687-5693.
  13. McHale, J.M., Auroux, A., Perrotta, A.J. och Navrotsky, A., Ytbehandlar energier, och thermodynamic arrangera gradvis stabilitet i nanocrystallinealuminas. Vetenskap 1997. 277(5327): p. 788-791.
  14. Costaen, G.C.C., Ushakov, S.V., Castro, R.H.R., Navrotsky, A. och Muccillo, R., den Calorimetric Mätningen av Ytbehandlar och Har Kontakt Enthalpies av denStabiliserade Zirconiaen (YSZ). Kemi av Material, 2010. 22(9): p. 2937-2945.

Ta Copyrightt på AZoNano.com, Professorn Ricardo H.R. Castro (Uc Davis)

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

Last Update: 14. June 2013 04:48

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