Nanosintering 热化学: 改进 Nanostructure 控制

由里卡多 H.R. 卡斯楚教授

里卡多 H.R. 卡斯楚、化学工程和材料学部门,加州大学教授迪维斯的
对应的作者: rhrcastro@ucdavis.edu

已经 Nanostructured 材料作用重要作用在我们的日常生活中。 从反抓的绘画的星期日阻碍, nanomaterials 改革我们如何看到材料,改进他们的性能和扩展应用展望期。 充分地了解他们的唯一属性的始发地和更好使用他们,意识到是重要的 nanomaterials 是与粒状材料不同不仅仅,因为他们是更小的,但是,因为小的范围极大影响他们的属性,创建对这个环境的新颖和不同的回应。 尺寸效应能被看到作为不同的颜色、口味、电子回应、催化作用等等。

大多数此纳诺关连的工作情况可以归因于这个情况材料的大部分数量是在 “界面区内”,即,一些毫微米或较少从这个界面如图 1) 所显示, (1,2。 因此, nanomaterials 的属性可以被认为结果和严格影响,他们的界面功能,例如构成3、结构4、重点5,6 ,并且,基本上,能学1,7-10

原子的分数的图 1. 微积分在表面 (在表面的 0.5 毫微米之内) 一通用纳米颗粒的。

能学将控制 nanomaterial 的稳定性,并且其结构如何本能地增长到或回应热治疗。 即在所有系统,微或纳诺,总能有至少二重要摊缴: 批量能源和界面能源。 批量能源主要取决于材料的核心的水晶结构和构成。 通过使用正常相位图,此能源可以预测,您能学习微和宏观范例的阶段稳定性。

界面能源与界面区是按比例。 根据定义,界面是不稳定的,因为他们表示中断或舒展必要的创建单位区间这个工作材料。 逻辑上,越高区,越高系统的能源。 因此,与高界面区的系统,例如 nanomaterials,倾向于由变粗,焊接或者结合崩溃减少总热力势。

虽然这可能听起来一件坏事情,这个系统的倾向焊接可以聪明地被利用创建受控 nanostructures,提供替代为费时和消耗大的方法创建在困难模板和复杂 nanolithography 基础上的 nanostructures。 nanostructure 此热力学控制在界面能学的处理基础上,在一个期望方向可能强制这个系统仅增长,并且终止请成长为保留某一结构。

Nanostructure 控制热力学

焊接通常被认为驱动力是表面能和曲度潜在的热导致的进程。 然而,在焊接期间时,当脖子开始形成界面的一个新类型被创建。 这在表 2. 一般称晶界 (或固定固定的界面) 和显示概要地和在一台实际微写器。

图 2. ZrO2 nanoparticles 部分地焊接了显示晶界形成。

晶界比表面 (固定蒸气界面),这样典型地有不同的能源,在焊接期间时,当这个系统变换表面成晶界,有依靠在表面能和晶界能源之间的平衡 ‘花费的’的能源。 此平衡将定义 nanostructure 的演变,并且可以被控制提供理想的产品。

例如, MgO 和 ZnO 有较大不同表面和晶界能源11。 如图 3. 所显示,在热化的较大不同 nanostructure 演变在这些范例被观察。 比 MgO 粉末注意,虽然开始的 nanoparticles 在大小上是类似的并且塑造, ZnO 抽样粗糙更。 一定有解释此工作情况的许多运动概念,但是在比例上的区别在表面和晶界能源之间扮演一个另外的重大的角色这里。 由于 MgO 晶界能源是相对地高关于其表面能,有在创建脖子花费的相对地高能。 因此,当这个系统 ‘获取的’这个能源由于表面清除与这个 ‘需要的’能源是可比较的形成这个限定范围时,脖子形成终止。 作为对晶界能量比的表面在 ZnO 显着更高,此能垒不是作为存在,并且晶界自由地被形成。 这建议绝对能源不是头等重要,但是相对能源将管理 nanosintering。

图 3. 显示 MgO、 ZnO 和被掺杂的 MgO 的工作情况焊接实验在热治疗下。 虽则动能学扮演主角, nanoenergetics 被证明是方式改进 nanosintering。 (γS 是表面能,并且γGB 是晶界能源)

当掺杂与 CaO 时的 MgO 范例能量比的作用对 nanostructure 演变明显地被看到。 当此掺杂物被观察更改界面能源,无需重大更改动能学,一个可能莫名其妙地查出从动能学的精力充沛的作用。 观察被掺杂的 MgO 微结构在焊接和比较与 MgO 和 ZnO 以后,有与 ZnO 微结构的更多相似性,一贯地与能学趋势。

此途径的一种逻辑应用在焊接的改善。 其中一个在陶瓷焊接行业的主要挑战是得到与受控收缩和受控粒度的密集的部分。 此控制只当前完成根据一个运动基本类型,通过使用掺杂物控制浓缩结构。 这个热力学途径可能帮助识别掺杂物如何影响浓缩驱动力,提供工具进一步优选 nanoceramics 行业构成设计。

另一种应用是导致特殊形状和长距离预定 nanoparticles 作为界面能源减到最小结果。 这可以被更改所选的飞机能学强制某一优先增长驱动。 这个想法在这个情况位于表面能不是唯一的在微粒,意味由于这种晶体结构,不同的水晶小平面是存在微粒的表面。 那些小平面中的每一个有一个不同的能源,并且可能独立控制。 因为高能表面快速地增长,那些能源一个细致的控制通过使用特定气氛、液体阶段或者掺杂物的可能促进不同的形态学增长,例如星形和 nanowires12(图 4)。

图 4. 与不同的界面能源显示的飞机的雕琢平面的 nanoparticles 可能重新整理或成长为明显的形状和本能地重新整理。

评定的界面能源

界面能源的评定根本不是一项简单的任务,并且有限数据是可用的在纳诺控制方法将剥削的这个文件讨论这里。 热化学建议作为一个非常强大的技术确定 nanoceramics 的准确界面能源13,14。 简而言之,这些量热法评定想法是评估在范例的解散时被发行的热与相似的形状的,但是不同的界面区 (图 5)。

图 5. () 典型的结果使用 DS 的表面能评定。 表面产生与表面是按比例并且被评定作为在 DS 焓上的一个区别的一种过剩能。 (正确) 设置为下落解决方法焓的评定 (DS)。 溶剂被保留在 702 °C,并且范例从将被溶化的室温被丢弃。 热化学循环占回应在解散时。

因为这种过剩能是正比例的对界面区,范例的一个好描述特性为界面能源将提供绝对值。 因为唯一的需求是使它可测量的一相对地高界面区此技术可以用于实际上所有水晶材料。

透视图是此技术能提供许多数据改进 nanostructure 控制根据热力学基本类型的。 这在这个纳米技术里可能是突破,但是仍然是在其潜在的开头部分。 然而我们在可能作梦能够调整 nanomaterials 界面能源这样他们可以本能地装配自己我们想要他们对的方式,促进组织的宏指令塑造,与催化应用的 mesopores,电池负极的受控制联络,分子过滤的对齐的通道等等。 那么,或许此梦想很远不是那变得真。


参考

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版权 AZoNano.com,里卡多 H.R. 卡斯楚 (加州大学戴维斯分校) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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