Nanosintering 熱化學: 改進 Nanostructure 控制

由裡卡多 H.R. 卡斯楚教授

裡卡多 H.R. 卡斯楚、化學工程和材料學部門,加州大學教授迪維斯的
對應的作者: rhrcastro@ucdavis.edu

已經 Nanostructured 材料作用重要作用在我們的日常生活中。 從反抓的繪畫的星期日阻礙, nanomaterials 改革我們如何看到材料,改進他們的性能和擴展應用展望期。 充分地瞭解他們的唯一屬性的始發地和更好使用他們,意識到是重要的 nanomaterials 是與粒狀材料不同不僅僅,因為他們是更小的,但是,因為小的範圍極大影響他們的屬性,創建對這個環境的新穎和不同的回應。 尺寸效應能被看到作為不同的顏色、口味、電子回應、催化作用等等。

大多數此納諾關連的工作情況可以歸因於這個情況材料的大部分數量是在 「界面區內」,即,一些毫微米或較少從這個界面如圖 1) 所顯示, (1,2。 因此, nanomaterials 的屬性可以被認為結果和嚴格影響,他們的界面功能,例如構成3、結構4、重點5,6 ,并且,基本上,能學1,7-10

原子的分數的圖 1. 微積分在表面 (在表面的 0.5 毫微米之內) 一通用納米顆粒的。

能學將控制 nanomaterial 的穩定性,并且其結構如何本能地增長到或回應熱治療。 即在所有系統,微或納諾,總能有至少二重要攤繳: 批量能源和界面能源。 批量能源主要取決於材料的核心的水晶結構和構成。 通過使用正常相位圖,此能源可以預測,您能學習微和宏觀範例的階段穩定性。

界面能源與界面區是按比例。 根據定義,界面是不穩定的,因為他們表示中斷或舒展必要的創建單位區間這個工作材料。 邏輯上,越高區,越高系統的能源。 因此,與高界面區的系統,例如 nanomaterials,傾向於由變粗,銲接或者結合崩潰減少總熱力勢。

雖然這可能聽起來一件壞事情,這個系統的傾向銲接可以聰明地被利用創建受控 nanostructures,提供替代為費時和消耗大的方法創建在困難模板和複雜 nanolithography 基礎上的 nanostructures。 nanostructure 此熱力學控制在界面能學的處理基礎上,在一個期望方向可能強制這個系統仅增長,并且終止请成長為保留某一結構。

Nanostructure 控制熱力學

銲接通常被認為驅動力是表面能和曲度潛在的熱導致的進程。 然而,在銲接期間時,當脖子開始形成界面的一個新類型被創建。 這在表 2. 一般稱晶界 (或固定固定的界面) 和顯示概要地和在一臺實際微寫器。

圖 2. ZrO2 nanoparticles 部分地銲接了顯示晶界形成。

晶界比表面 (固定蒸氣界面),這樣典型地有不同的能源,在銲接期間時,當這個系統變換表面成晶界,有依靠在表面能和晶界能源之間的平衡 『花費的』的能源。 此平衡將定義 nanostructure 的演變,并且可以被控制提供理想的產品。

例如, MgO 和 ZnO 有較大不同表面和晶界能源11。 如圖 3. 所顯示,在熱化的較大不同 nanostructure 演變在這些範例被觀察。 比 MgO 粉末注意,雖然開始的 nanoparticles 在大小上是類似的并且塑造, ZnO 抽樣粗糙更。 一定有解釋此工作情況的許多運動概念,但是在比例上的區別在表面和晶界能源之間扮演一個另外的重大的角色這裡。 由於 MgO 晶界能源是相對地高關於其表面能,有在創建脖子花費的相對地高能。 因此,當這個系統 『獲取的』這個能源由於表面清除與這個 『需要的』能源是可比較的形成這個限定範圍時,脖子形成終止。 作為對晶界能量比的表面在 ZnO 顯著更高,此能壘不是作為存在,并且晶界自由地被形成。 這建議绝對能源不是頭等重要,但是相對能源將管理 nanosintering。

圖 3. 顯示 MgO、 ZnO 和被摻雜的 MgO 的工作情況銲接實驗在熱治療下。 雖則動能學扮演主角, nanoenergetics 被證明是方式改進 nanosintering。 (γS 是表面能,并且γGB 是晶界能源)

當摻雜與 CaO 時的 MgO 範例能量比的作用對 nanostructure 演變明顯地被看到。 當此摻雜物被觀察更改界面能源,无需重大更改動能學,一个可能莫名其妙地查出從動能學的精力充沛的作用。 觀察被摻雜的 MgO 微結構在銲接和比較與 MgO 和 ZnO 以後,有與 ZnO 微結構的更多相似性,一貫地與能學趨勢。

此途徑的一種邏輯應用在銲接的改善。 其中一個在陶瓷銲接行業的主要挑戰是得到與受控收縮和受控粒度的密集的部分。 此控制只當前完成根據一個運動基本類型,通過使用摻雜物控制濃縮結構。 這個熱力學途徑可能幫助識別摻雜物如何影響濃縮驅動力,提供工具進一步優選 nanoceramics 行業構成設計。

另一種應用是導致特殊形狀和長距離預定 nanoparticles 作為界面能源減到最小結果。 這可以被更改所選的飛機能學強制某一優先增長驅動。 這個想法在這個情況位於表面能不是唯一的在微粒,意味由於這種晶體結構,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個有一個不同的能源,并且可能獨立控制。 因為高能表面快速地增長,那些能源一個細致的控制通過使用特定氣氛、液體階段或者摻雜物的可能促進不同的形態學增長,例如星形和 nanowires12(圖 4)。

圖 4. 與不同的界面能源顯示的飛機的雕琢平面的 nanoparticles 可能重新整理或成長為明顯的形狀和本能地重新整理。

評定的界面能源

界面能源的評定根本不是一項簡單的任務,並且有限數據是可用的在納諾控制方法將剝削的這個文件討論這裡。 熱化學建議作為一個非常強大的技術確定 nanoceramics 的準確界面能源13,14。 簡而言之,這些量熱法評定想法是評估在範例的解散時被發行的熱與相似的形狀的,但是不同的界面區 (圖 5)。

圖 5. () 典型的結果使用 DS 的表面能評定。 表面產生與表面是按比例并且被評定作為在 DS 焓上的一個區別的一種過剩能。 (正確) 設置為下落解決方法焓的評定 (DS)。 溶劑被保留在 702 °C,并且範例從將被溶化的室溫被丟棄。 熱化學循環佔回應在解散時。

因為這種過剩能是正比例的對界面區,範例的一個好描述特性為界面能源將提供绝對值。 因為唯一的需求是使它可測量的一相對地高界面區此技術可以用於實際上所有水晶材料。

透視圖是此技術能提供許多數據改進 nanostructure 控制根據熱力學基本類型的。 這在這個納米技術裡可能是突破,但是仍然是在其潛在的開頭部分。 然而我們在可能作夢能够調整 nanomaterials 界面能源這樣他們可以本能地裝配自己我們想要他們對的方式,促進組織的宏指令塑造,與催化應用的 mesopores,電池負極的受控制聯絡,分子過濾的對齊的通道等等。 那麼,或許此夢想很遠不是那變得真。


參考

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版權 AZoNano.com,裡卡多 H.R. 卡斯楚 (加州大學戴維斯分校) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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