Лекция по нанотехнологии 2 - ppt изтегляне
Нанотехнология Лекция 2 Физическа химия на твърдите повърхности
Въведение Разпределение на атомите между повърхността и обемната фаза Съотношението на повърхностните атоми намалява с размера на Pd клъстера. [° С. Nützenadel, Eur. Phys. J. D8, 245 (2000).] В 1cm3 желязо броят на повърхностните атоми е 10-5% в куб с дължина на ръба 10 nm 10% в 1 nm3 всички атоми са на повърхността. От това следва, че много големи повърхностите се образуват от наночастици и една от основните задачи е да ги държим отделно.
Въведение Вариране на повърхностната енергия с размера на частиците. Изчисленията се основават на 1 g NaCl кристал. Предполага се, че повърхностната енергия е 2x10-5J/cm2, а енергията на ръбовете е 3x10-13 J/cm и кристалът непрекъснато се нарязва на по-малки частици. Промяна в повърхностната енергия с размера на частиците. Констатации: Големи кубчета: малка повърхностна и крайна енергия По-малки кубчета: и двете растат Достигане на нанометри: седем порядъка Те ще бъдат по-големи
Където ρa е броят на атомите на единица повърхност Повърхностна енергия По дефиниция повърхностната енергия (γ) е енергията, необходима за създаване на нова повърхност на единица: където A е повърхността. Изберете куб от двете страни. На новата повърхност всеки атом се поставя в асиметрична среда и се движи към вътрешността на тялото, тъй като връзките му се разкъсват. За всеки атом на такава идеална повърхност енергията, необходима за връщане в първоначалното си състояние, ще бъде равна на произведението на броя на скъсаните връзки (Nb) и половината на якостта на връзката, (ε). Моделът е груб, тъй като не отчита - пренареждането на повърхността, - по-отдалечените взаимодействия между атомите, - приноса на ентропията. Където ρa е броят на атомите на единица площ
Повърхностна енергия Вземете кристално центриран лист (FCC) с елементарната клетка а, за да покажете повърхностната енергия на различни кристални листове. Всеки атом има 12 координати. Всеки повърхностен атом на лист (100) показва четири прекъснати химически връзки. Повърхностната енергия на такъв лист може да се изчисли по следното уравнение: По същия начин повърхностната енергия на лист (110) с 5 атома, съдържащи прекъснати връзки: Докато на лист (111) има 3 атома без връзки: (2.5.)
Повърхностна енергия Схематичен чертеж на миграцията на повърхностни атоми в мрежа навътре или странично, за да се намали повърхностната енергия. Схематичен чертеж на трансформацията на силициевата (100) повърхност. Схематичният чертеж показва, че диамантеният лист трябва да бъде затворен с хемосорбиран водород, а силицият с хемосорбирани хидроксилни групи преди пренареждането.
Повърхностна енергия Примери за термодинамично балансирани кристали. Натриевият хлорид, среброто, златото и златните частици след обработка при 1000 ° C, може да се види, че основите са грапави.
Повърхностна енергия Представянето на Wulf често се използва за определяне на повърхността и формата на равновесните кристали. Предполагаме, че общата повърхностна енергия на кристала в равновесие е минимум, така че в кристала има точка, от която перпендикулярът на всяка плоча е пропорционален на повърхностната енергия. γi = C hi, където C е постоянна и е еднаква за всички листове в кристала. За изграждане на диаграма на Вулф: Начертайте вектори с дължина, пропорционална на повърхностната енергия, сочеща към нормалата на листа, от обща точка и след това нарисувайте линия, представляваща повърхността в края на всеки вектор и намерете геометрията, чиито страни ще бъде дефиниран по този начин. Конформацията на хипотетичен двуизмерен кристал е: (10) равнина, (б) равнина (11), (в) формата, получена от представянето на Вулф, (г) представяне на Вулф, като се вземат предвид само равнините (10 ) и (11). [A.W. Адамсън и А.П. Gast, Physical Chemistry of Surfaces, 6th edition, John Wiley & Sons, New York, 1997.]
Процеси на узряване на повърхностната енергия на Оствалд. Синтероване: превръщането на отделни частици в твърда повърхност, където свързването се осъществява по границите. (б) Малки частици се сливат в една по-голяма, без интерфейси. И двете трансформации намаляват границата на твърдо-газовия интерфейс.
Работата по прехвърлянето може да се изчисли от промяната на химичния потенциал: Изкривяване на повърхността Прехвърлянето на dn атоми от плоска повърхност към частица с радиус R води до промяна на обема dV, равна на произведението на атомния обем, Ω и dn атомния номер: Прехвърляне работата може да се изчисли от промяната на химичния потенциал: (2.9) Където μc е химическият потенциал на повърхността на частиците и μ∞ на плоската повърхност. Комбинирайки двете уравнения, получаваме връзката, която може да бъде обобщена за всяка извита повърхност:
Повърхностна кривина и химичен потенциал Промяна в химичния потенциал между повърхности с радиус R1 и R2: На изпъкнала повърхност кривината е положителна, химическият потенциал на атом на такава повърхност е по-голям, отколкото на равна повърхност. Транспортът на материал от плоска повърхност до изпъкнала повърхност увеличава повърхностния химичен потенциал. Очевидно е, че когато материалът премине от плоска повърхност към вдлъбната повърхност, това количество химически потенциал намалява. Термодинамично химичният потенциал на атома е най-голям на изпъкнала повърхност и най-малък на вдлъбната повърхност. Връзка между разтворимостта и парното налягане на твърдото вещество (ако приемем, че парите на веществото са идеален газ!): Където μv е химическият потенциал на парен атом, k е константата на Болцман, P∞, равновесното налягане на плоския повърхност, а T е температурата. Подобно на извита повърхност: където Pc е равновесното налягане на парите на извитата повърхност.
Повърхностна кривина и химичен потенциал От комбинацията от предишните две уравнения: Превключване към два радиуса на кривина: За сферична частица: Като се вземе предвид уравнението на Келвин за разтворимост: