Нанотехнологии. Общие сведения о наноматериалах

Июль 31, 2022

Главная
Физика
Нанотехнологии. Общие сведения о наноматериалах

Содержание

5. «ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОМАТЕРИАЛАХ» (ПРОДОЛЖЕНИЕ) 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ
6. Свойства наноматериалов часто сильно отличаться от свойств макроматериалов.
7. Благодаря изменением свойств материалов в наноразмерном состоянии, становится возможно получать метаматериалы. Метаматериалы — это полностью искусственные
8. Например, материалы с отрицательным коэффициентом преломления света и т.п.:
9. СЕЛЕНИД КАДМИЯ В НАНОМАСШТАБЕ ФЛУОРЕСЦИРУЕТ ВСЕМИ ЦВЕТАМИ РАДУГИ, ПРИЧЕМ ЦВЕТ ЗАВИСИТ ЛИШЬ ОТ ДИАМЕТРА ЧАСТИЦ. ТАКИЕ
10. 2.«РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ. СТРУКТУРНЫЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАНОЧАСТИЦ И ИХ РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ»
11. Что такое «размерные эффекты?» Размерный эффект – зависимость удельной характеристики (или интенсивного параметра) вещества от размера
12. Почему же свойства материалов так сильно зависят от размера частиц?
13. Термодинамический подход к описанию размерных эффектов Изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса) вещества описывается общим выражением: G (P,T,A)
14. Любая термодинамическая система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию. Избыточная поверхностная энергия может уменьшиться за счет: уменьшения
15. При контакте двух фаз возникает поверхностное натяжение Поверхностное натяжение Физический смысл поверхностного натяжения рМ – внутримолекулярное
16. Энергетическое определение поверхностного натяжения Поверхностное натяжение (σ) – работа обратимого изотермического процесса, затраченная на образование единицы
17. Термодинамическое определение поверхностного натяжения При постоянных Т, р, ni, q имеем: Поверхностное натяжение - частная производная
18. Зависимость параметра кристаллической решетки от размера частиц Поверхность оказывает на кристалл сжимающее действие! Идеальные положения атомов
19. а)кубическая объемно-центрированная б)кубическая гранецентрированная в)гексагональная плотноупакованная в а б В кристаллических веществах может происходить изменение кристаллической
20. Другие виды упаковки наночастиц
21. Важное качество дисперсных систем, связанное с раздробленностью – резкое увеличение кривизны поверхности. В результате искривления поверхности
22. Уравнение Лапласа (вывод) В результате искривления поверхности совершается работа δW, которая приводит к изменению объема тела
23. Приращение энергии Гиббса в результате искривления поверхности: При T=const для индивидуального вещества V=Vm, где: Vm –
24. Влияние дисперсности (кривизны поверхности) на различные физико-химические процессы 1. Влияние дисперсности на реакционную способность веществ Реакционная
25. 2. Связь дисперсности с константой равновесия Степень дисперсности вещества влияет на равновесие химической реакции. Изменение энергии
26. 3. Влияние дисперсности на температуру фазовых переходов С изменением дисперсности меняется температура фазового перехода веществ. При
27. Заменим: на Тогда получим: где: ΔТ - изменение температуры при фазовом переходе при диспергировании. Из уравнения
29. Скачать презентацию

Слайд 2

Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

«ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОМАТЕРИАЛАХ» (ПРОДОЛЖЕНИЕ) 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ

Слайд 6

Свойства наноматериалов часто сильно отличаться от свойств макроматериалов.

Слайд 7

Благодаря изменением свойств материалов в наноразмерном состоянии, становится возможно получать метаматериалы.

Метаматериалы — это полностью искусственные устройства, обладающие свойствами, которых в природе попросту нет. Они состоят из упорядоченных наноэлементов, например наноэлектрических цепей.
Строгая организация усиливает свойства отдельных элементов и позволяет метаматериалам проявлять их в макромире.

Слайд 8

Например, материалы с отрицательным коэффициентом преломления света и т.п.:

Слайд 9

СЕЛЕНИД КАДМИЯ В НАНОМАСШТАБЕ ФЛУОРЕСЦИРУЕТ ВСЕМИ ЦВЕТАМИ РАДУГИ, ПРИЧЕМ ЦВЕТ ЗАВИСИТ

ЛИШЬ ОТ ДИАМЕТРА ЧАСТИЦ. ТАКИЕ ЧАСТИЦЫ НАЗЫВАЮТ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ.

Квантовая точка - структура, у которой во всех трех направлениях размеры составляют несколько межатомных расстояний.

Слайд 10

2.«РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ. СТРУКТУРНЫЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАНОЧАСТИЦ И ИХ РЕАКЦИОННАЯ

СПОСОБНОСТЬ»

Слайд 11

Что такое «размерные эффекты?»
Размерный эффект – зависимость удельной
характеристики (или интенсивного параметра)
вещества

от размера его частиц.
В качестве такой характеристики могут быть:
- термодинамические свойства
- параметры кристаллической решетки
- прочность, пластичность
- транспортные свойства (диффузия,
электронная и ионная проводимость)
- оптические и магнитные свойства
- реакционная способность (скорость и механизм
химических реакций)
Размерных эффектов может быть много!

Слайд 12

Почему же свойства материалов так сильно зависят от размера частиц?

Слайд 13

Термодинамический подход к описанию
размерных эффектов
Изобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса) вещества описывается общим

выражением:
G (P,T,A) = (U + PV – TS) + σA + ΔGупр(A),
где σ – удельная поверхностная энергия;
А – удельная поверхность;
ΔGупр(A) – вклад энергии упругих напряжений
Видно, что поверхностная энергия играет роль дополнительного внешнего параметра, который наряду с Р и Т определяет термодинамическое состояние системы

Слайд 14

Любая термодинамическая система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию.
Избыточная поверхностная энергия

может уменьшиться за счет:
уменьшения площади поверхности: сферическая форма капель (сглаживание поверхности), объединение частиц (коагуляция, агрегация, коалесценция).
уменьшения поверхностного натяжения: адсорбция, адгезия, смачивание, образование ДЭС;

Слайд 15

При контакте двух фаз возникает поверхностное натяжение
Поверхностное натяжение
Физический смысл поверхностного натяжения
рМ

– внутримолекулярное давление

Слайд 16

Энергетическое определение поверхностного натяжения
Поверхностное натяжение (σ) – работа обратимого изотермического процесса,

затраченная на образование единицы площади поверхности раздела фаз:
Силовое определение поверхностного натяжения
Поверхностное натяжение – сила, направленная тангенциально (параллельно) к поверхности и приходящаяся на единицу длины периметра, ограничивающего эту поверхность.
Физическая сущность – поверхностные молекулы стремятся уйти вглубь конденсированной фазы, тем самым, сжимая поверхность.

Слайд 17

Термодинамическое определение поверхностного натяжения
При постоянных Т, р, ni, q имеем:
Поверхностное натяжение

- частная производная от любого термодинамического потенциала по площади межфазной поверхности при постоянных соответствующих параметрах.

Слайд 18

Зависимость параметра кристаллической решетки от размера частиц
Поверхность оказывает на кристалл сжимающее

действие!

Идеальные положения атомов Реальная поверхность
При R < ~ 20 нм параметр решетки уменьшается!

Это упрощенная схема
↓↓↓

Слайд 19

а)кубическая объемно-центрированная
б)кубическая гранецентрированная
в)гексагональная плотноупакованная
в
а
б
В кристаллических веществах может происходить изменение кристаллической решетки,

например:

Слайд 20

Другие виды упаковки наночастиц

Слайд 21

Важное качество дисперсных систем, связанное с раздробленностью – резкое увеличение кривизны

поверхности.

В результате искривления поверхности возникает избыточное внутримолекулярное давление Δр.
Δр - разность давлений внутри искривленной и плоской поверхности конденсированной фазы (капли жидкости).

Слайд 22

Уравнение Лапласа (вывод)
В результате искривления поверхности совершается работа δW, которая приводит

к изменению объема тела на величину dV.

При постоянных Т, р, ni, q в условии равновесия dG = 0:

Тогда:

где: - кривизна поверхности.

Слайд 23

Приращение энергии Гиббса в результате искривления поверхности:
При T=const для индивидуального вещества

V=Vm,
где: Vm – мольный объем жидкости.
Тогда:

, или в интегральной форме:

Подставим в уравнение (1) уравнение Лапласа, получим:

для частиц сферической формы

для частиц цилиндрической формы

Слайд 24

Влияние дисперсности (кривизны поверхности) на различные физико-химические процессы
1. Влияние дисперсности на

реакционную способность веществ
Реакционная способность вещества определяется изменением энергии Гиббса. Приращение энергии Гиббса в результате изменения дисперсности системы ΔGд при Т=соnst запишется:
или в интегральной форме
Для сферической выпуклой поверхности
Тогда:
Величина ΔGд показывает, на сколько изменилась энергия Гиббса в результате раздробленности дисперсной фазы.
Частицы с искривленной поверхностью приобретают дополнительную свободную энергию и обладают повышенной реакционной способностью, что оказывает большое влияние на интенсификацию различных процессов, в том числе и технологических.

Слайд 25

2. Связь дисперсности с константой равновесия
Степень дисперсности вещества влияет на равновесие

химической реакции. Изменение энергии Гиббса в результате искривления поверхности связано с константой равновесия химической реакции уравнением:
где: - приращение энергии Гиббса, обусловленное дисперсностью, К и Кд – константы равновесия реакции с учетом недиспергированных и диспергированных веществ.
Вывод: повышение дисперсности конечных или исходных веществ приводит к сдвигу равновесия химической реакции и к изменению константы равновесия, т.е. дисперсность влияет на равновесие подобно влиянию температуры и давления.
Пример:
Золото не взаимодействует с соляной кислотой, а коллоидное золото в ней растворяется.
Серебро, практически не растворимое в обычном состоянии, проявляет бактерицидное действие в высокодисперсном состоянии (препараты колларгол, протаргол).

Слайд 26

3. Влияние дисперсности на температуру фазовых переходов
С изменением дисперсности меняется температура

фазового перехода веществ.
При постоянном давлении изменение энергии Гиббса, связанное с изменением дисперсности в соответствии с объединенными уравнениями первого и второго начал термодинамики запишется:
или в интегральном виде: (1)
где:
Тд – температура фазового перехода вещества в диспергированном состоянии, Т - температура фазового перехода вещества в макросостоянии.
Изменение энергии Гиббса через уравнение Лапласа для сферической поверхности запишется:
Приравняем уравнения (1) и (2), получим:
Из второго начала термодинамики:
Выразим ΔТ :

Слайд 27

Заменим: на
Тогда получим:
где: ΔТ - изменение температуры при фазовом

переходе при диспергировании.
Из уравнения следует, что при ΔНф.п.>0 (плавление и испарение), с уменьшением размера частиц r изменение температуры фазового перехода вещества в диспергируемом и макросостоянии ΔТ увеличивается:
Изменение температуры фазового перехода с изменением дисперсности тем больше, чем выше температура фазового перехода, больше поверхностное натяжение и меньше теплота фазового перехода. Поэтому для тугоплавких веществ наблюдается более сильный эффект понижения температуры плавления с ростом дисперсности.

Нанотехнологии. Общие сведения о наноматериалах

Содержание

«ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОМАТЕРИАЛАХ» (ПРОДОЛЖЕНИЕ) 1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА НАНОМАТЕРИАЛОВ

Свойства наноматериалов часто сильно отличаться от свойств макроматериалов.

Благодаря изменением свойств материалов в наноразмерном состоянии, становится возможно получать метаматериалы.

Например, материалы с отрицательным коэффициентом преломления света и т.п.:

СЕЛЕНИД КАДМИЯ В НАНОМАСШТАБЕ ФЛУОРЕСЦИРУЕТ ВСЕМИ ЦВЕТАМИ РАДУГИ, ПРИЧЕМ ЦВЕТ ЗАВИСИТ

2.«РАЗМЕРНЫЕ ЭФФЕКТЫ. СТРУКТУРНЫЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ НАНОЧАСТИЦ И ИХ РЕАКЦИОННАЯ

Что такое «размерные эффекты?»Размерный эффект – зависимость удельнойхарактеристики (или интенсивного параметра)вещества

Почему же свойства материалов так сильно зависят от размера частиц?

Термодинамический подход к описаниюразмерных эффектовИзобарно-изотермический потенциал (энергия Гиббса) вещества описывается общим

Любая термодинамическая система стремиться уменьшить свою поверхностную энергию. Избыточная поверхностная энергия

При контакте двух фаз возникает поверхностное натяжениеПоверхностное натяжениеФизический смысл поверхностного натяжениярМ

Энергетическое определение поверхностного натяженияПоверхностное натяжение (σ) – работа обратимого изотермического процесса,

Термодинамическое определение поверхностного натяжения При постоянных Т, р, ni, q имеем: Поверхностное натяжение

Зависимость параметра кристаллической решетки от размера частицПоверхность оказывает на кристалл сжимающее

Другие виды упаковки наночастиц

Важное качество дисперсных систем, связанное с раздробленностью – резкое увеличение кривизны

Уравнение Лапласа (вывод) В результате искривления поверхности совершается работа δW, которая приводит

Приращение энергии Гиббса в результате искривления поверхности: При T=const для индивидуального вещества

Влияние дисперсности (кривизны поверхности) на различные физико-химические процессы1. Влияние дисперсности на

2. Связь дисперсности с константой равновесия Степень дисперсности вещества влияет на равновесие

3. Влияние дисперсности на температуру фазовых переходов С изменением дисперсности меняется температура

Заменим: на Тогда получим:где: ΔТ - изменение температуры при фазовом

Похожие презентации