Современные материалы как основа бизнеса

- сделать их безопаснее и экологичнее
еще дополнительно - сделать их регулярно заменяемыми

работа с одним из участников рынка
вывод его в лидеры рынка с эксклюзивным решением
стратегия стартапа
инструменты продажи - патент, лицензия, договор о конфиденциальности

работа со всеми доступными участниками рынка
последовательное улучшение продукта
стратегия крупной компании/химической корпорации
инструменты продажи - демпинг, налоговые преференции, оптимизация логистики, рекламные акции

стратегии в материаловедческом бизнесе

тонкие пленки и гетероструктуры и т.д.

в основе любого материаловедения лежат понятия термодинамики сплошных сред

термодинамика - основа научно-естественной картины мира. (Основная проблема коммуникации между бизнесом и научным сообществом).

состав

структура

свойства

хвастовство потребителю

особенности
производства

объект исследования
и защиты

в термодинамическом равновесии.
2. Термодинамические параметры характеризуют состояние термодинамической системы.
3. Гомогенная и гетерогенная система. Одна или несколько фаз.

газ

жидкость

твердая
частица

Примеры:
песок в воде - 2 фазы
лед в воде - 2 фазы
лед и песок в воде - 3 фазы
растворенная соль в воде - 1 фаза

термодинамической системе определяется как количество соединений минус количество связывающих их химических реакций.

однокомпонентная фазовая диаграмма

представляют собой нанотехнологии и наноматериалы? Процессы или объекты в которых присутствуют компоненты с хотя бы одним линейным параметром менее 100 нм.

атом

1Å

кластер/молекула

1Å

50 нм

соотношение атомов на поверхности к общему количеству атомов

100%

100%

0.6%

0.001 мм

10-6 %

плотно спеченных
частиц )
Агломераты ( группа частиц связанная
Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием

границы, взаимодействие вещества на поверхности межфазных границ

Коллоидные системы
Признаки коллоидной системы:
Рассеяние света
Выпадение осадка при незначительном изменении состава раствора
Переход вещества в осадок или в раствор не сопровождается изменением температуры или объема системы
Способность к диализу
Замедленная диффузия (по сравнению с истинными растворами)
Диализ

Методы коллоидной химии
Ультрамикроскопия
Электронная микроскопия
Электрофорез
Лазерная дифракция
Динамическое светорассеяние
ультрацентрифугирование

Коллоидная химия – наука о свойствах гетерогенных высокодисперсных системах и протекающих в них процессах

Основные понятия коллоидной химии
Дисперсионная среда
Дисперсная фаза

величина обратная диаметру
Величина удельной поверхности

Коллоидные системы – системы частиц или агломератов с размерами в интервале 1-100 нм

Основное отличие дисперсных систем – агрегативная неустойчивость, которая обуславливается большой положительной свободной поверхностной энергией

энергия Гиббса пропорциональная площади раздела фаз

Сила поверхностного натяжения – сила препятствующая увеличению площади раздела фаз

Опыт Дюпре – жесткая рамка с подвижной перемычкой и натянутой мыльной пленкой. При смещении перемычки увеличивается площадь мыльной пленки и происходит приращение свободной поверхностной энергии.

Схема действия сил поверхностного натяжения

плотности свободной энергии в поверхности разрыва

Первое слагаемое описывает притяжение молекул, второе - отталкивание

Коэффициент а1 описывает силы взаимодействия молекул, взаимодействие электронных оболочек и ядер атомов.

Коэффициент b1 – расстояние между молекулами

Леннарда-Джонса описывает силы взаимодействия между незаряженными молекулами

Взаимодействие ионов к кристаллической решетке

Кулоновское взаимодействие

h – постоянная Планка, νо – характеристическая частота колебаний зарядов, αм поляризуемость молекулы

и Де-Буру

Энергия взаимодействия молекул разделенных прослойкой конечной ширины может быть приближенно определена следующим выражением

Суммирование всех дисперсионных энергий взаимодействия молекул в объемах

Работа когезии для конденсированной среды состоящих из молекул может рассматривать как предел к которому стремится величина дисперсионного взаимодействия при уменьшении разделяющего слоя до размера толщины в одну молекулу

Недисперсионное взаимодействие – водородные связи, полифункциональные группы и т.д.

б) зависимость свободной поверхностной энергии от угла разориентации

Появляется ненулевая удельная свободная энергия границы зерна.
При увлечении угла разориентации поверхностная энергия возрастает.
В случае большеугловой разориентации могут появляться локальные энергетические минимумы – области двойникования.
При большеугловом разориентировании возможно образование аморфных участков у границ зерен, что обуславливает повышенную реакционную способность зерен.

адгезии, определяется как работа изотермического обратимого разделения двух конденсированных фаз вдоль межфазной поверхности единичной площади. При таком разделении исчезает межфазная граница с энергией σ12 и появляются границы раздела двух фаз с газом или жидкостью σ1, σ2.

Величина Wа – характеризует родственность контактирующих фаз

Равновесие сил поверхностного натяжения на примере смачивания жидкостью

Уравнение Юнга

Сопоставление уравнения Юнга с работой адгезии, позволяет определить работу адгезии на границе твердой и жидкой фаз

прослойки жидкости между зернами поликристалла

Условия равновесия между каплей радиуса r и большим объемом пара при постоянных в каждой фазе давлении и температуре. Пусть вблизи равновесия небольшое количество молекул, отвечающее увеличению радиуса капли на δr, переходит из пара в каплю. Давление, а значит, и химический потенциал остаются практически неизменными.

Показано, что существует определенное положение разделяющей поверхности для которого δσ=0, это – поверхность натяжения. Выражение для нее (закон Лапласа) выглядит следующим образом

Разность давлений в соседних фазах на искривленной поверхности

Капиллярная стягивающая сила которую необходимо преодолеть для того чтобы две частицы в жидкости разъединились, складывается из силы капиллярного давления

И силы составляющей поверхностного натяжения

логарифма диаметра частиц

Кривая 1 – поверхностная энергия велика, при уменьшении размера частиц роль энтропийного фактора, при всех размерах заметно превышающих молекулярный, пренебрежимо мала. Для получения такой системы необходимо затратить большую работу для диспергирования.
При малой поверхностной энергии поверхности раздела фаз прирост энтропии становится заметен и свободная энергия описывается следующим выражением:
Где α – коэффициенты формы частиц, а β – отношение теплот смачивания
Кривая 2 – случай когда размер частиц не влияет на величину поверхностной энергии и кривая имеет только максимум, таким образом образование молекулярного раствора выгоднее.
Кривая 3 – случай когда сила поверхностного натяжения резко возрастает по мере приближения размеров частиц к молекулярным. Свободная энергия Гиббса меньше нуля и образование коллоида идет самопроизвольно
Кривая 4 – случай аналогичный с кривой 3, но образование коллоида не идет самопроизвольно.

Самопроизвольно образующиеся коллоида называются лиофильными системами

низких но положительных значениях свободной энергии натяжения и 5

Самопроизвольно образовавшаяся мицелла ПАВ в воде