News image News image News image News image News image News image News image News image


Термодинамическая модель зарождения и роста кластеров
Энциклопедия - Нанотехнологии и наноматериалы

Эффективный метод синтеза наносистем из твердотельных железооксидных кластеров основан на термическом разложении оксалата железа. Процесс разложения при температуре выше некоторой критической точки начинается с формирования активной реакционной среды, в которой происходит зарождение нанокластеров оксида железа. Этот процесс формирования кластеров можно сравнить с процессом образования зародышей в растворе или расплаве, заполняющем ограниченный объем. Ограничение имеет место, когда кластер образуется в замкнутой поре конечного объема или в результате диффузионного ограничения, которое не позволяет возмущению концентрации маточной среды, вызванному изменением размера кластера, продвинуться за время нуклеации  дальше, чем на расстояние ? где D – коэффициент диффузии. Именно это расстояние определяет размер окружающей кластер ячейки, за пределы которой компоненты маточной среды во время нуклеации проникнуть не могут. Для одного кластера в системе неконтактирующих наночастиц зависимость свободной энергии  Гиббса от радиуса кластера описывается формулой

где - плотность поверхностной энергии кластера,  - плотность  вещества в кластере, - изменение химического потенциала при переходе одного нуклеирующего атома железа из маточной среды в кластер. Если кластер и окружающая среда содержат всего N атомов, из которых - атомы железа и из них n атомов входит в состав кластера, то при

где  - измеренное в единицах kТ изменение стандартного химического потенциала при переходе одного атома железа из среды в структуру кластера.

При зарождении кластер не контактирует с другими кластерами. Запишем выражения для площади поверхности и объема изолированного кластера и , тогда уравнение  (1) с учетом (2) можно представить следующим образом:

Функция  имеет максимум в точке   ( - критический радиус зародышей при нуклеации), и минимум в точке . Выражение (3) характеризует зарождение и рост кластера в системе неконтактирующих наночастиц. Дальнейший рост кластеров приводит

к образованию контактов и спеканию системы. Если на этой стадии расстояние между центрами кластеров равно, то выражения для площади поверхности и объема кластера в контакте можно записать так:

Для примера на рис.1 представлена зависимость  для . Первый минимум в точке соответствует исходному состоянию маточной среды. Второй минимум в точке отвечает первому устойчивому состоянию – равновесному состоянию образовавшихся, но не контактирующих кластеров. Третий минимум соответствует системе кластеров имеющих к контактирующих соседних частиц, подвергаемых спеканию при условии . Соответственно первый максимум при  представляет

собой потенциальный барьер нуклеации, второй - потенциальный барьер стадии спекания.

Рис.(2) демонстрирует вид потенциального барьера процесса спекания для к =6 и различных значений . В плотно заселенной кластерами системе, при , спекание

происходит без барьера. В менее плотно заселенной системе, при , процесс перехода к спеканию осуществляется через потенциальный барьер, а в еще менее плотно заселенной системе, при , спекание вообще не происходит.

На кривых дифференциального термического анализа и дифференциальной термической гравиметрии для процесса термического разложения оксалата железа на воздухе обнаруживаются два минимума: при  и при . При  выделяются  ,,  и начинает формироваться подвижная среда, в которой зарождаются и растут кластеры оксида железа. Второй минимум при , по-видимому связан с дальнейшим удалением из оксалата  и , и началом спекания кластеров оксида железа.

Размер кластеров увеличивается с повышением  от  до . Его оценивали по величине удельной поверхности (по методу БЭТ), а также из данных рентгеноструктурного анализа атомно-силовой микроскопии и мессбауэровской спектроскопии.

Согласно зависимости на рис. (1), докритическая область размеров  соответствует стадии флуктуационного зарождения кластеров. В области укрупнение кластеров сопровождается уменьшением свободной энергии, процесс протекает спонтанно и заканчивается образованием устойчивых кластеров размером , объединенных в систему слабовзаимодействующих неконтактирующих кластеров (система 1).

При дальнейшем повышении температуры  создаются условия для массового образования контактов между кластерами () и начала спекания, в результате которого образуется система сильно взаимодействующих (спекшихся) кластеров размером  (система 2). Значения  и  определяются условиями синтеза. Поэтому результат твердотельной топохимической реакции зависит от рабочей температуры продолжительности спекания и предыстории образца.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

История нанотехнологий

News image

Учёным и технологам давно известно, что весьма мелкие частицы различных веществ обладают свойствами не адэкватными св...

Прорыв в солнечной энергетике? Во всяком

News image

Коммерчески успешные технологии в любой области могут возникнуть различными путями. Иногда они появляются на базе пр...

Опасна ли для здоровья нанопыль карбида

News image

Исследователи из Дрезденского технического университета, Лейпцигского центра им. Гельмгольца по проблемам окружающей среды и Фраунгоферовского ин...

Волокнисто игольчатый композит

News image

Текстильный материал черного цвета состоящий из случайно орентированых углеродних волокон и нитевидных кристалов. Электропроводен, стойкий к ...

Стереоматериалы как будущее нанофотоники

News image

Право - и левовращающие изомеры молочной кислоты — пример стереохимии, направления химии, занимающегося изучением влияния пр...

Химики предлагают новый метод очистки во

News image

Очистка водорода необходима перед его применением в качестве топлива для топливных элементов, но существующие методы не...

Нанотехнологии и закон

News image

Хотя в макроэкономике имеются некоторые сбои, сектор нанотехнологии продолжает свой подъем. В ближайшие пять лет ожид...

Улучшение топлив при помощи наночастиц

News image

В поисках повышения энергетических параметров жидких топлив, ученые обнаружили, что добавление наночастиц алюминия или окиси ал...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Medfield - атомная платформа третьего поколения

Компания Intel с громкого успеха начала освоение платформы для ультрамобильных персональных компьютеров, известных также как нетбуки, и MID-аппаратов – только по...

Волокнисто игольчатый композит

Текстильный материал черного цвета состоящий из случайно орентированых углеродних волокон и нитевидных кристалов. Электропроводен, стойкий к контактной электроэрозии, агресивным середам, эл...

Физики создали новую форму углерода

В графите каждый слой повернут относительно нижележащего на 60 градусов (на иллюстрации). В МЭГ этот угол равен 30 градусам. МЭГ состоит из углеродных сл...

Ученые слепили самого маленького в мире снеговика

Фигурка получилась высотой всего в одну сотую миллиметра – впятеро меньше толщины человеческого волоса. Как правило, дети состязаются друг с другом в ...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.