Актуальні питання нанотехнологічних досліджень
Ташполот И.
Однією з важливих і актуальних проблем фізики твердого тіла, фізико-хімічної механіки дисперсних систем і синергетики є вивчення процесів структуроутворення (формування) нової фази і руйнування зв'язку між частинками, елементами (блоками, структурними шарами, мікрообластей та ін) однорідних і різнорідних систем. Незважаючи на важливість вивчення процесів освіти систем ряд фундаментальних питань цих проблем залишається до цих пір невирішеним. Поки немає строгого відповіді на такі принципові питання, як механізм структуроутворення нової фази, зростання плівок і кристалів, коагуляційна агрегація наночастинок у процесі структуроутворення.
Це пояснюється, з одного боку, багатостадійну і багатофакторністю розглянутих явищ, а з іншого - тим, що при вивченні цих явищ акцентується певний аспект проблеми в відповідності з конкретними цілями і не ставиться при цьому задача встановлення загальних закономірностей утворення нано-та мікроскопічних систем. Звідси існування різних гіпотез, концепцій і теорій, що дозволяють пояснити той чи інший аспект проблеми.
Вивчення закономірності процесів структуроутворення дозволяє створити теоретичні основи одержання різних наноструктурних матеріалів із заданими властивостями. Функціональні властивості наноструктурних матеріалів, в свою чергу, залежать від їх дисперсності, природи поверхні, міжфазних взаємодій, умов структуроутворення та ін
При утворенні наночастинок з розмірами від 1 нм до 1 мкм і більше виявляються всі особливості поверхневих станів, так як в даному випадку втрачається поняття об'єму, тобто положення атомів поблизу поверхні відрізняються від положень в обсязі коісталла і тому наносистеми далекі від рівноваги через наявність розвиненої поверхні. У зв'язку з цим нанодисперсні і дисперсні стану є особливими формами нерівноважногостану. Ці властивості обумовлює біфуркаційну природу розмірного ефекту.
При цьому розмір наночасток стає параметром порядку в дисперсійному системі при переході через точку біфуркації. Процес освіти нанодисперсного конденсованої системи носить самоорганизующийся характер, контрольований умовою мінімуму виробництва ентропії при переході через критичну точку. Спостережуване різноманіття частинок і структурна неоднорідність наносостоянія означають, що закони будови наночастинок інші - вони не відповідають законам, використовуваним в класичній фізиці. Зі зменшенням розмірів падає і характерний час протікання різноманітних процесів у наносистемі, тобто зростає її потенційне швидкодію. Таким чином дослідження нанометричних об'єктів дозволяє відкрити новий рівень організації матерії, що знаходиться між макроскопічними і мікроскопічними рівнями, тобто між макроуровнем і мікро-атомарним рівнем знаходиться обширний рівень структури матерії - наносвіт. Саме в наносвіті можуть бути створені невідомі раніше продукти і технології, здатні радикально змінити життя всього людського суспільства.
Одним з прикладів прояву розмірного ефекту є дані [1] про зниження температури плавлення T n при зміні розмірів кристалітів деяких металів (калій, срібло і платина). Ці дані показують, що при зміні розмірів наночастинок металів від 10 до 2 нм температура плавлення знижується для платини в 2,4 рази, срібла - у 2,6 рази, а для калію - в 3,8 рази. Аналогічних даних можна навести скільки завгодно з різних областей науки.
Для вирішення цих проблем необхідно встановити загальні механізми процесів утворення структури різних систем і інтерпретувати досліджувані, зовсім різні з першого погляду явища, з єдиної точки зору. Спільність полягає в тому, що і фізичним, і механічним і хімічним та іншим нерівноважним процесам властиві нерівноважні фазові переходи, що відповідають особливим точкам, тобто точкам біфуркації, по досягненні яких спонтанно змінюються властивості середовища, зумовлені самоорганізацією наноструктур [2,3].
Рушійною силою самоорганізації наноструктур є прагнення відкритих систем при нестаціонарних процесах до зниження виробництва ентропії.
Відомо, що здатність до самоорганізації є загальною властивістю відкритих систем, тобто систем, в яких можливий обмін енергією з навколишнім середовищем. А взаємодія наночастинок конденсованої системи, що приводить до утворення структури фаз, визначається, у свою чергу, поверхневими силами.
Найважливішим прикладним значенням наносостоянія є можливість конвергенції неорганічного, органічного і біологічного світу і створення небачених раніше в природі нових речовин.
1. Особливості розподілу наночастинок за розмірами при необоротних процесах
Для дослідження особливості утворення наночастинок і їх полімодальної характеру розподілу за розмірами були поставлені наступні експерименти:
1.Частіци окису магнію отримували спалюванням фольги магнію в полум'ї ...
