Prezentacja programu PowerPoint

Transkrypt

2012-05-28
Nanoproszki Ceramiczne
Powierzchnia
Nanoproszki Ceramiczne – Wykład II – Powierzchnia
Definicja
Powierzchnia (ciała stałego)
geometrycznie - dwuwymiarowy odpowiednik krzywej,
Fizycznie - obszar oddzielający wnętrze ciała od otoczenia, z reguły fazy
gazowej rzadziej cieczy. W przypadku drugiej fazy stałej powierzchnia
jest granicą międzyfazową.
Termodynamika Powierzchni
Fbulk – energia swobodna Helmholtza atomów wewnątrz ciała stałego,
S – entropia, μ – potencjał chemiczny, ni – ilość składnika i, A powierzchnia.
dFbulk  SdT  pdV  dni  0
T , V ,ni  const .
dFtotal  dFbulk  FAdA
czyli dla:
T , V ,ni  const . dFtotal  FAdA
T ,V  const . dFtotal  FAdA  dni
1
2012-05-28
Energia Powierzchniowa
 G 


 A  ni ,T ,p
Energia powierzchniowa – całkowita zmiana energii swobodnej, G,
związana z powstaniem jednostki powierzchni, A.

1
 N    a
2 b
Jak policzyć energię powierzchniową?
Do rozdzielenia dwóch fragmentów ciała stałego i powstania dwóch
powierzchni swobodnych niezbędna jest energia proporcjonalna do:
Nb – ilości zerwanych wiązań;
ε – energii pojedynczego wiązania;
ρA – ilości atomów na jednostkę nowo powstałej powierzchni.
Czy z tego wynika, że różne powierzchnie mają różne energie?
{100}
ρa
Przykład:
kryształ w układzie
regularnym, ściennie
centrowany (fcc), trzy
różne płaszczyzny;
{110}
{111}
Nb
1 2
 100   2  4   
2 a

 4 2
a
Nb=5
110 
Nb=3
5 

2 a2
111  2  3 

a2
Im niższe wskaźniki Millera tym … ?
2
2012-05-28
Sposoby Obniżenia Energii Powierzchniowej…
… czyli czego możemy się spodziewać w realnych układach.
(i) relaksacja, atomy lub jony z powierzchni przemieszczane są do
wnętrza kryształu;
(ii) rekonstrukcja, przebudowa
utworzeniem nowych płaszczyzn;
warstwy
powierzchniowej
z
Si {100}
(iii) adsorpcja, przyłączanie obcych jonów lub atomów z utworzeniem
nowych wiązań lub za pomocą oddziaływań elektrostatycznych;
3
2012-05-28
(iv) segregacja, wzbogacenie powierzchni w zanieczyszczenia lub
elementy roztworu stałego;
… czy możemy spodziewać się efektów mieszanych?
… a czego możemy się spodziewać w podwyższonej temperaturze.
spiekanie
T, t
4
2012-05-28
… a czego możemy się spodziewać w podwyższonej temperaturze.
dojrzewanie Ostwalda
(Ostwald ripening)
Rzeczywista budowa powierzchni ciała stałego
Taras (terrace) – każdy atom na tarasie ma 5 sąsiadów (model
gęstego, regularnego ułożenia);
Występ (ledge) – każdy atom ma 4 sąsiadów;
5
2012-05-28
Stopień (kink) – każdy atom ma 3 sąsiadów;
Atom dodatkowy (adatom) – w zależności od miejsca ma 2 (na
występie) lub 1 (na stopniu) sąsiada.
3
4
5
atom w objętości
atom na tarasie
2
atom na występie
1
atom na stopniu
dodatkowy atom na
występie
0
dodatkowy
atom na
tarasie
wolny atom
energia
Energia wiązania atomów
w różnych pozycjach na powierzchni
6
liczba sąsiadów
6
2012-05-28
Dlaczego powierzchnia jest ważna w nano?
Pd
Energia powierzchniowa w skali nano
1 g NaCl podzielony na sześciany o krawędzi …
1000
100
10
1
0,1
energia, J/g
0,01
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6
1E-7
1E-8
energia powierzchni
energia krawedzi
1E-9
1E-10
1E-11
1E-12
1nm
10nm
100nm
1µm
10µm
100µm
1mm
10mm
krawedz szescianu
Energia na zakrzywionych powierzchniach
Model – przeniesienie n atomów z powierzchni płaskiej na powierzchnię
zakrzywioną o promieniu R;
2R
Konsekwencją tego procesu jest zmiana objętości ciała o zakrzywionej
powierzchni o wielkość V związaną z objętością atomową Ω:
dV = 4·Π·R2dR = Ωdn
7
2012-05-28
Praca związana z przeniesieniem atomu równa jest zmianie jego
potencjału chemicznego:
  c  f   
dA

   8    RdR
dn
dV
W połączeniu z poprzednim równaniem otrzymujemy równanie YoungaLaplace’a:
  2   

R
W ogólnym przypadku należy uwzględnić zarówno krzywizny dodatnie
(wypukłość) jak i ujemne (wklęsłość):
 1
1

       
 R1 R2 
Na powierzchniach wypukłych potencjał chemiczny jest większy a na
powierzchniach wklęsłych mniejszy niż na powierzchniach płaskich.
W konsekwencji można wyprowadzić zależność Gibbsa-Thompsona
opisującą uprzywilejowanie zjawisk związanych ze zmianą potencjału
chemicznego:
X 
R1  R22
ln c       1
X
k T
 f
gdzie: X to np. ciśnienie parcjalne, rozpuszczalność etc.
Konsekwencje zjawisk powierzchniowych dla NANO
• lepsza rozpuszczalność – dojrzewanie Ostwalda;
• niższa temperatura topnienia;
• wyższe współczynniki dyfuzji;
• silna absorpcja;
• efekt kapilarny;
• silny ładunek powierzchniowy;
• podwyższona reaktywność (w przeliczeniu na jednostkę powierzchni!);
• kulisty kształt – płaszczyzny o wysokich wskaźnikach Millera;
• aglomeracja;
• zmiana charakteru wiązań = inny stan energetyczny (grafen);
Ale należy pamiętać, że większość
• …
procesów fizycznych promowanych
przez NANO prowadzi do szybkiego
zaniku NANO!
8

Prezentacja programu PowerPoint

Transkrypt

Podobne dokumenty

Prezentacja programu PowerPoint

Ceramiczne serce, grawerowana tabliczka. Tekst: Serdeczne

serce ceramiczne w róże kwiaty shabby retro

Slajd 1

Prezentacja programu PowerPoint

Philips Prostownica SalonStraight Care+ Ceramiczne płytki

BZ-2 karta_farb BEZOŁOWIOWE CERAMICZNE FARBY

Slajd 1

Slajd 1

Slajd 1