ВКР: Изучение влияния размера наночастицы на её температуру Кюри

1. Введение

Термин «наночастица», или «наноразмерная частица», прочно вошел в научный лексикон около 20 лет назад. Однако критерий наноразмерности до сих пор является предметом многих научных дискуссий. Согласно международной конвенции IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry(англ.) - Международный союз теоретической и прикладной химии), предельный (максимальный) размер наночастиц соответствует 100 нм, хотя эта величина является условной и необходима только для формальной классификации.
Последнее время понятие наночастицы связывают не с её размером, а с проявлением у неё новых свойств, отличных от свойств массивного объекта [1]. Действительно, при переходе вещества от макроразмеров к размерам, всего на один-два порядка больше молекулярных, резко меняются его характеристики: с увеличением удельной поверхностной энергии изменяется его поверхностное натяжение, температура плавления и температуры структурных переходов, может измениться сама структура, его электронные характеристики, то есть весь спектр физико-химических свойств, становится иным, чем для веществ в макросостоянии. Различают два типа наночастиц: нанокластеры, или нанокристаллы, и собственно наночастицы. К первому типу относят частицы упорядоченного строения (часто центросимметричные) размером 1−5 нм, содержащие до 1000 атомов, ко второму– собственно наночастицы размером 5−100 нм, состоящие из 103 − 108 атомов. Нитевидные и пластинчатые частицы могут содержать гораздо большее количество атомов и иметь один или даже два линейных размера, превышающих пороговое значение, но их свойства в определенном направлении остаются характерными для вещества в нанокристаллическом состоянии. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента. Такие частицы, как правило, называют наноструктурами, причем их линейные размеры могут значительно превышать 100 нм. Различия в линейных размерах наночастиц делают целесообразным подразделять их на нуль-, одно-, двух- и трехмерные (соответственно, 0D-, 1D-, 2D- и 3D-наночастицы). К нульмерным наноструктурам относят свободные и стабилизированные кластеры, фуллерены и квантовые точки. Класс одномерных наноструктур представлен гораздо бóльшим разнообразием нанообъектов: это наностержни, нанонити (вискеры), нанотрубки и наноленты. Среди двумерных наноструктур выделяют тонкие пленки толщиной до сотен нанометров, гетероструктуры, пленки Лэнгмюра−Блоджетт, нанопластины, адсорбционные и самособирающиеся монослои, а также двумерные массивы объектов, размеры которых лежат в нанометровом диапазоне. К классу трехмерных наноструктур следует относить как сами наночастицы и наночастицы в оболочке, так и нанокомпозиты и трехмерные самоорганизованные массивы нанообъектов. При этом сами композиты могут включать нуль-, одно- и двумерные объекты, то есть представлять собой массивы квантовых точек, нитей, многослойные пленки или слоистые соединения, а также различные комбинации этих типов наноструктур. На наноуровне оказалось возможным и существование структур промежуточной размерности, фракталов и дендримеров, обладающих самоподобием и рассматривавшихся ранее лишь в качестве математических моделей.
В последние годы большие усилия исследователей направлены на получение наночастиц заранее заданных формы и размера, а следовательно, обладающих определенными физикохимическими свойствами – описано множество различных синтетических подходов, каждый из которых обладает своими преимуществами, но и не лишен определенных недостатков. Сегодня все методы получения наноматериалов разделяют на две большие группы по типу формирования наноструктур: методы "снизу-вверх" ("Bottom-up") характеризуются ростом наночастиц или сборкой наночастиц из отдельных атомов; а методы "сверху-вниз" ("Topdown") основаны на "дроблении" частиц до наноразмеров.

2. Постановка задачи

Главная причина отличия физических свойств наночастиц от свойств массивных частиц в том, что в случае малых частиц поверхностный слой составляет заметную долю объема частицы [2]. С энергетической точки зрения уменьшение размеров частицы приводит к возрастанию доли поверхностной энергии [3]. Среди проблем общего характера, касающихся свойств наночастиц, одной из наиболее важных можно считать задачу установления взаимосвязей между особенностями строения поверхностных слоев и макроскопическими характеристиками частицы как целого [4]. Одной из таких характеристик может быть температура Кюри. С развитием нанотехнологий появилась возможность установить взаимосвязь между температурой Кюри наночастицы и ее размером. Будем считать частицы сферическими и имеющими одинаковый радиус r. Можно экспериментально установить зависимость с с от r. Здесь C – температура Кюри "массивной" частицы, ' C – температура Кюри наночастицы при данном r. Можно также установить зависимость с с от r, где Δ С является поправкой к температуре Кюри "массивной" частицы [2]. Основной задачей в данной работе была разработка модели, описывающей взаимосвязь температуры Кюри с размером наночастиц с учётом экспериментальных данных, полученных в последние годы.