ОНЭиНТ_Сидорова_Л1(1,5) (Лекции по ОНЭиНТ), страница 2

       Этот  термин  объединяет  понятия  наноструктурных  и  наноразмерных  материалов.        Наноструктурные  материалы  -­‐  компактные  вещества  и  композиции  веществ,  представляющих  собой  систему  искусственно  или  естественно  упорядоченных  элементов  с  нанометровым  размером,  связанных  между  собой  и  обеспечивающих  возникновение  у  материала  новых  физико-­‐химических  свойств.

       Наноразмерные  материалы  –  вещества,  состоящие  из  слабо  связанных  структурных  элементов,  имеющих  нанометровые  характеристические  размеры,  свойства  которых  определяются  размерным  фактором.  К  наноразмерным  материалам  относятся  нанопорошки  и  наночастицы.    Основные  понятия  и    определения  !Основные  понятия  и    определения    Нанодиагностика  –  совокупность  специализированных  методов  исследования,  направленная  на  изучения  физико-­‐химических  свойств  наносистем,  наноматериалов,  анализ  наноколичеств  вещества,  измерения  количественных  параметров  с  наноточностью.    Основные  понятия  и    определения    Наноэлектроника  –  область  науки  и  техники,  связанная  с  разработкой  архитектур  и  технологий  производства  функциональных  устройств  электроники  с  топологическими  размерами  элементов,  не  превышающими  100  нм,  а  также  с  изучением  физических  основ  функционирования  таких  устройств.

 Семейство  процессоров  Intel  I7  Haswell,  технология  22  нм  (в  каждом  процессоре  2,6  млрд  транзисторов;  а  на  каждой  пластине  около  150  процессоров;  размер  кристалла  процессора    17,6  мм*20,2  мм)  Жизнь  –  это  особая  коллоидная  система...      В.И.  Вернадский  Дисперсное  состояние  вещества  a)  пленочно-­‐дисперсные  б)  волокнисто-­‐дисперсные  в)  корпускулярно-­‐дисперсные    Дисперсный  –  от  лат.  dispersus  -­‐  рассеянный,  рассыпанный.

 Дисперсные  системы    Дисперсная  система  (ДС)  –  это  образования  из  двух  или  большего  числа  фаз  (тел),  которые  практически  не  смешиваются  и  не  реагируют  друг  с  другом  химически.      Первое  из  веществ  (дисперсная  фаза)  мелко  распределено  во  втором  (дисперсная  среда).    Дисперсная  фаза  -­‐  совокупность  мелких  однородных  твёрдых  частиц,  капелек  жидкости  или  пузырьков  газа,  равномерно  распределённых  в  окружающей  (дисперсионной)  среде.    Дисперсионная  среда  -­‐  непрерывная  фаза  (тело),  в  объёме  которой  распределена  другая  (дисперсная)  фаза  в  виде  мелких  твёрдых  частиц,  капелек  жидкости  или  пузырьков  газа.

 а-­‐б)  монодисперсные  системы  в)  полидисперсные  системы    а-­‐в)  связнодисперсные  системы  г-­‐д)  капилярнодисперсные  системы  Дисперсные  системы  В.  А.  Яргаева  Л.  В.  Сеничева  «Дисперсные  системы»  Общие  параметры  ДС    Дисперсность  -­‐  физическая  величина,  характеризующая  размер  взвешенных  частиц  в  ДС;  величина,  показывающая  какое  число  частиц  можно  «уложить»  вплотную  в  одном  метре  (чем  меньше  размер  частиц,  тем  больше  дисперсность).

       Удельная  поверхность  -­‐  усредненная  характеристика  размеров  внутренних  полостей  (каналов,  пор)  пористого  тела  или  частиц  раздробленной  фазы  ДС.          Межфазное  натяжение                              -­‐  поверхностное  натяжение  на  границе  двух  жидких  фаз.    Свободная  поверхностная  энергия  -­‐  избыток  свободной  энергии,  содержащейся  в  поверхностном  слое  на  границе  раздела  двух  соприкасающихся  фаз  (Ж-­‐Г,  Ж-­‐Ж,  Ж-­‐Т)  по  сравнению  с  энергией  объемной  части  этих  фаз.

     Классификация  дисперсных  систем    По  размеру  частиц  дисперсной  фазы.  Грубодисперсные  системы  (взвеси)  с  размером  частиц  более  500  нм.  Тонкодисперсные  (коллоидные  растворы  или  коллоиды)  с  размерами  частиц  от  1  до  500  нм.      По  степени  взаимодействия  между  дисперсионной  средой  и  дисперсной  фазой.

 Если  такое  взаимодействие  выражено  очень  слабо,  систему  называют  лиофобной  (в  случае  воды  -­‐  гидрофобной).    Если  же  дисперсная  фаза  и  дисперсионная  среда  «тяготеют»  друг  к  другу  (например,  образуют  водородные  связи),  образуется  лиофильная  (гидрофильная)  дисперсионная  система.      Классификация  дисперсных  систем    По  агрегатному  состоянию  фаз  (ак.  П.А.  Ребиндер).    Свободнодисперсные  системы  -­‐  дисперсная  фаза  не  образует  сплошных  жестких  структур  (сеток,  каркасов).  Такие  системы  называют  золями.

   Сплошные  (связнодисперсные)  системы  -­‐  частицы  дисперсной  фазы  образуют  жесткие  пространственные  структуры  (сетки,  каркасы).  Такие  системы  называют  гелями.    Классификация  дисперсных  систем  Свободнодисперсные  системы    Классификация  дисперсных  систем  Связнодисперсные  системы    Основные  характеристики  ДС  1.  Средний  минимальный  и  максимальный  размер  дисперсных  частиц.  2.  Концентрация  частиц  –  отношение  числа  дисперсных  частиц  к  единице  дисперсионной  среды.  3.  Удельная  поверхность  дисперсной  фазы  –  отношение  суммарной  площади  поверхности  всех  дисперсных  частиц  к  их  суммарной  массе.

 4.  Дисперсность  –  отношение  суммарной  площади  поверхности  дисперсных  частиц  к  суммарному  объёму  дисперсной  фазы.  5.  Поверхностное  натяжение  на  границе  дисперсных  частиц  с  дисперсионной  средой  –  основной  термодинамический  параметр,  характеризующий  свойства  поверхности  раздела  фаз.

 6.  Время  жизни  дисперсной  системы  –  количественная  характеристика  важнейшего  общего  свойства  дисперсных  систем  –  их  термодинамической  неустойчивости.  (Термодинамическая  (агрегативная)  неустойчивость  проявляется  в  постепенном  увеличении  размеров  или  образовании  агрегатов  из  слипшихся  дисперсных  частиц).

 Основные  характеристики  ДС  Средний  (ā)  минимальный  (āmin)  и  максимальный  (āmax)  размер  дисперсных  частиц.  Концентрация  частиц  (ν,  м-­‐3),  равная  числу  дисперсных  частиц  (nd)  в  единице  объема  дисперсионной  среды  (V):    ν=nd/V.  Трехмерная  (а),  двухмерная  (б)  и  одномерная  (в)  дисперсные  фазы  Основные  характеристики  ДС     Дисперсность   (степень   раздробленности)   определяется   размером   и   геометрией  частиц.   Дисперсная   фаза   может   иметь   малые   размеры   во   всех   трех   измерениях  (частицы),   в   двух   измерениях   (волокна,   нити,   капилляры),   в   одном   измерении  (пленки,  пены,  мембраны,  адсорбционные  слои).

     Степень  раздробленности  оценивают:  D  =  1/a  (м-­‐1),    где  a  –  поперечный  размер  частицы.  В  случае  сферических  частиц  a=d  –  диаметр.     Дисперсность   сферических   или   кубических   частиц   одинакового   размера   (d)  равна  D  =  6  /  d.      Основные  характеристики  ДС    Удельная  поверхность  дисперсной  фазы  -­‐  это  суммарная  поверхность  всех  частиц  S,  отнесенная  к  их  суммарному  объему  V:  Sуд  =  (S/V)  (м-­‐1)  или  к  суммарной  массе  m:  Σ  =  (S/m)  (м2/кг  или  м2/г).    Для  сферической  частицы  с  радиусом  r:              Для  кубической  частицы  с  ребром  куба  d:  S1,2=  6d2,  V  =  d3          В  общем  случае        где  β  –  коэффициент  формы  частиц  (для  сферических  и  кубических  частиц  β=6).      Основные  характеристики  ДС  Зависимость  удельной  поверхности  дисперсной  системы  от  размера  частиц  Основные  характеристики  ДС    Поверхностное  натяжение  (σ,  Дж/м2)  на  границе  дисперсных  частиц  с  дисперсионной  средой  –  основной  термодинамический  параметр,  характеризующий  свойства  поверхности  раздела  фаз.

   Для  жидкостей  поверхностное  натяжение  численно  равно  удельной  свободной  поверхностной  энергии  (которая  равна  работе,  необходимой  для  создания  одной  единицы  поверхности.  Все  молекулы  взаимодействуют  друг  с  другом.):  σ  =  (dG/ds)P,T,  где    dG  –  изменение  свободной  энергии  Гиббса,  Дж;  ds  –  изменение  площади  поверхности  частицы,  м2;  P,  T  –  соответственно  давление  и  температура.      Время  жизни  ДС  -­‐  количественная  характеристика  термодинамической  неустойчивости  дисперсных  систем.  Термодинамическая  (агрегативная)  неустойчивость  проявляется  в  постепенном  увеличении  размеров  или  образовании  агрегатов  из  слипшихся  дисперсных  частиц.      Для  капли  в  эмульсиях,  тонкой  жидкой  пленки  в  пенах  и  газового  пузырька  в  газовых  эмульсиях  время  жизни  (τ)  одной  дисперсной  частицы.