Техника - молодёжи 2009-08, страница 20
Нанотехнологии Z0Q9 N'DB ТМ Не секрет, что некоторые продукты нового направления хайтека - нанотехнологий -получены эмпирическим, или почти эмпирическим, путём. Но по-настоящему революционные результаты могут быть достигнуты лишь на основе научного поиска, детального исследования эффектов, присущих только наночастицам, изучения того, как меняются те или иные свойства материи при уменьшении её фрагментов до нанометро-вых размеров. О том, что нанообъектам присущи особые свойства, отличающие их и от макротел, и от мира атомов и элементарных частиц, мы неоднократно писали -см., например, статью автора в «ТМ» №3 за этот год, с. 6, в которой описан суперпарамагнетизм - явление, относящееся к области магнитных свойств вещества. Сегодня мы рассмотрим некоторые наноэффекты, «подведомственные» другим разделам физики. И в воде не тонут, и горят не так...На но частицы золота в растворе; в пробирке и под микроскопом НУ И ЧТО, ЧТО МАЛЕНЬКАЯ? - А ВОТ ЧТО... Большинство новых эффектов связано с тем обстоятельством, что размер самих частиц (или объектов исследования другого типа) приближается к некоторым фундаментальным константам, являющимся мерами длины, таким, как длина волны видимого света, длина свободного пробега электрона, глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник и многим другим. Другая группа новых эффектов обязана своим существованием тому, что большинство атомов, из которых состоит наночастица, находятся на её поверхности. При уменьшении размера твёрдою тела отношение числа атомов, находящихся на его поверхности, к количеству атомом «внутри» стремительно растёт. Как видно из рис. 1, в случае сферической частицы кобальта радиусом 3 нм около 60% всех атомов находится на поверхности. А вот для частиц с радиусом, превышающим 20 нм, число поверхностных атомов не превосходит 5%. Существует большое отличие между физическими свойствами атомов на поверхности и тех, что находятся в «ядре® наночаетицы. Очевидно, что число межатомных связей для атомов на поверхности будет меньше по сравнению с их «внутренними» собратьями. Свойства твёрдого тела во многом определяются именно числом и силой этих межатомных связей в кристаллической решетке. А гак как на поверх ности они нарушены, то и условия существования там атомов — читай, физические свойства поверхности — будут резко отличаться от тех, что наблюдаются внутри ядра. Конечно, читатель может возразить, что и в макротеле существуют атомы на поверхности. Однако, как видно из рис. I, уже для 20-нм частицы их число очень мало, а стало быть, и вклад этих атомов в физические свойства тоже очень мал. Чтобы отделить эффекты, связанные с атомами на поверхности, говорят о структуре «ядро—оболочка» {core-shell structure) наночастиц. Под этим подразумевается то, что атомы на поверхности (в оболочке) обладают другими свойствами, чем атомы внутри (в «ядре»). Простая аналогия может быть проведена с орехом {рис. 2). И ядро, и скорлупа составляют единый объект — орех (наночастица). Однако свойства их абсолютно разные; нечто подобное наблюдается в наночастицах1. ЧТО ТАКОЕ ЦВЕТ В НАНОМИРЕ? Начнем мы с самого яркого, и в прямом, и в переносном смысле, свойства наночастиц; они меняют свой цвет по сравнению с макротелами такого же химического состава. Взгляните на рис, 3, на котором справа изображён обычный кусок золота, а слева — наночаетицы того же самого золота, растворённые в жид- 1 Тот же термин употребляется для описания составных наночастиц, где ядром является одно вещество. q оболочкой — другое. 18 |
