<<
>>

Распределение атомов и связанные с этим свойства

Как известно, материя может существовать в газообразном, жидком или твердом состоянии, и эту классификацию можно получить из описания свойств атомов и молекул. Газы в этой классификации представляют самые простые системы и рассматриваются в качестве макроскопических объектов с изотропной пространственной структурой, то есть не обладают дальним порядком, так что могут заполнять любое доступное им пространство, принимая любую форму.

Ближний порядок в газах очень слаб, так что атомы и молекулы движутся почти свободно или хаотично, в соответствии с известными статистическими закономерностями. В жидкостях проявляется сильный ближний порядок для атомов и молекул, но отсутствуют дальние взаимодействия, гак что они также могут принимать любую форму, но уже могут сопротивляться изменению объема системы, вследствие чего жидкости также остаются пространственно изотропными, так что их атомы и молекулы легко смещаются и двигаются почти хаотически. Твердые тела относятся к самым устойчивым формированиям, так как их атомы и молекулы пространственно объединены в кристаллические решетки и образуют неизотропные системы. Наличие в них ярко выраженного дальнего порядка позволяет твердым телам оказывать сильное сопротивление изменению объема и формы.

Названные характеристики трех агрегатных состояний не являются, конечно, абсолютно необходимыми, а представляют собой лишь общие определения, поскольку, например, существуют твердые тела, не обладающие периодическим расположением атомов или молекул, но характеризующиеся ближним порядком (то есть они не имеют характерной для твердых тел пространственной упорядоченности и являются формально статистически изотропными}. С другой стороны, существуют так называемые жидкие кристаллы, представляющие собой промежуточное состояние между неупорядоченной жидкостью и упорядоченным кристаллом. Такие системы создаются, например, сильно вытянутыми молекулами, которые образуют пространственно упорядоченные конфигурации (напоминающие кристаллические структуры по оптическим характеристикам), но одновременно проявляющие свойства жидких сред (например, при смещении молекул относительно друг друга).

Среда может представлять собой даже просто смесь фаз, примером чего являются жидкокристаллические области внутри объемных образцов обычных жидкостей. Особое значение для науки и техники имеют дисперсные системы, в которых вещества распределены в среде, где одновременно могут сосуществовать два или три ёагрегатных состояния. В таблице 4.1 приводится список некоторых дисперсных систем, в которых частицы различных фаз слабо взаимодействуют друг с другом. Такие системы принято называть некогерентными, чтобы отличить от когерентных (типа гелей), в которых среда и диспергированные частицы связаны достаточно сильно.

Впрочем, даже простые примеры некоторых гомогенных кристаллических твердых тел наглядно демонстрируют, насколько сильно могут варьироваться свойства материала при изменении атомного или молекулярного порядка в системе. Общеизвестно, что углерод может образовывать несколько совершенно разных модификаций твердой фазы (от алмаза до графита). На рис. 4.1 (справа) показана структура алмаза, в которой каждый атом углерода связан с четырьмя ближайшими атомами, в результате чего образуется структура, напоминающая структуру германия и кремния (алмаз действительно формально относится к полупроводникам, но он имеет широкую запрещенную зону, вследствие чего его обычно относят к классу изоляторов). Изображенная структура, очевидно, должна иметь высокую твердость, в отличие от показанной на том

Некоторые типы дисперсных систем

Таблица 4.1

Дисперсная

система

Диспергированная фаза

Обозначение

Пример

газообраз

ная

жидкая

жидкий аэрозоль

туман

газообраз

ная

твердая

твердый аэрозоль

пыль

жидкая

газообразная

пена

пена

жидкая

жидкая

эмульсия

молоко

жидкая

твердая

золь

золотой золь

твердая

газообразная

твердая пена

газобетон

твердая

жидкая

“—

минералы с

жидкими

вкраплениями

твердая

твердая

твердый золь

опал

же рисунке слева слоистой системы из атомов углерода в виде графита, где каждый атом углерода в слое связан лишь с тремя соседями, в результате чего вещество в целом приобретает свойственную металлам электрическую проводимость и исключительную механическую мягкость.

В обоих случаях речь идет речь о системах, образованных только из атомов углерода, так что наблюдаемая огромная разница в физических свойствах двух материалов возникает и объясняется только различным видом упорядочения атомов в кристаллических решетках.

Порядок объединения и вид решетки. в принципе, возникают в результате различия сил, действующих между атомами и молекулами и приводящих к образованию конкретных кристаллических систем.

Приведенный пример является общеизвестным, но позднее он получил дальнейшее развитие, так как примерно 20 лет назад было обнаружено, что чистый углерод может иметь еще одну модификацию, названную фуллереном (Dresselhaus, . Модельно фуллерен можно представить в виде шарика из графита, как показано на рис. 4.2, но для нашего изложения важно, что кристаллическая решетка (или, точнее говоря.

Рис. 4.1. Кристаллическая структура атомов углерода в графите (слева) и в алмазе (справа)

кристаллическая поверхность) фуллерена С60 тоже состоит исключительно из атомов углерода, объединенных в пятиугольники и шестиугольники. При этом стоит отметить, что составленная из шестиугольников поверхность является ровной, а наличие пятиугольников приводит к искажениям сферической формы. Математикам известно, что замкнутую геометрическую структуру сферического типа можно образовать только некоторой комбинацией плоских фигур, и можно показать, что самый маленький и самый «правильный* или простой шар этого типа состоит из 12 пятиугольников и 20 шестиугольников. Такая система в целом содержит 60 атомов углерода и именно ее назвали молекулой фуллерена С60 (название связано с тем, что когда-то знаменитый

Рис. 4.2. Структура молекулы С60 (слева), нанотрубки (в центре) и кристалла из молекул С60 (справа)

которые будут рассматриваться в главах 5, 6 и 7. В рассмотренных выше примерах предлагались простейшие варианты геометрического упорядочения определенного вида атомов, но при составлении наноструктур из большего числа различных атомов или молекул, естественно, возникает множество новых возможностей комбинирования позиций атомов в трехмерном пространстве.

Разумеется, эти возможности вовсе не произвольны, а обусловлены физическими и химическими закономерностями, в основе которых лежат межатомные и межмолекулярные взаимодействия, так что, например, атомы углерода могут образовывать твердые тела с различной конфигурацией только при некоторых типах атомного упорядочения структуры. Возможность реализации таких структур зависит от минимумов энергии, допускаемых условиями образования и существования, поскольку (как показывает пример с алмазом и графитом) может существовать несколько минимумов энергии (не только единственный абсолютный минимум энергии, но относительные минимумы, разделенные конфигурациями с повышенной энергией). Относительные минимумы энергии соответствуют тому, что в статистической физике и термодинамике называется метастабильными состояниями, которые могут оставаться устойчивыми достаточно долго.

Следует учитывать, что используемые в нанотехнологии системы не обязательно должны находиться в состоянии термодинамического равновесия. Очень важные и интересные для практического применения системы могут быть неравновесными, но они могут сохранять стабильность при отсутствии сильных взаимодействий с окружением. В качестве очевидного примера можно указать множество биологических структур, которые в естественных условиях абсолютно далеки от термодинамического равновесия. К сожалению, теория неравновесных термодинамических процессов недостаточно развита, и мы лишь сейчас начинаем понимать основные закономерности их протекания.

Выводы: Свойства материалов и функциональных структур определяются межатомными и межмолекулярными взаимодействиями. Структура вещества может регулироваться с использованием этих особенностей, но при этом следует учитывать разницу между равновесными и неравновесными термодинамическими процессами. 

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Распределение атомов и связанные с этим свойства:

  1. 3.2. Фотолиз р-дикетонатов европия в полимерах. Влияние электронно- донорных свойств лигандов на скорость фотодеструкции комплексов.
  2. 4.1. Строение ММК европия(Ш) на основе акриловой кислоты и полихелатов на основе пиромеллитовой кислоты по данным EXAFS спектроскопии. Влияние состава и строения ММК на люминесцентные свойства
  3. 6.1. Кристаллическая структура ацетилацетоната, дибензоилметаната и р-нитробензоиланизоилметаната дифторида бора. Влияние природы а-заместителей на флуоресцентные свойства кристаллических р-дике- тонатов дифторида бора. Лазерная пикосекундная спектроскопия с временным разрешением растворов р-дикетонатов дифторида бора
  4. 7.1. Кристаллическая структура бис(2-бензилпиридиния) пентахлороантимона- та(Ш). Спектрально-люминесцентные свойства комплексных соединений сурьмы(Ш) с 2- и 4-бензилпиридином
  5. Состав, свойства и структура мяса 
  6. Методы получения нанопорошков
  7. Свойства нанопорошков
  8. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ
  9. Механические свойства наноматериалов
  10. Теплофизические свойства наноматериалов