Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗОЛОТА В МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАХ

Ли Сятун 1 Чжу Юаньсин 1 Чжан Юймин 1 СуньТяньи 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
В статье представлены: обобщённая информация о наночастицах золота и их применении в разных областях: от теоретических разработок до практического использования. Например, указаны параметры решетки (прямая типа ГЦК, и обратная типа ОЦК), зона Бриллюэна, поверхность Ферми, приведены сравнительные характеристики золота в микро- и нано-структурах. Указаны физические причины и влияние размерных эффектов для золота при разных размерах. При изменении размеров до 2 нанометров уменьшается температура плавления золото с 1064,18° C до 327 ° C, при изменении размеров до 28 нанометров резко уменьшается плотность с 19,32г/см³ до 0.85 г/см³. Приведены способы получения наноматериалов золота(2 метода химического синтеза: диспергационного (физического) и конденсационного (химического)). Перечислено применение наноматериалов золота в разных областях.
Характеристика
наноструктура
золото
1. Зона Бриллюэна, Published in Synthesis and characterization of dodecanethiol-stabilized gold nanoparticles.
2. Фермиповерхность :(Fermi Surface by DmitriiNabok & Caterina Cocchi for exciting boron) .
3. Золота [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BE.
4. Н.А. Азаренков, А.А. Веревкин, Г.П. Ковтун, С. В. Литовченконанотехнологии и - страница №2-10.
5. Основные понятии о золоте [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BE#.D0.A4.D0.B8.D0.B7.D0.B8.D1.87.D0.B5.D1.81.D0.BA.D0.B8.D0.B5_.D1.81.D0.B2.D0.BE.D0.B9.D1.81.D1.82.D0.B2.D0.B0.
6. Темплоёмкость золота [Электронный ресурс]. - Режим доступа: :http://900igr.net/prezentacija/istorija/udelnaja-teplojomkost-151376/udelnaja-teplojomkost-nekotorykh-veschestv-dzh-kg-4.html.
7. Калмыков Р. М. Особенности тепловых свойств наночастиц // Молодой ученый. - 2012. - №2. - С. 7-10.
8. Плотность золота наноструктуры [Электронный ресурс]. - Режим доступа::www.us-nano.com/inc/sdetail/133
9. Новиков Л.С., Воронина Е.Н. Перспективы применения наноматериалов в космической технике. Учебное пособие. -M.: Университетская книга,2008. -188с.
10. Перевод с англ. С.С. Верхозина, Золото и нанотехнологии в эпоху инноваций, // ОАО "Иргиредмет" (по материалам /1/) Золотодобыча, №143, Октябрь, 2010

Золото — элемент 11 группы, шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 79. Обозначается символом Au . Простое вещество золото — благородный металл жёлтого цвета. Золото обладает прямой ГЦК решеткой (на рис.1a), параметр решетки - 4.0782 Å, обратной решеткой ОЦК (на рис.1б), параметр решетки – 1.5407*10101/м.

Рис.1. Прямаяa)и обратная б) решетки золота

Зона Бриллюэна — отображение ячейки Вигнера-Зейтца в обратном пространстве. В приближении волн Блохаволновая функция для периодического потенциала решётки твёрдого тела полностью описывается её поведением в первой зоне Бриллюэна.[2] Первая зона Бриллюэна показана на рис.2

Рис.2.Первая зона Бриллюэна.

Ферми поверхность (ФП) - изоэнергетическая поверхность в пространстве квазиимпульсов, отделяющая область занятых электронных состояний металла от области, в которой при Т = 0 К электронов нет. Электроны, расположенные на ФПи в узкой области пространства квазиимпульсов вблизи неё, ответственны за свойства металлов.

Картинки по запросу Fermi surface gold

Рис.3.Поверхность Ферми[1].

Ферми поверхностьзолота показана на рис.1,всвязи с высокой концентрацией электронов проводимости в металле, уровни в зоне проводимости полностью заполнены. Для «газа свободных электронов» ФП – сфера. Объём, ограниченный ФП (приходящийся на 1 элементарную ячейку в пространстве квазиимпульсов), определяется концентрацией n электронов проводимости в металле:

Открытые полости определяют многие квантовые свойства металлов в магнитном поле (например, эффектде Хааза-Ван-Альфена).

Особый интерес представляют изменяющиеся свойства золота в зависимости от структуры (табл. 1).

Таблица1. Сравнительная таблица свойства для микро и наноструктуры.

Золото

Микроструктура

Наноструктура

Температура плавления

1064,18° C[3]

2 нм

327 ° C[4]

10нм

1037.18° C

Плотность[5]

19,3-19,32г/см³

0.85 г/см³(28нм)

Теплоемкость[6]

0.129 кДж/(кг·К)

0,104 кДж/(кг·К)

Температура Дебая[7]

162,3 K

1,0нм

149.316K

2,0нм

111.987K

10,0нм

161.4885K

Теплопроводность

[8]

318 Вт/(м·k).

129.8Вт/(м·k).(180K,5.6мкм*455нм*

23нм)

 

 

Из сравнения параметров Au в нано- и микроструктурах следует, что температура плавление Au существенно уменьшается при переходе к наноразмеру от 2 до 10 нм, как показано на рис.4.

http://davaiknam.ru/texts/984/983766/983766_html_mf87d769.jpg

Рис 4.Изменение температуры плавления Auв наноразмере от 2 до 10нм.

Существенно изменяется плотность для размеров наноструктуры 28нм. Значительно уменьшается температура Дебая для размеров 2нм.

Коэффициент теплопроводности увеличивается при увеличении температуры.

Кроме того, спектры поглощения наноразмерного золота сильно изменяются с изменением размеров частиц. Процент отражения света меньше 10%.

Рис.5.Влияние размера частиц Au на спектр поглощения стекла:1-20 нм;2-80нм.

Поскольку размеры наноструктуры (1-2нм) сравнимы с длиной волны Де-Бройля (0,1-1нм) можно отметить, что основное влияние на изменение свойств Au в наноструктуре оказывают квантовые размерные эффекты. В то же время на свойствонаноматериалаоказывают влияние и классические размерные эффекты. Соответственно возникают новые термические, оптические, магнитные, и механическиесвойствы. [9]

Технологии получения

Наноструктурное золото можно получить 2 методами химического синтеза: диспергационного (физического) и конденсационного (химического). Диспергационные методы основаны на разрушении кристаллической решётки золота физическими методами, в основном, при помощи электрической дуги. Конденсационные методы наиболее часто основаны на восстановлении галогенидов золота при помощи химических восстановителей и/или облучения.

Применение

Область применения для наноструктурного золота стремительно растет, т.к. золото обладает большим набором особых свойств, и включает в себя:

1.Электроника - золотые наночастицы предназначены для использования в качестве проводников от печатных красок для электронных чипов. Поскольку мир электроники становится все меньше, наночастицы являются важными компонентами в разработке чипа. Наноразмерныечастицы золота используются для подключения резисторов, проводников и других элементов электронного чипа.

2.Датчики - золотые наночастицы используются в различных датчиках. Так, например, колориметрический датчик на основе наночастиц золота может определить, пригодны ли для потребления пищевые продукты.

3.Зонды - наночастицы золота рассеивают свет и демонстрируют множество интересных цветов в темном поле просвечивающего электронного микроскопа. Рассеянные цвета наночастиц золота в настоящее время используются для применения биологических изображений.

4.Катализ - наночастицы золота используются в качестве катализаторов в ряде химических реакций. Поверхность наночастицызолота может быть использована для селективного окисления или в некоторых случаях поверхность может уменьшить реакцию (оксиды азота). Золотые наночастицы разрабатываются для применения в топливных элементах. Эти технологии будут полезны в автомобилестроении и индустрии дисплеев.

5. Диагностика — это та область, в которой использование золотых нанотехнологий может просто перевернуть современные понятия о медицине. Быстродействующие и недорогие тесты, основанные на нанотехнологиях с применением золота, позволяют проводить обследования пациентов на предмет наличия в организме различных заболеваний, имеющих плохоразличимые симптомы на ранних стадиях развития или, например, быстро обнаружить СПИД. Скорость в этом вопросе крайне важна — чем быстрее болезнь обнаружена, тем эффективнее и дешевле будет лечение.

5.Золото и охрана окружающей среды

Проблема охраны окружающей среды еще никогда не стояла острее, чем в настоящее время. В ближайшем будущем человечеству придется столкнуться лицом к лицу с рядом острейших проблем, таких как: увеличение населения планеты; постоянно возрастающие энергетические потребности; глобальное потепление и т.д. Применение технологии золотых наночастиц на этом фоне выглядит крайне многообещающе — с помощью нее появляется возможность решения довольно серьезных вопросов: от экологически чистого производства, до контроля за загрязнением и отчистки воды.

6. Качество воздуха. С каждым годом увеличивается процентное содержание угарного газа (СО) в атмосфере Земли. Использование наночастиц золота способствует необходимому окислению опаснейшего СО в менее токсичное вещество. Примером применения подобного подхода является то, что некоторые компании разработали специальные респираторы, используемые в чрезвычайных ситуациях: на пожарах, в шахтах при отравлении рабочих оксидом углерода и некоторых других.

Очистка воды. К одним из самых распространенных веществ, загрязняющих воду, относятся тяжелые металлы, пестициды и галогенизированная органика, из-за которых миллионы людей по всему миру постоянно находятся под угрозой отравления питьевой водой. В последние годы наметилось значительное увеличение объема применения технологии золотых наночастиц при отчистке воды и выявлении ее загрязнения. Более того, золото в таких случаях может выступать как эффективный абсорбент для удаления из воды ртути. В сфере охраны окружающей среды нанотехнологии, основанные на золоте, используются также для создания более надежных топливных баков, остекления и разработки новых солнечных батарей.[10]


Библиографическая ссылка

Ли Сятун, Чжу Юаньсин, Чжан Юймин, СуньТяньи СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗОЛОТА В МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 3.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=17267 (дата обращения: 22.10.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074