Введение. Наночастицы начали исследоваться относительно недавно – 15-20 лет назад. Наиболее активно это направление стало развиваться в 90-е годы прошлого века. В это время состоялись первые международные конференции по наноматериалам и появились первые специализированные научные журналы. Сейчас разделы, связанные с нанотехнологиями, входят в программы многих отечественных и международных конгрессов и конференций как самостоятельные части.
Анализ свойств меди в микро- и наноструктурах. Медь имеет прямую гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку с периодом a = 0,3615 нм [2] и обратную объемноцентрированную кубическую (ОЦК) с периодом a* = 17,3809 нм (рисунок 1).
Рисунок 1 – Структура кристалла меди: а) прямая ГЦК решетка, б) обратная ОЦК решетка
На рисунке 2 представлена топология поверхности Ферми для меди. Поверхность Ферми представляет собой наглядную иллюстрацию поведения электронов в металлах и позволяет объяснить основные свойства какого-либо металла. Например, формой поверхности Ферми определяются такие свойства металлов, как блеск, ковкость, тепло- и электропроводность [8].
Рисунок 2 – а) поверхность Ферми для меди, б) сечение поверхности плоскостью [9]
По рисунку видно что, поверхность Ферми находится внутри зоны Бриллюэна (рисунок 2, а) и она имеет открытые направления (рисунок 2, б) при сечении поверхности Ферми плоскостью [110]. Форма поверхности Ферми меди была определена с помощью аномального скин-эффекта. Позже она была подтверждена с помощью эффекта де Гааза-ван Альфена по исследованию магнитосопротивления [4].
В таблице 1 представлены свойства меди в микро- и наноструктурах (по литературным данным [2,3,7]).
Таблица 1 – Свойства в микро- и наноструктурах
|
Свойства |
Микроструктура |
Наноструктура |
|
Температура плавления, ºC |
1084 |
1083 |
|
Плотность, г/см3 |
8,9 |
5 |
|
Удельное электрическое сопротивление, мкОм∙м |
0,0178 |
0,0167 |
|
Температура кипения, ºC |
2540 |
2567 |
|
Размер частицы |
- |
40-80 нм |
По данным таблицы видно, что температура плавления для микро- и наноструктуры не отличается; удельное сопротивление меняется незначительно; плотность уменьшается в 1,8 раза.
Для определения вклада в изменение свойств размерных эффектов необходимо рассчитать длину волны де Бройля или длину свободного пробега и сравнить полученное значение с размером наночастиц меди.
Формула для расчета:
, (1)
где h = 6,63·10-34 Дж·с – постоянная Планка, m = 9,11·10-31 кг – масса электрона, υ = 106 м/с – скорость электрона.
В результате расчета получается, что λ = 0,7 нм, поскольку данное значение много меньше размера наночастицы, основное влияние на изменение свойств меди в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты. Одной из причин размерных эффектов является большая доля приповерхностных атомов, которая возникает вследствие ненасыщенности атомных связей у поверхности, искажения решетки у поверхности, тонких физических эффектов взаимодействия электронов со свободной поверхностью.
Наноструктура меди представляет собой совокупность мелких твердых частиц – порошок. На рисунке 3 представлен вид этих частиц.
Рисунок 3 – Наночастицы меди [10]
Получение. Получить наночастицы меди можно при γ-радиолизе водных растворов KCu(CN)2 в присутствии спиртов в качестве акцепторов гидроксильных радикалов; с помощью пиролиза, когда происходит разложение вещества с образованием наночастиц при нагреве до определенной температуры [6].
Применение. Наночастицы меди находят применение в химической, авиационной, машиностроительной, автомобильной, приборостроительной, электронной и др. отраслей промышленности:
- в качестве катализаторов в некоторых реакциях;
- для покрытий поверхностных контактов электронной промышленности;
- для лечения ожоговых ран;
- улучшение качества порошковых сталей и шинных резин;
- в производстве металлических изделий, красок специального назначения и строительных материалов [1,5-7,10].
Заключение. Проведен сравнительный анализ свойств меди в микро- и наноструктурах. В процессе анализа литературных источников было обнаружено, что свойства наноструктуры меди отличаются от микроструктуры, но незначительно. Показано, что основное влияние на изменение свойств меди в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты.