Относится к группе легких металлов. Содержание алюминия в земной коре 8,8% по массе. По распространенности в природе занимает четвертое место среди всех элементов (после О, Н и Si) и первое среди металлов; в свободном виде не встречается.
Простое вещество алюминий – легкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счет быстрого образования прочных оксидных пленок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия [6].
Кристаллическая решетка алюминия.
Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами.
Каждой кристаллической структуре соответствуют две решётки: прямая кристаллическая решётка и обратная решётка.
Прямая кристаллическая решётка — это решётка в обычном, реальном пространстве.Прямаякристаллическая решетка алюминия - гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4 К до точки плавления(рисунок 1).Параметры решётки: 4,050 Å [7].
Рисунок 1 – Прямая ГЦК решетка алюминия.
Обратная кристаллическая решётка — решётка в пространстве Фурье. Обратная к гранецентрированной решетке есть кубическая объёмно-центрированная решетка (рисунок 2). Параметры решетки: 1,95 Å.
Рисунок 2 – Обратная ОЦК решетка алюминия.
Таблица 1 – Сравнительные свойства алюминия в микро- и диоксида алюминия в микро- и нано- структурах.
|
|
Микроструктура алюминия (Al) |
Микроструктура
диоксида
алюминия (
|
Наноструктура диоксида алюминия
( (нанопрошок)
|
|
Плотность алюминия
|
g=2,7 г/см3 |
g=3,99 г/см3
|
g=1,2 г/см3 (при размере ~ 70нм)
|
|
Температура плавления:
|
658-660 °C |
2044 °C |
2000 °C (при размере ~ 54нм)
|
|
Цвет
|
Серебристо-белый
|
Белый |
Белый |
)
В таблице 1 приведены свойства алюминия в микроструктуре и диоксида алюминия в микроструктуре и в наноструктуре (по литературным данным [3,5]). В некоторых случаях заметна существенная разница.Например, плотность диоксида алюминия в наноструктуре меньше плотности в микроструктуре на 2, 79 г/ см3. Также мы видим несущественную разницу в температуре плавления.
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 алюминия.
Формула для расчета:
(1)
где h = 6,63·10-34Дж·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 диоксида алюминиия 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.
Диоксид алюминия получают в виде нанопорошка (рисунок 3).Нанопорошок – масса из сухих нано частиц с внешними размерами во всех трех измерениях в нанодиапазоне, приблизительно от 1 нм до 100 нм[5].
Рисунок 3 – Наночастицы алюминия.
Топология экспериментальной поверхности Ферми(рисунок 4)[9].
Рисунок 4 – Поверхность Ферми алюминия.
Поверхность Ферми не является реальной поверхностью, это лишь нагляднаяиллюстрация поведения электронов в металлах. Картины поверхностей Ферми объясняют такие свойства металлов, как блеск, ковкость, электропроводимость и теплопроводность. Собственно, металл можно определить, как твердое тело, обладающее поверхностью Ферми[7].
Области применения нанопорошка алюминия (AL2O3).
Составляя приблизительно 15% годового объема производства нанопорошков в мире, оксид алюминия, или кремнезем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.
Ø обрабатывающая промышленность (абразив, струйная очистка);
Ø электроника (притирка, полировка, производство конденсаторов);
Ø оптика (притирка, полировка);
Ø очистка воздуха (катализатор);
Ø производство конструкционной керамики.