Никель – элемент десятой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni. Простое вещество никель – это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм [a].
Рис. 1. Прямая решетка никеля (ГЦК)
Обратная решетка никеля(ОЦК) с параметром a * =
= 17.831 нм-1 :
Рис. 2. Обратная решетка никеля(ОЦК)
Поверхность Ферми и зона Бриллюэна. Краткая характеристика
Кристалл никеля имеет поверхность Ферми как показано на рис. 3. В большинстве случаев находясь внутри представляющей собой многогранник зоны Бриллюэна, реальная поверхность Ферми имеет не сферическую форму, которую имеет идеальная поверхность Ферми [b].
Рис. 3. Поверхность Ферми никеля внутри зоны Бриллюэна
В теории твердого тела энергия Ферми является одним из нескольких важных параметров кристалла, с учетом этого сравнение энергии Ферми никеля с обыкновенным металлом получает существенное значение для исследования свойств никеля.
Для обыкновенных металлов:
Концентрация атомов n = 1022 
1023 см-3 = 1029 м-3
1) При температуре T = 0 К, энергия Ферми:
(0) =
=
= 1.26 
Дж
2) При температуре T 
0 К (T = 300К), энергия Ферми:
(0) 
[1 – 
= 1.26 
[1 – 
(
= 1.26 
Дж
Для металла никеля:
Концентрация электронов проводимости n = 
, где Z – число валентных электронов одного атома никеля, ρ – плотность металла никеля, M – молярная масса никеля.
1) При температуре T = 0 К, энергия Ферми:
(0) =
= 
= 1.88
Дж
2) При температуре T 0 К (T = 300К), энергия Ферми:
(0) [1 -
= 1.88 
[1 – (
= 1.88 
Дж
Энергия Ферми
при температурах 0 К и 300 К не различается в связи с тем, что величина в квадратных скобках, которая вычитается из единицы очень мала.
Исходя из полученных данных наглядно видно, что Ni близок к обыкновенным металлам по величине энергии Ферми.
На возможность создания новых материалов путем сборки малоразмерных объектов (атомов, молекул или их групп) указал нобелевский лауреат Р. Фейнман в 1959 г. Термин «нанотехнология» впервые предложил японец Н. Танигучи в 1974 г. На возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами, указал немецкий ученый Г. Глейтер в 1981 г. С учетом этого для получения материала никеля с новыми свойствами надо уделить особое внимание на исследование наноструктуры никеля [c].
В таблице 1 представлено сравнение свойства никеля в микро- и наноструктурах [d].
Таблица 1
|
Свойства |
Микроструктура |
Наноструктура |
|
Удельное электрическое сопротивление, кОм |
68.4 |
25 |
|
Плотность, г/см3 |
8.902 |
0.66 |
|
Температура плавления, К |
1726 |
1725[6] |
|
Температура кипения, К |
3005 |
3125 |
мИсходя из таблицы, очевидно, что удельное электрическое сопротивление и плотность никеля в наноструктурах существенно уменьшились по сравнению с микроструктурой, температура кипения в первом случае меньше чем во втором, а температура плавления никеля в микро- и наноструктурах почти одинакова.
Из литературных данных следует [e], что появления необычных свойств наносистем вызывают либо классический, либо квантовый размерный эффект.
Когда геометрический размер наноструктуры соизмерим с длиной свободного пробега носителей заряда проявляется классический размерный эффект; если геометрический размер наноструктуры соизмерим с длиной волны де Бройля электрона проявляется квантовый размерный эффект.
В наноструктуре никеля принимают скорость движения электрона v = 106 м/с, масса электрона m = 9.1 
кг, то длина волны Дебройля λ = 
В данном случае рассматривается порошок никеля размером D порядка 70 нм, очевидно, что λ 
D. Поскольку длина волны де Бройля значительно меньше размеров наночастиц никеля, то основное влияние на изменение свойств нанопорошка никеля по сравнению с микроструктурой оказывает классический размерный эффект.
Физические причины изменений свойств в наноструктуре никеля связаны с большой долей приповерхностных атомов:
1) Ненасыщенность атомных связей у поверхности.
2) Искажение решетки у поверхности.
3) Поверхностные эффекты механических свойств.
4) Тонкие физические эффекты взаимодействия электронов со свободной поверхностью.
5) Из-за малых размеров эффективный сток кристаллических дефектов.
Технология получения
В настоящее время порошок никеля определенного размера получают испарением техногенных и природных исходных материалов на ускорителе электронов в атмосфере различных газов при атмосферном давлении с последующим охлаждением высокотемпературного пара и улавливанием наночастиц в виде порошка [f].
Для получения порошка никеля размером 70 нм используется схема, представленная на рис. 4.
Рис. 4. Упрощенная электрическая схема ускорителя ЭЛВ [7]
1– катод электронной пушки, 2 – ускорительная трубка, 3 – электронный пучок, 4 – катушки системы формирования растра, 5 – выпускное устройство, 6 – титановая фольга, 7 – тиристорный ключ, 8 – система управления ( ССЭ – система стабилизации энергии, ССТ – система стабилизации тока, СФР – система формирования растра, МИИС – модульная информационно-измерительная система, ЭВМ – управляющий компьютер, УСП – система управления силовым питанием). ПЧ – преобразователь частоты, БУИ – блок управления инжектором.
Применение нанопорошка никеля
Уже сейчас нанопорошки никеля нашли широкое применение в качестве многофункциональных присадок к различного рода маслам, смазкам, доводочно-притирочным пастам и суспензиям. Также использование нанопорошков никеля в качестве активаторов позволяет ускорить процесс спекания промышленных порошков. Введение всего 0.5 
5 wt% наноникеля в промышленные смеси снижает температуру спекания на 400 800 °C и сокращает его время в несколькл раз. При этом повышаются твердость и ударная вязкость конечной продукции. Весьма перспективно использование нанопорошков никеля в композиционных материалах, содержащих пластмассы и полимеры. В этом случае возможно изготовление пластиковых магнитов, электропроводящей резины, красок и клеев [g].
Порошок никеля находит применение в катализе и материаловедении; в получении эластичного слоистого электропроводящего материала; получении мелкодисперсных покрытий на керамических, кварцевых, металлических, пластмассовых, композиционных изделиях любой сложности формы; в изготовлении конденсаторов; в электронной промышленности [d].