Серебро один из наиболее распространённых материалов в разных отраслях, например медицине. Важными критериями использование данного материала являются его свойства. Целью данной статьи стояло провести сравнительные характеристики серебра в макро и нано состоянии для учёта особенностей поведения материала и грамотного его использования.
Кристаллическая решётка - гранецентрированная кубическая, рисунок 1. Температура плавления - 962 °C, плотность - 10,5 г/см³. [1]
Рис. 1. Гранецентрированная кубическая решетка
В ряде случаев удобно описывать свойства материала в обратном пространстве, представляющем собой трёхмерную решётку, где расстояния имеют обратные величины.
Параметр обратной решётки для серебра
где 
- параметр обратной решетки, 
- параметр прямой решетки.
Обратная решётка для серебра будет представлять собой объёмно-центрированную решетку, рисунок 2.
Рис. 2. Объёмно-центрированная решетка
Поверхность Ферми так же играет важную роль в физике. Знание поверхности ферми может объяснить поведение материала при разных условиях, например, транспортные свойства, такие как проводимость и магнитосопротивление. Описанные свойства зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми [2]. На рисунке 4 проиллюстрированы поверхность Ферми и зоны Бриллюэна для серебра.
Рис. 4. Зона Бриллюэна и поверхность Ферми для серебра
На предоставленном рисунке отображено наличие полых, малых отверстий, поверхность Ферми открытая. Можно сделать вывод о том, что электроны передвигаются через патрубки, которые на рисунке срезаны границами зоны Бриллюэна, что и объясняет хорошую электропроводность металла.
Теоретическая температура плавления была смоделирована и представлена на рисунке 5. Данная модель отлично согласуется с экспериментальными данными в работе [3]. В дополнении к этому, в работе [8] была продемонстрирована зависимость температуры кипения от числа частиц углерода. Данная зависимость продемонстрирована на рисунке 6.
Рис. 5. Прямая зависимости температуры плавления от размера зёрен [6]
Рис. 6. Зависимость температуры кипения диспергаторов от количества частиц углерода при спекании нанопорошка Ag [8]
Важно понимать, при проектировании изделий или нанесения покрытий об изменение свойств серебра в зависимости от его состояния. В связи с этим была представлена сравнительная таблица, таблица 1, характеристик серебра в макро и наноструктурах.
Таблица 1. сравнение характеристик Ag в микро и наноструктурах
|
Свойства |
Макроструктура |
Наноструктура при размере частиц (порошок) |
|
Температура плавления серебра |
1234 К |
823 К [3] |
|
Температура кипения серебра |
2435 К |
2083 К [3] |
|
Плотность |
10,501 г/см3 |
5.8 г/см3 [9] |
|
Предел текучести |
20 МПа |
43 МПа [4] |
|
Твёрдость по Бринеллю |
250 МПа |
1400 МПа [5] |
|
Модуль сдвига |
30 ГПа |
40 МПа [3] |
|
410,5
|
111
|
Из рисунка 5, видно, что увеличение размера частиц серебра, приводит к существенному изменению температуры плавления. С другой стороны, существуют и другие факторы, приводящие к изменениям температуры кипения. Например, как было показано, одним из факторов может случить количество частиц углерода. Также можно отметить изменение механических свойств материала, проиллюстрированных в таблице 1.
Ключевую роль в изменении поведения наносеребра при переходе от макроструктуры к нано играют классические размерные эффекты. Данное предположение было основано на сравнении размеров наноструктуры серебра с длиной волны де-Бройля. Для металлов длина волны де Бройля находится в интервале 0.1 нм − 1 нм. Основываясь на данном факте може прийти к выводу о несущественном влиянии квантовых размерных эффектов. Однако, поскольку консистенция серебра - порошок, то внутри могут быть структуры с квантовую точку или порядка 1-10 нм, что говорит о том, что частично могут наблюдаться квантовые размерные эффекты.
Так как размер нано-порошка Ag сравним с длиной свободного пробега в кристалле и составляет 50-100 нм, то к классическим размерным эффектам можно отнести понижение температуры плавления, повышение теплоёмкости, увеличение коэффициента термического расширения и уменьшение теплопроводности, а также возрастание удельного сопротивления, увеличение механических характеристик, например, твёрдость, что согласуется с вышеприведенной таблицей 1.
С начала развития использования материалов с наноструктурой, наносеребро обрело одно из наиболее широких применений в различных сферах деятельности человека.
Методы получения наносеребра различны и могут осуществляться как на основе физических воздействий, так и при помощи химических реакций. В основу физического получения используются установки по механическому измельчению серебра вплоть до нано- размеров частиц. К химическим методам наиболее широкий способ получения наносеребра основан на химическом восстановлении. В частности можно выделить методы фоторедукции, как метода физического восстановления либо фотовосстановление, придерживающееся восстановления ионов серебра до размера частиц серебра в нано диапазоне с использованием катализаторов и образованием радикалов, под воздействием ультрафиолетового излучения.
Материалы на основе серебра имеют широкое применение в промышленности и медицине. Например, специально приготовленные наночастицы серебра используются в качестве сенсоров для определения болезнетворных бактерий. Серебро наноситься тонкой плёнкой на хирургические инструменты для обеспечения антибактериального эффекта. С другой стороны, можно выделить следующее применение материалов на основе серебра:
- Для контактов электротехнических изделий, например, контакты реле, ламели, а также многослойных керамических конденсаторов.
- Изготовление батареек.
- Ювелирная сфера применения.
- Из-за высочайшей электропроводности и стойкости к окислению применяется:
- в электротехнике и электронике как покрытие ответственных контактов
- в СВЧ технике как покрытие внутренней поверхности волноводов
- В качестве отражающей поверхности.
- Используется в качестве катализаторов в химических реакциях.
Можно также выделить тенденцию развития использования наносеребра. Важно отметить широту использования данного материала в медицине, где он нашел применение в качестве покрытия инструментов, так и подложка в из наносеребра может служить хорошей основой для имплантации неорганических приборов в человеческий организм.