Сетевое издание

Международный студенческий научный вестник

ISSN 2409-529X

Алюминий (Al), химический элемент III группы периодической системы, третьего периода, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. В природе один стабильный изотоп 27А1.  Алюминий p-элемент. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия содержится 3 электрона. Алюминий проявляет степень окисления +3 [1].

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.