тезис. Наноматериаллар Аида умумий тушунчалар нанозаррачаларнинг физик хоссалари
 Скачать 280.5 Kb.
|
|
НАНОМАТЕРИАЛЛАР ҲАҚИДА УМУМИЙ ТУШУНЧАЛАР НАНОЗАРРАЧАЛАРНИНГ ФИЗИК ХОССАЛАРИ. Юсупжонова М, Ташмухамедова Д, Мустафоев А. Тошкент Давлат Техника университети Нанотехнология ва нанофизика, нанохимия, наноэлектроника уч ўлчовли фазонинг ҳечбўлмаганда битта йўналишида наноўлчамга (1÷100 нм) эга бўлган конденсацияланган моддалар билан ишкўради. Ҳозирги вақтда нанокристаллар ёки наноматериаллар ҳақидаги билимлар қаттиқ жисмлар физикасининг алоҳидайўналиши сифатида шаклланиб бормоқда. Наноструктураларнинг физика-химиясини алоҳида олинган (яккаланган) атомниўрганувчи атом физикаси билан атомлар сони чексиз бўлган қаттиқ жисмларнинг хоссаларини ўрганувчи физика-химия орасидаги кўприк деб қараш мумкин. Моҳиятибўйича наноструктура – буқаттиқжисмнинг кичик бир бўлагидир (фрагментидир). Аммо бундай кичик ўлчамларда наноструктураларнинг хоссалари макромасштабдаги материалларнинг хоссаларидан кучли даражада фарққилади. Зарра наноўлчамга ўтиши билан фаза тушунчаси бир мунчаноаниқроқ маъно касб этади: гомоген ва гетероген фазалар орасидаги, аморф ва кристаллик холатлари орасидаги чегараларни аниқлаш қийин бўлади. “Таркиб-хосса», «структура-функция» каби физика-кимёвий тушунчалар“ўлчам” “ўзини ўзи ташкиллаштириш” (самоорганизация) терминлари билан бойийди.Нанокристаллар ёки наносистемалар илгари қаттиқ жисмларда кузатилмаган кўпгина физикавий вакимёвий хоссаларга эга. Наносистемаларнинг одатийбўлмаган хоссалар намоён қилишининг сабаби нимада?- деган савол туғилади. Қисқа қилиб айтадиган бўлсак, бунинг қуйидаги икки сабаби бўлиши мумкин. Бири уларнинг термодинамикавий ҳолатининг классик ҳолатидан фарққилиши бўлса, иккинчиси структура элементларининг характерлиўлчамларининг кичкиналашуви билан вужудга келадиган квант эффектларининг пайдо бўлишидир. Модданинг турига қараб 1-5 нм ўлчамли нанозаррада 1000 тагача атом, 5-100 нмўлчамли нанозаррада эса 103-108 тагача атом бўлиши мумкин. Нанозарра ёки нанокристалл номлари уларнингўлчамлари туфайлигина эмас, балки моддалар 1-100 нм ўлчамларда хоссаларини макроскопик ўлчамларидаги хоссаларига нисбатан кескин, ғайриоддий ўзгаргартирганлиги учун берилган. Нанокристалларнинг ўлчамлари олиниш технологиясига қараб 1 нм дан 100 нм гача, баъзан ундан ҳам каттароқ бўлиши мумкин. Кўп ҳолларда металл ва керамика нанокристаллари учун буўлчам 100 нм дан, олмос ва графит учун 50 нм дан, яримўтказгич учун 10 нм дан каттабўлмаслиги кузатилади. Наноматериалларни қуйидаги асосий турларга бўладилар: бирикканнаноматериаллар, нано-яримўтказгичлар, нано-полимерлар, нано-биоматериаллар, фуллеренлар ва табуляр ёки нано-тубуленНано-яримўтказгичлар, нано-полимерлар ва нано-биоматериаллар яккаланган ҳолатда ҳам, шунингдек, гибрид (аралаш) материаллар ҳосил қилиб, қисман бириккан ҳолатда ҳам бўлиши мумкин. Фуллеренлар Крото, Керли ва Смоли томонидан 1985 йилда графитни гелий оқимида 10000°С температурада буғлатишйўли биланҳосилқилган углероднинг аллотроп модификациясидир. Бу кашфиёт учун улар Нобел мукофотини (1996 й.) олганлар.1991 йилда япон олими С. Ишима томонидан графитнинг электр ёйинингбуғларида углерод нанонайларининг кашф қилиниши нанокристаллар соҳасидаги яна бир катта ютуқ бўлди. Углероднинг иккиўлчамли модификацияси бўлган графендан ташкил топган кенглиги 10-100 нм бўлган нанолента фавқулотда ноёб хоссаларга эга. Графен 2004 йили кашф қилинган. Графеннинг ноёб хоссаларини биринчи бўлиб курсатган А.К. Гейм ва К.С. Новосёловга 2010йили физика бўйича Нобел мукофоти такдим этилган. Нанокристаллнинг ўлчами кичиклаша бориб, 1 нм дан кичкина бўлиши билан таркибида ўнтадан бир неча мингтагача атомларбўлганкластерга айлана бошлайди.Нанокластерлар ва нанокристаллар атомларнинг ёки молекулаларнинг наноўлчамдаги комплексларидир. 1-расм Улар орасидаги асосий фарқ уларни ташкил этган атомлар
ёки молекулаларнинг жойлашувидадир. Нанокристаллардан фарқли ҳолда нанокластерда трансляциявий симметрия бўлмайди. Демак, нанокластерда ҳеч бир йўналишда кристалл панжара ҳосил бўлмаган бўлади. Наноматериалларнинг ташкил этган кристаллитларнинг шакли ва тақсимланиши бўйича уч хил типга бўлиш мумкин: қатламли, толали, тенг ўқли. Нанозарраларнинг хоссаларини макроскопик ўлчамникидан фарққилишининг сабаби наноўлчамларда модданининг сирттаранглик кучларининг унинг ички кучларидан устун келиши, уларнинг наноўлчами, электрон, экситон ва фононларнинг де-Бройл тўлқин узунликларининг биртартибдабўлиши билан тушунтирилади. 1–жадвал Наноматериалларнингфизикавийхоссаларинингўлчамгабоғлиқлиги
Металлнанозарраларинингэриштемпературасиниўлчамларгабоғлиқлигинитушунтиришнингҳозиргивақтдаикки хил модели бор.Биринчи модель термодинамикавий модели бўлса, иккинчи моделида атомларнинг тебранма ҳаракатлари орқали тушунтирилади.Термодинамикавий нуқтаиназардан температура ортиши билан нанозаррани қаттиқ холатдан суюқ ҳолатига ўтиши унинг сирт таранглик кучлари кичиклиги туфайли ядроси қаттиқ ҳолатда қолган ҳолда сиртида чексиз кичик суюқ қатлам ҳосил бўлиши ва ўсиши билан тушунтирилади. Иккинчи моделда қаттиқ нанозарра сиртида олдиндан буғ фаза билан мувозанатда бўлган суюқ фаза бор деб фараз қилинади.Сиртки атомлар ўлчам туфайли ҳажм ичидаги атомлар билан заиф боғланишда бўлганлиги учун температура ортиши билан сиртки атомлар ичкаридаги атомларга нисбатан каттароқ амплитуда билантебраниб, эртароқ суюлишга олиб келади. Нанозаррачаларнинг физик хоссалари Илмий адабиётда кўпинча «нанозаррача» сўзининг ўрнига «кластер» сўзи ишлатилади. Кластер деганда икки ёки ундан кўп молекулалар бирлашиб ҳосил қилинган структурани тушунилади. Кластер нинг ўлчами 1 нм дан 1000 нм гача бўлиши мумкин. Кластерларнинг турлари кўп бўлади, уларга мисол сифатида фуллерен молекулаларини ва нанотрубкаларни келтириш мумкин. Биз «нанозаррача» сўзи билан иш кўрамиз, нанотехнологиянинг фундаментида ётган қонунларни ўрганиш учун шу сўз бизга етарлидир, лекин керак бўлганда «кластер» сўзи ҳам ишлатилади. Нанозаррачаларнинг ўзига хос (специфик) хоссаларга эга бўлишининг сабаблари кўп, биз уларни икки гуруҳга бўламиз: Нанозаррачаларнинг ўзига хос (специфик) хоссаларга эга бўлишининг сабаблари кўп, биз уларни икки гуруҳга бўламиз: Нанозаррачаларнинг очиқ юзаси ва бир жинсли бўлмаган материалларни ажратиб турувчи чегара юзасининг катта роли Модданинг атом – молекуляр тузилишида дискретлиликнинг яққол намоён бўлиши ва наноҳажмда ўлчамли квант эффектлари Заррачани щарча деб қарасак, унинг юзасидаги юпқа қатламдаги атомлар сонининг улуши  заррачанинг радиуси камайган сари ошаверади,чунки:  (S-заррачанин юзаси, V- унинг ҳажми, R-унинг радиуси) Бундан ташқари яна биламиз-ки, юзадаги атомларнинг хоссалари модда ичидаги (ёки ҳажмдаги) атомларнинг хоссаларидан фарқ қилади, чунки бу атомлар атрофдагилар билан хажмдагиларга қараганда бошқачароқ боғланган: юза атомлари бир тарафдан, ҳажм атомлари эса тўрт тарафдан боғланган.Юзадаги атомлар боғларининг бир қисми бўш (эгалланмаган) бўлганлиги учун атомлар орасида реконструкция юз бериши ва у ерда бошқача тартиб ўрнатилиши мумкин.Юзада яна атроф муҳитдан ютилган атом ва молекулалар,оксид пленкалар бўлиши мумкин.Агар атом нанозаррачанинг қиррасида, чуқурлик ёки дўнг жойида жойлашса (у ерларда координацион сон кичик бўлади), у ҳолда бу заррачанинг кимёвий ва каталитик фаоллигини оширади.Электронларнинг очиқ юза билан таъсирлашуви юзада махсус юза холатларини (Тамм холатларини) келтириб чиқаради, дефектларнинг таъсирлашуви эса тақиқланган зонада локаллашган электрон холатларини юзага келтиради.Айтилганлар ва яна бошқа сабаблар юзадаги юпқа бир қатламни модданинг янги бир холати деб аташга фундаментал асос бўлаолади. Қаттиқ жисмнинг юзасини ўзига хос алоҳида бир дунё деб аташ мумкин, унда қаттиқ жисм хоссаларидан ташқари яна суюқлик ва газ хоссалари ҳам намоён бўлиши мумкин. Яна шуни айтиш керак-ки, заррачанинг юзи унинг ичидаги дефектларни ўзига тортиб олиш хусусиятига эга, бошқача айтганда юза ҳажмдаги дефектларни ўзига тортиб (сўриб) олиш кучига эга, у шу билан заррача ичини дефектлардан тозалайди, уни янада такомиллаштиради.Заррачанинг юзаси ҳақида гап юритилар экан, унинг хоссаларини белгилаб берадиган процесс ҳақида – унсур атом ва молекулаларнинг адсорбцияси ҳақида ҳам алоҳида айтиб ўтишимиз керак. Биламиз-ки, монокристалларнинг тоза юзаси юқори вакуумда олинади. Агар юзадаги моноқатламда  та атом бор десак, оддий шароитда адсорбция қилинган атомларнинг моноқатлами деярлик бир зумда ҳосил бўлади. Газларнинг кинетик назариясига кўра, Р босимда 1 см2 юзага 1 сек ичида М масссага эга бўлган газ атомларининг урилишлар сони қуйидаги ифода билан аниқланади Бу ерда  Больцман доимийси. Хона хароратида N=2∙1019 P/M1/2см2 сек-1. Агар босимни Р=10-6 Па (10-8 Торр) ва М=20 30 деб ҳисобласак юза 102 103 секунд ичида бир моноқатлам газ қатлами билан қопланар экан. Демак, вакуумни янада чуқурроқ қилинса, масалан 10-9 торр қилинса, бундай босимда бир неча ойлар давомида адсорбция кузатилмаслиги мумкин.Адсорбция икки турли бўлади – физикавий ва кимёвий. Физикавий адсорбцияда молекулалар юза билан Ван –дер –Ваальс кучлари билан боғланадилар, кимёвий адсорбцияда (хемосорбцияда) – кимёвий реакциялар ёрдамида Адсорбция бўлаётган атом юза билан электрон алмашиниб ионизация бўлиши мумкин (расм 2.): Зоналар назарияси бўйича, агар атомнинг электрон билан эгалланган энергетик холати қаттиқ жисмнинг Ферми холатидан юқори бўлса, атомдаги электрон қаттиқ жисмга ўтади ва атом мусбат ионга айланади.Лекин атомнинг эгалланмаган холати Ферми холатидан пастроқ бўлса, у ҳолда электрон қаттиқ жисмдан атомга ўтади ва у манфий ионга айланади.Бундай процессларнинг эхтимоллиги атом ва қаттиқ жисм ўртасидаги барьернинг баландлигига боғлиқ  Расм 2. Адсорбция бўлаётган атомнинг энергетик холатлари. Кластерларнинг (нанозаррачаларнинг) кўпгина хоссаларини анализ қилишда оддий термодинамик модель уларнинг бир қанча муҳим хоссаларини чуқурроқ тушунишга имкон бериши маълум. Биз бу ерда термодинамиканинг нанокластерларни ўрганиш учун керак бўладиган энг минимал тушунчалари ҳақида информация бериб ўтамиз. Нанозаррачаларнинг очиқ юзаси ва бир жинсли бўлмаган материалларни ажратиб турувчи чегара юзасининг катта роли Модданинг атом – молекуляр тузилишида дискретлиликнинг яққол намоён бўлиши ва наноҳажмда ўлчамли квант эффектлари Адабиётлар Гусев А.П. Эффекты наноструктурного состояния в компактных металлах и соединениях. УФН 1998. Т.168. с 29-58. Handbook of Nanoscience, Enginering and Technology ed. by. W. A. Goddard et.all. Boca Roton: Cpc Press, 2003. 870 p. Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов: методы исследования и контроля. М. Техносфера, 2004. 384 стр. Миронов В. Основы сканирующей микроскопии. М. Техносфера, 2004. 144 стр. Харрис П. Углеродные трубы и родственные структуры. М. Техносфера, 2003. 366 стр. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М. Физматлит, 2005. 616 стр. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
