Faglige notater: TMT4320

Kompendium

Det finnes et kompendium i faget: Kompendium i TMT4320 - Nanomaterialer

Size effects

Egenskaper som kan påvirkes og endres av at en partikkel blir mindre:

• Gitterparameter. Ofte sammentrekning som årsak av press fra overflaten, men kan også bli større.
• Krystallstruktur.
• Magnetisme (para/ferro)
• Morfologi. Ettersom krystallen ønsker å tilstrebe minimum fri energi, og de forskjellige krystallplanene, kantene og hjørnene har forskjellig overflatespenninger. Man kan finne likevektsformen via en Wulffkonstruksjon.
• Smeltetemperaturen senkes.
• Båndgap øker og man kan oppleve en forflytning og smalning av valensbåndet til overflaten.
• I legeringer kan man oppleve overflatesegregeringer. Atomene med lavest overflatespenning søker ut mot overflaten. Denne effekten forsterkes om disse atomene også er større, og om dannelsen av legeringen er endoterm. Overflater med lav atomtetthet fasiliterer også en segregering.
• Høy reaktivitet ettersom overflate-volum-raten er stor.

Nanopartikler

Man lager ofte nanopartikler ved utfelling. Utfelling kan skje på to måter: Nukleering og spinodal dekomponering. For nukleasjon må man ovekomme en energibarriere, satt av forholdet mellom skapt overflateenergi og reduksjon i indre energi. Spinodal dekomponering har ikke en slik barriere, og faseutskilling skjer homogent gjennom hele løsningen.

Man ønsker ofte å kunne kontrollere størrelsen på partiklene og å ha minst mulig spredning i størrelse. Da må dette til:

• Kontrollere nukleering. Helst rask nukleering, slik at partiklene begynner å vokse på samme tidspunkt.
  • For eksempel bruk av forløpere og kjemiske reaksjoner slik at nukleering skjer gjennom hele løsningen. Man ønsker minst mulig konsentrasjonsgradient.
• Kontrollere vekst. Å kunne stoppe veksten når partiklene er store nok.
  • En energibarriere for videre vekst må til, f.eks. ved kompleksering.
• Kontrollere aggregering, flokkulering, kalesens og ostwald ripening osv.
  • Elektrostatisk/sterisk repulsjon.

Nanopulver ved gassfasesyntese

Man fordamper et metall, og ved avkjøling vil dampen nukleere til nanopartikler og danne nanopulver. Man ønsker spesifikt overflateareal nærmest mulig det teoretiske (minst mulig aggregering og koagulering). Stor overmetning (altså stort damptrykk i forhold til mettet damptrykk) fasiliterer en mindre kritisk størrelse for vekst, altså raskere vekst og mindre partikler om man klarer å stoppe veksten. For å holde partiklene dispergert kan man senke temperaturen eller dispergere partiklene kontinuerlig ved gasstrøm.

• Teknikker: Plasmafordamping, laserpyrolyse, direkte fordampning.

Man kan også lage nanopulver av legeringer, men da ender man ofte opp med litt annerledes komposisjon i pulveret i.o.m. at metallene i legeringen har forskjellig damptrykk.

Superkritiske væsker

Superkritiske væsker (SV) er definert som et mellomstadie mellom væske og gassfasen. Over en kritisk temperatur (og ved et kritisk trykk) endres mange av væskens egenskaper, som viskositet, diffusjonskonstant og tetthet, raskt. Tettheten avhenger av trykk og temperatur. Større trykk gir større tetthet. Større tetthet gir også større løselighet. I en SV finner vi også varmeledningsfenomenet "piston-effekten".

Det at store endringer i tetthet, løselighet og diffusjon kan skje raskt utnyttes i industrien. Bruksområder: Syntese, ekstraksjon og å gjøre et materiale renere (purification).

Syntese: Man kan lage nanoskalamaterialer med smal størrelsesdistribusjon. Eksempel: Utfelling. Løse et stoff i SV. Ved å senke trykket minker løseligheten drastisk. Stor overmetning og utfelling av nanopartikler. Viktig å huske at ved stor overmetning er kritisk størrelse for nukleering mindre, og vi kan få mindre partikler. Man kan også skape tynnfilmer på denne måten.

Magnetisme i nanomaterialer

Motivasjon: Om man kan bruke magnetiske nanopartikler i datalagring, øker lagringstettheten drastisk.

I magnetiske nanopartikler under en kritisk størrelse finnes det kun ett magnetisk domene (kun én retning for magnetiske moment). Dette kan man utnytte i datalagring ved å lese av retningen, eller skrive ved å snu retningen til momentet. Når temperaturen øker, vil den termiske energien føre til at de magnetiske dipolene svinger. Dette skjer som regel allerede langt under romtemperatur. Termisk stabilitet er avgjørende for å kunne bruke nanopartiklene som datalagringsenheter.

Andre utfordringer er å kunne arrangere nanopartiklene i et strikt mønster på en flate, og selve lesingen og skrivingen.