ناپایداری حرارتی ( نانوذرات ) در تغییر ساختار نانو مواد بر پایه دکترای نانو _ میکرو الکترونیک
پژوهشگر و نویسنده: دکتر ( افشین رشید)
نکته : در تغییر ساختار نانو مواد از پدیده های حرارتی ناشی از کوچک شدن ساختمان مواد، ناپایداری حرارتی نانوذرات است. همانگونه که میدانید،( گرما دارای انرژی E )است، که 03 - میزان انرژی آن متناسب با دمای محیط است. این انرژی برابر با KBT است.
در این رابطه KB ثابت بولترمان و یک مقدار ثابت برابر با و T دما بر حسب کلوین است. بنابراین، وقتی مواد در محیطهای مختلف قرار میگیرند، در اثر گرما به الکترونها انرژی(-0 01*0/33JK)داده میشود. حال یک ویژگی از یک ذره را در نظر بگیرید که به صورت کلی به (حجم نانو ذره V) بستگی دارد. انرژی این ویژگی به صورت U و تابعی از V است. هنگامی که حجم به اندازه کافی کوچک باشد، به طوری که KBT بزرگتر از U باشد، آنگاه شرایط از نظر حرارتی ناپایدار خواهد بود.
به عنوان مثال، ممکن است نانو ذره ای با اندازه ای خاص توسط انرژی حرارتی که برای آن ذره به اندازه کافی بزرگ است، از جای خود بلند شود. یک ذره زیرکونیا را در نظر بگیرید. چگالی آن برابر تواند ذرهای به قطر (0011 3-m Kg) است. انرژی حرارتی در دمای اتاق می (01*5/0 ) نانومتر را تا ارتفاعی برابر همین قطر بالا ببرد ، با محاسبات ساده میتوان نتیجه گرفت انرژی محیطی، ذرهای از زیرکونیا با قطر 5 نانومتر را میتواند تا ارتفاعی بیش از 0 متر پرش دهد. البته این بازی با اعداد واقعیت فیزیکی ندارد اما نشان میدهد که نانوذرات ثابت نبوده و از روی سطح در حال حرکت هستند. ناپایداری حرارتی حاصل از نوسانات در تفسیر و بررسی برخی خصوصیات فیزیکی مانند خواص مغناطیسی و جذب نوری نانو ذرات نقش مهمی دارد.
روند ناپایداری حرارتی (نانوذرات) در تغییر لیندمان ساختار و ساختمان نانو مواد
تمام اتمهای موجود در نانو مواد در هر دمایی مقدار مشخصی از انرژی را به دلیل نوسانهای خود، به خود اختصاص میدهند. میزان دامنه این نوسان در تمام اتمهای نانو ماده یکسان نیست. بلکه اتمهای سطحی به دلیل آزادی فضایی بیشتری که در اختیار دارند، دامنه نوسان بیشتری نیز دارند. به این ترتیب میتوان رفتار عجیب جامدات در کاهش دمای ذوبشان را توضیح داد. رسیدن مقدار میانگین دامنه ارتعاشات اتمی به ضریب مشخصی از مقدار ثابت شبکه نانو مواد ، این ارتعاشات دیگر نمیتوانند بدون آسیب رساندن و تخریب شبکه نانو ذرات افزایش یابند. بنابراین، با افزایش میانگین دامنه ارتعاشات به مقادیر بیشتر، ماده از قالب شبکه بلوری خارج شده و ذوب میشود. اتمهای سطحی، میانگین نوسانهای بالاتری دارند و اگر تعداد اتمهای سطحی زیاد شود، میتوانند بر میانگین دامنه نوسانهای کل اتمهای ماده تاثیر واضحی بگذارند. بنابراین با کوچک شدن ابعاد ماده تا حدی که نسبت تعداد اتمهای سطح به تعداد اتمهای حجم به مقدار چشمگیری برسد، میانگین دامنه نوسانهای نانو مولکولی افزایش قابل ملاحظه ای خواهد یافت؛ در این شرایط، با افزایش ناپایداری سطحی ماده، دمای ذوب نانو مواد کاهش پیدا خواهدکرد.
نتیجه گیری:
خواص گرمایی یا حرارتی از مهمترین خواص فیزیکی نانو مواد است. مطالعه خواص حرارتی نانومواد به منظور مطالعه خواص ترمودینامیکی و سینتیکی نانومواد و خواص سطحی آنها اهمیت ویژهای دارد. تا به امروز بررسی های حرارتی نانو مواد بیشتر بر بررسی های سینتیک رشد دانه ها، دمای ذوب نانو ذرات، گرمای ویژه، ترمودینامیک و سینتیک نانو مواد متمرکز شده است.