2.5. Наночастицы

Среди дисперсных систем особое внимание в настоящее время сосредоточено на частицах твердой фазы, имеющих наноразмеры 1 – 10 нм (1 нанометр = 10^9 м). Наночастицы, диаметр которых меньше 10 нм, приближаются к размерам отдельных атомов и молекул. Квантовомеханические расчеты, выполненные Дж. Уэбером и Д. Кромером, показывают, что орбитальные радиусы атомов лежат в пределах от 0.029 нм (радиус атома гелия) до 0.245 нм (радиус атома цезия).

Доля атомов на поверхности наночастицы сопоставима с количеством атомов в объеме. Не все химические связи реализуются в атомах, расположенных на поверхности наночастицы. В связи с этим атомы поверхностного слоя становятся активными реагентами и взаимодействуют практически с любыми химическими соединениями.

Высокая реакционная способность и уникальные физические свойства отличают наночастицы от макрочастиц. Например, резко изменяется температура плавления нанокристаллов (размером 5 – 10 нм) по сравнению с макрокристаллом.

Существуют разнообразные способы получения наночастиц. Например, один из них основан на испарении материала (металла, неметалла) при низком давлении в среде инертного газа с помощью лазерного, электронно-лучевого и др. источника энергии. При высокой температуре вещество испаряется. Образовавшийся пар конденсируется в виде наночастиц на охлаждаемой поверхности. Требуется принимать меры к тому, чтобы избежать слипания наночастиц в силу их высокой реакционной способности.

На основе наночастиц созданы и создаются материалы, обладающие уникальными электрофизическими, механическими, оптическими свойствами. Практические результаты налицо. В США уже производятся «пассивные наноструктуры»  нанопорошки, которые добавляются в полимеры, керамику, металлы, покрытия, лекарства, косметику, пищу и прочие товары народного потребления (всего несколько сот видов товаров). Например, производятся непахнущие синтетические носки с частицами наносеребра (серебро  антисептик), непромокаемые брюки и плащи. Для автомобильных стартеров удалось изготовить пластмассу, которая проводит электрический ток лучше, чем медь.

Сегодня 60% американских автомобилей оснащены бензопроводами, содержащими углеродные нанотрубки. За счет высокой электропроводности они нейтрализуют статические заряды, которые могут породить искру, особенно опасную, если топливо просочиться через нейлоновый материал бензопровода. В автомобилях «Рено Клио», «Меган» нанотрубками наполнены пластиковые крылья.

Краткий итог темы

1. Гетерогенные смеси веществ образуют дисперсные системы, состоящие из двух или более фаз с развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в которой распределена дисперсная фаза в виде мелких частиц.

2. Высокодисперсные системы (золи) и системы средней и грубой дисперсности отличаются размером частиц дисперсной фазы и величиной поверхностной энергии.

3. Повышенная поверхностная энергия дисперсных систем приводит к проявлению поверхностных явлений. Любое раздробленное жидкое или твердое тело стремится сократить свою поверхность под действием поверхностного натяжения – энергии, затрачиваемой на изменение единицы поверхностной площади жидкого или твердого тела. Процесс слияния капель и слипания твердых частиц является самопроизвольным, так как дисперсная система стремится перейти в устойчивое состояние, сопровождающееся уменьшением функции Гиббса (dG < 0)

4. Повышенная поверхностная энергия приводит к появлению адгезии (прилипанию). Между молекулами (атомами, ионами), расположенными на двух соприкасающихся поверхностях твердое тело – твердое тело или твердое тело – жидкость, силы электромагнитного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) удерживают соприкасающиеся поверхности.

5. Концентрирование вещества на границе раздела фаз (адсорбция) твердое тело – жидкость, твердое тело – газ, жидкость – газ обусловлено физическим или химическим взаимодействием молекул адсорбата с молекулами адсорбента, расположенными на поверхности.

6. На границе поверхности раздела фаз масло – вода и вода – газ происходит концентрирование поверхностно-активных веществ (ПАВ) из водного раствора. Поверхностно-активные вещества имеют особое строение молекул. Они содержат длинные неполярные углеводородные радикалы, соединенные с небольшими по размеру полярными группами. ПАВ понижают поверхностное натяжение, стабилизируют дисперсные системы. Они широко используются в быту (стирка), косметике, медицине, бурении нефтяных и газовых скважин и других сферах практической деятельности человека.