Размерные эффекты

Биомиметика.

Одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а мимикрия уже известных природных молекулярных моторов. Биологические молекулярные моторы превращают химическую энергию в механическую работу. Эти природные наномашины отвечают за основные жизненные процессы на молекулярном уровне в живой клетке. КПД таких моторов во многих случаях близка к 100%. В большинстве своем это белковые машины, ферменты и катализаторы, такие, как кинезин, миозин, аденозинтрифосфат (АТФ)-синтетаза и другие. Миллионы миозиновых двигателей обеспечивают сокращение мышц, заставляют биться сердце. В каждой клетке, передвигаясь вдоль спирали ДНК, работают различные моторы-роторы.

НЧ (наночастица, nanoparticle) – агрегат из связанных атомов, размер которого порядка 1¸100 нм. Число атомов в НЧ от 10 до 10⁵.

Размерный эффект – зависимость удельной характеристики (или интенсивного параметра) вещества от размера его частиц.

В качестве такой характеристики могут быть:

• термодинамические свойства
• параметры кристаллической решетки
• прочность, пластичность
• транспортные свойства (диффузия, электронная и ионная проводимость)
• оптические и магнитные свойства
• реакционная способность (скорость и механизм химических реакций)

Размерных эффектов может быть много. В результате размерных эффектов у веществ появляются новые ценные качества. Обычно размерные эффекты наблюдаются в материалах и системах, состоящих из частиц размером менее 100 нм. Такие материалы называются наноматериалами.

Необычные физико-химические свойства наноматериалов:

• изменение кристаллической структуры
• изменение электронной структуры
• высокие коэффициенты диффузии
• сверхпластичность
• отсутствие дислокаций (высокая прочность)
• высокая удельная поверхность
• повышенная каталитическая активность

Коэффициент диффузии - количественная характеристика скорости диффузии, равная количеству вещества (в массовых единицах), проходящего в единицу времени через участок единичной площади при градиенте концентрации, равном единице (соответствующем изменению 1 моль/л → 0 моль/л на единицу длины). Коэффициент диффузии определяется свойствами среды и типом диффундирующих частиц. Диффузия происходит против градиента концентрации (gradC = dC/dl).

Пластичность - свойство деформируемого твердого тела сохранять остаточные деформации после снятия приложенной к нему нагрузки. Другими словами, это способность материала без разрушения получать большие остаточные деформации.

Сверхпластичность - состояние материала, имеющего кристаллическую структуру, которое допускает деформации, на порядок превышающие максимально возможные для этого материала в обычном состоянии.

Упругость (эластичность) - свойство материала под действием механических напряжений деформироваться обратимо: после снятия напряжений материал остается недеформированным.

Удельная поверхность — усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.

С уменьшением размера частиц понятие фазы выражено менее четко: иногда трудно определить границы между фазами гетерогенной системы, между аморфными и кристаллическими состояниями. Обычные физико-химические представления, включающие понятия «состав-свойство», «структура-функция» дополняются терминами «размер», «самоорганизация».

Гомогенная система — однородная система, химический состав и физические свойства всех частей которой одинаковы или меняются непрерывно, без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела). В гомогенной системе из двух и более химических компонентов каждый компонент распределен в массе другого в виде атомов, молекул или ионов. Составные части гомогенной системы нельзя отделить друг от друга механическим путем.

Гетерогенная система — неоднородная система, состоящая из однородных фаз, разделенных поверхностью раздела. Однородные части (фазы) могут отличаться друг от друга по составу и свойствам.