اهمیت سطح در دنیای نانو(4)

اهمیت اتم‌های سطحی در تعییت خواص مختلف ماده از جمله واکنش پذیری خیلی بیشتر از ابعاد بزرگتر ماده است؛ زیرا نسبت سطح به حجم در ابعاد کوچکتر ماده بیشتر است و از طرفی این اتم‌های سطحی هستند

اهمیت سطح در دنیای نانو(4)

اهمیت اتم های سطحی در تعییت خواص مختلف ماده از جمله واکنش پذیری خیلی بیشتر از ابعاد بزرگتر ماده است؛ زیرا نسبت سطح به حجم در ابعاد کوچکتر ماده بیشتر است و از طرفی این اتم های سطحی هستند که در خط مقدم برخورد با سایر مواد و واکنشگرها هستند.در برخی مواد مانند فلزات نیز در شرایط خوردگی، اتم های سطحی اکسید شده و لایه ی محافظی برای اتمها ی عمقی تر ایجاد می کنند و مانع واکنش اتمهای حجم می شوند.تاثیر این اتم های سطحی در خواص فیزیکی ماده، نظیر نقطه ی ذوب و ... نیز قابل تامل می باشد.

در مقاله قبلی تلاش نمودیم تاپاسخ مناسبی را برای پرسش 9 و به تبع آن برای پرسش 8 بیابیم و نقش اتم‌‏های سطحی رادر رفتار ماده تبیین نماییم. در این راستا به مفهوم عدد همسایگی اشاره نمودیم ودیدیم که عدد همسایگی اتم‌‏های سطحی با اتم‌‏های درون حجم ماده متفاوت است. بنابراین اگر عدد همسایگی بر خواص اتم تاثیرگذار باشد، در مواد نانومتری وخوشه‏‌های اتمی که تعداد بسیار زیادی از اتم‏‌ها بر روی سطح ماده قرار دارند (جدول(1) مقاله‏ اهمیت سطح در دنیای نانو (3)) یا به عبارتی نسبت سطح به حجم بسیار بیشتراز مواد بزرگ‏تر است، این تاثیر باید چشم‏گیرتر باشد.

فعالیت شیمیایی

برای روشن‏‌تر شدن موضوع، مثالی را که در کتاب «نانو از نو» آورده شده است، بیانمی‏‌کنیم. تصور کنید که در زنگ تفریح به همراه دوستان خود در حیاط مدرسه ایستاده‌‏اید. هنگامی‏که زنگ به صدا در می‏‌آید، هر یک از شما تلاش می‏‌کند تا به سمت کلاس برود. در این شرایط آیا رفتار شما با بقیه‏ دوستانتان یکسان است؟ اگر شمادر میان حلقه‏ دوستانتان ایستاده باشید، ابتدا باید صبر کنید تا اطرافیانتان حلقه را ترک کنند و سپس شما بتوانید راهی به بیرون بیابید. بر عکس، دوست شما که در اطراف این جمع ایستاده است، می‌تواند به راحتی و با آزادی عمل بیشتری این حلقه را ترک کند. این رفتاری است که در اتم‏‌های یک ماده‏ جامد نیز دیده می‏‌شود. در واقع،اتم‏‌های سطح ماده آزادی عمل بیشتری نسبت به اتم‏‌های داخل حجم دارند. همان‏گونه که در مقالات قبلی گفته شد، ارتباط ماده با محیط پیرامونش، از طریق محل تماس ماده با این محیط، یا همان سطح ماده است. بنابراین به راحتی می‌‏توان دریافت که اتم‌‏های سطحی ماده، واکنش‏‌پذیری بیشتری دارند. بنابراین هنگامی‌که اندازه ذرات تشکیل دهنده ماده تا جایی کوچک شوند که نسبت سطح به حجم افزایش چشمگیری داشته باشد، واکنش‏‌پذیری ماده نیز بسیار افزایش خواهد یافت. اگرچه، در همان اندازه‌های بزرگ نیز با خرد کردن ذرات یک ماده، به وضوح واکنش‌پذیری آن افزایش می‌یابد و برای مشاهده‏ افزایش واکنش‏‌پذیری لزومی ندارد تا حتما به اندازه‏‌های نانومتری برسیم.

البته بایدبین این موضوع و موضوع غیر فعال شدن سطح فلزاتی مانند آلومینیوم بر اثر تشکیل لایه‏اکسیدی، روی سطح آن تمایز قائل شد. زیرا در آن شرایط اتم‏‌های سطحی در قالب یک ترکیب شیمیایی قرار گرفته‏‌اند و ماهیتی جدا از اتم‏‌های خالص درون حجم ماده دارند. در نتیجه واکنش‌‏پذیری بسیار کاهش می‌یابد و حجم ماده از واکنش شیمیایی مصون می‌‏ماند.

پرسش 10: بر اساس آنچه که تاکنون آموخته‌‏ایم، برخی از مواد در هنگام قرارگیری در محیط خورنده مانند آب دریایا محیط‏‌های اسیدی، خود را از خوردگی حفظ می‏‌کنند. به این ترتیب که یک لایه‏اکسیدی روی آنها تشکیل می‏‌شود. این لایه‏ اکسیدی در آلومینیوم، Al2O3، درتیتانیوم، TiO2و در فولاد ضد زنگ، اکسید کروم یا Cr2O3است. این لایه‏ اکسیدی بسیار سخت و دارای چسبندگی زیاد به سطح زیرین و هم‏چنین یکپارچه است، بنابراین جلوی اکسید شدن لایه‌‏های زیرین را می‏‌گیرد. در مهندسی خوردگی و حفاظت از فلزات، به اینرفتار به اصطلاح، غیر فعال (passive)شدن گفته می‏‌شود. به نظر شما، کوچک کردن اندازه‏ ماده به خصوص تا اندازه‏‌های نانومتری، چه تاثیری بر این رفتار دارد؟

نقطه‏ ذوب

البته این موضوع تنها محدود به فعالیت شیمیایی ماده نیست، بلکه در شکل دادن ویژگی‌های فیزیکی نیز،اتم‌های سطحی رفتاری متمایز از اتم‌های حجم دارند. تمام اتم‌‏های موجود در ماده درهر دمایی ، مقدار مشخصی از انرژی را به دلیل نوسان‏‌های خود، به خود اختصاص می‏‌دهند. میزان دامنه‏ این نوسان در تمام اتم‌‏های 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. برای اینکه بتوانیم در مورد نقطه‏ ذوب یک ماده‏ جامد صحبت کنیم، بهتر است، ابتدا تعریف یکسانی برای نقطه‏ ذوب ماده داشته باشیم. برای این کار می‌‏توانیم شرط یا معیار ذوب شدن ماده را تعریف کنیم.

دانشمندان و مهندسان به منظور تشخیص رخ دادن برخی پدیده‌‏ها در حین بررسی رفتار مواد، از معیارهایی استفاده می‏‌کنند. معیارهاعبارتند از معادلات ریاضی عموما ساده که تغییرات برخی عوامل موثر بر رفتار ماده رادر نظر می‏‌گیرند. معیارهای ترسکا و فون مایزز در مشخص کردن شرایط تسلیم یک ماده تحت اعمال نیرو و معیار لیندمان برای مشخص کردن تبدیل فازی از جامد به مایع در مواداز این دسته معیارها هستند. این معیارها در شبیه‏‌سازی رفتار مواد بسیار مهم وکاربردی هستند.

بر اساس معیاری که لیندمان درسال 1910 ارائه داد، هنگامی‏‌که میانگین نوسان‏‌های اتمی ماده به مقدار مشخصی (به نسبت فاصله‏ تئوری بین اتم‏‌های ماده در بلور جامد یا همان ثابت شبکه) برسد، ماده را ذوب شده در نظر می‏‌گیریم. به بیان دقیق‏تر، این طور فرض می‏‌شود که با رسیدن مقدار میانگین دامنه‏ ارتعاشات اتمی به ضریب مشخصی از مقدار ثابت شبکه، این ارتعاشات دیگر نمی‌‏توانند بدون آسیب رساندن و تخریب شبکه، افزایش یابند. بنابراین با افزایش میانگین دامنه‏ ارتعاشات به مقادیر بیش‏تر، ماده از قالب شبکه‏ بلوری خارج شده و ذوب می‏‌شود.

با توجه به توضیحات ارائه شده در بالا، اتم‌‏های سطحی، میانگین نوسان‏‌های بالاتری دارند و اگر تعداد اتم‌‏های سطحی زیاد شود، می‌‏توانندبر میانگین دامنه‏ نوسان‌‏های کل اتم‏‌های ماده تاثیر واضحی بگذارند. بنابراین باکوچک شدن ابعاد ماده تا حدی که نسبت تعداد اتم‏‌های سطح به تعداد اتم‏‌های حجم به مقدار چشمگیری برسد، میانگین دامنه‏ نوسان‏های اتمی افزایش قابل ملاحظه‌‏ای خواهدیافت؛ در این شرایط، با افزایش ناپایداری سطحی ماده، دمای ذوب ماده کاهش پیدا خواهدکرد. در واقع شرایط مورد نیاز برای برقراری معیار لیندمان (مقدار مشخصی از میانگین نوسان‏‌های اتمی) در دماهای کمتری تامین خواهد شد. در شکل زیر، روند کاهش نقطه‏ ذوب را بر حسب کاهش اندازه‏ ذرات ماده مشاهده می‏‌کنید.

filereader.php?p1=main_b0104a71c50bada3a

شکل 1- تغییرات مقدارنقطه ذوب در مقابل کاهش اندازه ذره‏ طلا

در این مقاله مشاهده نمودیم که اتم‌‏های سطحی که توسط تعداد کمتری از اتم‏‌های ماده محصورند، می‌‏توانند بررفتارهای ماده، تاثیرات به سزایی داشته باشند. البته این مباحث را می‏‌توان در قالب نظریه‏‌های دقیق‏تر علمی و با ارائه‏ روابط و تحلیل‏‌های ریاضیاتی و آماری به طور مفصل‏‌تری مورد بررسی قرار داد. اما بیان و توضیح این موارد خارج از هدف نگارش این سری ازمقالات (بیان ساده و مثال‏‌گونه‏ رخدادهای دنیای نانومتری) ‏است.

در مقالات بعدی، با رفتار اتم‏‌های سطحی بیشتر آشنا می‌‏شویم.

منبع :

مطالب مرتبط ...
پاسخ تلفنی به سوالات شما
پاسخ تلفنی به سوالات مشاوره ای و آموزشی شما

باسخ به سوالات شما در زمینه مشاوره کارنامه و هدف گذاری برای آزمون ها ، شروع مطالعه برای کنکور 97 ، روش درس خواندن ، مدیریت منابع و تکمیل ظرفیت کنکور 96 و ...

از طریق تلفن ثابت در سراسر کشور بدون پیش شماره
با شماره 9099071219 تماس بگیرید
ساعت پاسخگویی از 8 صبح تا 12 شب
دینامیک (بخش دوم )فیزیک چهارم ریاضی
  برای شرکت در کلاس کلیک کنید( چهارم رياضي)
دبیر : سیاوش فارسی