Наночастицы металлов

Наночастицы – это, пожалуй, самый многочисленный и разнообразный класс нанообъектов, в число которых входят всем известные нанотрубки и фуллерены. В чем их уникальность, и почему они вызывают такой интерес ученых? Для начала попробуем разобраться, что такое наночастица.

Приставка «нано-» в слове «наночастица» обозначает «одна миллиардная доля чего-либо». Соответственно, 1 нанометр (1 нм) – миллиардная часть метра (10-9 м) – и является той характерной единицей, с которой сравнивают размеры нанообъектов. Чтобы понять, насколько это мало, сравним наночастицу размером 10нм с диаметром человеческого волоса 10 мкм. Если увеличить наночастицу до размера небольшого яблока, диаметр волоса возрастет до 100 километров! Также можно вспомнить, что характерный диаметр атома еще в 10 раз меньше – 10-10 м или, по-другому, 1 ангстрем. То есть, в наночастице может содержаться от десятка до тысячи атомов, что несоизмеримо меньше количества атомов в обычном веществе.

Но важным здесь, конечно, является не сам малый размер наночастиц, а то, что происходит с материалом на таких масштабах. Давайте разберем такой переход от «макроматериала» к «микроматериалу» на примере какого-нибудь всем известного метала, например, меди.

Если мы найдем медь в таблице Менделеева, то увидим, что электронная конфигурация его атома записывается как 3d104s1. Это означает, что в атоме меди есть отдельный электрон на самой далёкой внешней орбитали 4s1, который слабо связан с ядром и поэтому может легко оторваться от атома. Таким же свойством, легко отдавать свои электроны, обладают и другие металлы, поэтому они обычно активно реагируют с кислородом из воздуха и покрываются оксидными пленками.

Следовательно, большое количество связанных атомов меди, например как в шарике на рисунке, будет легко отдавать все свои 4s1 электроны в «общее пользование», образуя так называемый электронный газ.Другими словами все отданные электроны будут размазаны по всему объему медного шарика и могут двигаться в любом направлении. Именно поэтому у большинства металлов и у меди, в том числе,хорошая теплопроводность.

Уровни энергии всех общих 4s1 электронов в медном шарике будут перекрываться друг с другом, формируя общие зоны, которые называют разрешенными зонами. Зону, в которой электроны имеют самую высокую энергию, называют валентной зоной. В металлах эти зоны могут охватывать очень широкие диапазоны энергий. Поэтому они до конца не заполняются электронами и могут перекрываться с другими зонами. Благодаря этому металлы хорошо проводят электрический ток.

Благодаря существованию электронного газа поверхность металлов отражает почти весь видимый свет с любой длиной волны. Поэтому металлы имеют красивый серебристый блеск, иногда даже с голубоватым оттенком. Почему же медь и золото цветные? Дело в том, что внешняя орбиталь как у меди, так и у золота заполнена не до конца, и на нее могут переходить электроны с более низкой электронной оболочки. Разница в энергии между этими уровнями соответствует длине волны желтого света для золота и оранжево-красного для меди.

Что же будет происходить с металлом при уменьшении размеров? В кусочке размером в несколько нанометров будет всего около пары сотен атомов. Следовательно, и электронов для построения разрешенных зон будет недостаточно. Поэтому при некоторых условиях наночастицы металлов могут становиться диэлектриками. То есть, меняя размер наночастицы, можно тем самым менять ее проводящие свойства.

Если уменьшить наночастицу еще сильнее, оставив несколько десятков атомов, то электронов станет еще меньше и наша наночастица фактически превратиться в «суператом» с собственной уникальной электронной конфигурацией. Последняя будет очень чувствительна к количеству имеющихся в наличие электронов, поскольку их меньше сотни и колебания плюс-минус один электрон станут заметны. В наночастицах с большим количеством атомов такие вариации уже не так существенны. То есть, изменяя количество атомов в наночастице, можно получать электронную конфигурацию, соответствующую щелочному металлу, галогену или даже благородному газу и управлять тем самым свойствами материала.

Другой интересной особенностью наночастиц металлов является уменьшение температуры плавления при уменьшении размера. Благодаря этому наночастицы могут становиться «расплавленными» даже при комнатной температуре. Поскольку атомы жидкости подвижнее атомов твердого тела, диффузия каких-либо веществ с участием таких псевдожидких наночастиц может протекать быстрее и при более низких температурах, что может существенно упрощать проведения каких-либо реакций.

С уменьшением размера частицы будет увеличиваться доля атомов, которые относятся к поверхностному слою. Например, в кубике из 27 атомов лишь один центральный атом полностью окружен со всех сторон соседями. Остальные 26 атомов принадлежат поверхности. Поверхностные атомы химически более активны, так как связаны с меньшем количеством соседей, чем атомы в объеме. Поэтому покрытия из наночастиц очень активно участвуют в реакциях. Эта особенность используется в каталитической химии, где неотъемлемым компонентом реакционных смесей являются мелкодисперсные металлические порошки, или в технологиях создания сверхчувствительных газовых сенсоров.

Как видно, при уменьшении размеров вещество может сильно изменяться, приобретая много необычных свойств, и даже обычная, давно известная медь может показать себя с неожиданной стороны.