Научный журнал

Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Юров В.М. 1 Лауринас В.Ч. 1 Гученко С.А. 1

---

1 Карагандинский государственный университет им. Е.А. Букетова

В работе предложен метод определения поверхностного натяжения оксидов металлов по размерной зависимости интенсивности люминесценции от размера зерна люминофора. Способ апробирован при определении поверхностного натяжения диэлектрических кристаллов KCl с примесью ионов таллия в качестве люминесцирующего зонда. По величине поверхностного натяжения предложен метод определения температуры плавления наночастицы при различных ее размерах. Для наночастиц оксидов металлов определены температуры плавления при 10, 25 и 50 нм. Показано, что с уменьшением размера частицы до 10 нм температура плавления уменьшается до 1000 К. Это необходимо учитывать при многих технологических процессах. В работе показано, что размерный параметр d определяется только фундаментальной величиной – атомным объемом вещества υ, который изменяется периодически в соответствии с таблицей Д.И. Менделеева. Предложенный метод определения поверхностного натяжения может быть использовано также для оценки энергии диспергирования оксидов металлов, которые входят в состав большого количества минералов и руд. Это важно, поскольку самая затратная операция в горной промышленности – это измельчение руд. Полученная в работе связь между температурой плавления и поверхностной энергией может быть использована для определения ее величины. Это важно, поскольку определение поверхностной энергии твердых тел – очень непростая задача.

Статья в формате PDF

0 KB

температура плавления

поверхностное натяжение

размерный эффект

1. Woodley S.M., Hamad S., Mejias J.A., Catlow C.R.A. Properties of small TiO2, ZrO2 and HfO2 nanoparticles. J. Mater. Chem. 2006. Vol. 16. № 20. P. 1927–1933.

2. Gupta S.M., Tripathi M. A review of TiO2 nanoparticles. Chinese Sci. Bull. 2011. Vol. 56 № 16. P. 1639–1657. DOI: 10.1007/s11434-011-4476-1.

3. Пугачевский М.А. Стабилизация наночастиц оксидов переходных металлов IV группы при лазерной абляции: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Хабаровск, 2015. 270 с.

4. Buffat P., Borel J.P. Size effect on the melting temperature of gold particles. Phys. Rev. A. 1976. Vol. 13. P. 2287–2294.

5. Pawlow P.J. Uher die Ahhangigkeit des Schmeltzpunktes von der Oberflachenenergie eines festen Korpers. Zs. Phys. Chem. 1909. Vol. 65. P. 1–35.

6. Макаров Г.Н. Экспериментальные методы измерения температуры и теплоты плавления кластеров и наночастиц // УФН. 2010. Т. 180. № 2. P. 185–207.

7. Guisbiers G. Review on the analytical models describing melting at the nanoscale. J. Nanosci. Lett. 2012. V. 2. No. 8. P. 1–10.

8. Самсонов В.М., Сдобняков Н.Ю., Васильев С.А., Соколов Д.Н. О размерной зависимости теплот плавления металлических нанокластеров // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т. 80. № 5. С. 494–496.

9. Liang T., Zhou D., Wu Z., Shi P. Size-dependent melting modes and behaviors of Ag nanoparticles: a molecular dynamics study // Nanotechnology. 2017. Vol. 28. No. 48. P. 485–704.

10. Юров В.М. Температура плавления наночастиц // Вестник КарГУ: сер. Физика. 2012. № 3 (67). С. 22–27.

11. Юров В.М., Ещанов А.Н., Кукетаев А.Т. Способ измерения поверхностного натяжения твердых тел // Патент РК № 57691. Опубл. 15.12.2008. Бюл. № 12.

12. Юров В.М. Способ измерения поверхностного натяжения люминофоров // Патент РК № 23223. Опубл. 27.11.2010. Бюл. № 11.

13. Рехвиашвили С.Ш., Киштикова Е.В., Кармокова Р.Ю., Кармоков А.М. К расчету постоянной Толмена // Письма в ЖТФ. 2007. Т. 33. Вып. 2. С. 1–7.

Наночастицы оксидов многих металлов находят широкое применение в различных областях науки и техники, медицине: в качестве керамики, катализатора химических реакций, очистителя органических загрязнений, активного элемента солнечных батарей, газовых сенсоров, фармакологии и др. (например, [1–3] и библиография в них).

Важнейшая характеристика наночастиц – это температура плавления. Первой экспериментальной работой по этой проблеме является, пожалуй, работа [4], а вот первая теоретическая работа появилась еще в 1909 г. [5]. В последние годы интерес к этой проблеме не ослабевает [6–9].

В настоящей работе экспериментально определена температура плавления некоторых наночастиц оксидов металлов по методике [10–12] и предложена универсальная эмпирическая зависимость, справедливая и для более сложных наноструктур.

Материалы и методы исследования

В основе нашего подхода [11, 12] лежит размерная зависимость некоторого физического свойства [10]. В рассматриваемом случае – это размерная зависимость рентгенолюминесценции оксидов некоторых металлов [11]:

(1)

Здесь I0 – начальная интенсивность рентгенолюминесценции, I(r) – интенсивность свечения частицы радиусом r, d – параметр, который равен [11]:

(2)

где σ – поверхностное натяжение оксида, υ – молярный объем оксида, R – газовая постоянная, Т – температура.

Способ применяли для определения поверхностного натяжения диэлектрических кристаллов KCl, с примесью ионов таллия в качестве люминесцирующего зонда. Интенсивность рентгенолюминесценции определялась стандартным фотоэлектрическим методом. Размер зерна диэлектрика определялся с помощью металлографического микроскопа Эпиквант. Результаты показаны на рис. 1. В координатах экспериментальная кривая спрямляется в соответствии с (1), давая значение d = 0,02 мкм. Для KCl ϑ = 37,63 см3/моль и из (2) для поверхностного натяжения получено: σ = 0,221∙Дж/м2. Температура плавления оксида определялась по формуле [13]:

, (Дж/м2), (3)

Tm – температура плавления.

Рис. 1. Зависимость интенсивности рентгенолюминесценции KCl – Tl от размера зерна люминофора

Результаты исследования и их обсуждение

По методике, описанной выше, были исследованы размерные зависимости оксидов некоторых металлов. Пример такой зависимости показан на рис. 2.

В табл. 1 приведены значения температуры плавления массивных образцов оксидов некоторых металлов и образцов размером r = 10, 25 и 50 нм.

Рис. 2. Размерная зависимость относительной рентгенолюминесценции от размера зерна люминофора

Оксиды Cs2O, Tl2O3, Ag2O, Au2O3, MnO2, ReO2, как следует из табл. 1, оказываются при комнатной температуре нестабильны – Tm < 0 °С = 273,15 К. Оксид цезия Cs2O – оранжево-красные гексагональные кристаллы. В виде минерального сырья в природе эти оксиды не встречаются, а получаются искусственным путем. Оксид таллия Tl2O3 – тёмно-коричневые кристаллы. Не растворяется в воде, щелочах. Реагирует с кислотами. Оксид серебра Ag2O – порошок коричнево-черного цвета. Ag2O практически нерастворим в большинстве известных растворителей, исключая те, с которыми он взаимодействует химически. Оксид золота Au2O3 – аморфен. Имеет красный или красно-бурый цвет. Оксид марганца MnO2 – порошок тёмно-коричневого цвета, нерастворимый в воде. Наиболее устойчивое соединение марганца, широко распространённое в земной коре – минерал пиролюзит. Оксид рения ReO2 – светло-жёлтые диамагнитные кристаллы ромбической сингонии.

Из табл. 1 также следует, что температура большей части оксидов уменьшается на тысячу градусов и более при уменьшении размеров наночастиц менее 10 нм. Это необходимо учитывать при многих технологических процессах.

Если теперь уравнение (3) подставить в (2) при T = Tm, то получим

(4)

Уравнение (4) показывает, что размерный параметр d определяется только фундаментальной величиной – атомным объемом вещества υ, который изменяется периодически в соответствии с таблицей Д.И. Менделеева (рис. 3).

Уравнение (3) может быть использовано также для оценки энергии диспергирования оксидов металлов, которые входят в состав большого количества минералов и руд. Самая затратная операция в горной промышленности – это измельчение руд. Соответствующие расчеты даны в табл. 2.

Заключение

В работе предложены:

– метод определения поверхностного натяжения оксидов металлов по размерной зависимости интенсивности люминесценции от размера зерна люминофора;

– метод определения температуры плавления наночастицы при различных ее размерах;

– метод оценки энергии диспергирования оксидов металлов, которые входят в состав большого количества минералов и руд.

В работе показано, что размерный параметр d определяется только фундаментальной величиной – атомным объемом вещества.

Полученная в работе связь между температурой плавления и поверхностной энергией может быть использована для определения ее величины. Это важно, поскольку определение поверхностной энергии твердых тел очень непростая задача.

Работа выполнена по программе МОН РК. Гранты № 0118РК000063 и № Ф.0780.

Библиографическая ссылка