Наноструктурные материалы

Отметим еще  одно важное обстоятельство. Несмотря на широкое распределение нанокластеров по размерам, фазовый переход в них происходит при фиксированной температуре . Это свидетельствует о коллективном превращении всей системы, когда фазовый переход в одном кластере индуцирует фазовый переход во всем образце. Подобные фазовые переходы со скачкообразным превращением структуры всего образца наблюдаются в углеродистых сталях при переходе аустенита в мартенсит (мартенситные переходы).

Температура магнитного фазового перехода связана  с еще одним типом фазового превращения, обусловленного составом железооксидной наносистемы. При в системе сосуществуют обе фазы   и , при обе фазы превращаются в одну общую структуру с параметром , отвечающим фазе. При этом по данным рентгеноструктурного анализа кристаллические решетки обеих фаз сохраняются.

Температурная зависимость изомерного сдвига (рис. 5в) показывает резкое изменение этого параметра при . При этом для фазы сдвиг уменьшается, а для фазы возрастает скачком в среднем до 0,45 мм/с. Эти данные свидетельствуют о коллективных превращениях и фаз в единую подобную структуру. Сохранение кристаллических решеток обеих фаз можно объяснить, если предположить образование двойниковой наноструктуры. Такие структуры часто формируются при кристаллизации под действием механических деформаций в результате спекания зародышей. Кроме того, двойникование происходит при быстром тепловом расширении или при нагревании деформированных кристаллов.

Развитие  эффектов коллективных превращений  фаз и образования двойниковых  наноструктур в рассматриваемой двухфазной железооксидной системе можно объяснить следующим образом. В процессе синтеза наносистемы    и   происходит спекание зародышей оксида железа, что приводит к образованию сильно взаимодействующих кластеров. Сильные межкластерные взаимодействия вызывают, по-видимому, двойниковые коллективные переходы в наносистеме. В результате при изменении температуры происходит своеобразный фазовый переход двухфазной гетерогенной наносистемы оксидов железа в однофазную двойниковую наноструктуру, в которой фаза подстраивается под фазу. При этом происходит перенос электрона от фазы на фазу, что проявляется в возрастании изомерного сдвига. Подобный переход представляет собой новое свойство гетерогенной наносистемы, в которой генератор перехода -  кластер, обладающий переходом Морина, вызывает коллективный переход системы в двойниковую наноструктуру.

Условия возникновения и особенности магнитного фазового перехода первого рода в наносистеме анализировались нами в рамках термодинамического подхода. Для изолированного кластера была получена температурная зависимость намагниченности (рис. 6):

                          (5)

где - отношение намагниченности М к намагниченности насыщения ; и функции размера кластера, -линейное приближение зависимости температуры магнитного фазового перехода от деформации  ., вызванной капиллярным давлением , а , поверхностное натяжение, N – число атомов в кластере со спином 1/2, - объемная сжимаемость, - положительная константа.

Как видно  из рис.6, уменьшение намагниченности  с ростом температуры происходит по-разному в зависимости от размера  кластера ( функции). Если размер кластера так велик, что значение ,  то зависимость однозначна и описывает переход второго рода. Если же кластер настолько мал, что , то зависимость приобретает Z-образную форму. В этом случае при понижении температуры переход на нижнююветвь зависимости будет происходить скачко (см. пунктир на рис. 3), что характерно для фазовых переходов первого рода. Если обозначить температуру перехода, при которой происходит изменение типа фазовогоперехода, ,  т.е. полагать , то критический размер кластера, характерный для данной температуры, может быть рассчитан по формуле

При повышении  температуры кластер, радиус которого , скачком переходит в парамагнитное состояние, тогда как кластер, радиус которого , совершает переход второго рода.

Увеличение  внешнего давления на p вызывает деформацию кластера так, что температура его магнитного перехода уменьшается на величину

                         (6)

Итак, особые свойства нанокластеров и наносистем являются следствием размерных эффектов в нанокластерах и межкластерных взаимодействий, в том числе взаимодействий кластера с матрицей.  Это позволяет создавать наноматериалы с новыми магнитными и каталитическими свойствами. В качестве результатов, имеющих практическое значение, представляет интерес создание наносистем из оксидов железа с регулируемым размером 1-50 нм и изменяющимися магнитными свойствами за счет регулирования размеров нанокластеров и межкластерного взаимодействия и разработка высокоэффективного и стабильного железооксидного кластерного катализатора на углеродной матрице для  окислительного разложения сероводорода (оптимальный размер кластера 5-10 нм).

Заключение

Современные возможности  лабораторного эксперимента по наблюдению и изучению явлений в нанометровой шкале пространственных размеров и заманчивые перспективы создания уникальных материалов и наноустройств порождают новые теоретические проблемы. Необходимость конструктивного решения этих проблем ведет к интенсивным исследованиям, формирующим новые разделы в вычислительной физике и вычислительной химии.

Исследования  в области нанокластеров и наносистем лежат в основе создания новой технологии XXI века - нанотехнологии. Среди них - одноэлектронные устройства, позволяющие на несколько порядков уменьшить размер современных микронных вычислительных элементов и перейти от микро- к нанотехнологии. Работы в области полупроводниковых кластеров ведут к созданию лазеров с изменяемой длиной волны за счет изменения размера нанокластера, а также светодиодов. Конструирование наносистем из отдельных нанокластеров позволяет изменить электронные и магнитные свойства наносистемы за счет возникновения избыточных внутренних напряжений (давлений) и влияния поверхностно активных веществ. Перспективны газовые и жидкостные сенсоры на основе наносистем с полупроводниковыми кластерами. Кластерные катализаторы позволяют развивать новые направления управления конверсией и селективностью каталитических реакций за счет размера кластера и взаимодействия его с матрицей. Нанотехнология нанесения пленок создает предельно ровные поверхности и приводит к экономии дорогостоящих материалов для покрытий.

Время стремительно толкает нас к вершинам новых  побед и открытий, нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас.

Список использованной литературы

1. Г.Г. Еленин – «НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОМАТЕРИАЛЫ, НАНО-УСТРОЙСТВА» (часть 1).
2. Суздалев И.П. – «ФИЗИКО-ХИМИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ И НАНОСТРУКТУР», курс лекций.
3. А.И. Гусев, А.А. Ремпель, Нанокристаллические материалы, Москва, Физматгиз, 2001.
4. Рыбалкина М. – «Нанотехнологи для всех», 2005 г.
5. «Российский электронный наножурнал» – 15.05.2008. www.nanojournal.ru.
6. Популярная Механика, www.popmech.ru.
7. www.fund-intent.ru.
8. www.berkeley.edu.