Нанотехнология негіздері оқу құралы Алматы

Қатты заттардың көп қасиеттері оларға тән өлшемдеріне тәуелді болады. Көлемдi материалдарды зерттеген кезде микроскоптық бөлшектері ортақ шамаға келтiредi. Физиканың дәстүрлi облыстарында - механикада, электромагнетизмде, оптикада макро өлшемдерге қатысты, миллиметрден километрге дейінгі өлшемдер алынады. Көлемді материалдардың қасиеттері (мысалы, тығыздық, Юнг модулі, электр кедергісі, магниттілік, диэлектрлік өтімділік және т.б.) бұлар орташаға келтірілген сипатамалар болып табылады. Матералдар наноқрылымдармен сипаталғанда олардың көптеген қасиеттері өзгереді. Көптеген қатты денелер атомы тәртіпті түрде орналасқан кристалдық құрылымға ие болады. Оларда алыс тәртіп болады, өйткені алыс тәртіп барлық кристалдардың бойына таралады.

Бравэнің 14 торы бар, ең аз симметрияға үшклиндік торы, ал айтарлықтай симметрияға кубтық тор ие болады. Бұл 14 Бравэ торлары 7 жүйеге бөлінеді. Кубтық жүйеде Бравэнің үш торы болады: қарапайым кубтық, ККО (кубтік көлемді орталықтанған, сурет 1.7) және КБО (кубтік бүйірлі орталықтанған, сурет 1.8). Көптеген металдар тығыз-буылған торлар түрінде кристалданады. Атап айтқанда КБО, ГТБ (гексагональді тығыз буылған), және ККО. Ендіше Ag, Al, Au, Co, Cu, Pb, Pt, Rh, сонымен асыл газдар Ne, Ar, Kr, Xe ГТБ торларытүріндекристалданады.

Mg, Nd, Os, Re, Ru, Y, Zn – металдары ГТБ торлар түрінде кристалданады (1.10 сурет). Бірнеше металдар ККО торлары түрінде кристалданады (1.10 сурет), ал Cr, Li, Sr металдар барлық үш тығыз буылған торлар түрлерінде кристалдану шартарына байланысты кристалдануы мүмкін. КБО торларда әрбір атом 12 көрші атомдарға ие болады, мұндай элементарлық торларда 13 атом болады (1.11 сурет). Сонымен, мұндай 13 атомдар ең кіші мүмкін болған КБО торлар үшін нанобөлшектерді құрайды.

Осындай бөлшектерге қабаттарды қоса отырып тағы да үлкен атомдардың суммасы N = 1, 13, 55, 147, 309, 561, …құрылымдық сиқырлы сандарына тең болатын бөлшектерді алуға болады. n қабаттар үшін, мұндай КБО нанобөлшектерды N атомдардың саны төмендегі формуламен анықталады:

Егер нанобөлшектердың ГТБ құру үшін осы тәртіпті пайдалансақ, онда баска да сиқырлы сандар қатарын аламыз: 1, 13, 57, 153, 321, 581, … Мұн дай сиқырлы сандарқұрылымдық деп аталады, өйткені олар нанобөлшектің көлемін минималдау және тығыздығын максималдау арқылы алынады. Мұндай сиқырлы сандар нанобөлшектің атомдардың электрондық құрылымдарына ешқандай қатысы жоқ. Кейде нанобөлшектің құрылымын энергетикалық минимумын анықтаушы валентті электрондардың орташа молекулярлық потенциалмен өзара әрекеттесуі болып табылады. Себебі электрондар осы потенциалдармен анықталатын сатыларда орналасады. Атомдық кластерлердің конфигурациясы, оларда мұндай өте тұрақты электрондар толтырылған қабықшаларды құрайды және электрондық сиқырлы сандарды туындатады. Олардың атомдық құрылымдары КБО-дан өзгеше болады. Натрий нанобөлшектерінің массалық спектрлерінде бірінші 15 электрондық сиқырлы сандарға N = 3, 9, 20, 36, 61, … сәйкес келетін, n = 15 болғанда N = 1220 -ға дейін және КБО үлкен кластерлер үшін құрылымдық сиқырлы сандар, n = 8 болғанда N = 1415-тен бастап шыңдары байкалады. Алынған масс-спектрометрлік деректер бойынша кіші кластерлер электродық құрылыммен, ал үлкендері кристалдық тордың құрылымымен анықталады.