kulta on yksi maailman halutuimmista metalleista. Jalokeltainen metalli on luonnossa harvinaista, ja sitä on käytetty rahan välineenä ja korujen valmistuksessa muinaisista ajoista lähtien (Kuva 1).1 niin kuin meteoriittien uskotaan tuovan maan päälle, on kulta totisesti tästä maailmasta!2 on paljon syitä, että kulta on erityinen ja miksi se on säilyttänyt arvonsa yhteiskunnissamme., Kulta voi olla vielä erikoisempaa kuin luulimme.
askartelu ja käsittely tämä kiiltävä metalli, ihmiset ovat vähitellen oppineet sen fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet., ”True kulta pelkää tulta” on vanha Kiinalainen sanonta, joka on peräisin siitä, että bulk kulta pysyy ehjänä ja kiiltävä, kun sijoitettu yli puu tulipalot (600-1000 °C), kun taas useimmat muut metallit (kuten kupari, sinkki ja nikkeli ja niiden seokset) olisi sulaa ja/tai tummua näissä olosuhteissa. Kemiallisesti sanomme, että kullalla on erinomainen kemiallinen stabiilisuus hapettumista vastaan ja suhteellisen korkea sulamispiste (1064 °C). Mutta nanotiedon ansiosta on olemassa tapoja muuttaa kullan käyttäytymistä eri lämpötiloissa säilyttäen sen muut erityisominaisuudet.,
katsotaanpa käyttää jokapäiväistä kokemusta vedellä esimerkki auttaa ymmärtämään, mitä on meneillään kanssa kultaa. Tiedämme, että jää (kiinteä) näyttää aina sulaa vettä (neste) tietyssä lämpötilassa, ja sitten vesi näyttää aina haihtuu höyryksi (kaasu) tietyssä lämpötilassa. Näitä lämpötiloja kutsutaan vastaavasti sulamispisteeksi ja kiehumispisteeksi. Sulamis-ja kiehumispisteet voivat olla erilaisia paikallisen paineen mukaan. Tämän vuoksi ruoanlaitto-tai paistoresepteilläsi saattaa olla erilaiset ohjeet korkeuksiin, joissa ilmanpaine on matalampi kuin matalissa korkeuksissa.,
meidän ei kuitenkaan tarvitse kiivetä ylös ja alas vuoria manipuloidaksemme kiehumispistettä. Voimme helposti tehdä tämän muuttamalla paikallinen paine, joka on, miten paine-liesi toimii: lisäämällä painetta, veden kiehumispiste nousee korkeampi lämpötila, mikä tarkoittaa, että vesi voi päästä kuumempi ilman haihduttamalla, joka tekee ruokaa kokki nopeammin (Kuva 2).
ymmärtää, miten painekattila nostaa painetta sisällä, meidän on muistettava, mitä tapahtuu molekyylien neste, kun se kuumenee: he alkavat liikkua kauempana toisistaan! Sulamispiste on kuitenkin paljon vähemmän herkkä paikalliselle painemuutokselle. Tämä johtuu siitä, verrattuna neste haihtuu kaasuksi, tilavuus ei yleensä lisätä liian paljon, kun kiinteät aineet sulautuvat nesteitä. (Sivuhuomautus: vesi on siinä mielessä epätavallista, että sen tilavuus itse asiassa kasvaa, kun se jäätyy kiinteäksi – onko pakastimessa koskaan limupurkkia?, – mutta se on aihe toiselle postaukselle!)
– tärkein asia se, että se ei ole käytännön manipuloida sulamispiste ainetta muuttamalla paikallisia paine – sinun olisi pitänyt tehdä radikaaleja muutoksia paine saada edes pieni muutos sulamispiste (Kuva 3).
Mutta, onko muita tapoja muuttaa sulamispiste materiaalia?, Ja palatakseni tämän viestin pääaiheeseen, voimmeko sulattaa kultaa huoneenlämmössä?
aiemmassa blogikirjoituksessa, ”nanohiukkaset ovat kaikki ympärillämme”, keskustelimme siitä, että materiaalin koon pienentyessä nanokaaliksi myös monet Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet muuttuvat. Tämä johtuu useimmiten ”pintavaikutuksesta” eli kasvaneesta pinta-ala-tilavuus-suhteesta (Kuva 4).3
väri kultaa, esimerkiksi, muuttuu kiiltävä keltainen tumman punainen, kun sen koko pienenee sen nanometrin välillä (Kuva 5). Miten sulamispiste olennainen muutos, kuten sen koko pienenee nanomittakaavan?
Kuten jo 1871 (kun hänellä ei ollut tapa todella nähdä nanohiukkaset), Sir William Thomson osoitti, että sulamispiste muuttuu kääntäen verrannollisesti säde hiukkasen seuraavan yhtälön mukaisesti, tunnetaan nykyään Gibbs-Thomson equation4:
Jos liität tietoja materiaali on hiukkasten koon ja muut ominaisuudet, tämä yhtälö osoittaa, että materiaali on koko ja sulamispiste liittyvät suoraan. Kun materiaalin koko pienenee, myös sulamispiste pienenee., Ilmiö tunnetaan yleisesti nimellä ”sulamispisteen masennus”.5
Kuva 6 osoittaa suhdetta nanohiukkasten koon ja sulamispiste kultaa mukaan Gibbs-Thomson yhtälö. Kuten voimme nähdä, sulamispiste platinasta voi olla jopa alhaisempi kuin huoneen lämpötila (~23-25 °C), kun koko pienenee alle 1.,4 nm. Tuossa koossa kussakin nanohiukkasessa on vain noin 85 atomia, ja suurin osa atomeista altistuu pinnalle.6 (sen sijaan, 4 nm hiukkasten, on lähes 2000 kulta-atomeja, jolloin useimmat atomit vielä sisällä hiukkasen. Mietitkö, mistä tiedämme tämän? Katso blogikirjoitus, ” miten voit laskea, kuinka monta atomeja on nanohiukkanen?”)
eroa on kiinteä ja neste on helppo nähdä normaalin kokoinen esineitä: nesteiden siirto, virtaus, ja ottaa sen muodon, containter, että he ovat laittaa, mutta kiintoaineen ovat jäykkiä ja ei rämpiä.,7 Mutta onko olemassa tapa suoraan visualisoida ”nestemäiset nanohiukkaset”, joita olemme kuvanneet täällä?
Siirto elektronimikroskoopilla (TEM) on erittäin hyvin sopii tähän tarkoitukseen. Elektronisuihkujen osuessa näytteeseen ne voivat kuumentua ja sulattaa nanohiukkaset. Näytteen atomit voivat myös aiheuttaa vaaratilanteiden elektronisuihkujen diffraktin moneen tiettyyn suuntaan., Mittaamalla kulmat ja intensiivisyys nämä taittuneen palkit, diffraktio kuvioita voidaan luoda ja asema atomien näyte voidaan määrittää. Atomit ovat yleensä hyvin tilata kiintoaineen mutta liikkua nesteitä, mikä johtaa eri diffraktio kuvioita. Kiinteissä näytteissä havaitaan yleensä täplikkäitä kuvioita, kun taas nestenäytteissä havaitaan yleensä halo-kuvioita. Voimme sitten erottaa kiinteän tilan nestemäisestä tilasta tarkastelemalla niiden elektronidiffraktiokuvioita., (Lisätietoja elektronimikroskopiasta on julkaisussa ”Nature Under a Microscope: Exploring the Beauty of Nanoscience”.)
jo 1954, Takagi ensimmäinen käyttää tätä strategiaa testata ”sulamispiste tukahduttaminen” (Kuva 8). Hän valitsi lyijyn tutkimiseen, koska sen sulamispiste on suhteellisen alhainen, ja siitä voidaan helposti tehdä 5 nm: n paksuinen kalvo., Alla TEM, Takagi ja hänen tiiminsä näki, että sulamispiste 5 nm-paksu johtaa elokuva laski tavallista 327 °C-170 °C. 9
Vaikka Takagi tulokset olivat vaikuttavia, ne eivät voi kaapata kiinteä-neste siirtyminen reaaliajassa. Nykyään tämä onnistuu niin sanotun in situ TEM: n kehityksen ansiosta.10 kun volframikärkeen laitettiin alle 10 nm: n hopeanananopartikkeleita, tutkijat havaitsivat ”nestemäisen” käyttäytymisen tietyissä olosuhteissa., Hopea-nanohiukkasten jäi erittäin kiteinen sisustus, mikä viittaa siihen, että he eivät sula — jos hiukkaset oli todellakin sulanut, odotamme nähdä, ei kiteinen kuvioita ja täysin satunnaistettu atomi järjestely (kuten halo kuvio kuva 8). Tämä mielenkiintoinen ”neste-kuten” käytös johtui atomien hopea-nanohiukkasten liikkua paineen alla, antaa illuusion, että se on sulanut (Kuva 9).,
– Kaikki tämä auttaa meitä ymmärtämään, että vaikka ihmiset tapana ajatella, että ”true kulta pelkää tulta,” me tiedämme nyt, että nanomittakaavan metallit, kuten kulta, voi käyttäytyä kuten nesteitä huoneenlämmössä!,
toisaalta, sulamispiste masennus voisi tehdä jotkut nanohiukkaset vähemmän hyödyllisiä, jos ne täytyy olla vankka valtion toimia niiden teknologisia sovelluksia. Toisaalta, sulamispiste masennus on myös erittäin hyödyllinen sovelluksissa, joissa nanohiukkaset toimivat paremmin nestemäisessä tilassa. Voimme esimerkiksi helposti muuttaa nanosalaattimateriaalien muotoa paljon alhaisemmissa lämpötiloissa kuin niiden sulamispiste antaisi ymmärtää.
siksi vastaus aloittamaamme kysymykseen on: kyllä!, Teoriassa, kultaa tai mitä tahansa muuta materiaalia, voidaan pitää ”sulanut” kiitos hämmästyttävä materiaalien ominaisuuksia nanomittakaavassa.
KOULUTUSVARAT
- veden ja höyryn ominaisuuksien kansainvälinen yhdistys: miksi vesi laajenee jäätyessään?
- Journal of Chemical Education: Tieteen Suklaa: Interaktiivisia Toimintoja Vaiheen Siirtymiä, Emulgoituminen, ja Nukleaatio Amy Rowat et al., (saattaa vaatia tilaus)
- University of Georgia Extension: Tieteen Takana meidän Ruoka – Käyttämällä jäätymispisteen Masennus Löytää Molekyylipaino
Leave a Reply