Устойчивость наносостояния. О чистых веществах

Поскольку наноразмерные частицы вещества, в особенности, те из них, размер которых меньше примерно 20 нанометров, имеют относительно высокое содержание поверхностных атомов (по сравнению с макроскопическими частицами), нам придется сделать два важных вывода:

1) Свойства вещества в наносостоянии отличаются от свойств того же вещества в макросостоянии.
(Естественно, это отличие связано с влиянием поверхностных атомов)

2) Вещества в наносостоянии термодинамически менее устойчивы, чем в макросостоянии.

Пониженная устойчивость наносостояния связана с тем, что поверхностные атомы имеют более высокую энергию, чем атомы балка. Вообще говоря, термодинамически наносостояние вещества не должно существовать. Кинетически оно может оказаться достаточно устойчивым благодаря локальному минимуму на потенциальной поверхности.

Устойчивость наносостояния может быть повышена несколькими способами.

Во-первых, при одном и том же количестве атомов в группе у разных геометрических фигур разная площадь поверхности. Простые геометрические рассуждения показывают, что при одном и том же объеме (а значит, при одном и том же общем количестве атомов) поверхность шара составляет только 80% от поверхности куба:

Поскольку наночастица стремится понизить избыточную энергию, она будет формировать геометрическую форму, близкую к сферической. В том случае, если это окажется невозможным, наночастица будет иметь форму многогранника с большим количеством граней или эллипсоида со скругленными концами.

Во-вторых, поверхностная энергия может быть понижена, если поверхность окажется границей раздела не вещества с вакуумом, а одного вещества с другим веществом. Хотя в этом случае силы межмолекулярного притяжения будут, как правило, меньше, чем для молекул (или атомов) одного и того же вещества, они все же смогут хотя бы частично приблизить энергию поверхности к энергии балка. По этой причине наночастица практически всегда будет адсорбировать атомы и молекулы окружающей фазы. Можно утверждать, что поверхность наночастицы только в глубоком вакууме может остаться непокрытой адсорбированными молекулами. Вообще говоря, это верно и по отношению к поверхности макровещества. Но для макроскопической частицы поверхность составляет такую малую долю от общей массы, что лишь очень чувствительный анализ способен обнаружить слой адсорбированных на поверхности молекул воздуха или другого окружения, да и то не всегда. Для наносостояния доля поверхностных атомов намного выше, поэтому эффект присутствия адсорбированных молекул окружения будет намного более заметным. Именно поэтому многие методы синтеза наночастиц требуют глубокого вакуума - иначе адсорбированное окружение вмешается в процесс и направит его совсем в другую сторону. И именно поэтому все наноразмерные вещества оказываются превосходными сорбентами.

Итак, еще один вывод:

Вещество может оставаться чистым только в абсолютном вакууме. (Которого, заметим в скобках, не существует в принципе.) Во всех реальных случаях поверхность вещество "загрязнена" атомами окружения. Для наносостояния такое "загрязнение" поверхности может быть значительным.