Термодинамічний підхід до опису властивостей наночастинок та наносистем

  • V. V. Lobanov Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • M. I. Terebinska Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • O. I. Tkachuk Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
Ключові слова: наночастинки, наносистемі, хімічний підхід, над молекула, хімічний потенціал, довжина хвилі де Бройля, мицелоутворення, агрегація, нанотермодинаміка, діаграма стану, лінія солідуса, лінія ліквидуса

Анотація

Огляд присвячений викладу умов адаптації основних положень термодинаміки рівноважних і нерівноважних процесів до опису властивостей наночастинок і систем на їх основі. Послідовне проведення точки зору на наночастинку як хімічне утворення дає можливість розглядати не тільки кристалічні, а й аморфні наночастинки твердих тіл, їх сукупність однієї природи і зростаючого розміру – як гомолітичні ряди, а наночастинки одного складу, але різного розміру – як ізомери. В основі такого вивчення лежить поняття хімічного потенціалу наночастинок, яке автоматично враховує зовнішній енергетичний фактор, а внутрішній енергетичний ефект розглядається з використанням фазового підходу.

Застосування хімічного підходу до опису властивостей міцел дозволило дати більш широке трактування принципу мінімуму вільної поверхневої енергії при заданому об'ємі і твердого тіла.

Використання положень нанотермодінаміки в рамках хімічних уявлень забезпечує визначення характеристик малорозмірних наночастинок і опис закономірності їх поведінки при утворенні наносистем.

Розгляд фазових діаграм наносистем призводить до необхідності зміни звичних для об'ємних матеріалів понять. Це відноситься до понять «розчинності», «солідуса» і «ліквідуса», «діаграми розчинності», «нанофазної діаграми» і т д.

Посилання

1. Hill T. L. Thermodynamics of small systems. New York: Benjamin, 1963. Part I: 171.

2. Hill T. L. Perspective: nanothermodyna-mics. Nano Let. 2001. 1(3):111, 273.

3. Rusanov, A. I. Nanothermodynamics. Jour. Phys. Chem. 2003. 77(10): 1736. [in Russian].

4. Rusanov A.I. Nanothermodynamics: a chemical approach. Rus. Chem. Jour. 2006. 50(2): 145. [in Russian].

5. Rowlinson J. S. Statistical thermodynamics of small systems and interfaces. Pure & Appl. Chem. 1987. 59(1): 15. https://doi.org/10.1351/pac198759010015

6. Hill T. L. Thermodynamics of small systems // New York: Benjamin. – 1964 – Part II. – 171 p.

7. Tsallis C. Possible generalization of Boltzmann-Gibbs statistics. J. Stat. Phys. 1988. 52(1–2): 479. https://doi.org/10.1007/BF01016429

8. Sevick et al. Fluctuation theorem. Annu. Rev. Phys. Chem. 2008. 59: 633. https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.58.032806.104555

9. Rubí J.M. The non-equilibrium thermodynamics approach to the dynamics of mesoscopic systems. Non-Equilib. Thermodyn. 2004 – 29(4): 315.

10. Gemmer J., Mathias M., Günter M. Quantum thermodynamics. emergence of thermodynamic behavior within composite quantum systems. Springer. 2004. 305.

11. Rusanov A. I., Krotov V. V., Cadenhead D. A., Danielli J. E. Acad. Press. 1979. 13: 415.

13. Rusanov A. I., Shchekin A. K. Generalization of the Laplace equation for non-spherical interfaces in external fields . Mendeleev Communications. 2000. 4: 128. https://doi.org/10.1070/MC2000v010n04ABEH001276

14. Rusanov A.I., Grinin A.P., Kuni F.M., Shchekin A.K. Nanostructured models of micelles and domicellar aggregates. Journal total chemistry 2002. 72(4): 651. [in Russian].

15. Supporter A. Century Thermodynamics of heterogeneous systems. LSU T. 1. 1967: 472, T. 2. 1969: 190. [in Russian].

16. Landau L. D, Lifshits E.M. Theoretical Physics. V. 5, 9. Statistical physics. In 2. M.: FIZMATLIT. 2010. [in Russian].

17. Fortov V.E. The equations of state of matter: from ideal gas to quarkgluon plasma. M.: FIZMATLIT. 2012: 492. [in Russian].

18. Gibbs J. W. The Scientific Papers. Longmans Green. 1906: 219.

19. Nikolis G., Prigogine I. Self-organization in nonequilibrium systems. From dissipative structures to orderliness through fluctuations. M.: Mir. 1979: 512. [in Russian].

20. Gerasimov Ya.I., Dreving VP, Eremin EI, Kiselev AV, Lebedev VP, Panchenkov G.M., Shmygin A.I. The course of physical chemistry. M.: Chemistry. T. 1, 1964: 624, T. 2. 1973: 624.

21. Rusanov A.I. Dokl. Academy of Sciences of the USSR. 1980. 253(4):917. [in Russian].

22. Rusanov A. I. Micel formation in solutions of surface-active substances. Chemistry. 1992: 280. [in Russian].

23. Israelachvili J. N., Mithell D. J., Ninham B. W. J. Chem. Theory of self-assembly of hydrocarbon amphiphiles into micelles and bilayers // Soc. Faraday Trans. 2. 1976. 72(9) 1525.

24. Rusanov A. I. Colloids Surf. 1993. 76(17): 13.

25. Rusanov A. I., Kuni F. M., Shchekin A. K. Phase and aggregative characterization of micellar systems // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects.1997. 128: 13. https://doi.org/10.1016/S0927-7757(96)03905-2

26. Murray R. C., Hartley G. S. Equilibrium between micelles and simple ions, with particular reference to the solubility of long-chain salts // Trans. Faraday Soc. – 1935. 31(164): 183. https://doi.org/10.1039/tf9353100183

27. Rusanov A.I. West. LSU.1988. 4(4): 35. [in Russian].

28. Gibbs J. V. Thermodynamic works. M.: Goskhimizdat. 1950: 422. [in Russian].

29. Berry R.S., Smirnov B.M. Phase transitions in clusters of various types. UFN. 2009. 179(2): 147. [in Russian]. https://doi.org/10.3367/UFNr.0179.200902b.0147

30. Babuk V. A., Zelikov A. D., Salimullin R. M. Nanothermodynamics as a tool for describing small-sized objects of the natural world. Journal of Technical Physics. 2013. 83(2): 1.

31. Glushko V. P. Thermodynamic and Thermophysical Properties of Combustion Products [Text] // Reference book of the Academy of Sciences of the USSR, VINITI. 1971. 1: 266.

32. Smirnova N. A. Methods of statistical thermodynamics in physical chemistry. M.: Higher School 1982: 356.

33. Wautelet M., Shirinyan A. S. Thermodynamics: Nano vs. Macro Pure Appl. Chem. 2009. 81(10): 1921. https://doi.org/10.1351/PAC-CON-08-07-04

34. D. G. Cahill, W. K. Ford, K. E. Goodson, G. D. Mahan, A. Majumdar, H. J. Maris, R. Merlin, S. R. Phillpot. J. Appl. Phys. 2003. 93: 793. https://doi.org/10.1063/1.1524305

35. Kittel C. Physique de l'Etat Solide. // Dunod, Paris 1998. 640.

36. Wautelet M. Estimation of the variation of the melting temperature with the size of small particles, on the basis of a surface-phonon instability model. J. Phys. D: Appl. Phys. 1991. 24(3): 343. https://doi.org/10.1088/0022-3727/24/3/017

37. K. K. Nanda, S. N. Sahu, S. N. Behera. Liquid-drop model for the size-dependent melting of low-dimensional systems Phys. Rev. A. 2002. 66: 013208. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.66.013208

38. Guisbiers G., Abudukelimu G., Clement F., Wautelet M. Theoretical investigation of size and shape effects on the melting temperature of ZnO nanostructures J. Comput. Theor. Nanosci. 2007. 4: 309. https://doi.org/10.1166/jctn.2007.2320

39. Guisbiers G., Kazan M., Overschelde Van O., Wautelet M., Pereira S. Mechanical and Thermal Properties of Metallic and Semiconductive Nanostructures J. Phys. Chem. C. 2008. 112(11): 4097.

40. Denbigh, P. N. Marcus R. B. Thin Solid films. J. Appl. Phys. 1966. 37(2):4325. https://doi.org/10.1063/1.1708037

41. Chopra K. L. Thin Film Epitaxial Structures Phys. Status Solidi 1969. 32(2): 489. https://doi.org/10.1002/pssb.19690320202

42. Guisbiers G., Overschelde O. Van, Wautelet M. Theoretical investigation of size and shape effects on the melting temperature and energy bandgap of TiO2 nanostructures. Appl. Phys. Lett. 2008. 92: 103121. https://doi.org/10.1063/1.2897297

43. Shirinyan A. S., Gusak A. M., Desre P. J. Nucleation and Growth in Nanometric Volumes. J. Metastable Nanocryst. Mater. 2000. 7: 17. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/JMNM.7.17

44. Wautelet M., Dauchot J. P., Hecq M. Phase diagrams of small particles of binary systems: a theoretical approach. Nanotechnology 2000. 11(6): 1. https://doi.org/10.1088/0957-4484/11/1/302

45. Vallee R., Wautelet M., Dauchot J. P., Hecq M. Size and segregation effects on the phase diagrams of nanoparticles of binary systems. Nanotechnology 2001. 12: 68. https://doi.org/10.1088/0957-4484/12/1/312

46. Ulbricht H., Schmelzer J., Mahnke R., Schweitzer F. Thermodynamics of Finite Systems and Kinetics of First-order Phase Transitions // BSB Teubner, Leipzig 1988: 195.

47. Shirinyan A. S., Gusak A. M. Philos. Mag. A. 2004. 84: 579. https://doi.org/10.1080/14786430310001635431

48. Shirinyan A. S., Wautelet M. Phase separation in nanoparticles Nanotechnology 2004.15: 1720.

49. Shirinyan A. S., Gusak A. M., Wautelet M. Acta Mater. 2005. 53(19): 4963. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2005.07.014

Опубліковано
2019-01-13
Як цитувати
Lobanov, V. V., Terebinska, M. I., & Tkachuk, O. I. (2019). Термодинамічний підхід до опису властивостей наночастинок та наносистем. Поверхня, (10(25), 179-215. https://doi.org/10.15407/Surface.2018.10.180
Розділ
Наноматеріали і нанотехнології