PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Perspektywy zastosowania nanokryształów do otrzymywania materiałów kompozytowych o nowych właściwościach

Autorzy
Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
EN
The perspectives of application of nanocrystals for obtaining novel composite materials
Języki publikacji
PL
Abstrakty
PL
W obszernej literaturze dotyczącej kompozytów można doszukać się bardzo wielu definicji terminu "kompozyty", z których, w ocenie autora, przyjąć można bez zastrzeżeń tylko najprostszą: "(...) kompozyty są niejednorodną mieszaniną trwale połączonych jednorodnych faz (lub materiałów)" [1]. Liczne próby doskonalenia tej prostej definicji poprzez jej wyjaśnianie lub precyzowanie [2, 3] są niecelowe - im więcej dodanych wyjaśnień, tym gorzej dla definicji, która ma być stałym punktem odniesienia, a nie przedmiotem dyskusji. Uwaga ta wiąże się z próbą wyróżnienia kompozytów, w których znaczącą rolę mogą odgrywać nanokryształy, zatem "nano-kompozytów". Gdyby przyjąć niektóre z wyjaśnień proponowanych dla doprecyzowania definicji kompozytu, okaże się, że wiele materiałów nanokrystalicznych należałoby wykluczyć z grupy materiałów kompozytowych. Dla przykładu, dodanie stwierdzenia, iż "pomiędzy komponentami musi istnieć wyraźna granica rozdziału", prowadzi nieuchronnie do dyskusji (praktycznie: sporów) na temat metod, którymi "należy" obserwować owe granice rozdziału (mikroskopia optyczna, skaningowa, transmisyjna, sił atomowych etc.). Podobnie "doprecyzowanie" funkcji, jakie mają spełniać komponenty, czy też wyjaśnienie, że "właściwości kompozytu są funkcją właściwości komponentów i ich udziałów objętościowych" nie wnoszą niczego istotnego merytorycznie, mogą jedynie służyć do formalnego wykluczenia pewnych materiałów z grupy kompozytów. Intencją autora tego artykułu jest zwrócenie uwagi środowiska naukowego badań materiałowych na niektóre cechy nanokryształów, które mogą być wykorzystane do projektowania i otrzymywania materiałów kompozytowych o nowych właściwościach. Termin "nanokryształ" nie jest zdefiniowany jednoznacznie, co prowadzi do nieporozumień co do zasadności stosowania tego terminu zarówno w literaturze naukowej, jak i w projektach i programach badawczych. W pracy omówiono wybrane cechy fizyczne wyróżniające nanokryształy spośród innych materiałów polikrystalicznych ze szczególnym uwzględnieniem ich budowy atomowej. Przedyskutowano problemy badawcze, których rozwiązanie warunkuje rozwój nowych (nano-)technologii materiałowych, wykorzystujących w jak największym stopniu unikalne właściwości nanokryształów.
EN
In the vast literature on composite materials one can find a number of definitions of the term "composite". In the auther's opinion only the simplest one, i.e. "(...) composites are a nonhomogenous mixture of at least two permanently bound homogeneous phases (or materials)." [1], can be accepted without a doubt. Numerous attempts to improve this simple definition by its refinement or explanations [2, 3] results in its downgrading (the more additional comments, the less clear-cut the definition becomes), while the definition should serve as an unambiguous reference point and not as a subject of discussions. That conunent is to address particularly the attempts to group separately composites containing nanocrystals, thus "nano-composites". If we accepted some of the "refined" definitions of a composite we would have to admit that numerous nano-crystalline materials should be excluded from the class of composites. For example, an addition (to the definition of a composite) of a requirement that "there must exist a definite boundary between the components of a composite" leads to a discussion (more like a quarrel) on the methods that have to be used to observe the boundaries (optical microscope? SEM? TEM? AFM? ....?). Similarly, defining the function of the components or stating that "the properties of a composite are a function of the properties of its components and their content" does not explain anything and may only serve the purpose of excluding some materials from the class of composites. The intention of the author of this article is to turn the attention of the materials science community to some properties of nanocrystals which may be useful for obtaining composite materials with novel properties. The term "nanocrystal" itself is not unambiguously defined in the literature. That may lead to misunderstandings as to a justification of using this term both in the literature and in the research projects and programs. In this work we describe some selected physical properties specific to nanocrystals, with a particular reference to their atomic structure. We describe research problems that need to be solved to advance new (nano-)technologies which would take advantage of the unique properties of nanocrystals.
Czasopismo
Rocznik
Strony
16--27
Opis fizyczny
Bibliogr. 77 poz., rys.
Twórcy
autor
  • Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN, ul. Sokołowska 29/37, 01-142 Warszawa
  • Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN, ul. Sokołowska 29/37, 01-142 Warszawa
Bibliografia
  • [1] Grabski M.W., Istota inżynierii materiałowej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1995.
  • [2] Structure and Properties of Composites, Materials Science and Technology, Vol. 13, ed. Tsu-Wei Chou, VCH, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Tokyo 1993.
  • [3] Śleziona J., Podstawy technologii kompozytów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998.
  • [4] Sobczak J., Wybrane aspekty nanotechnologii i nanomateriałów, Kompozyty (Composites) 2003, 3, 8, 385-391.
  • [5] Edelstein A.S., Cammarata R.C. (eds.), Nanomaterials: Synthesis, Properties and Applications, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia 1996.
  • [6] Suryanarayana C. (ed.), Non-equilibrium Processing of Materials, Pergamon 1999.
  • [7] Wang Z.L., Characterization of Nanophase Materials, Wiley-VCH 2000.
  • [8] Inoue A., Hishimoto K. (ed.), Amorphous and Nanocrystalline Materials: Preparation, Properties and Applications, Springer 2001.
  • [9] Alivisatos A.P., Semiconductor Nanocrystals, MRS Bulletin, August 1995, 23-32.
  • [10] Alivisatos A.P., Nanocrystals: building blocks for modern materials design, Endeavour 1980, 21, 56-60.
  • [11] Navrotsky A., Thermochemistry of Nanomaterials, (in:) Rieviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 44. Nanoparticles and the Environment, ed. J.F. Banfield, A. Navrotsky, Mineralogical Society of America 2001, 73-103.
  • [12] Jacobs K., Alivisatos A.P., Nanocrystals as Model Systems for Pressure-Induced Structural Phase Transitions, (in:) Rieviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 44 Nanoparticles and the Environment, ed. J.F. Banfield, A. Navrotsky, Mineralogical Society of America 2001, 59-72.
  • [13] Jørgensen J.-E., Jacobsen J.M., Jiang J.Z., Gerward L., Staun Olsen J., High-pressure X-ray diffraction study of bulk- and nanocrystalline GaN, J. Applied Crystallography 2003, 36, 920-925.
  • [14] Qadri S.B., Yang J., Ratna B.R., Skelton E.F., Hu J.Z., Pressure induced structural transition in nanometer size particles of PbS, Applied Physics Letters 1996, 69, 2205-2207.
  • [15] Silvestri M.R., Schroeder J., The size dependence of the high-pressure phase stability of II-VI semiconductor nanocrystals, Journal of Physics: Condensed Matter 1995, 7, 8519- 8527.
  • [16] Tolbert S.H., Alivisatos A.P., Size dependence of the solid- -solid phase transition in CdSe nanocrystals, Journal of Physics D 1993, 26, 56-58.
  • [17] Jiang J.Z., Staun-Olsen J., Gerward L., Mørup S., Enhanced bulk modulus and reduced transition pressure in γ- Fe2O3 nanocrystals, Europhysics Letters 1998, 44, 620-626.
  • [18] Zhang H., Gilbert B., Huang F., Banfield J.F., Waterdriven structure transformation in nanoparticles at room temperature, Nature 2003, 424, 1025-1029.
  • [19] Bonevich J.E., Marks L.D., Sintering behavior of ultrafine ceramic particles, MRS Symp. Proceedings 1993, 286, 3-8.
  • [20] Niihara K., Nakahira A., Sekino T., New nanocomposite structural ceramics, MRS Symp. Proceedings 1993, 286, 405-412.
  • [21] Mayo M.J., Synthesis and applications of nanocrystalline ceramics, Materials & Design 1993, 14, 323-329.
  • [22] Lue J.T., A review of characterization and physical property studies of metallic nanoparticles, J. Physics and Chemistry of Solids 2001, 62, 1599-1612.
  • [23] Rancourt D.G., Magnetism of Earth, Planetary, and Environmental Nanomaterials, (in:) Rieviews in Mineralogy and Geochemistry, vol. 44. Nanoparticles and the Environment, ed. J.F. Banfield, A. Navrotsky, Mineralogical Society of America 2001, 217-292. [
  • 24] Palosz B., Grzanka E., Gierlotka S., Stel'makh S., Pielaszek R., Bismayer U., Neuefeind J., Weber H-P., Palosz W., Diffraction studies of nanocrystals: theory and experiment, Acta Physica Polonica A 2002, 102, 57-82.
  • [25] Palosz B., Grzanka E., Gierlotka S., Stel’makh S., Pielaszek R., Bismayer U., Neuefeind J., Weber H-P., Proffen Th., Von Dreele R., Palosz W., Analysis of short and long range atomic order in nanocrystalline diamonds with application of powder diffractometry, Zeitschrift für Kristallographie 2002, 217, 497-509.
  • [26] Palosz B., Grzanka E., Gierlotka S., Stel'makh S., Pielaszek R., Lojkowski W., Bismayer U., Neuefeind J., Weber Perspektywy zastosowania nanokryształów do otrzymywania materiałów kompozytowych o nowych właściwościach 27 H-P., Palosz W., Application of X-ray powder diffraction to nano-materials; determination of the atomic structure of nanocrystals with relaxed and strained surfaces, Phase Transitions 2003, 76, 171-185.
  • [27] Choi C.J., Dong X.L., Kim B.K., Characterization of Fe and Co nanoparticles synthesized by chemical vapor condensation, Scripta Materialia 2001, 44, 2225-2231.
  • [28] Harada J., Ohshima K., X-ray diffraction study of fine gold particles prepared by gas evaporation technique, Surface Science 1981, 106, 51-57.
  • [29] Solliard C., Flueli M., Surface stresses and size effect on the lattice parameter in small particles of gold and platinum, Surface Science 1985, 156, 487-494.
  • [30] Swaminarayan S., Najafabadi R., Srolovitz D.J., Polycrystalline surface properties from spherical crystallites: Ag, Au, Cu and Pt, Surface Science 1994, 306, 367-380.
  • [31] Woltersdorf J., Nepijko A.S., Pippel E., Dependence of lattice parameters of small particles on the size of the nuclei, Surface Science 1981, 106, 64-69.
  • [32] Montano P.A., Shenoy G.K., Alp E.E., Schulze W., Urban J., Structure of copper microclusters isolated in solid argon, Physical Review Letters 1986, 56, 2076-2079.
  • [33] Tolbert S.H., Alivisatos A.P., The wurtzite to rock salt structural transformation in CdSe nanocrystals under high pressure, Journal of Chemical Physics 1995, 102, 4642- -4656.
  • [34] Lan Y.C., Chen X.L., Xu Y.P., Cao Y.G., Huang F., Synthesis and structure of nanocrystalline gallium nitride obtained from ammonothermal method using lithium metal as mineralizator, Materials Research Bulletin 2000 35, 2325- -2328.
  • [35] Boswell F.W.C., Precise determination of lattice constants by electron diffraction and variations in the lattice constants of very small crystallites, Proceedings of the Physical Society (London) 1951 A64, 465-476.
  • [36] Beck Ch., Ehses K.H., Hempelmann R., Bruchn Ch., Gradients in structure and dynamics of Y2O nanoparticles as revealed by X-ray and Raman scattering, Scripta Materialia 2001, 44, 2127-2132.
  • [37] Zhao Y.H., Zhang K., Lu K., Structure characteristics of nanocrystalline element selenium with different grain sizes, Physical Review B 1997, 56, 14322-14329.
  • [38] Shuttleworth R., The surface tension of solids, Proceedings of the Physical Society (London) 1950, A63, 444-457.
  • [39] Sanfeld A., Steinchen A., Surface energy, capillary-elastic pressure and chemical equilibrium constant in nanoparticles, Surface Science 2000, 463, 157-173.
  • [40] Stoneham A.M., Measurement of surface tension by lattice parameter changes: theory for facetted microcrystals, Journal of Physics C: Solid State Physics 1977, 10, 1175-1179.
  • [41] Howe M.J., (ed.), Interfaces in Materials, John Wiley and Sons, Inc., 1997.
  • [42] Borel J.-P., Chatelain A., Surface stress and surface tension: Equilibrium and pressure in small particles, Surface Science 1985, 156, 572-579.
  • [43] Cammarata R.C., Surface and interface stress effects on interfacial and nanostructured materials, Materials Science and Engineering 1997, A237, 180-184.
  • [44] Wolf D., Merkle K.L., (in:) Wolf D., Yip S. (eds.). Materials interfaces: Atomic level structure and properties, Chapman and Hall, London 1992, 87-150.
  • [45] Defay R., Prigogine I., Surface Tension and Adsorption, Longmans, Green & Co Ltd. 1966.
  • [46] Wickham J.N., Herhold A.B., Alivisatos A.P., Shape change as an indicator of mechanism in the high-pressure structural transformations of CdSe nanocrystals, Physical Review Letters 2000, 84, 923-926.
  • [47] Tamura A., Higeta K., Ichionokawa T., Lattice vibrations and specific heat of a small particle, J. Physics C: Solid State Physics 1982, 15, 4975-4991.
  • [48] Burton J.J., Configuration, energy, and heat capacity of small spherical clusters of atoms, J. Chemical Physics 1970, 52, 345-352.
  • [49] Buffat Ph., Borel J.-P., Size effect on the melting temperature of gold particles, Physical Review 1976, A13, 2287- 2298.
  • [50] Bose S., Application of nanocrystalline materials as matrices of composites: processing and performance advantages, Materials Science Engineering 1995, A196, 105-109.
  • [51] Trampenau J., Bauszus K., Petry W., Herr U., Vibrational behaviour of nanocrystalline Ni, Nanostructured Materials 1995, 6, 551-554.
  • [52] Couchman P.R., Jesser W.A., Thermodynamic theory of size dependence of melting temperature in metals, Nature 1977, 269, 481-483.
  • [53] Tsurekawa S., Ishikawa K., Li Z.-Q., Kawazoe Y., Kasuya A., Origin of anomalous lattice expansion in oxide nanoparticles, Physical Review Letters 2000, 85, 3440-3443.
  • [54] Stel’makh S., Gierlotka S., Grzanka E., Weber H.-P., Palosz B., X-ray diffraction studies of thermal properties of the core and surface shell of isolated and sintered SiC nanocrystals, J. Alloys and Compounds (Proc. E-MRS Meeting) 2004 (w druku).
  • [55] Kostelitz M., Domange J.L., Effective surface Debye- -Waller temperatures and mean-square displacements for gold from LEED measurements, Solid State Communications 1973, 13, 241-244.
  • [56] Harada J., Ohshima K., X-ray diffraction study of fine gold particles prepared by gas evaporation technique, Surface Science 1981, 106, 51-57.
  • [57] Wagner M., Structure and thermodynamic properties of nano-crystalline metals, Physical Review B 1992, 45, 635- 639.
  • [58] Veprek S., Nanostructured Superhard Materials, (in:) Hand-book of ceramic hard materials, ed. R. Reidel, J. Wiley-VCH, Weinheim, Germany, 2000, 104-139.
  • [59] Phillpot S.R., Wolf D., Gleiter H., Molecular-dynamic study of the synthesis and characterization of a fully dense, three-dimensional nanocrystalline material, J. Applied Physics 1995, 78, 847-861.
  • [60] Kluge M.D., Wolf D., Lutsko J.F., Phillpot S.R., Formalism for the calculation of local elastic constants at grain boundaries by means of atomistic simulation, J. Applied Physics 1990, 67, 2370-2379.
  • [61] Svygenhoven H., Farkas D., Caro A., Grain-boundary structure in polycrystalline metals at the nanoscale, Physical Review 2000, B62, 831-838.
  • [62] Svygenhoven H., Derlet P.M., Hasnaoui A., Atomistic modeling of strength of nanocrystalline metals, Advanced Engineering Materials 2003, 5, 345-350.
  • [63] Kung H., Foecke T., Mechanical behavior of nanostructured materials, MRS Bulletin, February 1999, 14-15.
  • [64] Koch C.C., Morris D.G., Lu K., Inoue A., Ductility of nanostructured materials, MRS Bulletin, February, 1999, 54-58.
  • [65] Cammarata R.C., Surface and interface stress effects on interfacial and nanostructured materials, Materials Science and Engineering 1997, A237, 180-190.
  • [66] Hirth J.P., Lothe J., Theory of Dislocations, John Wiley & Sons, New York 1982.
  • [67] Nieh T.G., Wadsworth J., Hall-Petch relation in nanocrystalline solids, Scripta Metallurgica et Materialia 1991, 25, 955-958.
  • [68] Averback R.S., Sintering and deformation of nano-grained materials, Zeitschrift für Physik 1993, D26, 84-88.
  • [69] Hahn H., Unique features and properties of nanostructured materials, Advanced Engineering Materials 2003, 5, 277- 284.
  • [70] Schiøtz J., DiTolla F.D., Jacobsen K.W., Softening of nanocrystalline metals at very small grain sizes, Nature 1998, 391, 561-563.
  • [71] Schiøtz J., Vegge T., DiTolla F.D., Jacobsen K.W., Atomic-scale simulations of the mechanical deformation of nanocrystalline materials, Physical Review 1999, B60, 11971- -11983.
  • [72] Yip S., The strongest size, Nature 1998, 391, 532-533.
  • [73] Popov M., Koga Y., Fujiwara S., Marvin B.N., Blank V.D., Carbon nanocluster-based superhard materials, New Diamond and Frontier Carbon Technology 2002, 12, 229- 260.
  • [74] Ekimov E.A., Gavriliuk A.G., Palosz B., Gierlotka S., Dłu- żewski P., Tatianin F., Kluev Yu., Naletov A.M., Biczyk P., Grzegorczyk A., Presz A., High pressure - high temperature synthesis of the SiC-diamond nanocrystalline ceramics, Applied Physics Letters 2000, 77, 7, 954-956.
  • [75] Ekimov E.A., Gierlotka S., Gromnitskaya E.L., Kozubowski J.A., Palosz B., Lojkowski W., Naletov A.M., Mechanical properties and microstructure of diamond-SiC nanocom-posites, Inorganic Materials 2002, 38, 1117- 1122.
  • [76] Pałosz B., Gierlotka S., Grzanka E., Stelmakh S., Świderska-Środa A., Pielaszek R., Kalisz G., Nanokompozyty ceramiczno-ceramiczne i ceramiczno-metaliczne: otrzymywanie metodą strefowego nasycania fazą ciekłą pod wysokim ciśnieniem, Archiwum Nauki o Materiałach 2003, 25, 4, 405-432.
  • [77] Blank V.D., Levin V.M., Prokhorov V.M., Buga S.G., Dubitskii G.A., Serebryanaya N.R., Elastic properties of ultrahard fullerites, J. Experimental and Theoretical Physics 1998, 87, 741-746.
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-article-BAR0-0010-0027
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.