2. Nanostruktura - phy

II. Nanostruktura
●
●
●
Materijale prema strukturnom uređenju dijelimo
na:
●
●
●
●
kristalni
amorfni
(kvazikristali)
(tekući kristali)
razlika je u stupnju uređenosti.
vrijeme kristalizacije

Kratka povijest strukturnih ideja
●
●
Kepler, 1611: Novogodišnji dar ili šesterokutna
snježna pahuljica
Hook, 1665: Micrographia
●
Haüyu, 1781: integralne molekule
●

●
●
●
●
●
●
●
prostorna rešetka
čvorovi kristalne rešetke
baza ili strukturni motiv
Frankenheim 1835: 15 mogućih kombinacija
Bravais 1848: 14 mogućih kombinacija (14 prostornih rešetki)
Fedorov 1881 i Barlow 1894: 230 prostornih grupa (mogući
raspored atoma u čvoru, nakon uvođenja različitih operacija
simetrije, kao rotacij-refleksija-inverzija-...)
Prepreka: teško razumljivo opisivanje prostornih grupa

● Max von Laue, 1912:
●
●
●
rentgenska difrakcija
kristalno stanje kod većine materijala
vanjski izgled ne mora biti predodređen unutarnjom
strukturom, i obrnuto
●
Hodeau and Guinebretiere, Crystallography: past and present,
Applied Physics A 89 (2007) 813

A. Idealna kristalna rešetka
●
Definicija: Bravaisova rešetka je beskonačni
raspored diskretnih točaka s međusobnim
rasporedom i orijentacijom takvim da okolina bilo
koje točke uvijek izgleda potpuno jednako bez
obzira iz koje se točke promatra.
●
●
●
●
jedinični vektori
jedinične ćelije
primitivne ćelije
translacija
●

Kristalna simetrija i točkaste grupe
●
●
●
●
translacija
rotacija
refleksija
inverzija

●
podgrupe simetrije = točkaste grupe

Prostorne grupe
●
Sve operacije simetrije jedne grupe ekvivalentnih točaka
moraju dovesti do poklapanja s drugim ekvivalentnim
točkama u kristalu: to su prostorne grupe.
●
●
Treba uvesti dodatne elemente simetrije, kao ravnine
klizanja i vijčane osi.
230 prostornih grupa (International tables for
Crystallography)

B. Monokristali i polikristali
●
kristal je konačnih dimenzija!
● 1/N
●
monokristal je teško dobiti
●
●
polikristali
●
●
granice zrna
fazne granice
različit raspored atoma, različita gustoća, pravilnost
lokalna

●
●
●
Mikrokristalni
Nanokristalni
Razlika u udjelu atoma u
međukristalitnim/međufaznim granicama
● 5nm: 40-50%
● 10nm: 15-30%
● 100nm: 3%
●
nanomaterijali

●
●
S obzirom da mnoga fizička svojstva materijala (čvrstoća, elastičnost,
plastičnost, difuzija, toplinski kapacitet, koeficijent toplinskog rastezanja,
''meki'' magnetizam, absorpcija,….) ovise i o međusobnom slaganju
atoma u strukturi, odmah se nameće činjenica da bi nanomaterijali
morali imati različita svojstva u usporedbi s''klasičnim'' polikristalnim
materijalima istog kemijskog sastava. To se ubrzo i potvrdilo, a kako su
se fizička svojstva nanomaterijala pokazala superiorna u odnosu na
polikristalne materijale, ne iznenađuje veliki interes za istraživanje i
tehnološku primjenu nanomaterijala.
Posljednjih godina praktički nema materijala koji se ne proizvodi/istražuje
i u krajnjoj liniji čak primjenjuje u nanostrukturnom stanju: metali, slitine,
spojevi, oksidi, karbidi, nitridi, polimeri, fulereni, kompozitni
materijali,..... .

C. Nanomaterijali
●
● ?
Nanomaterijalom nazovemo "ono" čija se
svojstva (značajno) promijene usitnjavanjem
dimenzija.
● fizička svojstva – najbliži susjedi –
kratkodosežne sile
●
H. Gleiter, Nanostructured materials; basics concepts and
microstructure, Acta Materialia 40 (2000) 1-72.

●
●
●
Primjer: granica u NiO
75-90% gustoće
razrijeđena amorfna struktura
treće stanje strukture materijala

●
Nanostaklo

●
višefazni nanokristalni materijal

●
čvrsta otopina u granicama

●
Cu dopiran s Bi vs. W dopiran s Ga

●
nanokristalit nastao grijanjem

D. Nanočestice i nanoklasteri
●
●
individualni samostalni kristalit

●
Klasteri

Nanočestica ili klaster?
●
●
da li možemo definirati kristalnu sredinu?
2nm (oko 100 atoma Al)
●
●
●
●
●
●
Fizikalni odgovor: mogli bismo reći da nakupine čija su fizička
svojstva različita od makroskopskih uzoraka, ali se mogu s njima
uspoređivati, jesu nanomaterijali, dok male nakupine koje imaju
svojstva koja se ne mogu uspoređivati s masivnim uzorcima,
možemo zvati (nano)klasteri.

nano vs. masivni
●
razlika fizikalnih svojstava između
nanočestica/nanoklastera i masivnih uzoraka
istog materijala povezana je s činjenicom o
udjelu površinskih atoma u odnosu na cijeli
volumen

Definicija kristalnog materijala
● Međunarodno udruženje za kristalografiju: "...
bilo koji materijal koji pokazuje bitno diskretnu
difrakcijsku sliku."

Primjer: ugljikovi nanomaterijali
●
alotropske modifikacije / polimorfi
●
●
dijamant
grafit
● ...

Grafen
● jednoatomski slojevi 2004
●
●
●
●
●
●
●
●
●
2D kristal heksagonske strukture
polumetal
disperzija na dodiru vodljive i valentne vrpce
velika pokretljivost elektrona
toplinska i električna vodljivost
prozirnost
povoljna mehanička svojstva
nanoelektronika
podešavanje svojstava pomoću podloge

Fuleren
●
●
●
●
●
●
●
molekula C60
i drugi poliedri
slobodan elektron, apsorpcija drugih atoma
FCC van der Waals kristal
u šupljine stanu alkalijski metali
dielektrik koji dopiranjem postaje vodljiv
K3C60 postaje supravodljiv ispod 18 K

Nanocijevi
●
●
●
●
svijeni grafen u cijev
jednostjenčane, višestjenčane, kiralne,
nekiralne, kratke, duge, ...
otporne na rastezanje i svijanje, nakon jakog
deformiranja vrate se nazad
podnose velike gustoće struje, mijenjaju
svojstva apsorpcijom atoma, emitiraju elektrone
s krajeva