Zehn Eigenschaften von ultrafeinem Pulver

Im Allgemeinen werden Pulver mit einer Partikelgröße kleiner als 1 μm als definiert ultrafiner Pulver. Ultrafeines Pulver zeigt Oberflächen- und Volumeneffekte, die sich vom ursprünglichen Material oder gröberen Pulvern unterscheiden. Diese Pulver weisen andere Eigenschaften im Vergleich zu größeren Partikeln auf Pulvern.

Oberflächeneffekt

Der Hauptunterschied zwischen ultrafiner Pulver und makroskopischen Objekten ist die erhöhte Anzahl an Oberflächenatomen. Ultrafeine Pulver haben eine große spezifische Oberfläche. Der Oberflächeneffekt wird bedeutend und kann nicht ignoriert werden. Oberflächenatome unterscheiden sich in ihren physikalischen Eigenschaften von inneren Atomen. Innere Atome sind symmetrisch von anderen Atomen umgeben. Oberflächenatome sind asymmetrisch positioniert und werden von inneren Atomen angezogen. Dies führt zu einer höheren Energie der Oberflächenatome im Vergleich zu inneren Atomen.

Quanteneffekt

Dies bezieht sich auf das Phänomen, wenn die Partikelgröße auf einen bestimmten Punkt sinkt. Elektronen in der Nähe des Fermi-Niveaus des Metalls wechseln von quasi-kontinuierlich zu diskret. Laut Festkörperbandtheorie bewegen sich leitende Elektronen in einem periodischen Potentialfeld. Diese Elektronen gehören nicht mehr einzelnen Atomen, sondern dem gesamten Kristall. Dieses „öffentliche“ Verhalten führt zu quasi-kontinuierlichen Energiebändern im Kristall. Der Energiedifferenz zwischen benachbarten Niveaus ist viel kleiner als die thermische Energie.

Optische Eigenschaften

Die Farbe von Metallpartikeln ist oft anders als die von Bulk-Materialien. Wenn die Größe der Metallpartikel kleiner als ein bestimmter Wert ist, erscheinen sie aufgrund der vollständigen Absorption von Lichtwellen meist schwarz. Neben der Absorption von Lichtwellen haben ultrafeine Partikel auch eine Streuungseffekt.

Für ultrafeine dispergierte Partikel, die kleiner als einige Zehntel der Wellenlänge des Lichts sind, ist die Intensität des gestreuten Lichts umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge. Daher macht die Streuung des Sonnenlichts durch Staub in der Atmosphäre den Himmel blau.

Die ultrafeine Lehmlösung, die in Wasser hoch dispergiert ist, erscheint seitlich gegen einen dunklen Hintergrund betrachtet bläulich-weiß, als ob sie leicht trüb ist. Tatsächlich ist dies das Ergebnis der Streuung eines Teils des einfallenden Lichts durch die ultrafeinen Lehmpartikel in der Lösung.

Elektrische Eigenschaften

Metallische Materialien sind leitfähig, aber die Leitfähigkeit von Nano-Metallpartikeln ist deutlich reduziert. Wenn die elektrische Feldenergie niedriger ist als der Abstand des Spaltenergielevels, wird die Leitfähigkeit des Metalls in elektrische Isolierung umgewandelt.

Magnetische Eigenschaften

Die magnetischen Eigenschaften von ultrafiner Pulver, insbesondere ferromagnetischen Partikeln, sind seit langem ein Forschungsschwerpunkt.

Bei massiven magnetischen Materialien bilden sich im neutralen Zustand in der Regel mehrere magnetische Domänen. Das magnetische Moment jeder Domäne richtet sich nach der Richtung ihres niedrigsten Energiezustands. Zwischen den Domänen befindet sich eine Übergangsschicht, in der sich die Magnetisierungsrichtung kontinuierlich ändert, die als magnetische Wand bezeichnet wird.

Die chaotische Anordnung der magnetischen Domänen folgt dem Prinzip der minimalen Energie für den gesamten Ferromagneten. Dies führt dazu, dass die makroskopische Magnetisierung im magnetischen Neutralzustand null ist. Die Orientierung der magnetischen Domäne hängt typischerweise von der Art der magnetischen Anisotropie ab.

Magnetische ultrafeine Pulver finden breite Anwendung in Aufzeichnungsmedien. Beispiele sind γ-Fe2O3, FeCo-Metall, CrO2, TixCOxO19, BaFe12-2x, Fe4N und Co-γ-Fe2O3. Als magnetische Flüssigkeiten werden Nano-Ferrite wie Fe3O4 sowie Nanopartikel aus Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen verwendet. Bei Anwendungen in magnetischen Flüssigkeiten müssen Mikropartikel mit organischen Langkettmolekülen beschichtet sein.
Aufgrund ihrer kleinen Größe und großen Oberfläche beeinflusst die Beschichtung ihre magnetischen Eigenschaften erheblich.

Thermische Eigenschaften

Die Veränderung der Partikelgröße ändert die spezifische Oberfläche. Dies beeinflusst das chemische Potential der Partikel. Dadurch werden die thermodynamischen Eigenschaften beeinflusst.
Die Partikelgröße hat einen erheblichen Einfluss auf die thermodynamischen Eigenschaften. Mit abnehmender Partikelgröße steigt die Oberflächenenergie deutlich an. Dies ermöglicht es, ultrafeine Pulver bei niedrigeren Temperaturen zu schmelzen oder zu sintern. Die erforderliche Temperatur liegt unterhalb des Schmelzpunkts des Massivmaterials.

Katalytische Eigenschaften

Für heterogene katalytische Reaktionen ist es notwendig, die Partikelgröße zu verringern, um die spezifische Oberfläche zu erhöhen und die katalytische Effizienz zu verbessern.
Dies ist jedoch nicht der einzige Faktor. Einige Katalysatoren zeigen ihre maximale katalytische Effizienz bei bestimmten Partikelgrößen. Daher ist es essenziell, den Einfluss der Partikelgröße und des Oberflächenzustands auf die katalytische Aktivität zu untersuchen.

Mechanische Eigenschaften

Bei herkömmlichen Metallmaterialien steigt die Härte mit der Kornfeinung. Für grobkörnige Metalle verbessern sich die mechanischen Eigenschaften, wenn die Korngröße abnimmt.
Bei einigen reinen Metallnanopartikeln, wie Palladium, Kupfer, Silber, Nickel und Selen, steigt die Mikrohärte bei Raumtemperatur im Vergleich zu ihren grobkörnigen Gegenstücken deutlich an.
Bei Intermetallverbindungen hingegen nimmt die Härte ab, wenn die Korngröße unter eine bestimmte kritische Größe sinkt. In der Nanomaterialforschung sind die mechanischen Eigenschaften von Nanokeramiken von großem Interesse.
Nanokeramiken bieten Vorteile wie hohe Temperaturbeständigkeit, hohe Härte und chemische Stabilität. Zu ihren Nachteilen zählen schlechte Bearbeitbarkeit, Sprödigkeit und mangelnde Duktilität. Es wird erwartet, dass Nanokeramiken diese Schwächen überwinden.

Magnetowiderstandseigenschaften

Der sogenannte Magnetowiderstandseffekt beschreibt die Änderung des Widerstandswerts durch ein Magnetfeld. Um einen großen Magnetowiderstandseffekt zu erzielen, müssen die Partikelgröße oder die Dicke magnetischer und nichtmagnetischer Schichten kleiner sein als die durchschnittliche freie Weglänge der Elektronen. Dadurch wird Streuung während des Elektronentransports minimiert, abgesehen von spinbezogener Streuung, und die Spin-Ausrichtung bleibt unverändert. Da die durchschnittliche freie Weglänge der Elektronen typischerweise einige Nanometer bis 100 nm beträgt, kann der riesige Magnetowiderstand nur in nanoskaligen Systemen beobachtet werden.

Lösungs-Eigenschaften

Bewegung ultrafeiner Partikel in Lösung:

In Lösungen oder Suspensionen mit ultrafeinen Pulvern als Lösungsmittel diffundieren diese Partikel von Hochkonzentrationsbereichen zu Niedrigkonzentrationsbereichen. Gleichzeitig tritt auch Brownsche Bewegung auf.

Adsorption ultrafeiner Partikel in Lösung:

Adsorption ist eines der interfacialen Phänomene, die zwischen interagierenden Phasen auftreten. Es bezieht sich auf das Phänomen, bei dem Adsorbate in einer dünnen Kontaktlage an der Schnittstelle oder Oberfläche des Adsorbens gehalten werden. Mit einer großen spezifischen Oberfläche, hoher Oberflächenenergie und hoher Adsorptionskapazität zeigen ultrafeine Partikel eine signifikante Adsorption.

Rheologie：

Rheologie ist die Wissenschaft, die den Fluss und die Verformung von Materialien untersucht. Wie bereits erwähnt, zeigen Partikel mit abnehmender Größe allmählich andere Eigenschaften oder Verhaltensweisen im Vergleich zum ursprünglichen Feststoff.
Partikel kleiner als 1 μm in flüssiger Dispersion, bekannt als kolloidale oder Partikel-Dispensionssysteme, sind sowohl theoretisch als auch praktisch bedeutende Forschungsgegenstände in der Rheologie.

Fazit

Zusammenfassend machen die einzigartigen Eigenschaften von ultrafeinem Pulver, einschließlich seiner großen Oberfläche, erhöhten Reaktivität und verbesserten mechanischen Eigenschaften, es zu einem wertvollen Material in verschiedenen Branchen. Diese Eigenschaften ermöglichen es ultrafeinen Pulvern, die Anforderungen fortschrittlicher Anwendungen in Bereichen wie Katalyse, Materialwissenschaften und Nanotechnologie zu erfüllen. Mit fortschreitender Forschung und Technologie wird das Potenzial von ultrafeinen Pulvern wachsen und neue Möglichkeiten für Innovationen und Leistungssteigerungen bieten.

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