Por lo general, los polvos con un tamaño de partícula menor a 1 μm se definen como industria de polvo ultrafino. Los polvos ultrafinos exhiben efectos de superficie y volumen distintos del material original o de polvos más gruesos. Estos polvos muestran propiedades diferentes en comparación con partículas de mayor tamaño polvos.
Efecto de Superficie
La principal diferencia entre industria de polvo ultrafino y objetos macroscópicos es el aumento de átomos en la superficie. Los polvos ultrafinos tienen una gran área superficial específica. El efecto de superficie se vuelve significativo y no puede ser ignorado. Los átomos de superficie difieren de los átomos internos en sus propiedades físicas. Los átomos internos están rodeados de manera simétrica por otros átomos. Los átomos de superficie están posicionados de manera asimétrica y son atraídos por los átomos internos. Esto resulta en una mayor energía para los átomos de superficie en comparación con los átomos internos.
Efecto cuántico
Esto se refiere al fenómeno cuando el tamaño de partícula disminuye hasta cierto punto. Los electrones cerca del nivel de Fermi del metal transicionan de cuasi-continuos a discretos. Según la teoría de bandas de la materia sólida, los electrones conductores se mueven en un campo de potencial periódico. Estos electrones ya no pertenecen a átomos individuales, sino a todo el cristal. Este comportamiento “público” resulta en bandas de energía cuasi-continuas en el cristal. La diferencia de energía entre niveles adyacentes es mucho menor que la energía térmica.
Propiedades ópticas
El color de las partículas metálicas suele ser diferente al de los materiales a granel. Cuando el tamaño de las partículas metálicas es menor que un valor determinado, generalmente aparecen negras debido a la absorción total de las ondas de luz. Además de la absorción de ondas de luz, las partículas ultrafinas también tienen un efecto de dispersión.
Para partículas dispersas ultrafinas menores que unas décimas de la longitud de onda de la luz, la intensidad de la luz dispersada es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda. Por lo tanto, la dispersión de la luz solar por el polvo en la atmósfera hace que el cielo claro sea azul.
La solución de arcilla ultrafina altamente dispersa en agua, vista desde un lado contra un fondo oscuro, parece azul-blanca, como si estuviera un poco turbia. En realidad, esto es el resultado de las partículas de arcilla ultrafinas en la solución dispersando parte de la luz incidente.
Propiedades eléctricas
Los materiales metálicos tienen conductividad, pero la conductividad de las partículas metálicas nano es significativamente reducida. Cuando la energía del campo eléctrico es menor que el intervalo del nivel de energía de división, la conductividad del metal se transformará en aislamiento eléctrico.
Propiedades magnéticas
Las propiedades magnéticas de industria de polvo ultrafino, especialmente las partículas ferromagnéticas, han sido durante mucho tiempo un foco de investigación.
Para los materiales magnéticos a granel, generalmente se forman múltiples dominios magnéticos en estado neutro. La magnetización de cada dominio se alinea con la dirección de su menor energía. Existe una capa de transición entre dominios donde la dirección de la magnetización cambia de manera continua, llamada pared magnética.
La disposición caótica de los dominios magnéticos sigue el principio de energía mínima para todo el ferromagneto. Esto provoca que la magnetización macroscópica sea cero en el estado neutral magnético. La orientación de los dominios magnéticos generalmente depende del tipo de anisotropía magnética.
Los polvos magnéticos ultrafinos tienen amplias aplicaciones en medios de grabación. Ejemplos incluyen γ-Fe2O3, metal FeCo, CrO2, TixCOxO19, BaFe12-2x, Fe4N y Co-γ-Fe2O3. Como fluidos magnéticos, se utilizan ferritas nano como Fe3O4 y nanopartículas de hierro, níquel, cobalto y aleaciones. En aplicaciones de fluidos magnéticos, las micropartículas deben estar recubiertas con moléculas orgánicas de cadena larga.
Debido a su pequeño tamaño y gran área superficial, el recubrimiento afecta en gran medida sus propiedades magnéticas.
Propiedades térmicas
El cambio en el tamaño de las partículas altera la superficie específica. Esto modifica el potencial químico de las partículas. Como resultado, las propiedades termodinámicas se ven afectadas.
El tamaño de las partículas tiene un impacto significativo en las propiedades termodinámicas. A medida que disminuye el tamaño de las partículas, la energía superficial aumenta considerablemente. Esto permite que los polvos ultrafinos fundan o sinteren a temperaturas más bajas. La temperatura requerida es menor que el punto de fusión del material a granel.
Propiedades catalíticas
Para reacciones catalíticas heterogéneas, reducir el tamaño de las partículas es necesario para aumentar la superficie específica y mejorar la eficiencia catalítica.
Sin embargo, no es el único factor. Algunos catalizadores muestran una eficiencia catalítica máxima en tamaños de partículas específicos. Por lo tanto, estudiar el impacto del tamaño de las partículas y la condición de la superficie en la actividad catalítica es esencial.
Propiedades mecánicas
Para materiales metálicos tradicionales, la dureza aumenta con el refinamiento de grano. Para metales de grano grueso, sus propiedades mecánicas mejoran a medida que disminuye el tamaño de grano.
Para algunas nanopartículas de metales puros, como paladio, cobre, plata, níquel y selenio, la microdureza aumenta significativamente a temperatura ambiente en comparación con sus contrapartes de grano grueso.
Sin embargo, para compuestos intermetálicos, la dureza disminuye a medida que el tamaño de grano disminuye por debajo de un tamaño crítico. En la investigación de nanomateriales, las propiedades mecánicas de los nanocerámicos son de gran interés.
Los nanocerámicos tienen ventajas como alta resistencia a altas temperaturas, alta dureza y estabilidad química. Sus desventajas incluyen mala maquinabilidad, fragilidad y falta de ductilidad. Se espera que los nanocerámicos superen estas deficiencias.
Propiedades magnetorresistivas
El llamado efecto magnetorresistivo se refiere al cambio en la resistividad causado por un campo magnético. Para lograr un gran efecto magnetorresistivo, el tamaño de las partículas o el grosor de las capas magnéticas y no magnéticas deben ser menores que la longitud de camino libre promedio de los electrones. Esto minimiza la dispersión durante el transporte de electrones, aparte de la dispersión relacionada con el espín, y permite que la orientación del espín permanezca sin cambios. Dado que la longitud de camino libre promedio de los electrones suele ser de unos pocos nanómetros a 100 nm, solo en sistemas a escala nanométrica se puede observar la magnetorresistencia gigante.
Propiedades de solución
Movimiento de partículas ultrafinas en solución:
En soluciones o suspensiones con partículas de polvo ultrafinas como solutos, estas partículas se difunden desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. Al mismo tiempo, también ocurre movimiento browniano.
Adsorción de partículas ultrafinas en solución:
La adsorción es uno de los fenómenos interfaciales que ocurre entre fases en interacción. Se refiere al fenómeno donde los adsorbatos se mantienen en una capa de contacto delgada en la interfaz o superficie del adsorbente. Con un área superficial específica grande, alta energía superficial y alta capacidad de adsorción, las partículas ultrafinas exhiben una adsorción significativa.
Reología：
La reología es la ciencia que estudia el flujo y la deformación de los materiales. Como se discutió anteriormente, a medida que disminuye el tamaño de las partículas, estas exhiben gradualmente propiedades o comportamientos diferentes en comparación con el sólido original.
Las partículas menores a 1 μm en dispersión líquida, conocidas como sistemas de dispersión coloidal o de partículas, son sujetos de investigación tanto teórica como práctica en reología.
Conclusión
En conclusión, las características únicas del polvo ultrafino, incluyendo su alta superficie, mayor reactividad y propiedades mecánicas mejoradas, lo convierten en un material valioso en diversas industrias. Estas propiedades permiten que los polvos ultrafinos satisfagan las demandas de aplicaciones avanzadas en campos como la catálisis, la ciencia de materiales y la nanotecnología. A medida que la investigación y la tecnología continúan evolucionando, el potencial de los polvos ultrafinos se ampliará, ofreciendo nuevas oportunidades para la innovación y la mejora del rendimiento.
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