Généralement, les poudres dont la taille des particules est inférieure à 1 μm sont définies comme technologie et équipement de broyage de poudre ultrafine. La poudre ultrafine présente des effets de surface et de volume distincts du matériau d'origine ou des poudres plus grossières. Ces poudres présentent des propriétés différentes par rapport à des particules plus grosses poudres.
Effet de Surface
La principale différence entre technologie et équipement de broyage de poudre ultrafine et les objets macroscopiques est l'augmentation des atomes de surface. Les poudres ultrafines ont une grande surface spécifique. L'effet de surface devient significatif et ne peut être ignoré. Les atomes de surface diffèrent des atomes internes par leurs propriétés physiques. Les atomes internes sont entourés symétriquement par d'autres atomes. Les atomes de surface sont positionnés de manière asymétrique et sont attirés par les atomes internes. Cela entraîne une énergie plus élevée pour les atomes de surface par rapport aux atomes internes.
Effet quantique
Cela fait référence au phénomène lorsque la taille des particules diminue jusqu'à un certain point. Les électrons proches du niveau de Fermi du métal passent d'un état quasi-continu à un état discret. Selon la théorie des bandes dans l'état solide, les électrons conducteurs se déplacent dans un champ de potentiel périodique. Ces électrons n'appartiennent plus à des atomes individuels mais à l'ensemble du cristal. Ce comportement « public » entraîne des bandes d'énergie quasi-continues dans le cristal. La différence d'énergie entre les niveaux adjacents est beaucoup plus petite que l'énergie thermique.
Propriétés optiques
La couleur des particules métalliques est souvent différente de celle des matériaux en vrac. Lorsque la taille des particules métalliques est inférieure à une certaine valeur, elles apparaissent généralement noires en raison de l'absorption totale des ondes lumineuses. En plus de l'absorption des ondes lumineuses, les particules ultrafines ont également un effet de diffusion.
Pour les particules dispersées ultrafines inférieures à quelques dixièmes de la longueur d'onde de la lumière, l'intensité de la lumière diffusée est inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde. Par conséquent, la diffusion de la lumière du soleil par la poussière dans l'atmosphère rend le ciel clair bleu.
La solution d'argile ultrafine très dispersée dans l'eau, vue de côté contre un fond sombre, apparaît bleu-blanc, comme si elle était un peu trouble. En réalité, il s'agit du résultat de la diffusion par les particules d'argile ultrafines dans la solution d'une partie de la lumière incidente.
Propriétés électriques
Les matériaux métalliques ont une conductivité, mais la conductivité des particules métalliques nano est considérablement réduite. Lorsque l'énergie du champ électrique est inférieure à l'intervalle du niveau d'énergie de division, la conductivité du métal se transforme en isolation électrique.
Propriétés magnétiques
Les propriétés magnétiques de technologie et équipement de broyage de poudre ultrafine, en particulier les particules ferromagnétiques, ont longtemps été un sujet de recherche.
Pour les matériaux magnétiques en vrac, plusieurs domaines magnétiques se forment généralement à l'état neutre. Le moment magnétique de chaque domaine s'aligne avec la direction de son énergie la plus basse. Il existe une couche de transition entre les domaines où la direction de la magnétisation change de manière continue, appelée une paroi magnétique.
L'agencement chaotique des domaines magnétiques suit le principe de l'énergie minimale pour l'ensemble du ferromagnétisme. Cela entraîne une magnétisation macroscopique nulle dans l'état neutre magnétique. L'orientation des domaines magnétiques dépend généralement du type d'anisotropie magnétique.
Les poudres ultrafines magnétiques ont de nombreuses applications dans les supports d'enregistrement. Parmi les exemples, on trouve γ-Fe2O3, métal FeCo, CrO2, TixCOxO19, BaFe12-2x, Fe4N, et Co-γ-Fe2O3. En tant que fluides magnétiques, on utilise des ferrites nano comme Fe3O4, ainsi que des nanoparticules de fer, nickel, cobalt et alliages. Dans les applications de fluides magnétiques, les microparticules doivent être recouvertes de molécules organiques à longue chaîne.
En raison de leur petite taille et de leur grande surface, le revêtement influence fortement leurs propriétés magnétiques.
Propriétés thermiques
La variation de la taille des particules modifie la surface spécifique. Cela change le potentiel chimique des particules. En conséquence, les propriétés thermodynamiques sont affectées.
La taille des particules a un impact significatif sur les propriétés thermodynamiques. À mesure que la taille des particules diminue, l'énergie de surface augmente considérablement. Cela permet aux poudres ultrafines de fondre ou de sinter à des températures plus basses. La température requise est inférieure au point de fusion du matériau en vrac.
Propriétés catalytiques
Pour les réactions catalytiques hétérogènes, la réduction de la taille des particules est nécessaire pour augmenter la surface spécifique et améliorer l'efficacité catalytique.
Cependant, ce n'est pas le seul facteur. Certains catalyseurs montrent une efficacité catalytique maximale à des tailles de particules spécifiques. Par conséquent, il est essentiel d'étudier l'impact de la taille des particules et de l'état de surface sur l'activité catalytique.
Propriétés mécaniques
Pour les matériaux métalliques traditionnels, la dureté augmente avec le raffinement des grains. Pour les métaux à gros grains, leurs propriétés mécaniques s'améliorent lorsque la taille des grains diminue.
Pour certains nanoparticules de métaux purs, comme le palladium, le cuivre, l'argent, le nickel et le sélénium, la microdureté augmente de manière significative à température ambiante par rapport à leurs homologues à gros grains.
Cependant, pour les composés inter métalliques, la dureté diminue lorsque la taille des grains devient inférieure à une certaine taille critique. Dans la recherche sur les nanomatériaux, les propriétés mécaniques des nanocéramiques suscitent un grand intérêt.
Les nanocéramiques présentent des avantages tels qu'une résistance à haute température, une dureté élevée et une stabilité chimique. Leurs inconvénients incluent une mauvaise machinabilité, une fragilité et un manque de ductilité. On s'attend à ce que les nanocéramiques surmontent ces défauts.
Propriétés magnéto-résistives
L'effet de magnéto-résistance, appelé ainsi, désigne le changement de résistivité causé par un champ magnétique. Pour obtenir un effet de magnéto-résistance important, la taille des particules ou l'épaisseur des couches magnétiques et non magnétiques doit être inférieure à la longueur de parcours libre moyen des électrons. Cela minimise la diffusion lors du transport des électrons, à l'exception de la diffusion liée au spin, et permet à l'orientation du spin de rester inchangée. Étant donné que la longueur de parcours libre moyen des électrons est généralement de quelques nanomètres à 100 nm, la magnéto-résistance géante ne peut être observée que dans des systèmes à l'échelle nanométrique.
Propriétés de solution
Mouvement des nanoparticules en solution :
Dans des solutions ou suspensions contenant des particules de poudre ultrafines comme solutés, ces particules diffusent des zones de haute concentration vers des zones de faible concentration. En même temps, un mouvement brownien se produit également.
Adsorption des nanoparticules en solution :
L'adsorption est l'un des phénomènes interfaciaux qui se produisent entre des phases en interaction. Il se réfère au phénomène où les adsorbats sont retenus dans une fine couche de contact à l'interface ou à la surface de l'adsorbant. Avec une grande surface spécifique, une énergie de surface élevée et une capacité d'adsorption importante, les particules ultrafines présentent une adsorption significative.
Rhéologie :
La rhéologie est la science qui étudie l'écoulement et la déformation des matériaux. Comme mentionné précédemment, à mesure que la taille des particules diminue, celles-ci présentent progressivement des propriétés ou comportements différents par rapport au solide d'origine.
Les particules de moins de 1 μm en dispersion liquide, connues sous le nom de systèmes de dispersion colloïdale ou particulaire, sont des sujets de recherche importants tant sur le plan théorique que pratique en rhéologie.
Conclusion
En conclusion, les caractéristiques uniques de la poudre ultrafine, notamment sa grande surface, sa réactivité accrue et ses propriétés mécaniques améliorées, en font un matériau précieux dans divers secteurs. Ces propriétés permettent aux poudres ultrafines de répondre aux exigences des applications avancées dans des domaines tels que la catalyse, la science des matériaux et la nanotechnologie. À mesure que la recherche et la technologie évoluent, le potentiel des poudres ultrafines s'élargira, offrant de nouvelles opportunités d'innovation et d'amélioration des performances.
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