января 2011

*

Энергия. Принцип минимума энергии

Энергия - это способность системы совершать работу. Чем большей энергией обладает система, тем больше работы она способна совершить. Этакая универсальная валюта.

Про закон сохранения энергии  особо много говорить не буду - все и так знают, что энергия не возникает из ничего и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Остановимся лучше на этих самых видах энергии, точнее на наиболее важных видах энергии.

Энтропия. Принцип максимума энтропии

БиллиардИгра в бильярд начинается с того, что шары аккуратной пирамидкой выстраиваются на столе. Затем наносится первый удар кием, который разбивает пирамиду. Шары перекатываются по столу по причудливым траекториям, многократно сталкиваются со стенками стола и друг с другом и, наконец, застывают в некотором новом расположении. Отчего-то новое расположение всегда менее упорядоченно. Почему? Можно пробовать бесконечно.

Энергия и энтропия: два принципа, которые правят миром

инь-янИтак, в мире действуют два очень важных принципа, которым подчиняются самые разные процессы и явления: принцип минимума энергии и принцип максимума энтропии. В некоторых случаях процесс полностью находится под управлением одного из них. Например, если выпустить из двух баллонов в один сосуд газы гелий и неон, то они быстро смешаются в однородную смесь.

Между возможным и реальным (о кинетике и термодинамике)

Значение свободной энергии показывает возможность или невозможность протекания процесса. В пределе (то есть через бесконечно долгий промежуток времени) процесс обязательно пойдет именно туда, куда ему "велит" пойти термодинамика, а именно, в том направлении, для которого параметр ΔG принимает наиболее отрицательное значение. Однако в нашем коротком временном масштабе этот переход может и не произойти. Это - несомненное жульничество, которым мы, представители homo sapiens, пользуемся на каждом шагу.

Про агрегатные состояния, фазы и наносостояние вещества

В этом разделе мы обсудим вопросы устойчивости и существования наносостояния вещества. А для того, чтобы разобраться с этим, обсудим основы термодинамики, кинетики и энергетики вещества вообще.

Энергетика группы атомов

Поговорим о том, что происходит, когда несколько атомов сближаются друг с другом. Для простоты ограничимся двумя атомами, для большего их числа все наши рассуждения и выводы останутся в силе. Не будем уточнять, образуется ли в результате сближения двух атомов молекула или какое-то другое их совместное состояние.

Поверхность. Поверхностная энергия

Где частица вещества "чувствует себя" лучше (то есть где ее свободная энергия ниже), в пустоте или рядом с другими такими же частицами? Если мы вспомним об изменении энергии при сближении двух частиц, то ответ будет очевидным: разумеется, частице намного комфортнее, когда рядом с ней находятся другие частицы. Потому что соседство создает силы притяжения, а они понижают свободную энергию. Разумеется, именно по этой причине частицы вещества собираются вместе при первой возможности.

Фаза - микроскопическое определение. Минимальный размер фазы

Мы уже выяснили, что поверхностные атомы существенно отличаются от внутренних атомов группы. Прежде всего, они отличаются энергией, но из-за этого у них различная устойчивость, различная склонность вступать в химические реакции, различная активность в разного рода процессах. Фактически, поверхность отличаются от балка того же вещества не намного меньше, чем одно вещество отличается от другого. Попробуем оценить, какой процент от общего числа атомов составляют атомы поверхности.

Воззлоби ближнего своего?

Иду вчера с работы. Точнее, несусь с работы, заносясь по дороге в аптеки и магазины, потому что дома жена сидит с сыном, у которого высокая температура и которому реально плохо, и стоит вопрос, ехать ли в больницу, приемный покой которой переполнен гриппующими детьми, или отлежаться дома. Наконец, все магазины и аптеки оббеганы, все необходимое куплено, и я вношусь на высокой скорости из шумного центра города в обычно тихий спальный район, который нужно проскочить насквозь и попасть уже в наш спальный район. Но сегодня тихий спальный район весьма не тих.

Макроскопическое определение фазы

Мы уже определили, что такое фаза с точки зрения отдельных атомов (то есть микромира), теперь подойдем к фазе с точки зрения макромира. Рассмотрим несколько систем, представленных на рисунке:

фазы

Устойчивость наносостояния. О чистых веществах

Поскольку наноразмерные частицы вещества, в особенности, те из них, размер которых меньше примерно 20 нанометров, имеют относительно высокое содержание поверхностных атомов (по сравнению с макроскопическими частицами), нам придется сделать два важных вывода:

1) Свойства вещества в наносостоянии отличаются от свойств того же вещества в макросостоянии.
(Естественно, это отличие связано с влиянием поверхностных атомов)
 

Нуклеация

В этом разделе мы рассмотрим явления, происходящие при рождении в системе новой фазы.

Физические размышления перед налитым стаканом

Вы любите газированные напитки? Одни любят, другие - не очень. С моей сугубо личной точки зрения это странно - сначала покупать газированную воду или шампанское, а потом вкладывать немало труда и сил, чтобы удалить из них купленный вместе с напитком газ. Намного проще было бы купить воду без газа или негазированное Шардоне. Впрочем, у разных людей разные странности. Впрочем, я не об этом. Я предлагаю вспомнить или (для любителей поэкспериментировать) произвести несколько очень простых экспериментов с газированными напитками.

Про математику, которая ум в порядок приводит

Что-то нас уже давно не пытались бойкотировать. Даже как-то скучно. Наверное, скучно не мне одному, потому что сегодня состоялся очередной наброс:
 

Группа преподавателей израильских университетов опубликовала призыв бойкотировать Университетский центр (колледж) в Ариэле. По их мнению, Ариэль относится к "незаконным поселениям", и учебное заведение в этом городе вредит интересам государства.

Нуклеация - рождение фазы

Итак, мы попытаемся разобраться в очень интимном моменте рождения новой фазы. Накануне рождения фазы в "старой" фазе - жидком растворе, газовой смеси или твердой системе - имеется очень высокая концентрация одного из компонентов. Настолько высокая, что "старая" фаза не в состоянии удерживать эту концентрацию. Такая система называется пересыщенной. (Напоминаю, что высокая концентрация - понятие относительное. Для одной системы и сто граммов растворенного вещества на литр растворителя - пустяк, а для другой и пару миллиграммов на литр - много.

Дальнейшая судьба нуклеусов

Крохотные нуклеусы - крайне неустойчивое состояние вещества. Слишком уж высок их поверхностный избыток энергии. Поэтому сразу после нуклеации начинается укрупнение нуклеусов. Происходит это тремя способами:

Во-первых, два соседних нуклеуса могут попросту столкнуться и "слипнуться" друг с другом.

Как получить нуклеацией наночастицы? Механизм роста частицы

Теперь мы можем довольно точно предсказать, какие условия будут способствовать получению наноразмерных частичек новой фазы. Фактически, получение наночастиц означает, что мы должны не дать нуклеусам слишком вырасти. Для этого нужно придерживаться нескольких правил:

1. "Старая" фаза не должна быть слишком пересыщенной, иначе процесс приобретет хаотический характер, а наночастицы, даже если они образуются, слипнутся друг с другом.

2. Повышение вязкости системы способствует образованию более мелких частиц.

Синтез наночастиц, основанный на гомогенной нуклеации

Как мы уже выяснили, гомогенная нуклеация больше способствует образованию относительно крупных частиц. Поэтому наносинтезы, использующие явление гомогенной нуклеации, встречаются редко. А если без каких-нибудь дополнительных ухищрений, позволяющих стабилизировать наноразмерные частицы - так и вовсе, пожалуй, никогда. Поэтому для демонстрации подхода я расскажу об одном относительно простом наносинтезе, который был опубликован группой во главе с Мунжи Бавенди из Массачусетского Технологического Института в 1993 году (Bawendi M.G.

Мойте руки перед едой, или прикладная нанотехнология

В далекие времена, когда я учился на химфаке советского университета, слово "нанометр" произносилось безо всякого такого особого придыхания и пиетета, а было не более, чем обычным техническим термином, применяемым, например, для измерения длин волн видимого света. И в те далекие времена одним из предметов в программе обучения химии был курс "Коллоидная химия". Времена сменились, приставка "нано-" обрела весомость и важность, и однажды я не без удивления обнаружил, что наноматериалы и те вещества, которые изучает коллоидная химия, являются, вообще-то, одним и тем же.

Коллоидные системы

Знакомство с коллоидами принято начинать с рассмотрения двух всем знакомых систем : раствора, например, сахара в воде и взвеси, например, песка в воде. Если взять два прозрачных стакана с герметически закрывающимися крышками, налить в каждый из них воды, добавить в один стакан немного сахара, а в другой добавить немного песка, как следует перемешать обе системы, закрыть крышки и начать наблюдать за поведением обеих систем, то разница будет очевидной:

Устойчивость коллоидных систем. Золи и Гели

Коллоидное состояние является метастабильным. В принципе, система стремится "уйти" из этого состояния, но из-за кинетических затруднений этот процесс может занять очень длительное время. Как правило, основной путь разрушения коллоидного состояния - это укрупнение частиц, в результате которого поверхностный избыток свободной энергии уменьшается. Коллоидным состоянием можно, до опреденной степени, управлять, поскольку существуют способы как стабилизировать коллоид, так и ускоренно разрушить его.

Техника Sol-Gel

Одной из часто применяемых для получения наночастиц техник является Sol-Gel (читать ли это по-русски "золь-гель", по-английски "сол-джел", или как-то еще - решите сами). Концептуально техника Sol-Gel чрезвычайно проста и ее можно разделить на несколько шагов:

1. Выбираем химическую реакцию, в которой реагирующие вещества растворимы в данном растворителе, а продукт их взаимодействия нерастворим.

Про нанотрубки

С неделю назад общались с одним моим студентом по разным своим темам. По ходу дела возникла тема углеродных нанотрубок (CNT - Carbon NanoTubes). Я что-то сказал по поводу их открытия Иидзимой в 1991. А студент меня правит: "Не в 1991, а еще в пятидесятых годах двадцатого века; Я не поверил, он настаивает. В общем, договорились, что я попрошу доказательств. Сегодня прихожу на работу, а на столе две статьи на русском языке (сам студент ивритоговорящий и по-русски, насколько я знаю, не читающий). Первая статья - Л. В. Радушкевич и В. М. Лукьянович.

Эксперты хреновы!

Смотрю дурацкий детективный сериал из России. "Паутина". Эксперт там хороший. Опытный, знающий такой. Серии три я был от него в полном восторге. А сегодня вот, облом!