Начнём издалека. Вы, скорее всего, хотя бы раз уже слышали про нанотехнологии.
Нанотехнологии - направление довольно модное и даже современное. Сегодня всё больше внимания уделяется именно квантовому уровню, но нано- никто не забыл. А что такое интересное можно почерпнуть из нано-уровня? Почему бы при исследовании или разработке материала не остановиться на микроуровне? Неужели размер в миллиардную долю метра так сильно меняет поведение вещества?
Казалось бы, если уменьшить фрагмент материала до очень маленьких размеров, он должен вести себя так же, как и прежде, только будет мельче. Но физика как обычно говорит нам, что всё наоборот.
Когда размеры объекта становятся меньше микрометра (то есть менее одной миллионной доли метра), вступают в игру новые силы и эффекты, которых не существует в привычном «макромире». Их очень много, но рассмотрим парочку основных.
Первая причина - чисто геометрическая. Всё дело в соотношении площади поверхности к объёму. Чем меньше частица, тем больше её поверхность относительно массы.
Представим идеальные сферические частицы кремния диаметром 10 нанометров. Объём одной такой сферы составляет примерно 523 кубических нанометра, а масса — около 2,3 × 10⁻²¹ грамма (это два зептограмма — то есть 0,0000000000000000000023 грамма!).
Если посчитать, сколько таких частиц содержится в одном грамме кремния, получится около 8,2 × 10¹⁷ — почти квадриллион частиц.
Теперь посмотрим на их общую площадь поверхности. Площадь одной такой наночастицы — 314 квадратных нанометров. Если умножить это значение на количество частиц, выйдет около 257 квадратных метров поверхности на один грамм вещества. Это почти пятая часть футбольного поля — колоссальная площадь, скрытая в щепотке порошка!
Если взять частицы размером 10 микрон (в тысячу раз больше), то их суммарная поверхность в том же одном грамме составит всего 0,25 квадратных метра — площадь обычной салфетки.
Вот почему в наномире площадь поверхности при той же массе увеличивается в тысячу раз.
И это имеет невероятные последствия: чем больше поверхность, тем активнее идут химические реакции. Поэтому нанопорошки так эффективны в катализаторах, а измельчённый лёд охлаждает напиток быстрее, чем кубиковый — у него просто больше контактная площадь с жидкостью.
Но настоящая магия начинается, когда мы спускаемся ниже десятков нанометров. Здесь уже не работает классическая физика. Вступает в игру квантовая механика.
В каждом материале электроны занимают определённые энергетические уровни. В крупных кристаллах эти уровни образуют непрерывные зоны, а электроны могут перемещаться в них свободно. Но если кристалл становится достаточно мал, электроны начинают «чувствовать границы». Их энергия перестаёт быть непрерывной — она квантуется, становится дискретной, как ступеньки лестницы.
Этот эффект особенно заметен в полупроводниках. Возьмём, например, кремний. В обычных условиях это непрямозонный полупроводник, и он не светится. Но у кремния есть важная характеристика — боровский радиус экситона (то есть естественное расстояние между электроном и дыркой, когда они образуют связанное состояние). Для кремния он равен примерно 4 нанометрам.
Когда частица кремния становится меньше этого радиуса, происходит удивительное. Энергетические уровни становятся дискретными, и материал начинает фотолюминесцировать то есть светиться!
Более того, цвет этого свечения зависит от размера частиц. Чем меньше нанокристалл, тем выше энергия перехода и, соответственно, тем синее светится материал. Чем больше частица — тем краснее становится излучение. Это — прямое следствие квантового ограничения, хорошо известного физикам как эффект «квантовой ямы».
В микромире ничего подобного не происходит: кристалл просто ведёт себя как обычный объёмный материал. А вот в наномире вещество буквально меняет свою природу.
Это лишь верхушка айсберга. В наномире начинают проявляться новые механические, оптические, электрические и химические свойства, которые невозможно получить, работая с обычными материалами. Именно поэтому исследователи по всему миру продолжают изучать нанотехнологии. Нанотехнологии - это не просто «уменьшённая версия макромира». Это совершенно новый физический уровень, где каждый атом имеет значение, а сама природа начинает играть по другим правилам.
Подборка статей мини-курс "Математика для физика простыми словами"
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram!
Хочется помочь проекту? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️! Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями