ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, МАЛЫХ ЧАСТИЦ И ТОНКИХ ПЛЕНОК > Полезные советы
Тысяча полезных мелочей    

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, МАЛЫХ ЧАСТИЦ И ТОНКИХ ПЛЕНОК

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, МАЛЫХ ЧАСТИЦ И ТОНКИХ ПЛЕНОК

Юров В.М. Портнов В.С. Ибраев Н.Х. Гученко С.А. Дан обзор новых методов определения поверхностного натяжения твердых тел, малых частиц и тонких пленок. Методы основаны на универсальной зависимости физической величины от размера малых частиц твердого тела или толщины пленки. Статья в формате PDF 418 KB поверхностное натяжениетвердое теломалые частицытонкие пленки Гегузин Я.Е., Овчаренко Н.Н. // УФН. - 1962. - Т. 76, Вып. 2. - С. 283. Гохштейн А.Я. Поверхностное натяжение твердых тел и адсорбция. - М.: Наука, 1976. - 256 с. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2008. - 508 с. Способ измерения поверхностного натяжения твердых тел: патент РК №57691 / Юров В.М., Ещанов А.Н., Кукетаев А.Т. - Опубл. 15.12.2008, Бюл. №12. Юров В.М. Способ измерения поверхностного натяжения люминофоров: положительное решение на выдачу патента РК от 18.11.2010 г. Заявка №2009/1701.1. Юров В.М. // Вестник КарГУ, сер. Физика. - 2005. - № 3(39). - С. 13. Кузнецов В.Д. Поверхностная энергия твердых тел. - М.: Гостехиздат, 1954. - 226 с. Способ измерения поверхностного натяжения и плотности поверхностных состояний диэлектриков: патент РК №58155 / Юров В.М., Портнов В.С., Пузеева М.П. - Опубл. 15.12.2008, Бюл. №12. Способ измерения поверхностного натяжения магнитных материалов: патент РК №58158 / Юров В.М., Портнов В.С., Пузеева М.П. - Опубл. 15.12.2008, Бюл. №12. Вонсовский В.С. Магнетизм. - М.: Наука, 1971. - 1032 с. Юров В.М., Гученко С.А., Ибраев Н.Х. Способ измерения поверхностного натяжения осаждаемых покрытий: патент РК №66095. Опубл. 15.11.2010, Бюл. №11. Юров В.М., ., Ибраев Н.Х., Гученко С.А. // Известия ВУЗов. Физика. - 2011. - Т. 54. №-1/3. - С. 335. Оура К., Лифшиц В.Г., Саранин А.А. и др. Введение в физику поверхности. - М.: Наука. - 2006. - 490 с. Русанов А.И. Фазовые равновесия и поверхностные явления. - Л.: Химия, 1967. - 346 с.

Экспериментальное определение поверхностного натяжения твердых тел затруднено тем, что их молекулы (атомы) лишены возможности свободно перемещаться. Существуют различные методы определения поверхностного натяжения твердых тел, обзор которых дан, например, в работах [1-3]. Там-же отмечается, что в настоящее время отсутствует метод, который мог бы быть использован для определения поверхностного натяжение в твердой фазе в широком диапазоне температур. Каждый из методов пpaктически ограничен либо температурой, либо величинами, которые экспериментально определяются с малой точностью.

В настоящей работе мы приводим краткий обзор методов экспериментального определения поверхностного натяжения твердых тел, разработанных нами недавно.

Люминесцентные методы [4, 5]. Теоретическое обоснование полученных ниже формул приведено нами в работе [6]. Зависимость интенсивности рентгенолюминесценции (фотолюминесценции и т.д.) диэлектрика от размера частиц (или толщины пленки) описывается формулой

 

где I - интенсивность люминесценции; r - радиус частицы диэлектрика (толщины пленки). Параметр d связан с поверхностным натяжением σ формулой

где J - молярный объем диэлектрика; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура (К), при которой производится измерение.

В координатах I ~ 1/r получается прямая, тангенс угла наклона которой определяет d, и по формуле (2) рассчитывается поверхностное натяжение диэлектрика (σ). Способ применяли для определения поверхностного натяжения диэлектрических кристаллов KCl, с примесью ионов таллия в качестве люминесцирующего зонда. Интенсивность люминесценции определялась стандартным фотоэлектрическим методом. Размер зерна диэлектрика определялся с помощью металлографического микроскопа.

По зависимости (1) для KCl при Т = 300 К нами получено d = 0,01 мкм. Для KCl J = 37,63 см3/моль и из (2) для поверхностного натяжения получено: σ = 0,221 Дж/м2. При раскалывании кристалла KCl по плоскости (100) получено: σ1 = 0,110 Дж/м2 Эта методика была предложена И.В. Обреимовым еще в 1930 г. В последующие годы эта методика использовалась для многих кристаллов [7]. Полученное нами значение поверхностного натяжения нужно привести к температуре Т = 104 К, при которой определялось σ1. Это нетрудно сделать, используя формулу (2). Тогда мы получаем: σ = 0,074 Дж/м2. Это значение σ уже достаточно близко к величине σ1. Основная погрешность нашего метода связана с трудностью отбора пробы. Но основное достоинство состоит в возможности определения поверхностного натяжения сложных соединений (например, галофосфатных люминофоров и др.). Это важно для синтеза новых эффективных люминофоров, поскольку из формул (1) и (2) следует, что уменьшение поверхностного натяжения приводит к росту интенсивности свечения.

Основная погрешность методов раскалывания кристаллов связана с невозможностью измерить количество поверхностной энергии, которая при раскалывании рассеивается в виде тепла.

Поверхностное натяжение и диэлектрическая проницаемость твердых тел [8]. Зависимость диэлектрической проницаемости ε материала от толщины пленки h также описывается формулой типа (1). Построенная зависимость в координатах ε ~ 1/h (1/h - обратная толщина пленки диэлектрика) получается прямая, тангенс угла наклона, который определяет d, и по формуле (2) рассчитывается поверхностное натяжение диэлектрика (σ). Плотность поверхностных состояний (ω) определяется из уравнения Шаттльворта и Херинга с использованием найденного значения (σ):

где Ω - площадь поверхности пленки диэлектрика.

Способ применяли для определения поверхностного натяжения диэлектрических кристаллов KCl. Пленки получали на кварцевой подложке на вакуумной установке ВУП-5. Толщина пленки диэлектрика определялся с помощью металлографического микроскопа. Диэлектрическая проницаемость определялась стандартным емкостным методом. В результате для KCl получено: σ = 0,192 Дж/м2. Это значение незначительно отличается от полученного нами люминесцентным методом.

Поверхностное натяжение магнитных материалов [9]. В этом случае зависимость магнитной восприимчивости магнитного материала от размера частиц также описывается формулой типа (1) и (2).

Построенная зависимость в координатах æ ~ 1/r (1/r - обратный радиус частиц магнитного материала) получается прямая, тангенс угла наклона, который определяет d, и по формуле (2) рассчитывается поверхностное натяжение магнитного материала (σ).

Способ применяли для определения поверхностного натяжения магнетитов (Fe3O4) Соколовского и Сарбайского месторождений. Удельная намагниченность измерялась с помощью вибрационного магнитометра. Размер зерна магнетита определялся с помощью металлографического микроскопа. В координатах æ ~ 1/r экспериментальная кривая спрямляется в соответствии с (1), давая значение d = 0,36 мкм. Для магнетита J = 44,5 см3/моль и из соотношения (2) для поверхностного натяжения получено: σ = 10,07 Дж/м2.

Расчеты по формулам теории магнетизма с использованием экспериментальных значений намагниченности насыщения дали значение σ = 10,1 Дж/м2 [10], что пpaктически совпадает с приведенным выше. Формулы теории магнетизма, однако, применимы для ограниченного числа материалов, в то время как предлагаемый способ позволяет определять σ экспериментально для любых магнитных минералов.

Поверхностное натяжение осаждаемых покрытий или пленок [11]. Мы исследовали нитрид титановые покрытия на стали марки Х12. Микротвердость μ определялась микротвердомером ПМТ-3. Толщина h покрытия определялась по косым шлифам с помощью металлографического оптического микроскопа Эпиквант. В координатах μ~ 1/h экспериментальная кривая спрямляется в соответствии с (1), давая значение h = 1,3 мкм. Для нитрида титана θ = 11,44 см3/моль и из соотношения (2) для поверхностного натяжения получено: σ = 0,474 Дж/м2.

Для измерения электропроводности 1/ρ (ρ - удельное сопротивление) покрытий использовалась трехэлектродная схема с помощью тераомметра E6-13A. В координатах 1/ρ ~ 1/h экспериментальная кривая спрямляется в соответствии с (1), давая значение h = 1,4 мкм. Для нитрида титана J = 11,44 см3/моль и из соотношения (2) для поверхностного натяжения получено: σ = 0,479 Дж/м2. Это значение пpaктически совпадает с результатом, полученным из зависимости микротвердости от толщины покрытия, что говорит в пользу нашей модели.

Поверхностное натяжение и температура плавления наночастиц [12]. В недавно вышедшей монографии японских и российских физиков [13] считается, что уменьшение температуры плавления малых частиц связано с тем, что атомы на поверхности имеют меньшее число соседей, чем в объеме, следовательно, менее крепко связаны и менее ограничены в своем тепловом движении. Там же отмечается, что обычно уменьшение температуры нанокристалла обратно пропорционально его размеру. Однако теории этого эффекта пока нет.

Если воспользоваться аналогией скалярных полей, то мы получаем для температуры плавления малых частиц уравнение, аналогичное (1):

где Т0 - температура плавления массивного образца.

Используя экспериментальные результаты, представленные в [13] для золота, можно по нашей формуле (3) и (2) определить поверхностное натяжение малых частиц золота.

При температуре Т = 1040 ºС величина поверхностного натяжения золота оказалась равной: s = 1,312 Дж/м2.

В методе «нулевой ползучести» [1-3] образец (длинной нити, фольги) нагревают до достаточно высокой температуры, так что он начинает сокращаться по длине под действием поверхностных напряжений. К образцу прикладывается внешняя сила, поддерживающая неизменной форму образца. По величине этой силы определяют величину поверхностного натяжения. Метод применим в основном к металлам. Для золота при температуре Т = 1040 ºС величина поверхностного натяжения d в методе «нулевой ползучести» равна: s = (1,37 ± 0,15) Дж/м2.

Это значение незначительно отличается от полученного в рамках нашей модели.

Для зависимости поверхностного натяжения наночастиц от их размера А.И. Русанов получил следующую формулу [14]:

Однако значения параметра К для конкретных систем остаются до сих пор пpaктически не исследованными. В рамках нашей модели для К из (1) и (2) нетрудно получить:

Здесь А0 - измеряемая физическая величина массивного образца; J - молярный объем; Т - температура; R - газовая постоянная.

Критерий применимости формулы Русанова А.И. выразится в виде (таблица):

Из таблицы видно, что для всех металлов r имеет величину около 1 нм. Удивительно, но такой же порядок имеет критический размер rk зародыша при образовании кристаллов.

Критерий применимости линейной формулы А.И. Русанова

Металл

r, нм

Металл

r, нм

Свинец

0,9

Серебро

1,1

Олово

0,8

Золото

1,1

Железо

1,2

Медь

1,0

Если в качестве функции отклика в [6] мы возьмем поверхностное натяжение нанокристалла, то сразу получаем выражение, аналогичное (1):

где rk - критический радиус, начиная с которого проявляются размерные эффекты.

Полученная формула (7) по форме совпадает с формулой Гиббса - Толмена - Кенига - Баффа:

где rk = 2δ.

Поскольку rk мы можем экспериментально определять, например, по зависимости (3), это дает возможность экспериментального определения постоянной Толмена δ.

Заключение. В настоящей работе мы попытались показать, что поверхностное натяжение твердых тел можно с приемлемой точностью определять на основе универсальных соотношений:

Здесь А0 - измеряемая физическая величина массивного образца (электрическая, магнитная и т.д.).

Поверхностные явления имеют место в любой гетерогенной системе, состоящей из двух или нескольких фаз. По существу весь материальный мир - гетерогенен. Как гомогенные можно рассматривать системы лишь в ограниченных объёмах прострaнcтва. Поэтому роль поверхностных явлений в природных и технологических процессах чрезвычайно велика.

В связи с этим, определение поверхностного натяжения различных веществ в твердой фазе является чрезвычайно важным.

 Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований МОН РК. Грант 1034 ФИ.



БОЧКАРЁВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ

БОЧКАРЁВ НИКОЛАЙ ИВАНОВИЧ Статья в формате PDF 189 KB...

02 07 2026 8:40:42

ПРАВО И ЕГО РОЛЬ В РАЗЛИЧНЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

ПРАВО И ЕГО РОЛЬ В РАЗЛИЧНЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ Статья в формате PDF 116 KB...

01 07 2026 21:27:52

ОГНЕСТОЙКИЕ НЕНАСЫЩЕННЫЕ ПОЛИЭФИРЫ

ОГНЕСТОЙКИЕ НЕНАСЫЩЕННЫЕ ПОЛИЭФИРЫ Статья в формате PDF 109 KB...

30 06 2026 7:24:18

БЕРЕГОВАЯ ЗОНА ОЗЕРА БАЙКАЛ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

БЕРЕГОВАЯ ЗОНА ОЗЕРА БАЙКАЛ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ Статья в формате PDF 119 KB...

29 06 2026 10:28:23

ДНИ КВАНТОВОЙ МЕДИЦИНЫ В ЕВРОПЕ

ДНИ КВАНТОВОЙ МЕДИЦИНЫ В ЕВРОПЕ Статья в формате PDF 140 KB...

28 06 2026 11:14:42

ГЕЛИОКЛИМАТОЛОГИЯ: ВНЕЗЕМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗЕМНОГО КЛИМАТА

ГЕЛИОКЛИМАТОЛОГИЯ: ВНЕЗЕМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗЕМНОГО КЛИМАТА Проведен анализ поведения 380-летних изменений солнечной активности, температуры, осадков, солнечной радиации, штормистости и СО2. Обнаружена тенденция совпадения всех процессов на ветви роста 400-летних изменений. Показано, что основным фактором климатических изменений на Земле является солнечная активность. Для дальнейших сценариев существования человечества в обозримой перспективе, уже не так важно, что лежит в основе глобального повышения температуры, CO2, осадков … Теперь важно искать пути, как снизить риски глобальных климатических изменений на природу, биосферу и экономику. Важно также оценить факторы положительные экономического развития мирового сообщества в целом и России, в частности, вызванные этими изменениями. Показано, что своевременное отслеживание и прогнозирование изменения активности Солнца и вызванных ею земных явлений позволяют снижать экономические риски и выpaбатывать оптимальную стратегию для предотвращения природных катастроф. ...

25 06 2026 14:30:25

ЧЕЛОВЕК ТЕЛЕСНЫЙ И СЛОВЕСНЫЙ

ЧЕЛОВЕК ТЕЛЕСНЫЙ И СЛОВЕСНЫЙ Статья в формате PDF 286 KB...

23 06 2026 0:32:47

ЗЕМЕЛЬНЫЕ ОТНОШЕНИЯГЛАВНЫЙ ВОПРОС АГРАРНОЙ РЕФОРМЫ В КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ

ЗЕМЕЛЬНЫЕ ОТНОШЕНИЯГЛАВНЫЙ ВОПРОС АГРАРНОЙ РЕФОРМЫ В КАБАРДИНО-БАЛКАРСКОЙ РЕСПУБЛИКЕ Аграрная реформа высветила многие проблемы, носящие хаpaктер долговременного действия на экономику России и, в частности, на ее агропромышленный комплекс, от успешного развития которого зависит продовольственная безопасность страны и жизненный уровень населения. К их числу относится и проблема земельных отношений. ...

21 06 2026 17:44:12

ГЕМОСТАЗ У БОЛЬНЫХ МИОМОЙ МАТКИ

ГЕМОСТАЗ У БОЛЬНЫХ МИОМОЙ МАТКИ Статья в формате PDF 116 KB...

20 06 2026 17:54:10

Термофизические основы радиометрических измерений температуры

Термофизические основы радиометрических измерений температуры Предлагается метод измерения температуры, с целью уменьшения погрешности измерений и увеличения точности бесконтактного измерения. Существенной особенностью предлагаемого метода является возможность использования двухступенчатого подхода с предварительной или дополнительной регистрацией состояния системы и теплового излучения для уточнения измерения температуры. ...

19 06 2026 20:35:39

Научные основы выбора способов биологической Рекультивации отвалов карьера «Айхал»

Научные основы выбора способов биологической Рекультивации отвалов карьера «Айхал» Представлены результаты двухлетних опытных работ с целью разработки эффективных способов биологической рекультивации без нанесения плодородного слоя на отвалах Айхальского ГОКа. ...

18 06 2026 0:23:44

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ДРЕВОСТОЯ

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ДРЕВОСТОЯ Статья в формате PDF 319 KB...

07 06 2026 1:19:50

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ ТВОРЧЕСКИХ СПОСОБНОСТЕЙ УЧАЩИХСЯ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ КАК ФАКТОР ФОРМИРОВАНИЯ ТВОРЧЕСКИХ СПОСОБНОСТЕЙ УЧАЩИХСЯ Школьная научно-исследовательская деятельность – это сочетание приемов и методов, направленных на решение актуальных проблем, которые служат активизации познавательной деятельности учащихся. Научно-исследовательская работа учащихся – это пpaктическая работа поискового хаpaктера, которая способствует расширению знаний учащихся, развитию их пpaктических умений. В процессе создания естественнонаучных проектов у школьников возрастает познавательный интерес к общим законам природы, стремление к приобретению обширных знаний, обогащается умственная деятельность учащихся, развивается умение мыслить творчески. ...

01 06 2026 17:55:25

ИЗУЧЕНИЕ РЕАКЦИИ ГИДРИРОВАНИЯ АЛЛИЛОВОГО СПИРТА НА 1 %Pd/Nd2O3 КАТАЛИЗАТОРЕ

ИЗУЧЕНИЕ РЕАКЦИИ ГИДРИРОВАНИЯ АЛЛИЛОВОГО СПИРТА НА 1 %Pd/Nd2O3 КАТАЛИЗАТОРЕ В работе представлены результаты по гидрированию аллилового спирта на 1 % Pd/Nd2O3 катализаторе. Найдено увеличение скорости гидрирования в 3,3 раза на 1 %Pd/Nd2O3 катализаторе по сравнению с 1 %Pd/Al2O3.. Показана возможность «мягкого» жидкофазного гидрирования двойной связи в аллиловом спирте, не осложненное конкурирующим гидрированием гидроксильной группы. Побочной реакцией является образование пропаналя. ...

31 05 2026 23:10:45

Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::