ما هو سبب تغير الخصائص والخصائص في أبعاد النانو؟

هناك عاملان رئيسيان تسببا في أن تتصرف المواد النانوية بشكل مختلف عن المواد الكبيرة والمواد الدقيقة: التأثيرات السطحية والتأثيرات الكمية (سلوك عدم الاستمرارية بسبب تأثيرات الحبس الكمي في المواد ذات الإلكترونات غير المتمركزة).

التأثيرات السطحية

النظر في المجال. نسبة المساحة إلى حجم الكرة هي:

أ/ف = 4?ص ² / (4/3)?ص ³ = 3/ص

وكما هو واضح من العلاقة السابقة، كلما قلت أبعاد الكرة (نقص نصف قطرها)، زادت نسبة المساحة إلى الحجم. وكلما زادت النعومة، زادت هذه النسبة. ومع زيادة السطح، يزداد عدد الذرات الموضوعة على السطح. في الفيزياء والكيمياء هناك فرق بين الذرات الموجودة على السطح والذرات الموجودة داخل المادة. الذرات الموجودة داخل المادة لها كامل طاقتها ولا تريد التفاعل بسبب كثرة عدد جيرانها (عدد الذرات المحيطة بها أعلى). لكن الذرات الموجودة على السطح، لأنها مرتبطة بعدد أقل من الذرات، قد يكون لها عدد من الروابط غير الكاملة أو غير الكاملة، لذا فإن تفاعلها أعلى من الذرات الموجودة داخل المادة، كما هو موضح في الشكل أدناه.

ولذلك، عندما تصبح أبعاد المادة أصغر وتصل إلى الأبعاد النانوية، فإن سطح المادة يزداد كثيراً وتزداد الذرات الموجودة على سطحها كثيراً أيضاً. ونتيجة لذلك، تصبح المادة غير مستقرة للغاية، لذا تحاول التوجه نحو الاستقرار بطرق مختلفة بسبب عدم استقرارها العالي. ومن هذه الطرق تغيير ترتيب الذرات مما يؤدي إلى تغير خصائص المادة.

التأثيرات الكمومية

كل مادة من حولنا لها بنية طاقة مميزة لتلك المادة. يختلف هيكل الطاقة للمواد المختلفة عن بعضها البعض. كما هو موضح في الشكل أدناه، فإن بنية الطاقة للذرات تتكون من مستويات طاقة، ولكن بنية الطاقة للمواد العيانية والعادية تكون على شكل نطاقات طاقة. في الذرات تختلف المسافة بين المستويات عن بعضها البعض، وفي المواد العادية وكبيرة الحجم يختلف عرض نطاقات الطاقة وعرض المنطقة المحرمة (فجوة الطاقة) عن بعضهما البعض.

تعتمد العديد من خصائص المواد على بنية الطاقة الخاصة بها، ومع تغير بنية الطاقة تتغير الخصائص أيضًا. على سبيل المثال، من أجل صنع الثنائيات، عادة ما يتم إدخال ذرات الشوائب في مواد أشباه الموصلات العادية. يؤدي دخول ذرات الشوائب إلى الهيكل إلى تغيير بنية الطاقة وتقليل فجوة الطاقة، مما يؤدي إلى تغييرات في الخواص الكهربائية.

كما تعلم فإن المواد تتكون من ذرات، فعندما توضع الذرات بجانب بعضها البعض لتكوين مادة (أو جسيم)، فإن مستويات الطاقة للذرات المختلفة توضع أيضًا بجانب بعضها البعض. عندما يزيد عدد الذرات، يزداد أيضًا عدد مستويات الطاقة، كما هو موضح في الشكل، تشكل مستويات الطاقة مناطق تسمى نطاقات الطاقة. في الواقع، يتكون نطاق الطاقة من عدد كبير من مستويات الطاقة المستمرة. كما أن هناك مناطق لا يوجد فيها توازن طاقة، وتسمى بالمناطق المحرمة أو فجوات الطاقة.

لنفترض الآن أننا نريد قطع مادة عادية بأبعاد معينة وإحضارها إلى أبعاد نانوية. عندما يتم تقليل مادة ما، فإن ذراتها تنخفض بالفعل. عندما تنفصل الذرة عن المادة، ينفصل مستوى الطاقة المقابل أيضًا عن بنية النطاق. تحت بعد معين (عادة 100 نانومتر)، يتناقص عدد الذرات ومستويات الطاقة كثيرًا بحيث تصبح نطاقات الطاقة مستويات طاقة مرة أخرى. لذلك، من خلال التصغير والوصول إلى أبعاد نانوية، بالإضافة إلى الزيادة الهائلة في مساحة السطح مقارنة بالحجم، فإن الشيء الثاني الذي يحدث هو انفصال نطاقات الطاقة والتحول إلى توازن الطاقة. الآن، كمية مثل طاقة الإلكترون لا يمكن أن يكون لها أي قيمة ويجب أن تكون طاقتها مساوية لمستويات الطاقة. ولذلك فإن الفيزياء التي تكون صحيحة في هذه الأبعاد (الأبعاد النانوية) والأبعاد التي تحتها، أي الأبعاد الجزيئية والذرية، تسمى فيزياء الكم أو الفيزياء المنفصلة. يوضح الشكل أدناه كيفية تحويل الشريط إلى محاذاة.

بعض التغييرات في خصائص مقياس النانو لها ما يبررها من خلال تفكك مستويات الطاقة. على سبيل المثال، من بين هذه الأمور زيادة قوة امتصاص الموجات الكهرومغناطيسية أو تغيير اللون.