smeltepunktsreduksjon

Smeltepunktet til et materiale bestemmes av styrken på og antallet kjemiske bindinger som må brytes for at atomer skal frigjøres fra materialets faste struktur, slik at det smelter. Smeltepunktsreduksjonen oppstår fordi nanomaterialer er så små og dermed har mye større overflate i forhold til volum enn andre materialer. Atomene på overflaten av et materiale er bundet til færre atomer enn atomene inne i materialet. Det er fordi atomene inne i materialet har naboer på alle sider, mens atomene på overflaten ikke har naboatomer på siden som vender ut fra materialet. For de aller minste nanomaterialene vil nesten alle atomene ligge på overflaten, og det gjennomsnittlige antallet bindinger som må brytes per atom blir dermed mindre. Derfor smelter partiklene ved en lavere temperatur.

For å forstå hvorfor nanomaterialer har så mye større overflate i forhold til volum enn andre materialer, kan man se for seg en terning med kanter på 1 cm, som dermed har et volum på 1 cm³. Terningen har seks sider og dermed overflateareal på 6 cm². Dersom man splitter terningen på tvers av alle kantene, får man åtte terninger med 0,5 cm lange kanter. Det samlede overflatearealet blir 8×6×(0,5 cm)²= 12 cm², mens det samlede volumet er det samme som før. Deler man terningen opp i enda mindre terninger med 1 nm lange kanter, vil man få et overflateareal på 6000 m², som tilsvarer 60 millioner cm², eller ca. ⅚ av en FIFA-godkjent fotballbane. Altså vil nanokubene med kanter på 1 nm totalt ha 60 millioner ganger mer overflate enn hvis den samme mengden materiale utgjør en terning med kanter på 1 cm, og dermed vil de også ha 60 millioner ganger flere overflateatomer.

Fenomenet er mest tydelig for nanopartikler, nanorør og nanotråder, men kan også observeres for tynnfilmer. Dette kommer av at det er de førstnevnte geometriene som har størst andel atomer på overflaten. Det er utarbeidet store mengder data for smeltepunktet til kuleformede nanopartikler. Et eksempel er gull, som vanligvis smelter ved en temperatur på 1064 °C. For nanopartikler av gull synker smeltepunktet raskt når partiklenes diameter er under 10 nm, og man har kalkulert at gullpartikler med en diameter på 2 nm har smeltepunkt rundt 57 °C.

Det finnes flere slike matematiske modeller for å beskrive denne egenskapen hos nanopartikler. Disse modellene er basert på tilnærminger som gjør at de typisk feiler når diameteren blir under 5 nm. Under denne størrelsen blir det også vanskelig å få gode resultater eksperimentelt. Det er vanskelig å lage løsninger med nanopartikler av én enkelt størrelse og form. Ettersom ulik form gir ulikt smeltepunkt, er det vanskelig å måle smeltepunkt eksperimentelt for de minste nanopartiklene. Hvilken metode som brukes for å bestemme når en partikkel har smeltet, har også mye å si for hvilket resultat man får. Ettersom partiklenes smeltepunkt har viktige implikasjoner for bruksområdene til nanopartikler, jobbes det fortsatt med å finne modeller som kan beskrive smeltepunktet eksakt også for de minste partiklene.

Smeltepunktsreduksjon ble forutsagt allerede i 1909, men ble først eksperimentelt påvist i 1954 ved bruk av et transmisjonselektronmikroskop (TEM). Dette er fremdeles en vanlig metode for å finne smeltepunktet til nanomaterialer.

Ved anvendelser av nanomaterialer er det viktig å ta hensyn til deres nedsatte smeltepunkt. For eksempel gjør andelen overflateatomer nanopartikler til svært gode katalysatorer. Nanopartikler blir også brukt blant annet i sensorer, som medisinbærere, i vannrensing og som effektforsterkere i solceller. Disse applikasjonene krever nanopartikler i fast tilstand, og partiklene vil ikke fungere dersom de smelter. Et nedsatt smeltepunkt er derfor viktig å ta hensyn til når man designer løsninger basert på nanopartikler.

• nanoteknologi
• nanomaterialer
• smeltepunkt
• volum