Skip to content
СА · Тема 14 · Телефонът в джоба

Захарта на прах – защо по-малкото усеща повече

Бучка захар се разтваря бавно, а пудрата – веднага, защото повечето ѝ зрънца са на повърхността. Същото важи за сензорите. Газът докосва само повърхността, а в наноматериала почти всичко е повърхност. В урока броим атомите по повърхността на нанокубче и гледаме как наножичка реагира хиляди пъти по-силно от дебел проводник от същия материал.

≈ 4 мин четене∿ 2 живи уредаСамопроверка: 5 въпроса

Нано: от атом до вещество ​

Наносензорът е направен от наноматериали, усеща промени в нанообластта или работи с обекти на нанометрово разстояние. Наномащабът е от 0,2 nm (атом) до 100 nm.

СъстояниеРазмерБрой атоми
атом0,1–0,3 nm1–10
клъстер0,3–10 nm10–10⁶
наночастица10–100 nm10⁶–10⁹
вещество> 100 nm> 10⁹

Защо наното е различно? В кубче с ръб 10 nm има около 60 000 атома, а около 15 % от тях са на повърхността. В кубче от един сантиметър повърхностните атоми са под една милионна. Газът, влагата и молекулите действат само на повърхността. Затова наноматериалът усеща и съвсем малко.

Кубчето тук е с ръб 1, т.е. 10 nm (наночастица). В него има 59300 атома, а на повърхността са 14,6 %.

Колко атома са на повърхността
Делът на повърхностните атоми
1 nm10 nm100 nm1 μm10 μm100 μm050100ръб на кубчетона повърхността, %
атоми на повърхността сега
Фигура 1.

Под ~1 nm почти всички атоми са на повърхността. При 10 nm са 15 %, при 100 nm – около 1,5 %, при микрометър – десети от процента. Оттам надолу кривата пада 10 пъти на всеки 10 пъти по-голям размер, защото S/V = 6/L.

Наножичката: само повърхност ​

Наножичка от калаен оксид е MOX сензор (тема 7), но тънка колкото няколко десетки атома. Кислородът от въздуха изтегля електрони от повърхностен слой с дебелина няколко nm, т.е. обеднен слой, който не провежда. Ток тече само по ядрото в средата. Редуциращият газ връща електроните и слоят изтънява от 6 на 3 nm.

При дебел проводник това е нищо: ядрото е почти целият проводник. При наножичка обеднените слоеве от двете страни почти се допират и ядрото е тънко като конец. Малка промяна в слоя променя проводимостта многократно.

Жичката е с диаметър 1,5, т.е. 31,6 nm. При газ проводимостта ѝ расте 1,71 пъти.

Наножичка срещу проводник
Колко пъти расте проводимостта при газ
2050100200500100030001×2×5×10×100×диаметър, nmотговор (лог. скала)
отговор при газ сега
Фигура 2.

Жичка от 1 μm почти не реагира: ядрото е 988 nm във въздух и 994 nm при газ, т.е. 1 % разлика. Под 100 nm отговорът тръгва нагоре, а при 15 nm скача 9 пъти. Близо до 2δ = 12 nm жичката във въздух е почти изцяло обеднена, а газът я „отваря“.

Какво още е различно под 10 nm ​

Под около 10 nm важат квантовите ефекти:

  • зарядът е квантуван (единични електрони);
  • тунелен ефект – електронът минава през бариера, която класически не може;
  • интерференция на електронните вълни;
  • спин-поляризиран ток и гигантско магнитосъпротивление (GMR, тема 10);
  • ефект на Казимир – две близки пластини под 10 nm се привличат от самия вакуум.

Материалите са:

  • графен – лист въглерод с дебелина един атом;
  • въглеродни нанотръби (CNT) – провеждат като метал, с до 10 пъти по-голяма плътност на тока;
  • наножички – от проводници (Ni, Pt, Au), полупроводници (Si, InP, GaN) и изолатори (SiO₂, TiO₂ – с квантувана проводимост);
  • фулерени – въглеродни сфери, акцептори в соларните клетки;
  • метални наночастици (катализатори), йонни, молекулни и фрактални клъстери.

Видовете наносензори са:

  • механични – кварцови микровезни, нанокантилевъри;
  • температурни – нанотермодвойки, резистивни с CNT;
  • нанобиосензори – ДНК, холестерол, полеви транзистор с CNT (CNTFET), с наножички, с кантилевъри;
  • химични – MOX и CNT газови, pH, влажност;
  • оптични и магнитни.

Химичните често мерят с волтаметрия: ток при променливо напрежение в клетка с три електрода (работен, референтен, спомагателен). Работният е модифициран с CNT или с ензим. Цикличната волтаметрия (CV) се ползва например за хербициди, а квадратно-вълновата (SWV) – за прецизни мерения в почва и храни.

Самопроверка ​

1. Защо наноматериалите са толкова чувствителни?

Огромна част от атомите им са на повърхността (S/V = 6/L), а газовете и молекулите действат само там.

2. Колко атома има в кубче 10 nm и колко от тях са на повърхността?

Около 60 000; ~15 % са на повърхността.

3. Защо тънката наножичка реагира много по-силно от дебел проводник?

Ток тече само по ядрото под обеднения повърхностен слой; при тънката жичка слоят е голяма част от сечението и малката му промяна мени проводимостта многократно.

4. Кои квантови ефекти важат под 10 nm?

Квантуван заряд, тунелен ефект, интерференция на електронни вълни, спин-поляризиран ток, ефект на Казимир.

5. Какво е волтаметрията?

Мерене на тока при променливо напрежение в клетка с 3 електрода; работният е модифициран (CNT, реагент, ензим) – ползва се в химичните нано- и биосензори.