Nanomaterialien

Nanopartikel aus Metallen wie Gold oder Zinn schmelzen bei einer niedrigeren Temperatur als das kompakte Metall, wenn die Partikelgröße auf wenige nm sinkt. Was ist die Hauptursache dieser Schmelzpunkterniedrigung?

  1. ADer Anteil der Oberflächenatome steigt, die Oberflächenenergie hebt die freie Energie des Festkörpers an, und die Flüssigkeit wird schon bei tieferer Temperatur stabil
  2. BBei wenigen nm weitet der Quantengrößeneffekt die Bandlücke auf, die Metallbindung wird schwächer, die Atome werden beweglicher, und das Partikel schmilzt
  3. CJe kleiner das Partikel, desto größer die Schmelzwärme je Atom, sodass schon wenig Wärme das Schmelzen von der Oberfläche bis ins Innere auf einmal vorantreibt
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Lösung: A. Der Anteil der Oberflächenatome steigt, die Oberflächenenergie hebt die freie Energie des Festkörpers an, und die Flüssigkeit wird schon bei tieferer Temperatur stabil

Die Atome an der Oberfläche haben einen Teil ihrer Bindungen verloren, sodass zur freien Energie des Partikels ein Term der Oberflächenenergie hinzukommt. Je kleiner das Partikel, desto größer ist der Anteil der Oberflächenatome und desto stärker wird die freie Energie des Festkörpers angehoben; dadurch sinkt die Temperatur, bei der die freien Energien von Festkörper und Flüssigkeit gleich sind, also der Schmelzpunkt (Gibbs-Thomson-Effekt). Berücksichtigt man die Grenzflächenenergie zwischen Festkörper und Flüssigkeit, ist die Schmelzpunkterniedrigung näherungsweise umgekehrt proportional zur Partikelgröße. Der Quantengrößeneffekt betrifft die Energieniveaus der Elektronen und ist nicht die Hauptursache der Schmelzpunkterniedrigung bei Metallen. Außerdem wird die Schmelzwärme bei Nanopartikeln eher kleiner; die Begründung, eine größere Schmelzwärme erleichtere das Schmelzen, ist also verkehrt herum.

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