奈米材料

金、錫等金屬的奈米粒子,在粒徑縮小到數nm時,會在低於塊材熔點的溫度熔化。這種熔點下降的主要原因,下列何者正確?

  1. A表面原子的比例增加,表面能使固體的自由能升高,因此液體在較低溫度下就較穩定
  2. B粒徑到數nm時,量子尺寸效應使能隙變寬,金屬鍵減弱而原子容易移動,因此容易熔化
  3. C粒子越小,每個原子的熔解熱越大,只要較少的加熱就能從表面到內部一口氣進行熔化
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正確答案:A. 表面原子的比例增加,表面能使固體的自由能升高,因此液體在較低溫度下就較穩定

表面原子失去了部分鍵結,因此粒子的自由能中會加上表面能項。粒徑越小,表面原子的比例越大,固體的自由能被推高,因此固體與液體自由能相等的溫度,也就是熔點會下降(吉布斯-湯姆森效應)。考慮固液界面能,熔點的下降量大致與粒徑成反比。量子尺寸效應是電子能階的問題,並不是金屬熔點下降的主因。此外,奈米粒子的熔解熱反而有變小的傾向,「熔解熱變大所以容易熔化」的說法方向相反。

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