Microsoft Word muhazire 2-yeni docx



Yüklə 77,5 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix14.05.2018
ölçüsü77,5 Kb.
#44032


13 

 

MÜHAZİRƏ -2 



Kvant-ölçü effektləri.  

Ölçü effektlərinin bir sıra faktorlardan asılılığı.   

Kvant çuxurları, kvant naqilləri və kvant nöqtələri. 

Nanoquruluşların təsnifatı. 

 

İlk öncə qeyd etmək lazımdır ki, nanotexnologiyalarda bütün texnoloji 



əməliyyatlar nüvə və atom fizikasından fərqli olaraq, atomlarla yox, molekullarla, 

klasterlərlə  və nanokristallarla aparılır.  Əgər molekullar bir neçə atomdan 

ibarətdirsə, klasterlər onlarca və yüzlərcə, nanokristallar isə 10

18

 atomdan ibarət 



nano sistemdir. Maraqlı fakt odur ki, tək atomdam molekula, klasterə, və ya 

nanokristala keçdikdə enerji səviyyələrində hiss olunacaq və kvant mexanikası 

qanunlarına tabe olan dəyişikliklər baş verir ki, bunlara da kvant-ölçü effektləri 

deyilir.  

Son illər aparılan çoxlu sayda tədqiqatlar nəticəsində müəyyən olunub ki, 

nanomaterialların ölçü effektləri ilə bağlı qeyri-adi xassələri, əsasən, ölçülərin 100 

nm-dən kiçik qiymətlərində meydana çıxır.  

 

 



 

 

 



 

 

 



 

  a) atom                                      b) molekul 

 

   c) nanokristal                             d) kristal 



 


14 

 

Nüvə  və atom fizikasından bilirik ki, Pauli prinsipinə  əsasən, bir enerji 



səviyyəsində 2-dən artıq elektron ola bilməz (yəni qadağandır). Bir elektron digər 

səviyyəyə yaxınlaşdıqda səviyyə ikiyə parçalanır (a, b). 10, 100 və 1000 atom 

əlavə olunduqda isə, elə o qədər də yarımsəviyyələrə parçalanma baş verir və 

nanokristal yaranır (c).  

Şəkildən aydın olur ki, kristaldan nanokristala keçdikdə  səviyyələr arası 

keçidlər böyüyür (d, c) və kvant mexaniki qanunlara tabe olan effekt yaranır. 

Nanozərrəciyin ölçüsünün kiçilməsi ilə enerji keçidləri arasındakı enerji yəni 

kvantların şüalanma enerjisi də artır.  

 

Ümumi halda kvant-ölçü effektinə belə tərif vermək olar: 



 

Kvant-ölçü effektləri dedikdə, hərəkəti bir, iki və ya üç istiqamətdə 

məhdudlaşan yükdaşıyıcı enerjinin kvantlanması ilə bağlı effekt başa düşülür. 

Ümumiyyətlə, kvant-ölçü effektləri zamanı istilik tutumu, elektrik 

keçiriciliyi və elektronların nəqli, bir sıra optiki, maqnit və termodinamik 

xassələrin dəyişməsi baş verir.  

Termodinamik xassələrə misal olaraq ərimə temperaturunun nanozərrəciyin 

ölçülərindən asılılığını  nəzərdən keçirək. Müəyyən olunub ki, ərimə 

temperaturunun ölçülərdən asılılığı onunla izah olunur ki, nanozərrəcik daxilindəki 

atomlar  əlavə  səthi təzyiqə  məruz qalır və bu onların Qibbs enerjisini dəyişir. 

Qibbs enerjisinin təzyiq və temperaturdan asılılığını təhlil edən tədqiqatçılar ərimə 

temperaturu ilə nanozərrəciyin radiusu arasında mövcud olan sadə tənliyi  - Qibbs-

Tomson bərabərliyini almışlar:  

ə

ə

1



2

σ

Δ



ə

ρ

 



Burada T

ər

(r) - r radiuslu nanozərrəcikdən ibarət nano obyektin ərimə temperaturu, 

T

er

(∞) - adi metalın (həcmli fazada) ərimə temperaturu,  

σ

b-m

- maye və bərk faza 

arasında səhti gərilmə, 

Δ

H

ər

 - xüsusi ərimə istiliyi,  

ρ

b

- bərk cismin sıxlığıdır.  

Bu tənlikdən istifadə etməklə hansı ölçülərdən başlayaraq xassələrin adi 

materialdan fərqliliyini asanlıqla qiymətləndirmək olar.

  

Əgər biz zərrəciyə damcı modeli kimi baxsaq, onda energetik xassələrin 



onun ölçülərindən asılılığını (yəni zərrəciyin E enerjisini) ümumi halda aşağıdakı 

ifadə ilə vermək olar:  



E=

α

R



3

+

β

R



2

+

γ

R




15 

 

Burada R- zərrəciyin radiusu, 



α

β

γ

  isə sabitlərdir. İfadədəki birinci hədd həcmi 

enerjini, ikinci hədd səthi enerjini, üçüncü hədd isə səthi gərilmə enerjisini təmsil 

edir.  

2 növ ölçü effektlərinin varlığı müəyyən edilmişdir: daxili və xarici. Daxili 



effektlər həm ayrı-ayrı  zərrəciklərin, həm də özbaşına qablanma nəticəsində 

yaranan “ansamblların” məxsus olduğu səthi və həcmi dəyişikliklər ilə sıx bağlıdır. 

Xarici effektləri isə daxili effektlərdən asılı olmayan xarici sahəyə  və ya təsir 

qüvvəsinə verilən “cavab” kimi qiymətləndirmək olar. 

Onu da qeyd etmək lazımdır ki, daxili ölçü effekləri kristalloqrafik quruluşu, 

rabitə enerjisini və kimyəvi fəallığı  təyin edən zərrəciklərin elektron və quruluş 

xassələrindən birbaşa asılıdır və onun biruzə olunduğu sərhəd müxtəlif elementlər 

üçün eyni olmayıb, klasterlərin təşkil olunduğu elementlərdən asılı olaraq dəyişir. 

Biologiyada isə ölçü effektləri tamamilə başqa məna daşıyır. Belə ki, bioloji 

molekulların, polimerlərin və hüceyrədaxili quruluşların ölçülərinin nano tərtibdə 

olmasına baxmayaraq, onların xassələri (fəaliyyətlər mexanizmləri),  əsasən, ölçü 

ilə deyil, quruluşla müəyyən edilir. Lakin buna baxmayaraq, bir çox hallarda süni 

konstruksiyaların bioloji quruluşlarla qarşılıqlı  təsiri, həm quruluşdan, həm də 

ölçülərdən birbaşa asılı olur. Məsələn, 1) liposomlarda dərinin və qan damarlarının 

keçiriciliyi qan damarlarının ölçüləri ilə  tənzimlənir; 2) dərman preparatlarının 

liposoma qablanması (yəni liposomda kiçik həcmə  yığılması), onların qanda 

dövretmə vaxtının və orqanlarda paylanmasının dəyişməsinə  səbəb olur. Bundan 

başqa, nanozərrəciyin özünün hüceyrə daxilində lokallaşma - yığılma mexanizmi 

onun ölçülərindən və  səthinin kələ-kötürlüyündən birbaşa asılıdır.  Zərrəciklərin  

toksikliyi   də,  həmçinin,   ölçülərlə      bağlıdır. Belə ki, 1,4 nm ölçülü qızıl 

nanohissəcikləri, digər ölçülü hissəciklərlə müqayisədə, daha yüksək toksikliyə 

malikdir. Çünki, məhz bu ölçülü zərrəciklər asanlıqla DNT molekulunun zəncirinə 

nüfuz etməklə, hüceyrənin məhvinə səbəb ola bilirlər. 

 Kvant-ölçü 

effektinə verdiyimiz tərifdən aydın olur ki, zərrəciyin ölçüsünün 

1, 2 və ya 3 istiqamətdə dəyişməsi enerji zonasının hissəvi kvantlanmasına səbəb 

olur. Bundan asılı olaraq nanoquruluşların 3 növünü ayırd edirlər: kvant çuxurları, 

kvant naqilləri (buna bəzi hallarda kvant ipləri, və ya kvant telləri də deyirlər) və 

kvant nöqtələri (süni atomlar).  

Əgər nümunənin ölçüləri bir istiqamətdə nanometr diapazonunda, digər 2 

istiqamətdə isə böyük makroskopik diapazondadırsa, alınan quruluş  kvant 

çuxurları adlanır. 

Nümunənin ölçüləri 2 istiqamətdə nanometr diapazonunda, bir istiqamətdə 

isə makroskopik diapazondadırsa, belə quruluş kvant naqilləri adlanır.  



16 

 

Nümunənin ölçülərini hər 3 istiqamətdə nanometr diapazona qədər 



kiçiltdikdə alınan quruluş kvant nöqtələri olacaq.      

          

Hal-hazırda elmə nanoquruluşların aşağıdakı növləri məlumdur: 

1.

 

Nanozərrəciklər və nanoklasterlər;   2.   Füllerenlər və nanoborular; 

3.

 

 Nanoiplər;                                           4.    Nanoməsaməli quruluşlar; 

5.  Nanolaylar və nanosəthlər;                 6.   Nanokristallik materiallar.  

Bunların  hər biri haqqında qısa şəkildə məlumat veriləcək. 

 

Nanoquruluşların təsnifatı 

“Nanozərrəcik” (“nanohissəcik”) və ya “nanoölçülü quruluş” terminləri artıq 

20 ildir ki, elmi leksikonda işlədilir. Beynəlxalq  İUPAC konvensiyasına  əsasən 

ölçüləri 100 nm-dən kiçik olan quruluşların 



nanozərrəcik 

adlandırılması  qəbul 

edilməsinə baxmayaraq, bu termin indi də elmi dairələr arasında birmənalı 

qarşılanmır. Çünki bu göstərici  şərti götürülmüş qiymətdir və o, yalnız 

nanomaterialların təsnifatı üçün lazımdır. Son vaxtlar nanozərrəciyi ölçülərinə görə 

deyil, onda həcmli cisimlərdən fərqli xassələrin yaranmasına görə təyin edilməsinə 

üstünlük verilir.

 

Belə ki, makro ölçülərdən kiçik ölçülərə (məsələn, molekulun 



ölçülərindən hətta bir-iki tərtib kiçik olan ölçülərə) keçdikdə cismin xassələrində 

kəskin dəyişikliklər baş verir: səthi enerjinin artması hesabına onun səthi gərilməsi, 

ərimə temperaturu, quruluş-keçid temperaturları, quruluşun elektron xarakteris-

tikaları (yəni fiziki-kimyəvi xassələri) və s. dəyişir. Ona görə  də  hər hansı bir 

quruluşun nanozərrəcik olub-olmadığını aydınlaşdırmaq üçün, onun ölçülərinin 

kiçilməsi ilə onda bu və ya digər fiziki hadisənin dəyişməsini nəzərə almaq 

lazımdır və bu göstərici müxtəlif materiallar üçün müxtəlif tərtibdə ola bilər. Bu o 

deməkdir ki, bir material 100 nm-də nanozərrəciyə keçirsə, digər material üçün bu 

göstərici 100 nm-dən həm böyük, həm də kiçik ola bilər. 

Nanoquruluşların təsnifatı müxtəlif müəlliflər tərəfindən müxtəlif cür, 

müxtəlif parametrlərə görə - ölçülərinə, aralarındakı qarşılıqlı  təsirlərə, reaksiya 

qabiliyyətinə, xarici görünüşünə  və s. görə aparılır və  hər bir müəllif özünün 

apardığı  təsnifatı daha düzgün hesab edir. Bunlar içərisinaə  ən sadəsi 

nanoquruluşların xarici görünüşə görə  təsnifatı hesab olunur. Bu təsnifata görə 

nanoquruluşlar  2 böyük sinfə ayrılırlar: 

1. Bütöv  (və ya “xarici”);             2. Məsaməli (və ya “daxili”). 



17 

 

Bütöv nanoquruluşların özləri də ölçülərinə görə  aşağıdakı kimi təsnif 



olunurlar: 

1. Həcmli üçölçülü (3D) quruluşlar; onlara nanoklaster və  nanokristallar 



aiddir.  

2. Müstəvi ikiölçülü (2D) quruluşlar - nanosəthlər və ya nanolaylar.  

3. Xətti birölçülü (1D) o quruluşlar – nanoiplər, nanomillər və ya kvant 

naqilləri.  

4. Sıfırölçülü (0D) quruluşlar – nanonöqtələr, və ya kvant nöqtələri.  

Məsaməli nanoquruluşlara isə füllerenlər, nanoborular və nanoməsaməli 

materiallar aiddir. 

Mövzunun əvvəlində qeyd etdiyimiz kimi, şərti olaraq ölçüləri 100 nm-dən 

kiçik olan hissəcikləri 

nanozərrəciklər

 adlandırmaq qəbul olunub. Nanozər-

rəciklərin tərkibində təqribən 10

6

 sayda atom olur .  



Nanozərrəciklərin 2 növünü ayırd edirlər: 

nanoklasterlər 



 nanokristallar.

  

Ölçüləri 10 nm-dən kiçik olan hissəciklərə 



nanoklasterlər

 deyilir. 

Nanoklasterlərdə, əsasən, 1000  atom olur.  

“Klaster” termini elmə ilk dəfə 1964-cü ildə professor F.Kotton tərəfindən 

gətirilmişdir (ingiliscə “cluster” sözündən götürülüb, yığım mənasını verir). Bu 

terminə çox yerdə rast gəlmək mümkündür: informatikada bununla kompüterin sərt 

disklərindəki verilənlər bloku, astronomiyada qravitasiya qüvvələri ilə bir-birinə 

bağlı olan ulduzlar qrupu, kimyada bir-birinə çox yaxın yerləşmiş atomlar, 

molekullar, ionlar və  bəzi hallarda ultradispers hissəciklər təmsil edilir. 

 

Nanoklasterlərə aşağıdakılar aiddir:  



1.

 

Molekulyar klasterlər (çoxnüvəli kompleks birləşmələr), adından 



göründüyü kimi, bu klasterlər əsasən, molekullardan təşkil olunublar. Bütün 

bioloji makromolekullar quruluş etibarı ilə molekulyar klasterlərdir;  

2.

 

Liqandsız qaz klasterləri (liqand latınca  ligare sözündən götürülüb, 



birləşdirmək mənasını verir, yəni liqand hər hansı bir mərkəzlə - akseptorla 

birləşmiş atom, ion və ya molekuldur): bunlara liqandla stabilləşməyən 

metallik və qeyri-metallik klasterlər aiddir;  

3.

 



Kolloid klasterləri (kimyəvi reaksiyalar vasitəsilə maye fazada əmələ gələn 

liofil – hidrofil, yəni suda həll olan,  və liofob – hidrofob, suda həll olmayan 

klasterlər); bunlar əsasən yapışqan formada olurlar. 

4.

 



Matris klasterləri (bir-birindən izolə olunmuş  və  bərk matris üzərində 

“becərdilmiş” , “yaradılmış” klasterlər);  

5.

 

Bərk nanoklasterləri (bərk fazada müxtəlif çevrilmələr nəticəsində yaranan 



klasterlər). 


18 

 

 



Aşağıdakı  cədvəldə nanoklasterlərlə nanozərrəciyin bir sıra fiziki 

göstəriciləri müqayisəli şəkildə verilib. 

 

Müəyyən olunub ki, nanoklasterlərin də xassələri ölçülərdən asılı olaraq 



dəyişir. Bununla əlaqədar olaraq klasterləri cədvəldə göstərildiyi kimi təsnif etmək 

olar.  


Nanoklasterdə 

atomların sayı

Diametr, nm 

Səthə düşən 

atomların % 

göstəricisi 

Daxili 

səthlərin 



sayı 

Klasterin tipi 

1 0.24 

– 

0.34 100 0  - 



2 0.45 

– 

0.60 100 0  - 



3 – 12 

0.55 – 0.80 

100 



kiçik 



13 – 100 

0.8 – 2.0 

92 – 63 

1 – 3 


orta 

10

2



 - 10

4

 



2 – 10 

63 – 15 


4 – 18 

böyük 


10

4

 - 10



5

 

10 – 30 



15 – 2 

> 18 


qiqant 

> 10


6

 

> 30 



< 2 

çoxlu kolloid 

hissəcik

 

 



Cədvəldən aydın olur ki, nanoklasterlər xətti ölçülərinə görə kiçik, orta, 

böyük və qiqant klastrlərə böıünür və onların hər biri müəyyən sayda atomlarla 

səciyyələnirlər. Belə ki, kiçik klasterlərdə 

∼ 3-12, orta klasterlərdə 13-100, böyük 

klasterlərdə 100-10.000, qiqant klasterlərdə isə 100.000-ə qədər atom olur. 10

6

-dan 



çox sayda klasterlər kolloid hissəcikər adlanır. Atomların sayından asılı olaraq 

klasterlər müxtəlif quruluşa malik olurlar. 

Nəzəri və təcrübi hesablamaların təhlili nəticəsində müəyyən olunmuşdur ki

13 və 14 atomdan ibarət qızıl nanoklasterləri səthi quruluşa, 16 atom halında – 

üçölçülü quruluşa, 20 atom halında isə adi həcmli qızılın quruluşuna oxşar kubik 

özək quruluşuna malik olur. Qızıl atomlarının sonrakı artımında kubik özək 

quruluş yenidən dəyişərək, qeyri-adi uzunsov forma alır.  

 

Zərrəciyin növü 



Xətti ölçüləri Kütləsi Həcmi Elektrostatik 

tutum 


Elektrostatik 

enerji 


Klasterlər  

(

∼ 30÷500 atom) 



1

÷5⋅10


-9

m= 


=1

÷5(nm) 


nanometr 

1

÷100⋅10



-21

q= 


=1

÷100(zq) 

zeptoqram 

∼10


-24

l

=

∼1(yl



yoktolitr 

10

-19



÷10

-18 


F= 

=0,1


÷1(aF) 

attofarad 

∼10÷0,3 eV 

elektronvolt 

Nanozərrəciklər 

(

∼ 500÷1000000 



atom) 

5

÷100⋅10



-9

m= 


=5

÷100(nm) 

nanometr 

1

÷100⋅10



-15

q= 


=1

÷100(fq) 

femtoqram 

∼10


-21

l

=

∼1(zl



zeptolitr 

10

-18



÷10

-17 


F= 

=1

÷10(aF) 



attofarad 

∼0,05÷0,1 

eV 

elektronvolt 




19 

 

 



Ən maraqlı fakt ondan ibarətdir ki, hətta adi suyun tərkibində  də 

nanoklasterlər mövcuddur.  

Hesablanmışdır ki, otaq temperaturunda və normal atmosfer təzyiqində 

suyun doymuş buxarının hər 10 milyon sərbəst su molekuluna 10.000 dimer 



(H

2

O)

2

  (yəni 2 su molekulundan ibarət sistem), 10 tsiklik trimer (H

2

O)

3

, 1 

tetramer (H

2

O)

4

 düşür. Maye suyun tərkibində isə molekulyar kütləsi daha böyük 

olan, 10 və hətta yüzlərcə su molekulundan ibarət zərrəciklər aşkar edilmişdir. 

Bundan başqa, müəyyən olunmuşdur ki, ən çox klasterlər  ərimə 

temperaturuna yaxın olan alçaq temperaturlu suyun tərkibindədir. Bu cür su 

özünün qeyri-adi xassələri ilə səciyyələnir: buz ilə müqayisədə daha böyük səthə 

malik olur və bitkilər tərəfindən daha yaxşı mənimsənir.  



Nanokristallar 

dedikdə ölçüləri təqribən 5

÷100 nm olan və 10

3

-10



8

 atomdan 

ibarət olan nanozərrəciklər başa düşülür. Ümumiyyətlə, “nanokristal” termini 

altında makrokristallarda mövcud olan, lakin nanoölçü diapazonundakı nizamlı 

quruluş başa düşülür. 

Əgər nanozərrəcik mürəkkəb forma və quruluşa malikdirsə, onda onu 

xarakterizə etmək üçün zərrəciyin xətti ölçülərindən deyil, onun hər hansı bir 

quruluş elementinin ölçülərindən istifadə edilir. Belə zərrəcikləri nanoquruluşlar 

adlandırırlar və onların xətti ölçüləri 100 nm-dən böyük qiymətlər də ala bilər.  

Son illər mətbuatda çap olunan bir çox məqalələrdə göstərilir ki, 

nanozərrəciklərin ölçülərindən asılı olaraq onların elektrik, maqnit, optik 

xassələrində  dəyişikliklər baş verir, və bununla əlaqədar, onların rənglərinin 

dəyişməsi müşahidə edilir. Bu həqiqətən belədir. 19-cu əsrin ortalarında Maykl 

Faradey də  rəngin, maddənin tərkibindəki zərrəciklərin ölçülərindən asılılığını 

müşahidə etmiş və onun aldığı qızılın kolloid məhlulu indi də London muzeyində 

saxlanılır.  

Müəyyən edilmişdir ki, yaqut şüşəsinin rəngi onun tərkibinə “oturdulmuş”- 

“yerləşdirilmiş” qızıl zərrəciklərinin ölçülərindən asılı olaraq həm narıncı (bu 

zaman nanozərrəciklərin ölçüləri 10 nm-dən kiçikdir), həm yaqut 

(nanozərrəciklərin ölçüləri 10-20 nm arasında olduqda), həm də göy 

(nanozərrəciklərin ölçüləri 20-40 nm-ə kimi olduqda) rənglər ala bilir. 



20 

 

 



Nanoklasterlərin  əsas xarakterik xüsusiyyətləri.  Nanozərrəciklərin  əsas 

xüsusiyyətlərindən biri ondan ibarətdir ki, zərrəciklərin sayının azalması ilə 

atomların payina düşən səth artır. Çünki nanozərrəciklər üçün demək olar ki, bütün 

atomlar “səthidirlər” – səthdə yerləşirlər. Məhz bu səbəbdən də onların kimyəvi 

fəallığı çox yüksək olur və xüsusilə də metal nanozərrəcikləri həmişə birləşməyə 

can atırlar. Bunu təbiətdə də müşahidə etmək mümkündür: canlı orqanizmlərdə - 

bitkilərdə, bakteriyalarda, mikposkopik göbələklərdə metallar çox vaxt az sayda 

atomlardan birləşmiş klasterlər şəklində olur. 

Sferik formalı  i sayda atomlardan ibarət klasterləri nəzərdən keçirək. Belə 

klasterin həcmi: 

,

3

4



3

i

v

R

V

=

=



π

                                   (1.1) 

burada R-  klasterin radiusu, v – bir zərrəciyə uyğun həcm. 

Qəbul etsək ki, bir zərrəciyə uyğun həcm: 

,

3

4



3

a

v

π

=



                                       (1.2)  

harada ki a – bir zərrəciyin orta radiusudur, onda klasterin radiusu: 

3

1

3



3

,

ai



R

i

a

R

=

=



                            (1.3) 

kimi olacaq. Bir çox klasterlərdə  a-nın ölçüləri 0,1 nm tərtibindədir. (1.3)-dən 

asanlıqla görünür ki, 1000 zərrəcikdən ibarət klasterin ölçüləri 1nm olacaq. 

Nanoklasterlərin digər xarakterik xüsusiyyəti onun səhtinin sahəsidir: 

.

4

4



3

2

2



2

i

a

R

S

π

π



=

=

                          (1.4.) 



Səthdə yerləşən atomların sayını i

s

 ilə işarə etsək, onda səthi atomlarla səth 

sahəsi arasında aşağıdakı asılılığın mövcud olduğunu görərik: 

.

4



2

s

i

a

i

s

S

S

π

=



=

                             (1.5) 

Burada s –klasterin bir atomunun tutdugu səthin sahəsidir. 

Səthdəki atomlarla həcmdəki atomlar arasında da aşağıdakı asılılıq 

doğrudur: 

3

1



1

i

R

a

Rs

v

sV

v

S

i

s

i

=

=



=

=

                         (1.6)  



(1.6) görünür ki, klasterin ölçülərinin artması ilə atomların klasterin səthində 

payı kəskin azalır. Klasterlərin ölçüləri 100 nm-dən kiçik olduqda səthin təsiri daha 



çox hiss olunur. 

Yüklə 77,5 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə