나노분말은 원자 및 결정과는 다른 특성을 가지고 있습니다. 나노분말은 벌크 물질과는 다른 새로운 물질로 간주될 수 있습니다. 나노분말은 벌크 물질과는 현저히 다른 물리적, 화학적 특성을 가지고 있습니다.
나노입자의 표면 구조는 내부 구조와 다릅니다. 입자 내부의 원자 간격은 일반적으로 벌크 물질보다 작지만, 증가할 수도 있습니다. 나노입자의 전자 에너지 준위 구조는 벌크 고체와 다릅니다. 이는 전기적 중성 및 전자 이동 제한과 같은 요인 때문입니다. 작은 입자의 크기가 나노스케일로 확대되면, 입자와 나노고체는 다음과 같은 효과를 나타냅니다.
1. 나노파우더의 특성
1) 전자 에너지 준위의 불연속성
쿠보의 이론: 쿠보의 이론은 금속 초미립자 분말의 페르미면 근처의 전자 에너지 준위 분포를 다룹니다. 이 이론은 기존 접근 방식과는 다릅니다. 기존 접근 방식은 일반적으로 벌크 물질의 페르미면 근처의 전자 에너지 준위 분포에 초점을 맞춥니다. 입자 크기가 나노미터 수준에 도달하면 원래 벌크 금속의 준연속 에너지 준위가 불연속적이 됩니다. 이는 양자 크기 효과 때문입니다.
2) 양자 크기 효과
입자 크기가 임계치 아래로 떨어지면 금속 페르미 준위 근처의 전자 에너지 준위는 준연속에서 불연속으로 변합니다. 나노 반도체 입자의 최고 점유 분자 오비탈(HOMO)과 최저 비점유 분자 오비탈(LUMO) 에너지 준위 또한 불연속적이 되어 에너지 갭이 증가합니다. 이 현상을 양자 크기 효과라고 합니다. 밴드 이론은 금속 페르미 준위 근처의 전자 에너지 준위가 일반적으로 연속적임을 시사합니다.
그러나 나노입자의 경우, 그 안에 포함된 원자의 수는 제한적입니다. 전도성 전자의 수가 매우 적어 에너지 준위 간격이 갈라집니다. 에너지 준위 간격이 열 에너지, 자기 에너지, 정적 자기전기 에너지, 정전기 에너지, 광자 에너지 또는 초전도 상태의 응축 에너지를 초과하면 양자 크기 효과를 고려해야 합니다. 이 효과로 인해 나노입자의 자기적, 광학적, 음향적, 열적, 전기적, 초전도적 특성이 벌크 물질의 특성과 크게 달라집니다.
3) 작은 크기 효과
초미립자의 크기가 빛의 파장, 드브로이 파장, 초전도 상태의 결맞음 길이 또는 투과 깊이와 같은 물리적 특성과 비슷하거나 더 작을 때, 입자의 주기성에 대한 경계 조건이 붕괴됩니다. 비정질 나노분말 표면층 근처의 원자 밀도가 감소하여 음향, 광학, 전기, 자기, 열 및 기계적 특성에 새로운 작은 크기 효과가 나타납니다.
4) 표면효과
나노분말은 크기가 작고 표면 에너지가 높으며, 표면에 위치한 원자가 상당 부분을 차지합니다. 표면 원자 수의 증가, 불충분한 원자 배위, 그리고 높은 표면 에너지로 인해, 이러한 표면 원자들은 높은 활성도를 보이고 매우 불안정하며 다른 원자와 쉽게 결합합니다.
5) 거시적 양자 터널링 효과
미시 입자가 전위 장벽을 통과하는 능력을 터널링 효과라고 합니다. 입자의 자화 강도나 소자의 자속과 같은 거시적인 양 또한 터널링 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌습니다. 이를 거시적 양자 터널링 효과라고 합니다.
2. 침전법
이 방법은 하나 이상의 가용성 양이온을 포함하는 염 용액을 사용합니다. 침전제(예: OH⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻ 또는 기타 음이온)를 첨가하면 불용성 수산화물, 탄산염, 옥살산염, 황산염이 형성되어 용액에서 침전됩니다. 그런 다음 용매와 용액 속의 원래 음이온을 여과하고 침전물을 열분해하여 원하는 산화물 분말을 얻습니다. 용액에서 두 개 이상의 양이온이 동시에 침전되는 경우, 이 과정을 공침이라고 합니다.
1) 침전의 형성
일반적인 침전 유형으로는 거친 결정 침전(예: MgNH₄PO₄·6H₂O), 미세 결정 침전(예: BaSO₄), 응고형 침전(예: AgCl), 그리고 비정질 침전(예: Fe₂O₃·xH₂O)이 있습니다. 이러한 유형의 차이는 주로 침전 입자의 크기에 있습니다. 결정질 침전 입자는 크고, 비정질 침전 입자는 작으며, 응고형 침전은 그 중간입니다. 침전 형성은 복잡한 과정이기 때문에 이를 설명하는 완전히 확립된 이론은 없습니다. 다음은 침전 형성의 일반적인 과정에 대한 간략한 설명입니다.
2) 결정핵의 형성
과포화 상태의 용질 분자나 이온은 서로 충돌하고 상호작용하여 클러스터 또는 분자 그룹을 형성합니다. 이러한 클러스터가 임계 크기에 도달하면 결정핵이 되는데, 이는 침전 입자 형성에 필요한 최대 자유 에너지를 가진 활성 물질입니다. 이러한 응집 및 핵 생성 과정을 결정핵 생성이라고 합니다. 결정핵 생성은 순간적인 현상이며, 이를 연구하는 데는 많은 어려움이 따르기 때문에 그 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 일반적으로 결정핵은 결정을 형성하는 이온을 4~8개, 즉 이온쌍을 2~4개 이하로 포함하는 것으로 알려져 있습니다.
결론
나노분말은 원자나 벌크 물질과는 구별되는 고유한 특성을 보입니다. 나노분말의 작은 크기는 전자 에너지 준위 변화, 양자 크기 효과, 표면 에너지 증가와 같은 독특한 물리적 및 화학적 특성을 나타냅니다. 이러한 특성은 음향, 광학, 자성, 전자 등 다양한 분야에서 향상된 반응성과 새로운 거동을 가능하게 합니다. 또한, 나노입자의 작은 크기와 넓은 표면적은 기존 소재로는 구현하기 어려운 응용 분야에서 특히 유용합니다. 공침법과 같은 방법을 통해 나노분말의 거동과 형성 과정을 이해하는 것은 첨단 기술 및 산업 분야에서 나노분말의 잠재력을 최대한 활용하는 데 필수적입니다.
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