Nanopós têm características que diferem tanto de átomos quanto de cristais. Eles podem ser considerados um novo material, que é diferente de materiais a granel. Eles têm propriedades físicas e químicas que diferem significativamente daquelas de materiais a granel.
A estrutura da superfície das nanopartículas difere da estrutura interna. O espaçamento atômico dentro das partículas é geralmente menor do que em materiais a granel, mas também pode aumentar. A estrutura do nível de energia eletrônica das nanopartículas é diferente dos sólidos a granel. Isso se deve a fatores como neutralidade elétrica e restrições no movimento de elétrons. Quando o tamanho de pequenas partículas entra na nanoescala, as partículas e os nanossólidos exibem os seguintes efeitos:
1. Características do Nanopowder
1）Descontinuidade dos níveis de energia eletrônica
Teoria de Kubo: A teoria de Kubo aborda a distribuição de níveis de energia eletrônica perto da superfície de Fermi de partículas de pó ultrafino de metal. Essa teoria difere das abordagens tradicionais. Elas geralmente focam na distribuição de níveis de energia eletrônica perto da superfície de Fermi de materiais a granel. Quando o tamanho da partícula atinge o nível nanométrico, os níveis de energia quase contínuos do metal a granel original se tornam discretos. Isso se deve ao efeito do tamanho quântico.
2）Efeito de tamanho quântico
Quando o tamanho da partícula cai abaixo de um limite, os níveis de energia eletrônica próximos ao nível de Fermi do metal mudam de quase contínuos para discretos. Os níveis de energia do orbital molecular ocupado mais alto (HOMO) e do orbital molecular desocupado mais baixo (LUMO) das partículas nano-semicondutoras também se tornam descontínuos, levando a um aumento na lacuna de energia. Esse fenômeno é chamado de efeito de tamanho quântico. A teoria de bandas indica que os níveis de energia eletrônica próximos ao nível de Fermi do metal são geralmente contínuos.
Para nanopartículas, no entanto, o número de átomos que elas contêm é limitado. O número de elétrons condutores é muito pequeno, fazendo com que o espaçamento do nível de energia se divida. Quando o espaçamento do nível de energia excede a energia térmica, a energia magnética, a energia magnetoelétrica estática, a energia eletrostática, a energia do fóton ou a energia de condensação do estado supercondutor, o efeito do tamanho quântico deve ser considerado. Esse efeito resulta nas propriedades magnéticas, ópticas, acústicas, térmicas, elétricas e supercondutoras das nanopartículas sendo significativamente diferentes daquelas dos materiais a granel.
3）Efeito de tamanho pequeno
Quando o tamanho das partículas ultrafinas é comparável ou menor do que as características físicas, como o comprimento de onda da luz, o comprimento de onda de De Broglie e o comprimento de coerência ou profundidade de transmissão do estado supercondutor, as condições de contorno da periodicidade da partícula são interrompidas. A densidade atômica perto da camada superficial dos nanopós amorfos diminui, resultando em novos efeitos de tamanho pequeno em suas propriedades acústicas, ópticas, elétricas, magnéticas, térmicas e mecânicas.
4)Efeito de superfície
Nanopós são pequenos em tamanho e têm alta energia de superfície, com átomos localizados na superfície respondendo por uma proporção significativa. Devido ao aumento no número de átomos de superfície, coordenação atômica insuficiente e alta energia de superfície, esses átomos de superfície exibem alta atividade, são extremamente instáveis e são prontamente combinados com outros átomos.
5）Efeito de tunelamento quântico macroscópico
A capacidade de partículas microscópicas de penetrar barreiras potenciais é chamada de efeito de tunelamento. Foi descoberto que quantidades macroscópicas, como intensidade de magnetização de partículas e fluxo magnético em dispositivos, também exibem efeitos de tunelamento. Estes são chamados de efeitos de tunelamento quântico macroscópico.
2. Método de precipitação
Este método envolve uma solução salina contendo um ou mais cátions solúveis. Quando um precipitante (como OH⁻, CO₃²⁻, SO₄²⁻ ou outros ânions) é adicionado, hidróxidos insolúveis, carbonatos, oxalatos e sulfatos são formados e precipitados da solução. O solvente e os ânions originais na solução são então filtrados, e o precipitado é decomposto termicamente para obter o pó de óxido desejado. Quando dois ou mais cátions precipitam simultaneamente na solução, esse processo é chamado de coprecipitação.
1）Formação de Precipitação
Os tipos comuns de precipitação incluem: precipitação cristalina grosseira (por exemplo, MgNH₄PO₄·6H₂O), precipitação cristalina fina (por exemplo, BaSO₄), precipitação tipo coalhada (por exemplo, AgCl) e precipitação amorfa (por exemplo, Fe₂O₃·xH₂O). A diferença entre esses tipos está principalmente no tamanho das partículas de precipitado. As partículas de precipitação cristalina são grandes, as partículas de precipitação amorfa são pequenas e a precipitação tipo coalhada fica no meio. Como a formação de precipitação é um processo complexo, não há uma teoria totalmente estabelecida para descrevê-la. O seguinte fornece uma breve descrição do processo geral de formação de precipitação.
2）Formação de núcleos cristalinos
Moléculas de soluto ou íons em um estado supersaturado, por meio de colisão e interação entre si, agregam-se em clusters ou grupos moleculares. Quando esses clusters atingem um tamanho crítico, eles se tornam núcleos de cristal — entidades ativas com a energia livre máxima para a formação de partículas precipitadas. Esse processo de agregação e nucleação é chamado de nucleação de cristal. A nucleação de cristal é um fenômeno instantâneo, e estudá-lo apresenta muitos desafios, o que significa que seu mecanismo ainda não foi totalmente resolvido. Acredita-se geralmente que o núcleo de cristal não contém mais do que 4–8 íons formadores de cristal ou 2–4 pares de íons.
Conclusão
Os nanopós exibem características únicas que os diferenciam de átomos e materiais a granel. Seu pequeno tamanho leva a propriedades físicas e químicas distintas, como níveis de energia eletrônica alterados, efeitos de tamanho quântico e aumento da energia de superfície. Essas propriedades resultam em reatividade aprimorada e novos comportamentos em vários campos, incluindo acústica, óptica, magnetismo e eletrônica. Além disso, o pequeno tamanho e a alta área de superfície das nanopartículas as tornam particularmente valiosas em aplicações onde os materiais tradicionais são insuficientes. Entender o comportamento e os processos de formação dos nanopós, como por meio de métodos como coprecipitação, é essencial para aproveitar todo o seu potencial em aplicações tecnológicas e industriais avançadas.
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