את תכונות החומרים ניתן לסווג לקבוצות.
(F_thunot.-match_v2_600x4801.swf) יעלה בקרוב
(F_thunot.-Type_460x600.swf) יעלה בקרוב
| לפניכם רשימת מילים. אילו מילים מתוך הרשימה מתארות תכונות? | ||||||
| שקיפות, חמצן, אור, מימן, ברק. | ||||||
| יהלום, ברזל, זכוכית, ברק, קשיות. | ||||||
| צבע, קושי, חמצן, יהלום, זכוכית. | ||||||
| צבע, שקיפות, קשיות, ברק, הולכת חום. | ||||||
|
||||||
| נפח של גוף הוא: | ||||||
| הצורה שלו | ||||||
| המשקל שלו | ||||||
| המקום שהוא תופס במרחב | ||||||
| החומר שלו | ||||||
|
||||||
| קשיות של גוף היא: | ||||||
| תכונה כימית | ||||||
| תכונה פיסיקלית | ||||||
| תכונית תרמית | ||||||
| תכונה מיכנית | ||||||
|
||||||
שינוי תכונות חומרים בסקאלה הננומטרית [כיצד ומדוע ?]
עבור חלקיקי הננו שבתחום הנמוך של הסקאלה, כלומר הקטנים ביותר (בדרך כלל אלה שגודלם מתחת ל-20 ננומטר) כל כך הרבה אטומים הם אטומי פני שטח שהחלקיק עצמו כבר משנה את תכונותיו.
(F_thunot.change_600x800.swf) יעלה בקרוב
נעסוק בעיקר בשינוי תכונות כתוצאה מהיחס בין גודל פני השטח לנפח החלקיקים ונתמקד ב:
- שינוי תכונות כימיות - שינוי תכונות תרמיות - שינוי תכונות מיכניות
שטח פנים גדול – יותר אטומים על פני השטח עבור נפח קבוע, כלומר יותר אטומים שמגיבים עם הסביבה.
הסבר: האטומים שעל פני השטח הרבה יותר רגישים לאינטראקציה עם הסביבה פשוט בגלל שהם ב"קצה" החומר, שם נמצאת הסביבה. כך יש להם יותר הזדמנויות לאינטראקציות עם הסביבה (לפגוש במולוקולה אחרת ולעבור תהליך כימי) .
ניתן לומר שלאטומים שנמצאים על פני השטח אין את כל האטומים הרצויים סביבם [שחסרים להם "שכנים"].
j
j
j
j
j
j
דוגמאות לשינוי תכונות בסקאלת הננו:
* שינוי בתכונות הכימיות : זרז לתהליכים כימיים
תכונות כימיות מתארות את הנטייה להתחבר עם חומרים אחרים והסביבה
מכיוון שלאטומים בפני השטח חסרים שכנים למולקולה הם פתוחים לקשרים כימיים עם האטומים והמולקולות של הסביבה. אטום על פני השטח יהיה יותר פעיל כימית (יש לו עוד אלקטרונים שהוא מוכן לחלוק). ולכן יהיה יותר פעיל כימית ואף יעיל בתור זרז לתהליכים כימיים.
לכן מבנים ננומטרים, שיש להם שטח פנים גדול מתאימים מאד לשמש זרזים לתהליכים כימיים. למשל, במנועים של מכוניות יש רכיב הנקרא ממיר קטליטי .
משמעות המילה "קטליטי" הוא זרז. הממיר מזרז את תהליך השריפה (החימצון) של הגזים הנפלטים מהמנוע.
הבעיה היא שהחומר שמשתמשים בו בממיר הוא פלטינה, חומר נדיר היקר יותר מזהב! דבר זה מעלה כמובן את מחיר המכונית, ואת מחיר החלפים. משנת 2007 יצרני המכוניות החלו לעבור לממירים קטליטים מבוססי ננו, כך שניתן לקבל את אותה כמות האטומים בפני השטח, עבור הרבה פחות חומר. כיום מצליחים לחסוך כך בין 50 ל-90 אחוזים מהחומר היקר.
* שינוי בתכונה תרמית: טמפרטורת ההיתוך
טמפרטורת היתוך – טמפרטורה בה לאטומים או למולקולות החומר יש אנרגיה מספקת כדי להתגבר על הכוחות הפנימיים בין המולקולות המחזיקים אותם יחד כחומר מוצק, מה שהופך את החומר בסופו של דבר לנוזל.
צפו באנימציה הבאה המתארת כיצד חומר מגיב לחום ושינויי טמפרטורה:
http://science.cet.ac.il/science/museum/cube.asp
כאשר מחממים חומר מוצק, אנרגיית החום עולה וכוחות המשיכה בין החלקיקים נחלשים ותנועת החלקיקים מתגברת [יחסית למצב מוצק].
מכיוון שברמה הננומטרית, האטומים על פני השטח נמצאים בקשר עם פחות אטומים מאשר אטומים בתוך החומר , דרושה פחות אנרגיה על מנת לנתק את הקשרים ביניהם [כדי שיהיו בתנועה וייהפכו לנוזל] .
כלומר, עבור פחות קשרים - פחות אנרגיית חום - טמפרטורת היתוך נמוכה יותר. לדוגמא: חלקיקי זהב [בגודל 2.5 ננומטר] ניתכים בטמפרטורה של 300 מעלות צלסיוס, בעוד זהב ניתך ב 1064 מעלות צלסיוס.
ענו על השאלות הבאות:
1. הגרף מתאר את השפעת על| 2. באיזה מהטווחים של גודל ננו חלקיקי זהב קצב שינוי טמפרטורת ההיתוך הוא הגדול ביותר? | ||||||
| בין 150-200 ננומטר | ||||||
| בין 50- 100 ננומטר | ||||||
| בין 25-50 ננומטר | ||||||
| בין 5-25 ננומטר | ||||||
|
||||||
3. באיזה מהאיורים הבאים מרבית האטומים הם על פני השטח? |
||||
| איור א' | ||||
| איור ב' | ||||
|
||||
(F_grirat-mishpatim_600x290.swf) יעלה בקרוב
* שינוי בתכונה מיכנית : חוזק תכונות מיכניות של חומר מתארות את תגובתו כאשר מפעילים עליו כוחות. ראינו עד עכשיו איך העובדה שהחומר בעל סקאלה ננומטרית מחלישה אותו. מצד שני, ישנם חומרים שהמבנה הננומטרי מחזק אותם, כמו למשל פולרנים ו- carbon nano-tubes שיציבים מאד כימית.
Author: Schwarzm, some rights reserved by CC-BY-SA
מולקולות מקבוצת ה"פולרנים" (fullerene), מורכבות מאטומי פחמן בלבד (בדומה ליהלום וגרפיט) המוצבים במעין סריג של משושים, אך בניגוד לחומרים רגילים יוצרים צורות סגורות.
לצינורות אלה של פחמן יש בדרך כלל עובי של ננומטרים בודדים, אולם הם יכולים להיות ארוכים הרבה יותר. אורכם נע בין כמה ננומטרים ועד מאות מיקרונים (ואפילו בתנאי מעבדה מיוחדים, עד סנטימטרים אחדים).
המבנה המולקולארי הייחודי שלהם גורם לתכונות מקרוסקופיות ייחודיות, כולל חוזק מתיחתי גבוה, מוליכות חשמלית גבוהה, ועמידות גבוהה לחום, כיוון שהמולקולה עגולה ואין אטומים חשופים שניתן לנתקם בקלות (בעצם, למרות שהאטומים נמצאים על פני השטח, אין אטומי פני שטח – כאלה שחסרים להם שכנים והם רגישים יותר).
תכונות אלו הביאו לשפע של שימושים טכנולוגיים בעיקר ביצירת חומרים קלים וחזקים - דבר השימושי לבנייה של שכפ"צים, אופניים, רקטות טניס ומטוסים:
י
ואף מדברים בעתיד הרחוק מאד על אפשרות של בניית 'מעלית לחלל החיצון' המבוססת על ננו צינורות.
בתמונה: מעלית החלל שמפותחת בימים אלה בעידוד סוכניות החלל בארה"ב, ביפן ובסין.
Author: Liftport, some rights reserved by CC-BY-SA
ב- 1999 פירסם בכיר בנאס"א, "כבר לא מדובר במדע בדיוני", וכי לסוכנות יש "תוצאות המראות כי הדבר אפשרי".
למרות שעלות הבניה תהיה מיליארדי דולרים, בזכות המעלית ניתן יהיה להביא לווינים בעלי אלקטרוניקה מתקדמת ורגישה לחלל בעלות של עשרות אלפי דולרים בלבד, במקום מאות מיליונים. המעלית אמורה להיות זמינה בתוך פחות מ-50 שנה.
י
י
התאמה בין הסברים מדעיים לשינוי התכונות בסקאלה הננומטרית
בנוסף לשינוי התכונות עקב היחס הגבוה בין פני השטח לנפח , קיימים הסברים נוספים לשינוי התכונות.
(F_cards_600x7001.swf) יעלה בקרוב
מלאו את דף העבודה המצורף: להורדה לחצו כאן.