Структура или атомное строение тел. Различные состояния вещества.

Пять основных состояния вещества: плазменное, газообразное, жидкое, твердое и конденсат. Конденсат - новое состояние вещества при сверхнизких температурах - меньше 0.1 К (!!!).

 

Покажем, как структура (расположение атомов в пространстве) химического соединения кардинальным образом меняет свойства материала. Рассмотрим простой одноатомный материал - углерод.

1. Сажа - аморфный углерод в виде порошка, электрический изолятор.

2. Графит - мягкий кристаллический материал.

Графит очень хороший проводник электричества

3. Алмаз - самый твердый кристаллический материал.

4. Фуллерены - новый тип углерода.

5. Графитовые нанотрубки - новый тип углерода.

6. Нобелевская премия в области физики 2010 года присуждена за эксперименты по исследованию двумерного материала графена. Графен - это один отдельный слой хорошо известного графита. Графен самый тонкий и самый прочный из известных материалов, с другой стороны он очень гибок, способен проявлять свойств как проводника (вспомним графит), так и полупроводника.

Новые подходы к синтезу новых материалов

• Организация химических процессов в производстве материалов

  • Катализаторы

  • Криохимия (синтез материалов при низких температурах жидкого азота)

• Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) тугоплавких материалов (основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде, кремнии).

• Наноматериалы- размер 10-100 нм (1 нм=10^-9м)

• Аморфные металлы - металлическое стекло с особыми физическими свойствами.

• Сверхпроводники

  • В последние 10 лет были синтезированы новые керамические материалы, у которых сверхпроводимость наблюдается при достаточно высоких температурах: в La_2-xBa_xCuO₄ - при 40К, в YBa₂Cu₃O₇ - при 90К, в Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀ - при 125К.

• Твердые электролиты

  • Проводники 1 и 2 рода: электронные проводники и растворы электролитов соответственно.

  • Кристаллические соединения с особой структурой. К этим соединениям относятся AgI, Ag₄RbI₅, Li₃N, Li₃Fe₂(PO₄)₃, Na-b-Al₂O₃.

Новая эволюционная химия - подражание живой природе. Например, по принципу ферментов будут созданы катализаторы, намного эффективнее имеющихся, или построены преобразователи (с большим КПД) солнечного света в химическую и электрическую энергию, как это делают живые организмы. Как смоделировать материал и выяснить, какими свойствами обладает данный материал?

Метод молекулярной динамики Позволяет смоделировать поведение систем из нескольких тысяч атомов. В качестве примера показано движение ионов серебра в бромистом серебре

Здесь можно посмотреть движение атомов в кристалле AgBr. 

Очевидно, что задачи получения новых материалов очень сложны и объединяют различные стороны человеческой деятельности