1. Materiaalien rakenne

Transkriptio

1 1. Materiaalien rakenne 1.1 Johdanto 1. Luento

2 1.1 Johdanto Materiaalit voidaan luokitella useilla eri tavoilla Kemiallisen sidoksen mukaan: metallit, keraamit, polymeerit Käytön mukaan: komposiitit, puolijohteet, biomateriaalit, älykkäät materiaalit Ominaisuuksiin vaikuttavan koon perusteella: bulkkimateriaali, nanomateriaali 2

3 1.1 Johdanto Metallit Metallisidos pitää koossa Paljon vapaita elektroneja, vapaa elektronikaasu Atomit positiivisen varauksen ioneja Negatiivisen elektronikaasun ja positiivisten ionien välinen vuorovaikutus pitää materiaalin kasassa. 3

4 1.1 Johdanto Metallit Suora seuraus vapaista elektroneista Hyvä sähkön ja lämmön johtamiskyky Optisesti läpinäkymättömiä Yleensä hyvä mekaaninen lujuus Muodostuvat alkuaineista tai niiden seoksista Huom. Joskus hyvää sähkönjohtamiskykyä käytetään metallin määrittelynä. Esimerkiksi hiilen nanoputkella hyvä sähkönjohtamiskyky, vaikka atomien väliset sidokset toisenlaiset 4

5 1.1 Johdanto Keraamit Keraamit ovat useimmiten metallisten ja ei-metallisten alkuaineiden kombinaatioita, jotka muodostavat keskenään lujia ionisia tai kovalenttisia sidoksia Oksidit, nitridit, karbidit Lähes aina eri alkuaineiden muodostama yhdiste Kuitenkin timantti, pii, germanium luetaan joskus keraameihin Useimmiten kovia ja hauraita materiaaleja Useimmiten huonoja sähkönjohtajia Esimerkkejä: hammas, posliini, tiili, sementti, lasi, YBCO 5

6 1.1 Johdanto Polymeerit Muodostuvat pienistä kovalenttisesti sidotuista molekyyleistä, jotka sidottu toisiinsa kovalenttisesti, joskus osittain ionisilla tai vetysidoksilla Kokonaisuus on yksi makromolekyyli Esimerkkejä ovat muovit ja kumi Suhteellisen pieni tiheys, usein venyviä, useimmiten pehmeämpiä kuin metallit ja keraamit Useimmiten perustuvat orgaanisiin materiaaleihin, kuten hiili, vety, happi, typpi 6

7 1.1 Johdanto Komposiitit Eri perusmateriaalien seoksia Ominaisuudet myös sekoittuneet Tavoite on yhdistää hyvät ominaisuudet, esimerkiksi keraamin kovuus ja polymeerin joustavuus. Voi myös olla yhden materiaalityypin seos, esimerkiksi saman metallin erilaisten kerrosten yhdistämisellä aikaansaatu. Komposiitin osien suuruusskaala voi olla mikä tahansa mikro- ja makroskaalan välillä, nano- ja senttimetripituudet Esimerkkejä ovat lasikuitu, vahvistettu betoni 7

8 1.1 Johdanto Puolijohteet Materiaalit, joiden sähköiset ominaisuudet metallin ja eristeen välillä Sähkönjohtamiskyky riippuu vahvasti lämpötilasta, mutta on 0 kun T=0 Useimmiten sähkönjohtamiskyky riippuu vahvasti epäpuhtaus- eli seosatomeista. Sitä säädetään niiden avulla! N.k. energia-aukko > 0 mutta < 3 ev. Aukkoon perustuva määrittely muuttunut ajan kuluessa. GaN ja ZnO, joiden energia-aukko ~ 3 ev olivat aikaisemmin eristeitä, mutta nykyisin puolijohteita johtuen niiden käyttötavasta. Esimerkkejä ovat pii, germanium, III-V yhdisteet, II- VI yhdisteet Koska usein mekaanisesti kovia ja hauraita, niitä kutustaan keraameiksi. 8

9 1.1 Johdanto Biomateriaalit Materiaalit, jotka koostuvat biologisista molekyyleistä ja rakenteista tai ovat bioyhteensopivia. Elävä materiaali! Bioyhteensopiva materiaali ei päästä myrkyllisiä aineita tai aiheuta biologisia reaktioita. Kaikki materiaalit voivat olla bioyhteensopivia, mutta variaatiot voivat olla suuria saman materiaaliluokan sisällä. Esimerkiksi tietyt metallit erittäin myrkyllisiä toiset eivät ollenkaan. 9

10 1.1 Johdanto Älykkäät materiaalit Älykkäillä materiaaleilla tarkoitetaan sellaisia materiaaleja, jotka jollain tavoin muuttavat ominaisuuksia ympäristönsä muuttuessa. Esimerkiksi auringonvalossa tummuva lasi Käytetään usein materiaalisysteemeissä, materiaalien kombinaatioissa, jotka ovat toiminnallisia. Sensorit, jotka havaitsevat jotain. Esimerkiksi piezosähköiset kiteet antavat sähkösignaalin, kun paine muuttuu. Aktuaattorit, jotka toimivat signaalin vaikutuksesta. Esimerkiksi muistimetallit, jotka palaavat alkuperäisiksi lämmitettäessä. 10

11 1.1 Johdanto Bulkkimateriaali vs. nanomateriaali Bulkkimateriaalilla, metallit, on tyypilliset pienimmät rakenneosat, jotka lähes makroskooppiset, esimerkiksi rakeet m. Rakenne on myös jaksollinen makroskooppisessa skaalassa, äärettömyyksiin ulottuva jaksollisuus. Nanomateriaalien pienimmät rakenneosat ovat määrittelyn mukaan suuruusluokkaa nm. Nanomateriaalien ominaisuudet poikkeavat vahvasti bulkkimateriaalien ominaisuuksista. Ominaisuudet perustuvat kokoon ja kvanttifysiikkaan siinä kokoluokassa. 11

12 1. Materiaalien rakenne 1.2 Atomirakenne ja atomien 1. Luento

13 Atomien vaikuttavat materiaalien ominaisuuksiin. 13

14 Alkuaineita ja niiden suhteelliset määrät maailmankaikkeudessa 14

15 Alkuaineita ja niiden suhteelliset määrät maapallon kuoressa 15

16 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Atomien rakenteen ymmärtämisen perusta on Bohrin atomimalli vedylle. Kvanttimekaniikan malli Vain tietyt diskreetit elektronin energiatilat mahdollisia Bohrin malli ei ole oikea, mutta antaa elektronikuoren pääkvanttiluvun n. Bohrin malli 16

17 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Oikea kvanttimekaaninen malli saadaan ratkaisemalla elektronin kokonaisenergia Schrödingerin yhtälön avulla pallosymmetrisessä avaruudessa Kvanttimekaniikan malli Saadaan pääkvanttiluku n = 1,2,3,... ja osatasot l = s,p,d,f,... Bohrin malli 17

18 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Elektroni on aallon todennäköisyystila ja sen jakauma Todennäköisyystila on elektronikuori todennäköisyysjakauma on 0:sta äärettömyyteen Todennäköisin etäisyys on Bohrin säde (n = 1, l = s) ja Bohrin malli Kvanttimekaniikan malli 18

19 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Pääkvanttiluku n = 1,2,3,... ja osatasot l = s,p,d,f,... Osatasot jakautuvat edelleen alitiloihin m l = -l,...,0,...+l Jokainen alitila jakautuu kahteen spintilaan s = -1/2 ja +1/2 Elektronin energiatilaa kuvaa siis 4 kvanttilukua n l m l s Paulin kieltosäännön mukaan yhdellä kvanttitilalla voi olla korkeintaan yksi fermioni. (Elektronit ovat fermioneja.) Siis jokaisella tilalla nl on rajoitettu elektronimiehitys. 19

20 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli 20

21 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Energiatilat kvanttilukujen n ja l mukaisesti ks. Kuva. Hundin sääntö määrittää spinjärjestyksen. Poikkeuksia korkeilla n:n arvoilla ja lähellä olevien tilojen tapauksissa. 21

22 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Täysien n-kuorten atomit ovat hyvin stabiileja, jalokaasut. Yksi elektroni n-kuorella heikosti sidottu, alkaliatomit Yksi aukko elektronikuorella täyttyy helposti, halogeenit. Spinien pariutumisesta johtuen elektroniparit samalla nl-kuorella ovat energeettisesti edullisia. Natriumatomi 22

23 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Viimeisen elektronin konfiguraatio määrittää atomin konfiguraation. Yksittäisten atomien elektronikonfiguraatio kirjoitetaan seuraavasti: Jokainen nl-pari ja sen miehitys merkitään seuraavasti: 3d 7 Tilan nl miehitys n l: 0=s, 1=p, 2=d, 3=f Useiden tilojen miehitys on peräkkäisten miehitysten luettelo, esimerkiksi 1s 2 2s 2 2p 1 23

24 1.2.1 Atomin kvanttimekaaninen malli Viimeisen elektronin konfiguraatio määrittää atomin konfiguraation. Tämä voimassa vapaille atomeille. Kiinteässä aineessa muutoksia. Osittainen miehitys on mahdollista, jos tilat lähellä toisiaan. 24

25 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä Uloin elektronikuori ja sen konfiguraatio määrittää alkuaineiden jaksollisen järjestelmän.! 25

26 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Trendit jaksollisessa järjestelmässä Jos uloimmalla kuorella vain muutama elektroni, atomi luovuttaa ne helposti, atomi on elektropositiivinen, metallit. Jos uloimmalta kuorelta puuttuu vain muutama elektroni, atomi riistää ne muilta, atomi on elektronegatiivinen, ei-metallit Ei-metallit Jalokaasut Metallit Välialkuaineet 26

27 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Trendit jaksollisessa järjestelmässä 27

28 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Ionisaatioenergia Ensimmäinen ionisaatioenergia IE tarkoittaa energiaa, joka tarvitaan seuraavaan reaktioon : atomi (kaasu) + IE positiivinen ioni (kaasu) + e - Yksinkertaisimmin energia saadaan Bohrin mallista kaavalla yksiköissä ev. 28

29 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Elektroniaffiniteetti Elektroniaffiniteetti EA tarkoittaa energiaa, joka tarvitaan seuraavaan reaktioon : atomi (kaasu) + e - negatiivinen ioni (kaasu) + EA Merkkisääntö on, että EA on positiivinen, jos energiaa vapautuu, kun atomista tulee negatiivinen ioni (anioni). EA voi olla positiivinen tai negatiivinen. Neutraaleille alkueineille se on positiivinen. 29

30 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Atomi- ja ionisäteet Voidaan puhua atomin koosta atomi- ja ionisäteen avulla Ne eivät kuitenkaan ole tarkasti määriteltäviä suureita, koska elektronijakautuma on laaja, periaatteessa äärettömän leveä. Kaasumaisessa tilassa ne voidaan ymmärtää atomien ja ionien efektiivisinä törmäyspoikkialoina (elektroni-elektroni repulsio). Yleensä positiiviset ionit < neutraalit atomit < negatiiviset ionit Alkaliatomit suuria Molekyyleissä ja kiinteissä aineissa on usein ns. kovalenttinen säde, joka saadaan sen avulla kuinka suuren tilavuuden atomi ottaa sidotussa tilassa, hyödyllisempi koon mitta. 30

31 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Atomi- ja ionisäteet 31

32 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Elektronegatiivisuus Edelliset suureet atomaarisia, kun taas elektronegatiivisuus on mitta sille kuinka helposti atomi luovuttaa elektronin toiselle. Mitta sille, kuinka atomit muodostavat ionisidoksia. Matala elektronegatiivisuus: atomi luovuttaa helposti elektronin. Korkea elektronegatiivisuus: atomi ottaa vahvasti elektronin. Ei tarkasti määritetty suure, vaan erilaisia elektronegatiivisuusasteikkoja. Esimerkiksi Mullikenin yksinkertainen asteikko: 32

33 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Elektronegatiivisuus Tunnetuin ja käytetyin skaala on Linus Paulingin skaala missä n on valenssielektronien lukumäärä, c on valenssivaraus ja r on kovalenttinen säde. Mullikenin ja Paulingin skaalat antavat toisistaan riippuvat arvot seuraavan riippuvuuden mukaisesti: P M 33

34 1.2.2 Jaksollinen järjestelmä: Elektronegatiivisuus Paulingin kaavan mukaan 34

35 1. Materiaalien rakenne 1.2 Atomirakenne ja atomien 2. Luento