3. Verandering van eigenschappen

Nanodeeltjes hebben andere eigenschappen dan grotere deeltjes van dezelfde stof. Eigenschappen van een stof, zoals kleur en dichtheid, warmte- en stroomgeleiding, kunnen op nano niveau afwijken van de 'normale’ eigenschappen. Met het kleiner worden van objecten neemt het volume veel sneller af dan het oppervlak. Hierdoor is het oppervlak van nanodeeltjes relatief groot ten opzichte van hun inhoud en daarmee zijn nanodeeltjes reactiever dan deeltjes op micro- en millimeter niveau.

Hoe komt het dat eigenschappen veranderen wanneer de afmetingen veranderen? Daar gaan we in deze paragraaf verder op in.

 

Opdracht                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

3.1 

Je hebt een kubus met ribben van 1 cm.

a. Hoe groot is het oppervlak van deze kubus?

Je snijdt deze kubus drie keer door (verticaal, horizontaal en transversaal = loodrecht op verticaal).

b. Hoeveel kubussen heb je dan?

c. Wat is het oppervlak van deze kubussen samen?

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

 

Je hebt het oppervlak vergroot, waardoor meer reacties met de omgeving mogelijk zijn. Poedersuiker lost sneller op dan kristalsuiker om dat de poedersuiker meer oppervlak per gram suiker heeft dan kristalsuiker. Hoe kleiner de structuren worden, hoe meer atomen aan de buitenkant van deze structuren liggen, die met de omgeving in wisselwerking kunnen treden.

Een rekenvoorbeeld:

Bij een ijzerblokje met ribben van 1 cm bevinden zich maar 0,00001% van de ijzeratomen op het buitenoppervlak van deze kubus. Bij ribben van 5 nm liggen al 20% van alle atomen aan de buitenkant. Hoewel beide kubussen uit hetzelfde element bestaan, kunnen ze volledig verschillende scheikundige en natuurkundige eigenschappen vertonen. Dat komt omdat de toestand van de elektronen aan de buitenkant van het materiaal anders is als de configuratie van de elektronen in het binnenste van het materiaal. De wetten van de kwantummechanica bepaalt hoe de toestand van de elektronen is; van de elektronen in het binnenste als ook van de elektronen aan de buitenkant. De dagelijkse wereld om ons heen kunnen we goed beschrijven met de Wetten van Newton maar om het gedrag van elektronen te beschrijven moeten we de kwantummechanica toepassen. Afhankelijk van de grootte, vorm en toestand van de nanostructuren ontstaan in vergelijking tot de macroscopische lichamen veranderingen in de geleiding, magnetische reacties, het smelt- en kookpunt, de taaiheid, breekbaarheid, kleur enz.

Een ander voorbeeld is de interactie van nanodeeltjes met licht, omdat ze in dezelfde orde grootte zijn als de golflengte van licht. Hierdoor kunnen onverwachte optische effecten optreden. Een bekend voorbeeld hiervan is goud. Goudbolletjes van enkele tientallen nanometer zijn niet meer goudkleurig, maar juist rood. Hoewel men hier destijds geen weet van had – en het toen zeker nog geen nanotechnologie heette – werd dit in de Middeleeuwen al gebruikt om glas in lood een rode kleur te geven. In 1847 was het de Britse natuur- en scheikundige Michael Faraday die er achter kwam dat de rode kleur werd veroorzaakt door de grootte van de goudbolletjes5. We zullen dit ook zelf gaan waarnemen in het practicum van les 3.

5 Zie kennislink.nl voor meer informatie