A4 Thermische Koaleszenz (vorzeitiger Verlust von Eigenschaften)

Thema

Die hohe Oberflächenenergie dieser Nanopartikel, die auch in einem anderen Modell dieser Gruppe nachgewiesen wurde, führt gemäß dem Gibbs-Thomson-Effekt zu einer deutlichen Senkung der Sintertemperatur dieser Nanopartikel im Vergleich zur Sintertemperatur des gleichen Materials in seiner Massenform. Diese hohe Oberflächenenergie stellt für diese Nanopartikel einen Überschuss an freier Energie dar, den das Material selbst während des Sinterns abbauen kann. Je größer dieser Überschuss an verfügbarer freier Energie ist, desto niedriger ist die Temperatur, bei der das Sintern begünstigt wird. Da die Oberflächenenergie dieser Nanopartikel bei kleineren Nanopartikeln höher ist, ist diese Senkung der Sintertemperatur gemäß dem Gibbs-Thomson-Effekt größer, und folglich ist die effektive Sintertemperatur dieser Nanopartikel deutlich niedriger.

Die Tatsache, dass die Sintertemperatur dieser Nanopartikel im Vergleich zu der des gleichen Materials in seiner Massenform so niedrig ist, führt zu einer vorzeitigen thermischen Verschmelzung der Partikel bei Betriebstemperaturen, die das Massenmaterial niemals sintern würden. Diese thermische Verschmelzung schreitet durch die gleiche Einschnürung zwischen den Partikeln fort, die mit demselben Mechanismus ein anderes Modell für eine andere Materialgruppe beschreibt: das Sintern eines Metallpulvers. Das weitere Fortschreiten dieser thermischen Verschmelzung mit derselben Einschnürung zwischen den Partikeln führt schließlich dazu, dass diese zuvor getrennten Nanopartikel zu viel größeren Partikeln verschmelzen und dabei ihre individuelle Struktur verlieren.

Daher bewirkt dieses Modell mit seiner hohen Oberflächenenergie und der ihm zugrunde liegenden thermischen Verschmelzung, dass durch die Vergrößerung des Abstands zwischen den Partikeln bis zu deren Verschmelzung zu viel größeren Partikeln die Quantenbegrenzung zerstört wird, die in einem anderen Modell dieser Materialgruppe beschrieben wird. Diese Einschränkung hängt genau davon ab, dass die Nanopartikel eine bestimmte Größe nicht überschreiten: Sobald die thermische Verschmelzung die effektive Größe der Nanopartikel über diesen Schwellenwert hinaus erhöht, verliert die Quanteneinschränkung ihre Gültigkeit, und die Nanopartikel verlieren zusammen mit ihrer individuellen Identität die Eigenschaften, die auf eben dieser Quanteneinschränkung beruhten. Die Tatsache, dass dieser vorzeitige Eigenschaftsverlust bei einer deutlich niedrigeren Temperatur auftritt als für das entsprechende Massenmaterial zu erwarten wäre, macht diese Nanopartikel wesentlich anfälliger für diese thermische Verschmelzung, als ihre chemische Zusammensetzung allein vermuten ließe.

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