E1 Dimensionalität und Klassifizierung

Thema

Die Dimensionalität dieser Nanostruktur – ob es sich um einen Quantenpunkt ohne Ausdehnung in irgendeine Richtung (0D), einen in eine Richtung ausgedehnten Nanodraht oder eine Nanoröhre (1D), eine in zwei Richtungen ausgedehnte Schicht (2D) oder ein in alle drei Richtungen vergleichbar ausgedehntes Nanopartikel (3D) handelt – bestimmt, wie sich ihr Oberflächen-Volumen-Verhältnis beim Wachsen oder Schrumpfen der Nanostruktur verändert: Je weniger Dimensionen diese ausgedehnte Nanostruktur aufweist, desto schneller steigt dieses Verhältnis mit abnehmender charakteristischer Größe. Da diese Nanostruktur 0D und nicht 1D, 2D oder 3D ist, skaliert dieses Verhältnis bei Verringerung ihrer charakteristischen Größe maximal steil.

Ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis, das durch die Dimensionalität und die charakteristische Größe dieser Nanostruktur bestimmt wird, erhöht den Anteil der Oberflächenatome innerhalb derselben Nanostruktur: den Anteil aller Atome, die sich spezifisch auf ihrer Oberfläche befinden, anstatt vollständig von anderen Atomen im Inneren umgeben zu sein. Ein höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis erhöht auch den Anteil der Oberflächenatome und nähert sich im Grenzfall einer extrem kleinen Nanostruktur dem Punkt, an dem praktisch alle Atome Oberflächenatome sind.

Daher bestimmt dieses Modell mit der Dimensionalität und dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis, mit denen es entwickelt wurde, letztlich, wann die Oberflächeneffekte dieser Nanostruktur das Verhalten desselben Materials in seiner massiven Form dominieren: Bei einem hohen Anteil an Oberflächenatomen wird das Verhalten der Nanostruktur durch die Vorgänge an ihrer Oberfläche bestimmt und nicht mehr durch das durchschnittliche Verhalten eines vergleichsweise kleinen inneren Volumens. Da dieser Anteil an Oberflächenatomen, der hier anhand der Dimensionalität und Größe der Nanostruktur bestimmt wird, die dimensionale Grundlage zweier weiterer Modelle in diesem Set bildet, hängen beide direkt davon ab: das Modell, das die Oberflächenenergie der Nanostruktur beschreibt (proportional zu diesem Anteil an Oberflächenatomen), und das Modell, das die Funktionalisierung ihrer Oberfläche beschreibt und diese Oberfläche als verfügbaren Raum für die Verankerung einer funktionellen Beschichtung nutzt.

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