Para los materiales a granel (p. Ej., Un alambre de Cu, una taza de agua), sus propiedades físicas intrínsecas, como la densidad, la conductividad y la reactividad química, son independientes de sus tamaños. Por ejemplo, si un cable Cu de un metro se corta en unas pocas piezas, esas propiedades intrínsecas de los cables más cortos siguen siendo las mismas que en el cable original. Si el proceso de división se repite una y otra vez, esta invariancia no puede mantenerse indefinidamente. Ciertamente, sabemos que las propiedades cambian mucho cuando el cable se divide en átomos de Cu individuales (aún más a nivel de electrones, protones y neutrones). Los cambios significativos de propiedad a menudo comienzan cuando nos acercamos a las nanoescalas. Los siguientes fenómenos afectan críticamente las propiedades de los materiales nanoestructurales:
Confinamiento cuántico: el confinamiento de electrones en las dimensiones a nanoescala da como resultado la cuantificación de la energía y el momento, y la dimensionalidad reducida de los estados electrónicos.
Coherencia cuántica: se preserva cierta relación de fase de la función de onda para los electrones que se mueven en una nanoestructura, por lo que debe considerarse el efecto de interferencia de onda. Pero en las nanoestructuras, generalmente la coherencia cuántica no se mantiene perfectamente como en los átomos y las moléculas. La coherencia a menudo se ve interrumpida en cierta medida por defectos en las nanoestructuras. Por lo tanto, deben tenerse en cuenta los efectos cuánticos coherentes y no coherentes, lo que a menudo hace que la descripción del movimiento electrónico en una nanoestructura sea más complicada que en los casos extremos.
Efectos de superficie / interfaz: una fracción significativa (incluso la mayoría) de átomos en la nanoestructura se encuentra en y cerca de las superficies o interfaces. Los estados mecánicos, termodinámicos, electrónicos, magnéticos, ópticos y químicos de estos átomos pueden ser bastante diferentes a los de los átomos interiores.
Estos factores juegan roles en varios grados (pero no al 100%) de importancia. Por ejemplo, el confinamiento y los efectos coherentes no son tan completos como los de un átomo. Tanto los estados cristalinos (en masa) como los estados de superficie / interfaz no pueden ignorarse en las estructuras a nanoescala. La diferente mezcla de caracteres atómicos / moleculares, mesoscópicos y macroscópicos hace que las propiedades de las nanoestructuras varíen drásticamente. Los materiales nanoestructurales a menudo se encuentran en un estado metaestable. Su configuración atómica detallada depende sensiblemente de los procesos cinéticos en los que se fabrican. Por lo tanto, las propiedades de las nanoestructuras pueden ser ampliamente ajustables cambiando su tamaño, forma y condiciones de procesamiento. La situación es similar al comportamiento molecular en química (p. Ej., N frente a N2) en cierto aspecto. Debido a los resultados ricos y a menudo sorprendentes, será extremadamente interesante y desafiante jugar con sistemas nanoestructurales. La nanociencia y la nanoingeniería han sido un área donde se han producido y se seguirán produciendo muchos avances.
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