E2 Razón Superficie-Volumen y Energía Superficial

Tópico

La razón superficie-volumen de esta nanoestructura, que ya establece otro modelo de este conjunto según su dimensionalidad y su tamaño característico, incrementa directamente la energía superficial por unidad de volumen de esa misma nanoestructura: cada átomo situado en la superficie de esta nanoestructura tiene menos vecinos que un átomo equivalente dentro de su volumen interior, y por eso queda en un estado de energía más alto, contribuyendo a esta energía superficial total. Que esta razón superficie-volumen sea mayor hace que esta energía superficial por unidad de volumen también sea mayor, y que, a escala nanométrica, esta energía superficial llegue a dominar el comportamiento termodinámico de esta nanoestructura por completo, algo que en un material bulk resultaría del todo insignificante.

Esa misma superficie de esta nanopartícula, además de aportar esta energía superficial, está curvada, y es esa curvatura de la nanopartícula la que genera, según la ecuación de Laplace, una presión interna adicional dentro de ella: esta ecuación de Laplace describe cómo cualquier superficie curva bajo tensión superficial comprime lo que queda encerrado dentro suyo con una presión adicional, tanto mayor cuanto más pronunciada es esa curvatura. Que esta nanopartícula sea más pequeña, con una curvatura de la nanopartícula más pronunciada, hace que, según esta misma ecuación de Laplace, esta presión interna adicional sea mayor.

Esta misma energía superficial elevada, junto con esta presión interna adicional que la curvatura de la nanopartícula genera, produce, según el mismo efecto de Gibbs-Thomson que ya se manifiesta también sobre la temperatura de sinterización de este tipo de nanoestructuras, una depresión del punto de fusión de esta nanopartícula muy por debajo del punto de fusión del mismo material en su forma bulk: fundir a esta nanopartícula reduce, junto con el resto de la energía libre del sistema, esta misma energía superficial elevada, y por eso resulta termodinámicamente favorable a una temperatura más baja que la que exigiría fundir al material bulk equivalente. Que esta energía superficial sea más elevada, con una nanopartícula más pequeña, hace que, según este mismo efecto de Gibbs-Thomson, esta depresión del punto de fusión sea, en consecuencia, mayor.

Por eso este modelo, con la energía superficial y la depresión del punto de fusión con las que se abrió, es la causa común de dos consecuencias que ya describen otros dos modelos de este conjunto: por un lado, esta misma alta razón superficie-volumen, de la que aquí depende esta energía superficial, es la que ya acelera, según ese primer modelo, la oxidación de esta nanoestructura frente a la del material bulk equivalente; por otro lado, esta misma energía superficial elevada, que aquí deprime el punto de fusión de esta nanopartícula, es también la que ya deprime, según ese segundo modelo mediante ese mismo efecto de Gibbs-Thomson, la temperatura de sinterización de esta nanoestructura muy por debajo de la del material bulk, produciendo su coalescencia térmica prematura. Que ambas depresiones, la del punto de fusión que describe este modelo y la de la temperatura de sinterización que describe ese otro modelo, sean manifestaciones distintas del mismo efecto de Gibbs-Thomson hace que compartan, en el fondo, la misma causa: la energía superficial elevada con la que se abrió este modelo.

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