10.15 Нановелосипед покажет себя на Tour de France

В этом году участники велогонки Tour de France увидят первый велоси­пед с рамой из композита, содержащего нанотрубки. На нем выступят члены команды Phonak Team. Изготовлен велосипед швейцарской ком панией ВМС, которая утверждает, что спортивная машина при массе менее 1 кг характеризуется высокой прочностью.

Рама велосипеда выполнена из композитного материала на основе нанотрубок, разработанного специалистами из компании Easton, кото­рая состоит в тесном сотрудничестве с компанией Zyvex. Специальный композит формирует из нанотрубок пространственную сетку-матрицу, благодаря которой достигается столь большая жесткость при неболь­шой массе материала.

Вклад компании Zyvex заключается в том, что она разработала со­став, позволяющий модифицировать поверхность углеродных нанотру­бок таким образом, чтобы они легко входили в состав композита-на­полнителя, образовывающего основу велосипедной рамы.

Компания ВМС первой сделала велосипед с нанорамой на основе углеродных нанотрубок. Рама после производства требует дальнейшей обработки. Так как это может повредить волокна нанотрубок, она была изготовлена по прецизионной технологии. После выпуска первого ве­лосипеда компания ВМС заявила, что она собирается впредь вклады­вать деньги в нанотехнологии и композитные материалы на основе на­нотрубок. Так что, скорее всего, гоночный велосипед откроет новую линию продуктов, доступных и обычным потребителям.

Глава 11

11 Термодинамические аспекты поверхности

В этой главе свойства поверхности твердого тела и ее превращения рассматриваются с помощью применения термодинамических потенциа лов и связанных с ними величин. Такой подход позволяет характеризовать поверхность и нанокластеры на языке значений энергии и энтропии не прибегая к атомно-молекулярной детализации, как это было сделано в предыдущей главе.

11.1 Химический потенциал

Значение химического потенциала для поверхности и ее превращений может быть оценено путем сравнения с динамикой движения в физике Динамические изменения в движении происходят под действием силы понятие которой ввел в свое время Ньютон. Эта фундаментальная величи­на определяет все основные законы движения. Что же представляет co6oй движущая сила химических превращений, что определяет ход химически) реакций, их начало и их окончание?

Какая фундаментальная величина, подобно силе в физике движе­ния, может количественно проследить за химическими превращениями и соответствовать определению химического сродства?

В основе определения движущей силы химической реакции лежи! понятие химического потенциала — одной из наиболее основных и пло­дотворных величин термодинамики, введенной американским физиком-теоретиком Гиббсом (1839-1903). История этого открытия весьма необыч­на и поучительна. В 1875 и 1878 гг. Гиббс опубликовал в местном, мало кому известном американском журнале «Transactions of the Connecticul Academy of Sciences» статьи под названием «О равновесии гетерогенных веществ», в которых впервые ввел понятие химического потенциала. Эти статьи стали известны мировой научной общественности только после перевода их на немецкий язык Оствальдом в 1892 г., а на французский — де Шателье в 1899 г.

Гиббс рассмотрел гетерогенную систему, в которой происходят хи­мические превращения, состоящую из нескольких гомогенных частей, каждая из которых содержит различные вещества s₁,s₂, ... ,s_n с массами т₁ ,т₂, ... ,т_n Первоначально Гиббс не учитывал возможные химиче­ские реакции между этими веществами, принимался во внимание только обмен веществом между различными гомогенными частями системы. Из­менение энергии некоторой гомогенной части dU при этом должно быть пропорционально изменениям масс вещества dm₁, dm₂, . . . , dm_n

dU = Т dS - p dV + μ₁ dm₁ + μ₂ dm₂ + ... + μ_ndm_n. (11.1)

Коэффициенты ц/, были названы химическими потенциалами. Здесь величинами Т, S, р и V обозначены температура, энтропия, давление и объем системы соответственно. Это выражение соответствует равновес­ным состояниям. Химические превращения удобнее записывать в моль­ном виде, когда фиксируются превращения не массы веществ, а их молей. Тогда

dU = Т dS - p dV + μ₁ dТ₁ + μ₂ dN₂ + ... + μ_ndN_n.

dU = Т dS - p dV + ∑ μ_k dN_k (11.2)