Характеристики веществ в наносостоянии

Национально исследовательский Томский политехнический
университет
• Курс «Диагностика вещества в
наносостоянии»
• Характеристики веществ в
наносостоянии
• Лекция 1
лектор к.х.н., доцент ОНХ Перевезенцева Дарья Олеговна
Бюджет времени
•
•
•
•
•
•
•
•
Рейтинг-лист
Лекции 18 х 2 = 36 ч.
18 х 0,5 = 9 б
Практич.занятия:
Практика
6 х 3 =18 б
Рубежная работа
3 х 15 = 45 б
Индивидуальное задание
4х2=8б
Самостоятельная работа 90 часов
Экзамен
20 б
Итого 100 б
• “Алхимики искали только золото, но
открыли вместо него порох, фарфор,
целебные средства и ряд законов
природы”.
•
А. Шопенгауэр
Диагностика вещества в
наносостоянии совокупность методов исследования наноматериалов,
направленных на изучение их
структурных,
морофологотопологических,
механических,
электрофизических,
оптических,
биологических характеристик,
анализ наноколичеств вещества, измерение метрических
параметров с наноточностью.
Структура курса:
•
•
•
•
•
Введение
Методы определения устойчивости дисперсных систем
Статистическая обработка результатов эксперимента
Диагностика механических характеристик вещества в наносостоянии
Методы определения среднего размера наночастиц:
просвечивающая и растровая электронная микроскопия, дифракционный
метод
Диагностика структурных характеристик вешества в наносостоянии:
Рентгенрструктурный
анализ, метод малоуглового рассеивания.
Методы определения поверхности наноструктур: атомно силовая,
туннельная микроскопия, просвечивающая, фотоэлектронная микроскопия.
Особенности субмикрокристаллических металлов
Фазовый анализ вещества: Рентгенофазовый и ренгентофлоуресцентный
анализ.
Методы определения реакционной способности вещества в наносостоянии:
Дифференциально термический анализ. Термогравиметрия.
Методы определения оптических свойств вещества в наносостоянии.
Методы определения электрохимических свойств вещества в наносостоянии
Особенности полярографических исследования вещества в наносостоянии
Перспективы применения наночастиц металлов в полупроводниковой
технике, катализе, фотокатализе, биологии и медицине, анализе: микро и
наноаналитические системы; биомедицинские методы нанодиагнистики;сенсоры
и биосенсоры в электроанализе.
План
•
•
•
•
•
1. История развития нанотехнологий.
2. Классификация дисперсных систем.
3. Характеристики дисперсных систем,
особенности наноматериалов.
4. Основные понятия, терминология
нанотехнологии.
5. Классификация наночастиц,
классификация наноматериалов.
1. История развития
нанотехнологий
•
•
2400 Демокрит атом - мельчайшая частица вещества
•
•
Греки в IV веке применяли цветные стекла
«Кубок Ликурга»
•
1618 г первая книга о коллоидном золоте
•
1856 М. Фарадей научные исследования получения коллоидного золота
История развития нанотехнологий
• 1905г А. Эйнштейн молекула сахара составляет 1 нм
• 1925г Зигмонд разработал методику получения
коллоидных растворов и их ультрафильтрацию.
• 1926г Сведберг создал метод ультрацентрифугирования
для выделения частиц по размерам из коллоидных
растворов и впервые построил ультрацентрифуги для
высокодисперсных золей.
История развития нанотехнологий
1926г Жан Батист Перрен предложил прибор для изучения
электроосмоса, открыл седиментационно-диффузионное
равновесие.
1931 М. Кнолл и Э. Руска создали электронный микроскоп.
История развития нанотехнологий
• 1959 г. Ричард Фейнман «Там внизу
много места» (There’s Plenty of Room at
the botton) в Калифорнийском
институте.
• Он определил два новых подхода для
создания наноматериалов:
• «Снизу вверх» химические
• «Сверху вниз» физические
История развития нанотехнологий
• В 1974 г.Норио Танигучи впервые применил
термин «Нанотехнология» в своем докладе
«Основные принципы нанотехнологий».
• 1981 г. Герд Бинниг и Генрих Рорер создали
микроскоп, способный показывать отдельные
атомы.
1982 г разработан растровый туннельный
микроскоп.
История развития нанотехнологий
• 1985 г. К. фон Клитцинг открыли квантовый
эффект Холла.
• 1982-1985 гг. Г.Гляйтер предложил
концепцию наноструктуры твердого тела и
разработал способ получения компактных
материалов с зернами нанометрового
размера.
• 1986 г. в лаборатории Цюриховского
отделения фирмы IBM Г. Биннигом и Г.
Рорером были созданы атомно-силовые
микроскопы (АСМ).
История развития нанотехнологий
• 1991 г. Иджима получил
углеродные нанотрубки.
История развития нанотехнологий
История развития нанотехнологий
• 1996 г. Р. Смоли, Р. Керл,
синтезировали фуллерены.
История развития нанотехнологий
• 1998 г. Сеез Деккер содал нанотранзистор.
• 1998 г. Р. Лафлин, Х.Шермер Д.Тсуи
открыли дробный квантовый эффект Холла.
• 2000 г. Ж.И.Алферов, Г. Кремер, Дж. Килби
создали полупроводниковые
гетероструктуры и интегральные схемы.
История развития нанотехнологий
• 2008 г. Осаму Симамура, Роджар Цьен,
Мартин Чалфи получили зеленый
флуоресцирующий белок
Дисперсная система
• Дисперсная фаза –
• Дисперсионная среда -
Классификация ДС по агрегатному
состоянию
Классификация ДС
суспензии, эмульсии, золи
капиллярно–пористые тела, мембра
ны, гели, пасты, концентрированные эмульсии и пены, порошки
Желатин, крахмал глины
Коллоидные растворы (золи), микроэмульсии, зародышевые частицы (кристаллы, капли, газовые пузырьки),
сферические мицеллы ПАВ
Классификация ДС по геометрическому
признаку (мерности ДС)
• Трехмерные (объемные) наночастицы
• Двумерные (пленки и слои) наночастицы
• Одномерные частицы
Классификация по форме частиц ДС
(по топографическому признаку)
Корпускулярные – частицы ДФ имеют коллоидные
размеры по всем трем измерениям.
Фибриллярные (волокнистые) - частицы ДФ имеют
коллоидные размеры по двум измерениям (нити, волокна,
поры, капилляры).
Ламинарные (пленочные) - частицы ДФ имеют
коллоидные размеры по одному измерению (мембраны,
пленки).
Основные характеристики дисперсных
систем
• 1. Дисперсность раздробленность – определяется
размерами тела в трех измерениях.
• Мерой раздробленности может служить:
• Поперечный размер частиц (а) , м, см (для сферических частиц – диаметр d, для частиц, имеющих
форму куба – длина ребра l ).
• Дисперсность(D) – величина, обратная поперечному
размеру частицы.
1
D= ,
a
[ D] = ì
−1
−1
(ñì )
Основные характеристики
дисперсных систем
Удельная поверхность (Sуд) – межфазная поверхность,
приходящаяся на единицу объема дисперсной фазы
S óä =
∑ S ä .ô
∑ Vä . ô
;
ì
[ S óä ] =
ì
2
3
=ì
−1
Объем дисперсной фазы часто не известен, вместо него
используют массу дисперсной фазы
S óä =
∑ S ä .ô
mä . ô
,
ì 2
[ S óä ] =
êã
Кривые распределения объёма (массы)
частиц по размерам:
1 — монодисперсная система; 2 — полидисперсная система. dmin, dmax, d0 — соответственно минимальный, максимальный и вероятнейший размер частиц;
f(d) — функция распределения, доля объёма (или массы), которая приходится на
частицы с данным интервалом размеров, делённая на величину интервала.
2.Основные понятия и терминология
• Нано от «nanos» греч карлик 1 нм = 10-9 м
Характерные размеры
некоторых объектов
и
структур
Основные характеристики
наночастиц
• Насыпная плотность Сн кг/м3 – величина массы
порошка, приходящаяся на единицу объема при
свободной его засыпке.
• Насыпная плотность сыпучих материалов зависит от
формы и размеров отдельных частиц (гранулометрического состава), плотности, влажности, шероховатости и других факторов.
• Нанозерно – область (диаметром ≤ 100 нм) в структуре компактного материала, имеющая определенный химический и фазовый состав и характеризующаяся плавно меняющимся составом с окружающими нанозернами.
Основные понятия и терминология
• Наноматериалы - материалы, содержащие структурные
элементы, геометрические размеры которых хотя бы в
одном измерении меньше 100 нм, и обладающие
качественно новыми свойствами и функциональными и
эксплутационными характеристиками.
Терминологические подходы к
понятию наноматериалов
Типичные наноструктуры и
наноматериалы
Нанокристаллы
Нанокристалл алмаза
Нанокристаллы GaAs
Основные понятия и терминология
• Нанотехнология - совокупность методов и приемов,
обеспечивающих возможность контролируемым образом
создавать и модифицировать объекты, включающие
компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие
принципиально новые качества и позволяющие
осуществлять их интеграцию в полноценно
функционирующие системы большего масштаба;
- стремление к миниатюризации изделий,
- уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии,
- необходимостью разработки и внедрения новых материалов с
качественно и количественно новыми свойствами,
- развитие новых технологических приемов и методов, базирующиеся
на принципах самосборки и самоорганизации,
- практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, ретгеновксие
методы, нанотвердость)
- развитие и внедрение новых технологий (ионно-плазменные
технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок,
LIGA-технологии, представляющие собой последовательность
процессов литографии, гальваники и формовки, технологий получения
и формования нанопорошков и т.п.).
Основы классификации материалов