1) Электронная микроскопия. Электронный микроскоп (ЭМ, electron microscope) - высоковольтный вакуумный прибор, в котором увеличенное изображение объекта получают с помощью потока электронов. Разрешающая способность электронного микроскопа достигает 0,1 нм.
Основными типами электронных микроскопов являются сканирующий (растровый) и трансмиссивный (просвечивающий).
2) Растровая электронная микроскопия. Растровый электронный микроскоп (РЭМ, SEM) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением. Растровый электронный микроскоп основан на использовании предварительно сформированного тонкого электронного луча, положением которого управляют с помощью электромагнитных полей. Электронный зонд последовательно проходит по поверхности исследуемого образца. Регистрация электронов, выходящих из объекта, а также других видов излучения (характеристического, светового) дает информацию о различных свойствах микроучастков изучаемого объекта. Соответственно этому системы индикации и другие элементы растровых микроскопов различаются в зависимости от вида регистрируемого излучения.
3) Просвечивающая электронная микроскопия. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ, TEM) – установка, в которой изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.
4) Рентгеновская дифрактометрия. Рентгеновский дифрактометр (SAXS) – прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновских пучков, дифрагированных на исследуемом образце. Прибор применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа, рентгенографии материалов, исследования реальной структуры монокристаллов. Он позволяет измерять интенсивность дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до десятых долей % и угол дифракции с точностью от нескольких минут до долей секунды.
5) Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ, SPM) – прибор, в котором исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0.1 – 10 нм.
В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. В самом простом случае острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с исследуемой поверхностью. Зондовый датчик движется вдоль поверхности, при этом регистрируется изменение изгиба кантилевера или других величин, пропорциональных взаимодействию зонда и исследуемого образца. Кроме простого сканирования, при котором получается карта распределения величины, существуют и другие методики применения СЗМ. Например, при спектроскопии получают множество зависимостей одной величины от другой в различных точках поверхности. При литографии путем воздействия на образец на его поверхности воссоздается заранее заданный рисунок, например, электрической наносхемы. При наноманипуляциях с помощью зонда можно разрезать живую клетку или передвинуть большую молекулу углеродной нанотрубки на заранее подготовленные контакты, получив нанодиод.
Задачи
1. В образце синтезированных наночастиц золота диаметр частиц распределен приблизительно нормально, со средним арифметическим`х и со средним квадратичным отклонением s, указанным в таблице ниже, для соответствующего номера задачи. Вычислить (для своего номера задачи) долю частиц в образце, диаметры которых находятся в пределах от x1 до x2, приняв m =`х и s = s.
| № задачи | `х /нм | s/нм | x1/нм | x2/нм |
| 7.1 | 2.4 | 5.0 | 10.0 |
Решение
Вычислим аргументы z1 и z2 стандартной функции Гаусса, приняв m =`х = 7,1 нм и s = s = 2,4 нм:
z1 = (x1 – m)/s = (5,0 нм – 7,1 нм)/(2,4 нм) = -0,875;
z2 = (x2 – m)/s = (10,0 нм – 7,1 нм)/(2,4 нм) = 1,208;
По таблицам интегральной функции Лапласа найдем F(-0,875) =-Ф(0,875) =.F(1,208) =.
Искомая доля частиц:
F(1,208) - F(-0,875) =
Ответ: 1) 8,61 нм; 2) 0,77 нм; 3) 6,9%.
2. Вычислить силу адгезии наночастицы жидкости к плоской поверхности твёрдого материла, зная константу Гамакера А двух данных фаз, радиус частицы r и величину зазора h между частицей и поверхностью, указанные в следующей таблице (для своего номера задачи):
| № задачи: | |||||
| A·1021/Дж | |||||
| r/нм | |||||
| h/нм | 0,172 | 0,171 | 0,170 | 0,169 | 0,168 |
Решение
По теории Дронсона-Кендела-Робертса, сила F притяжения (адгезии) шарообразной частицы одной фазы и бесконечной по протяженности плоской поверхностью другой или той же фазы выражается формулой
,
где А – константа Гамакера для данной системы (константа дисперсионного взаимодействия молекул фаз), r – радиус частицы, h – расстояние между поверхностью сферической частицы и плоской поверхностью.
Имеем:
Ответ: 1,68 нН
3. Рассчитать потенциальную энергию u взаимодействия двух плоскопараллельных пластин, находящихся в водном растворе электролита с концентрацией с, при значении потенциала диффузного слоя φs, относительной диэлектрической проницаемости εr и температуре t. При расчете принять константу Гамакера А* = 3.0·10–20 Дж. Вычисления сделать для расстояний между пластинами h: 2, 5, 10, 15, 25, 50 нм. Построить график зависимости u = f(h).
| Задача | Электролит | c,ммоль/л | t , °С | εr | φd, мВ |
| KBr | 1,5 | 79,1 |
Решение
Потенциальная энергия взаимодействия двух бесконечно больших плоских пластин (в расчете на единицу площади):
.
Первый член отвечает энергии электростатического отталкивания, второй член – энергии притяжения из-за дисперсионных (межмолекулярных) взаимодействий.
A* – константа Гамакера, h – расстояние между поверхностями пластин, er – относительная диэлектрическая проницаемость среды между пластинами, e0 – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), p – число пи, jd – потенциал на границе диффузной части и плотной части двойного электрического слоя, величина θ (параметр Дебая) равна обратной величине толщины диффузного слоя d:
, 
– ионная сила раствора,
F – постоянная Фарадея.
Рассчитаем ионную сила раствора 1,5 ммоль/л раствора KBr:
Рассчитаем величину толщины диффузного слоя d:
Параметр Дебая:
Потенциальная энергия взаимодействия двух бесконечно больших плоских пластин (в расчете на единицу площади):
.
Результаты расчета энергии (Дж/м2)
Строим график зависимости в программе MathCad.
4. Частицы аэросила SiO2 в водной среде при рН = 6,2 имеют дзета-потенциал – 30,7 мВ. На какое расстояние и к какому электроду сместятся частицы за 30 минут, если напряжение при электрофорезе 110 В, расстояние между электродами 25 см, относительная диэлектрическая проницаемость дисперсионной среды 80,16, вязкость среды 1.002 мПа с?
Решение
Скорость течения (линейная скорость электроосмоса) при заданной напряженности поля E:
.
где er – относительная диэлектрическая проницаемость среды, e0 – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), η – вязкость среды, ζ – электрокинетический потенциал.
Напряженность поля:
Скорость течения:
За 30 минут частицы сместятся на расстояние:
Так как частицы заряжены отрицательно, то они будут двигаться к аноду.
Ответ: 17 мм.
5. Средний квадратичный сдвиг наночастиц золя платины в воде за время 1 с составляет 3,5 мкм. Определить объем наночастицы, если вязкость среды 1,09·10–3 Па·с при 17 °C. Принять сферическую форму частиц.
Решение
Зависимость для среднего квадратичного сдвига (хскв):
Отсюда коэффициент диффузии:
Из уравнения Эйнштейна радиус частицы:
где NА – число Авогадро, 6 · 10 23 молекул/моль;
h – вязкость дисперсионной среды, Н · с/м2 (Па · с);
r – радиус частицы, м;
R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль · К;
T – абсолютная температура, К.
Имеем:
Находим объем частицы:
Ответ: 1,346*10-22 м3.
Список использованной литературы
ДерягинБ. В., Чураев Н. В., МуллерВ. М., Поверхностные силы, М., 1985; Дерягин Б. В., Теория устойчивости коллоидов и тонких пленок, М., 1986. Я И Рабинович
История химии под ред. Менделеева. Классическое издание о развитии химической науки - репринт 1899 г. BIBLIARD
Зимон А.Д. «Коллоидная химия». Изд – 5 М. Апрель., 2007 - 344с.
Зимон А.Д., Вегера А.В. «Коллоидная химия наносистем» М. МГУТУ. 2004.- с.24.
Сергеев Г.Б. «Нанохимия». М. Изд. МГУ. 2003. - 287с.
Андриевский Р.А., Рагуля А.В. «Наноструктурные материалы». М. Академия. 2003. - 312с.
Коллоидно-химические основы нанонауки. / Ред. Шпак А.П., Ульберг З.Р. Киев. Академпериодика. 2005. - 466с.