Содержание
-
Нанохимия и нанотехнологии
-
Лекция 2 Общие представления о нанохимии и нанотехнологии 1 Размерный эффект Наночастицы - объекты, состоящие из атомов, ионов или молекул и имеющие размер менее 100 нм. Примеры - частицы металлов: наночастицы золота, равномерно распределенные в воде, образуют коллоидный раствор – золь. В зависимости от размера частиц золь золота может иметь оранжевую, пурпурную, красную или даже зеленую окраску (рисунок). Рисунок 1- Зависимость цвета золей золота от размера частиц Рисунок 2 - Наночастицы серебра Они могут обладать бактерицидным и фунгицидным действием. Самый простой способ получения золя металлического серебра - простое кипячение аммиачного комплекса «оксида серебра» в воде (рис. 2).
-
Рисунок 2 – коллоидный раствор наночастиц серебра Из-за малого размера наночастицы серебра отличаются по свойствам и от отдельных атомов, и от объемного материала, состоящего из многих миллиардов атомов, например слитка серебра. Многие физические свойства вещества (его окраска, тепло- и электропроводность, температура плавления) зависят от размера частиц. Например, температура плавления наночастиц золота размером 5 нм на 250° ниже, чем у обычного золота (1337 °С) (рисунок 3). По мере увеличения размера наночастиц золота температура плавления возрастает и достигает обычного значения, характерного для материала, который называют объемной фазой, или макрофазой.
-
которых находятся наночастицы металлов или их оксидов. Электропроводность материала определяется длиной свободного пробега - расстояние, которое проходит электрон между двумя соударениями с атомами, оно также измеряется в нанометрах. Если размер наночастицы металла оказывается меньше этого расстояния, то у материала следует ожидать появления особых электрических свойств, не характерных для обычного металла. Рисунок 3 Стекло приобретает окраску, если содержит частицы , имеющие размеры, сопоставимых с длиной волны видимого света. Этим объясняется яркая окраска средневековых витражей, в составе
-
Итак,нанообъекты характеризуются не только малым размером, но и особыми свойствами, которые они проявляют как составная часть материала. Так, окраска стекла «золотой рубин» или коллоидного раствора золота вызвана не одной наночастицей золота, а их ансамблем, т.е. большим количеством частиц, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Отдельные наночастицы, содержащие не более 1000 атомов, называют нанокластерами. Свойства таких частиц значительно отличаются от свойств кристалла, в котором содержится огромное число атомов. Это объясняется особой ролью поверхности. Известно, что реакции с участием твердых тел происходят не в объеме, а на поверхности..
-
Атомы на поверхности обладают большей энергией, т.к. у них меньше соседей в кристаллической решетке. Уменьшение размера частиц приводит к увеличению общей площади поверхности, росту доли атомов на поверхности и возрастанию роли поверхностной энергии. Особенно велика она у нанокластеров, где большинство атомов находится на поверхности. Поэтому нанозолото по химической активности во много раз превосходит обычное: наночастицы золота, содержащие 55 атомов (диаметр 1,4 нм), нанесенные на поверхность TiO2, - хороший катализатор селективного окисления стирола кислородом воздуха до бензальдегида. Частицы диаметром более 2 нм, а тем более обычное золото совсем не проявляют каталитической активности.
-
Зависимость физических и химических свойств наночастиц от их размера называют размерным эффектом. Это – один из важнейших эффектов в нанохимии. Теоретическое объяснение размерному эффекту даёт химическая термодинамика. Так, зависимость температуры плавления от размера объясняется тем, что атомы внутри наночастиц испытывают дополнительное поверхностное давление, которое изменяет их энергию Гиббса . 2 Классификация нанообъектов Общепринятым подходом к определению нанообъектовявляется положение о том, что к ним относятся такие объекты, размеры которых хотя бы в одном из пространственных направлений составляют примерно 0,1..100 нм - это так называемые малоразмерные объекты.
-
Существует много способов классификации нанообъектов. По наиболее простейшей все нанообъекты подразделяют на два больших класса – сплошные (внешние) и пористые (внутренние): Сплошные объекты классифицируют по размерности: 1) объемные трехмерные (3D) структуры, их называют нанокластерами; 2) плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки; 3) линейные одномерные (1D) структуры – нанонити или нанопроволоки ; 4) нульмерные (0D) объекты – наноточки, или квантовые точки. К пористым структурам относят нанотрубки и нанопористые материалы.
-
Нанокластеры состоят из атомов металлов или относительно простых молекул. Для них разработана своя классификация – по размерам: Число атомов Диаметр, Доля атомов на Число Тип в нанокластере нм поверхности, % внутренних слоёв кластера 1 0,24-0,34 100 0 - 2 0,45-0,60 100 0 - 3-12 0,55-0,80 100 0 малый 13-100 0,8-2,0 92-63 1-3 средний 10²-10⁴ 2 -10 63-15 4-18 большой 10⁴-10⁵ 10-30 15-2 > 18 гигантский >10⁶ > 30
-
Нанокластеры присутствуют даже в обычной воде - агломераты из отдельных молекул воды, соединенных друг с другом водородными связями. Особенно много их - в воде при низкой температуре, вблизи точки плавления. Такая вода характеризуется особыми свойствами: имеет большую плотность, по сравнению со льдом, и лучше усваивается растениями. Это пример того, что свойства вещества определяются не только его химической формулой, но и его строением, в том числе и на наноуровне. Рисунок 4 –Возможные структуры нанокластераAu24.Наиболее устойчивая – а.
-
Наиболее полно изучены нанотрубки. Это цилиндрические структуры нанометровых размеров. Углеродные нанотрубки открыты в 1951 г. советскими физиками Л.В.Радушкевичем и В.М.Лукьяновичем. Но они опубликовали своё открытие в отечественном научном журнале год спустя. Их работа прошла незамеченной.
-
Вновь интерес к нанотрубкам возник после работ зарубежных исследователей в 1990-е гг. Углеродные нанотрубки в 100 раз прочнее стали, многие из них хорошо проводят тепло и электрический ток. Ученым удалось синтезировать нанотрубки нитрида бора и некоторых металлов, например золота. По прочности они уступают углеродным, но благодаря гораздо большему диаметру, способны включать в себя сравнительно крупные молекулы.
-
Рисунок 5 – Микрофотографии золотых нанотрубок Одномерные нанообъекты - нанонити, или нанопроволоки . Это протяженные наноструктуры с сечением менее 10 нм. При этом объект начинает проявлять особые, квантовые свойства. Известны нанопроволоки металлов (никеля, золота, меди) и полупроводников (кремния), диэлектриков (оксида кремния).
-
При медленном взаимодействии паров кремния с кислородом в особых условиях получают нанопроволоки оксида кремния, на которых, как на веточках , висят шаровидные образования из кремнезема, напоминающие ягоды вишни. Размер такой «ягоды» составляет всего 20 микрон (мкм). Известны молекулярные нанопроволоки, например, молекула ДНК – хранитель наследственной информации.
-
Небольшое количество неорганических молекулярных нанопроволок представляют собой сульфиды или селениды молибдена. Фрагмент структуры одного из этих соединений приведен на рисунке 5. Рисунок 5 – Структура нанопроволоки селенида молибдена, состоящей из 7 слабо взаимодействующих молекулярных цепочек Двумерные нанообъекты - нанопленки. Благодаря очень малой толщине (всего в одну или две молекулы) они пропускают свет и незаметны для глаза. Полимерные нанопокрытия из полистирола и других полимеров надежно защищают многие предметы, используемые в быту, – экраны компьютеров, окошки сотовых телефонов, линзы очков.
-
Одиночные нанокристаллы полупроводников (например, ZnS или CdSe) размером до 10–50 нм называют квантовыми точками. Их считают нуль-мерныминанообъектами. Они содержат от 100 до 100 000 атомов. При облучении квантового полупроводника возникает пара «электрон–дырка» (экситон), движение которой в квантовой точке ограничено по всем направлениям. Переходя из возбужденного состояния в основное, квантовая точка испускает свет. Длина волны зависит от размера точки. Эту способность используют для разработки лазеров и дисплеев нового поколения. Квантовые точки можно использовать и в качестве биологических меток (маркеров), соединяя их с определенными белками.
-
Методы синтеза и исследования наночастиц Все методы синтеза делятся на 2 группы. 1-я группа объединяет способы, позволяющие получить и изучить наночастицы. Это: конденсация при сверхнизких температурах; некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления; лазерное испарение. 2-я группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы и нанокомпозиты: различные варианты механохимического дробления; конденсация из газовой фазы; плазмохимические методы и др.
-
Разделение методов - условное, но отражает еще одну их особенность: получение частиц путем укрупнения отдельных атомов, или подход «снизу вверх»; различные варианты диспергирования и агрегации, или подход «сверху вниз». Первый подход характерен : для химических методов получения наночастиц, второй - для физических методов.
-
При получении наночастиц «снизу вверх» единичные атомы рассматриваются как нижняя граница нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера частиц не ведет к качественным изменениям химических свойств. Количество атомов, определяющих верхнюю границу, индивидуально для каждого элемента периодической системы.
-
Все методы «снизу вверх» делят на 2 больших класса: 1)осаждение наночастиц из газовой фазы; 2) образование наночастиц в коллоидном растворе. Если осаждение из газовой фазы происходит с изменением состава вещества, его называют химическим, если химической реакции при осаждении нет, это физический процесс (см.рис.).
-
Рисунок –Физическое (а) и химическое осаждение (б) Физическое осаждение из газовой фазы обычно используют для получения наночастиц простых веществ – преимущественно металлов и некоторых неметаллов. Для этого вещество испаряют, полученный пар переносят в место осаждения и охлаждают. Устройство для осаждения включает четыре основных элемента: - вакуумная камера с насосом; испаряемая поверхность – источник вещества; среда – вакуум или плазма, содержащая ионы инертного газа; принимающая поверхность (субстрат), на которой происходит осаждение наночастиц.
-
Порядок процесса осаждения в камере создаётся высокий вакуум (10–4–10–6 Па); камеру заполняют инертным газом, чаще всего аргоном; при химическом осаждении в камеру добавляют газы, которые реагируют с веществом – кислород, азот, ацетилен; идёт процесс испарения. Для этого используют разные способы: нагревание излучением импульсного лазера высокой интенсивности (лазерная абляция), бомбардировку пучком электронов в высоком вакууме, воздействие газоразрядной плазмой, нагревание в электрической дуге;
-
идёт охлаждение. Атомы или молекулы из газовой фазы осаждаются в виде наночастиц на специальной поверхности – подложке (субстрате). Это могут быть грани кристаллов, тонкие пленки и др. Размер и форма образующихся наночастиц существенно зависят от условий осаждения (Т, Р, скорость потока газа) и свойств подложки. Так получают нанокластеры металлов – серебра, золота, платиновых металлов, железа, кобальта, а также оксидов металлов, например ZnO, TiO2 и др.
-
Меняя условия осаждения, можно получать одномерные металлические нити или более сложные наноансамбли. При химическом осаждениииз газовой фазы на поверхности подложки адсорбируются атомы и молекулы веществ, образующихся в результате химических реакций, которые протекают, как правило, при высокой температуре – от 600 до 1000 °С. Реагенты, используемые для химического осаждения, называют прекурсорами (предшественниками синтезируемых наночастиц). Прекурсор испаряют при нагревании и под давлением инертного газа направляют в реакционную зону, где и происходит его превращение в нанопродукт. Многие реакции требуют катализатора, он играет роль затравки для кристаллизации.
-
Прекурсор испаряют при нагревании и под давлением инертного газа направляют в реакционную зону, где и происходит его превращение в нанопродукт. Многие реакции требуют катализатора, он играет роль затравки для кристаллизации.
-
-
ЛЕКЦИЯ 3
Вопросы: Методы синтеза и исследования наночастиц - получение наночастиц «снизу - вверх» (химические методы) и «сверху - вниз» (физические методы); - 2 класса химических методов получения и исследования (сущность методов, примеры, порядок процессов, понятие «прекурсора», аппаратура, применяемая для получения и исследования наночастиц. 2) Химические методы исследования (снизу-вверх)
-
Химические методы синтеза «снизу вверх» Для углеродных нанотрубокпрекурсорами служат метан или бензол. Термическая диссоциация метана в присутствии катализатора (наночастиц переходных металлов): CH4 = C + 2H2, Образуются атомы углерода, которые последовательно, один за одним, формируют углеродную трубку. Частицы катализатора выступают в роли зародышей. Атомы углерода осаждаются на поверхности субстрата, диффундируют через наночастицу металла и соединяются в нанотрубку, которая растет снизу вверх.
-
Рисунок -Образование углеродной нанотрубки при разложении метана
-
Диаметр нанотрубки определяется размером частицы катализатора. Вместо метана можно использовать и другие доступные углеводороды: этилен, ацетилен, этан. При разложении бензола трубка формируется не из атомов, а из углеродных шестичленных циклов (гексагонов), которые соединяются друг с другом путем отщепления молекул водорода. Рисунок – Соединение углеродных циклов при дегидрировании бензола Получение нанокластеров металлов
-
Получение нанокластеров металлов Используют летучие соединения, способные разлагаться на атомы металла и молекулы газа. Примеры: 1) Карбонил никеля Ni(CO)4 – бесцветная жидкость, при нагревании легко превращается в металлический никель: Ni(CO)4 = Ni + 4CO 2) Разложением азида лития LiN3 получают литий: 2LiN3 = 2Li + 3N2, Этими методами получают кластеры металла диаметром менее 5 нм.
-
Нанокластеры металлов легко вступают в реакции и поэтому неустойчивы. Чтобы их стабилизировать, к атомам, находящимся на поверхности, присоединяют органические молекулы – лиганды. Более устойчивы к внешним воздействиям - наночастицы оксидов . Их получают сжиганием веществ в пламени: Распыляя мелкие порошки кремния, алюминия и других металлов, получают наночастицы оксидов этих элементов: Si + O2 = SiO2 4Al + 3O2 = 2Al2O3 Наночастицы оксида титана получают при окислении паров хлорида титана(IV) кислородом : TiCl4 + O2 = TiO2 + 2Cl2
-
Сначала образуются отдельные зародыши оксидов, а затем - более крупные наночастицы. Частицы оксидов должны находиться в зоне реакции незначительное время (тысячные доли секунды), иначе они укрупнятся и превзойдут «наноуровень». Наночастицы можно получать и в более мягких условиях, например, в жидкой фазе. Обычно наночастицы металлов получают восстановлением различных соединений золота(III), например , солей. Один из стандартных методов получения коллоидных растворов золота: восстановление NaAuCl4 цитратом натрия (натриевая соль лимонной кислоты) в присутствии 12-аминододецилтиола H2N(CH2)12SH.
-
Соль лимонной кислоты теряет одну карбоксильную группу (происходит декарбоксилирование), а вторичная спиртовая группа CH–OH окисляется в кетонную C=O. Уравнение реакции: Молекулы аминоалкантиола (аминотиольныелиганды) покрывают поверхность образующихся наночастиц за счет реакции с атомами золота: и защищают их от взаимодействия друг с другом и укрупнения до макроразмеров
-
Рисунок - Наночастица золота, покрытая слоем молекул аминоалкантиола Наночастицы оксидов в растворах часто получают гидролизом солей при повышенной температуре. При нагревании раствора хлорида железа(III) при 95 °С получают нанопорошок оксида железа(III): 2FeCl3 + 3H2O = Fe2O3 + 6HCl
-
Гидролиз протекает необратимо, т.к. образующийся HCl плохо растворим в очень горячей воде и выделяется в виде газа. В результате равновесие гидролиза смещается вправо. Образующийся первоначально при гидролизе гидроксид железа(III) разлагается с образованием оксида. Часто при гидролизе отдельные наночастицы объединяются в более крупные агрегаты или образуют коллоидный раствор – золь, далее переходящий в нерастворимый гель. Например, гидролиз сложных эфиров ортокремниевой кислоты (тетраалкоксисиланов) приводит к образованию геля кремниевой кислоты: Si(OR)4 + 3H2O = SiO2•H2O + 4ROH Если требуется получить отдельные наночастицы оксида кремния, то в раствор необходимо ввести вещество, которое будет препятствовать объединению отдельных частиц.
-
Наночастицы полупроводниковых материалов осаждают из растворов, используя обменные реакции. Например, наночастицы селенида цинка получают, пропуская ток селеноводорода через слабый раствор ацетата цинка: Zn(CH3COO)2 + H2Se = ZnSe + 2CH3COOH Чтобы предотвратить слипание частиц и образование крупнокристаллического осадка, в раствор соли добавляют ПАВ, например олеиновую кислоту. Так получают квантовые точки – нанокристаллы полупроводников.
-
Все перечисленные методы синтеза приводят к образованию наночастиц, характеризующихся некоторым распределением по размерам. Чем уже это распределение, тем выше качество синтетического метода. Например, при восстановлении соединений палладия(II) водородом образуются кластеры диаметром 1,3 - 2,6 нм, а средний диаметр составляет 2,0 нм (рисунок). Рисунок - Распределение нанокластеров Pd по размерам
-
Во многих нанотехнологиях требуются частицы совершенно одинакового размера – монодисперсные. Для получения таких систем смесь наночастиц разделяют по размерам, используя разнообразные физические методы : – седиментацию, электрофорез или селективную адсорбцию молекулярными ситами. В качестве адсорбента используют пористые материалы на основе оксида кремния со строго фиксированными размерами пор .
-
Рисунок - Селективная по размерам адсорбция наночастиц молекулярными ситами
-
Методы исследования и диагностики нанообъектов Важное значение в химических превращениях наночастиц имеют размера и их физико-химические свойства. Исследования свойств частиц на поверхности и в объеме различаются. Методы определения размера и свойств наночастицв газовой фазе: - ионизация фотонами и электронами и последующий анализ получаемых масс-спектров; - атомное распыление и последующая селекция по массам нейтральных кластеров; - электронная просвечивающая микроскопия на сетках (позволяет определить размер и форму частиц)
-
Для исследования наночастиц на поверхности используют: - просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию (ПЭМ и СЭМ); - дифракцию электронов; - сканирующую туннельную микроскопию (СТМ); - адсорбцию газов; - фотоэлектронную спектроскопию; электропроводность. Важнейшая роль принадлежит электронной микроскопии и сканирующей зондовой микроскопии.
-
Обычный оптический микроскоп не позволяет разглядеть не только атомы, но и наночастицы. Причина в том, что в нём для получения изображения используют видимый свет с длиной волны 400-700 нм. Волновая оптика учит, что 2 объекта нельзя различить, если расстояние между ними значительно меньше длины волны излучаемого света. Поэтому в оптический микроскоп можно увидеть, например, живые клетки, размер которых составляет микроны (т.е. тысячи нанометров), более мелкие объекты не видны. Для этого нужно излучение со значительно меньшей длиной волны.
-
-
Устройства оптического и электронного микроскопа похожи. Они состоят из: источника излучения; системы фокусировки излучения на изучаемом объекте; регистрирующего устройства – детектора. В электронном микроскопе: источником электронов служит электронная пушка; фокусировка пучка электронов осуществляется электромагнитными линзами; детектором является люминесцентный экран.
-
Различают просвечивающие и сканирующие (растровые) электронные микроскопы. Они дают различную информацию об объекте и часто используются совместно. В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) пучок электронов проходит через очень тонкий (
-
Электронная пушка - - длинная широкая труба. Она имеет вольфрамовую нить, которая раскаляется добела электрическим током. Атомы вольфрама начинают испускать электроны. Путь электронов от пушки до объекта проходит в высоком вакууме, т.к. электроны ионизируют любой газ. В более мощных микроскопах электроны генерируют при помощи кристалла кремния, находящегося в сильном электрическом поле. Рисунок - Устройство просвечивающего электронного микроскопа
-
Объект помещают на предметный столик в форме пленки или тонкого среза и просвечивают его пучком электронов. Часть электронов взаимодействуют с атомами вещества, отклоняются, попадают в системы магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране изображение внутренней структуры объекта. Рассеянные электроны задерживают при помощи диафрагм, позволяющих регулировать контрастность изображения. Рисунок - Устройство просвечивающего электронного микроскопа
-
-
Сканирующие (растровые) электронные микроскопы (СЭМ, РЭМ) строят изображение внешней поверхности образца. Поверхность образца сканируется с помощью электронного луча, сжатого магнитными линзами до размера порядка 5 нм. После взаимодействия луча с поверхностью электроны рассеиваются и попадают на детектор, регистрирующий сигнал и преобразующий его в изображение поверхности.
-
Сканирующие (растровые) электронные микроскопы (СЭМ, РЭМ) строят изображение внешней поверхности образца. Поверхность образца сканируется с помощью электронного луча, сжатого магнитными линзами до размера порядка 5 нм. После взаимодействия луча с поверхностью электроны рассеиваются и попадают на детектор, регистрирующий сигнал и преобразующий его в изображение поверхности. Интенсивность сигнала зависит от рельефа поверхности, размера частиц и их химического состава. Все это определяют с помощью СЭМ. Разрешение СЭМ обычно меньше, чем у ПЭМ, и составляет от единиц до десятков нанометров.
-
Рисунок – микрофотографии с помощью СЭМ: а) поверхность оксида цинка, осажденного на золотой подложке; б) разрыв кровеносного сосуда, видны гладкая эндотелиальная выстилка сосуда и несколько эритроцитов; в) поверхность дигидрофосфата калия. а) б) в)
-
Все микрофотографии черно-белые, они не способны передавать цвет. Исследователи часто сами придают им ту или иную окраску. В пространстве, через которое проходит электронный пучок в микроскопе, создают вакуум, т.к. электроны поглощаются молекулами, входящими в состав воздуха. Образец также помещают в отсек, из которого откачивают воздух специальным насосом.
-
Электронный микроскоп – очень дорогое оборудование и доступен лишь крупным исследовательским лабораториям. Существуют и другие виды сканирующих устройств – сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ). Построение изображения СЗМ основано на сканировании поверхности зондом. СЗМ позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением.
-
СЗМ имеет: зонд; систему перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам и регистрирующую систему. Зонд – это микроскопический, очень чувствитель-ный щуп. Он пробегает (сканирует) шероховатости поверхности атомарного размера. Рисунок – Схема СЗМ В ряде случаев зонд физически может двигать атомы.
-
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образец. Регистрируемое значение обрабатывается системой, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). Основой всех типов сканирующей зондовой микроскопии является взаимодействие зонда с исследуемой поверхностью за счет механических, электрических или магнитных сил. Природа взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному семейству зондовых микроскопов. Основные типы СЗМ: Сканирующий туннельный микроскоп(СТМ); Сканирующий атомно-силовой микроскоп(АСМ); Ближнепольный оптический микроскоп(БОМ).
-
Рисунок – Схема СТМ Рисунок – Изображение графенового участка на платиновой подложке, полученное с помощью СТМ. На границах участка и в его пределах выделяются пять «пузырьков».
-
СТМ имеет миниатюрный зонд – тончайшую иглу из золота , которая скользит по поверхности образца. Конец иглы состоит всего из одного атома! Он приближается к образцу на расстояние около 1 нм. На поверхности иглы возникает небольшой положительный заряд, и электроны с поверхности образца переходят на зонд. Явление беспрепятственного прохождения частиц через потенциальный барьер называют туннельным эффектом.
-
Зонд сканирует поверхность, перемещаясь вдоль поверхности образца на постоянной высоте. При этом фиксируют изменение потока электронов через зонд (величины туннельного тока), который преобразуют в изображение поверхности. В другом методе кончик зонда перемещают вдоль поверхности образца так, чтобы туннельный ток был постоянным, а фиксируют изменение расстояния от зонда до поверхности. Траектория движения острия зонда отображает поверхность образца..
-
Рисунок – Схема атомно-силового Рисунок – Топография микроскопа (АСМ) пленки ниобия Размер пленки 1 × 1 мкм. В верхней части рисунка — схематическое изображение иглы АСМ и его снимок в правой части, полученный СЭМ.
-
Принцип действия АСМ аналогичен СТМ. Вместо туннельного тока измеряют силу отталкивания зонда от поверхности образца. В качестве зонда используется наноразмерное остриё, располагающееся на конце упругой консоли - кантилевера. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу кантилеверас помощью оптической системы, выполненной по схеме оптического рычага (схема на след. слайде). Регистрируя величину изгиба, можно сделать вывод о рельефе поверхности.
-
1 – заострённое оптическое волокно; 2 – металлическое покрытие; 3 – проходящее через зонд излучение; 4 – выходная апертура зонда, d
-
Кантилевер - массивное прямоугольное основание с размерами 1,5хЗ,5хО,5 мм и выступающей из него балкой (собственно кантилевер) шириной до 0,03 мм и длиной порядка 0,1—0,5 мм. Одна из сторон балки зеркальная. Это позволяет использовать оптическую систему, контролирующую изгиб кантилевера. На противоположном свободном конце балки находится игла, взаимодействующая с измеряемым образцом. Вся конструкция, кроме иглы, — кремниевый монокристалл. Схематическое изображение и электронная микрофотография типичного кантилевера с зондом
-
Схема системы детектирования изгиба кантилевера оптической системой C помощью АСМ можно не только изучать расположение атомов на поверхности образца, но и изменять структуру поверхности. Для этого можно использовать физическое взаимодействие зонда с поверхностью, индуцировать с помощью зонда ее электрохимическое окисление или, используя взаимодействие поверхностных атомов с зондом, механически перемещать их с места на место, осуществляя тем самым процесс литографии на наноуровне.
-
Cамый простой режим работы АСМ - измерение нанорельефа поверхности при перемещении образца под зондом по заданной траектории. В отличие от СЭМ, АСМ не требует сверхвысокого вакуума, он может работать в обычной воздушной или даже жидкой среде, что позволяет изучать биологические объекты. Но по скорости сканирования АСМ значительно уступают СЭМ. АСМ-изображение поверхности графита Размер изображения (2×2) нм2 C помощью АСМ можно не только изучать расположение атомов на поверхности образца, но и изменять саму структуру поверхности, используя физическое взаимодействие зонда с поверхностью, проводя с помощью зонда ее электрохимическое окисление или, используя взаимодействие поверхностных атомов с зондом, механически перемещать их с места на место, осуществляя процесс литографии на наноуровне.
-
Пример АСМ-нанолитографии. Размер изображения (7,7×4,8) нм2 В 2005 г. ученые из Японии,используя сверхвысоковакуумный АСМ, построили изображение химического символа олова, состоящее из 120 атомов этого элемента, нанесенных на поверхность германия (рисунок). Изображение получено при комнатной температуре.
-
Другая модификация зондового микроскопа - ближнепольный оптический микроскоп (БОМ). Он имеет оптический зонд - заостренное оптическое волокно, наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла. Кроме микроскопии для исследования нанообъектов используют и другие физические методы: рассеяние рентгеновских лучей, спектроскопия, масс-спектрометрия. Различные методы хорошо дополняют друг друга. Таким образом, в настоящее время существует возможность детально описывать реальную структуру наночастиц с высоким пространственным разрешением.
-
В нашей стране создано учебное оборудование для преподавания основ нанотехнологии. Разработан научно-учебный комплекс , который включает базовый СЗМ, учебное пособие и апробированный лабораторный практикум с набором учебных образцов для микроскопических исследований. Это – учебный класс для обучения основам нанотехнологий. Микроскоп позволяет проводить как АСМ-, так и СТМ- измерения таких объектов, как ДНК, накопители нформации (CD, DVD и матрицы для их изготовления), микро- и наноструктуры, оптоэлектронные элементы и др.
-
Вопросы 1 Какие основные способы получения наночастиц вы знаете? 2 Чем отличаются физическое и химическое осаждение из газовой фазы? 3 Нанокластеры молибдена получают химическим осаждением из газовой фазы, используя в качестве прекурсоракарбонил молибдена Mo(CO)6. Напишите уравнение реакции, происходящей в газовой фазе. 4 Предложите эксперимент по внедрению наночастиц серебра в нанотрубки из оксида титана. 5 Предположите, какие соединения можно использовать в качестве прекурсоров для химического осаждения из газовой фазы наночастиц золота и серебра. 6 На чем основан принцип действия электронного микроскопа? 7 Опишите, как работает сканирующий туннельный микроскоп. 8 Почему образец, исследуемый при помощи электронного микроскопа, не может находиться на воздухе? 9 Каковы преимущества и недостатки атомно-силовой микроскопии по сравнению со сканирующей электронной микроскопией? 10 Изучите рис. 16. Считая, что маленькая светлая точка изображает один атом олова, оцените, сколько атомов входит в состав больших точек, формирующих буквы символа Sn?
-
Контрольная работа № 1
1)Объясните значение терминов: кластер, наночастица, нанотрубка, квантовая точка, нанопроволока. 2)Почему окраска коллоидных растворов золота, содержащих наночастицы, отличается от цвета обычного металла? 3) К какому типу кластеров относится частица Au55? 4) В чём сходство и отличие воды, полученной плавлением льда, и воды, образующейся при конденсации пара? 5) Сферическая наночастица золота имеет радиус1,5 нм. Радиус атома золота -0,15 нм. Сколько атомов золота содержится в наночастице? 1)Чем отличаются физические методы получения наночастиц от химических? 2) Объясните смысл понятия «размерный эффект». В каких свойствах он проявляется? 3) Нанопорошок меди , в отличие от медной проволоки, быстро растворяется в кислоте HI. Как это можно объяснить? 4) Приведите примеры нанообъектов размерностью 3, 2, 1, 0. 5) Определите число атомов золота, содержащихся в 1 м3 и в 1 нм3. 1м3 золота весит 19,3 т. Атомная масса Au -197. Вариант 1 Вариант 2
-
ЛЕКЦИЯ 4 Нанотехнология
-
Понятие о нанотехнологии претерпело несколько изменений. Впервые термин «нанотехнология» употребил в 1974 г. японский инженер НориоТанигучи как «технологию производства, позволяющую достигать сверхвысокую точность и ультрамалые размеры ...порядка 1 нм». В 1980-1990 гг. после работ Дрекслерананотехнологией стали называть создание различных устройств из отдельных молекул. Под нанотехнологией понимали область науки.
-
Более близким к истине стало определение нанотехнологии, данное А.Франксом в 1987 г.: «Нанотехнология – это производство с размерами и точностями в области 0,1–100 нм». Это проявилось в развитии микроэлектроники: с субнанометровой точностью (менее 100 нм) производятся микросхемы и микроэлектромеханические устройства. Таким образом, термин «нанотехнология» означает практическое применение объектов наномира.
-
Существует четкое определение нанотехнологии: – это совокупность методов и приемов, применяемых при изучении, проектировании, производстве и использовании структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1–100 нм) для получения объектов с новыми химическими, физическими, биологическими свойствами. Ключевой в этом определении является последняя часть, подчеркивающая, что основная задача нанотехнологий – получение объектов с новыми свойствами.
-
В определении несколько ключевых выражений: 1) Определен масштаб наноэлементов – от 1 до 100 нм (хотя бы в одном измерении). 2) Наноэлементы должны обусловливать новые свойства по сравнению с объектами, состоящими из макрофазы вещества такого же состава. 3) Определение отражает междисциплинарный характернанотехнологии – в ее развитии участвуют все ключевые естественные науки, а также математика и информационные технологии.
-
Все существующие технологии, и «нано» – не исключение, основаны на достижениях фундаментальной науки. Цели нанотехнологии – проектирование, производство и использование наноструктур. Основная цель нанотехнологии, как и любой другой технологии, – производство товара и получение прибавочной стоимости, поэтому состояние и развитие нанотехнологии определяются рыночными механизмами. В контексте нанотехнологий часто употребляют слово «инновация», означающее научное открытие, доведенное до уровня практического использования.
-
Слово «инновация» означает научное открытие, доведенное до уровня практического использования. Инновационный путь включает ряд этапов: фундаментальные исследования; прикладные исследования; опытное производство; промышленное производство; товар. Рынок. Нанотехнология охватывает все этапы этой цепочки, объединяя в себе научную, производственную и экономическую стороны деятельности.
-
Какие же достижения нанонауки уже нашли свое применение или обещают это сделать в ближайшем будущем? Вот несколько примеров достижений нанонауки, нашедших своё применение. Механические наноустройства Одну из научных основ нанотехнологии составляет наномеханика, исследующая механические свойства наносистем. Для управления свойствами наномира надо овладеть, в первую очередь, механическим движением и научиться контролировать перемещения отдельных наночастиц – поступательные или вращательные. К числу самых интересных проблем наномеханики относится создание наномоторов – устройств, способных превращать тепловую, электрическую или световую энергию в движение.
-
Другое название этих устройств – актюаторы (от англ. act – действовать). Такие моторы существуют и в природе – с их помощью перемещаются некоторые бактерии. К клетке бактерии прикреплен миниатюрный жгутик, колебания которого и приводят микроорганизм в движение. «Вал»
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.