Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Види та фізичні властивості наночасток
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Не вказано
Кафедра:
Кафедра електронних приладів
Інформація про роботу
Рік:
2018
Тип роботи:
Курсова робота
Предмет:
СП
Група:
ЕЛ
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти та науки України
Національний університет «Львівська політехніка»
Кафедра електронних приладів
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни:
«Методи дослідження органічних наноструктур»
на тему:
«Види та фізичні властивості наночасток»
Зміст
Вступ……………………………………………………………………………….3
Розділ 1. Види та фізичні властивості наночасток………………………………5
1.1 Види наночастинок……………………………………………………………5
1.1.1 Фулерени: бакіболи і вуглецеві трубки…………………………………….5
1.1.2 Рідкі кристали………………………………………………………………..6
1.1.3 Ліпосоми……………………………………………………………………..7
1.1.4 Квантові точки……………………………………………………………….9
1.1.5 Дендримери………………………………………………………………….9
1.1.6 Нанострижень……………………………………………………………...10
1.2 Властивості наночастинок…………………………………………………..11
1.3 Нанотехнологія………………………………………………………………13
1.4 Синтез наночасток…………………………………………………………...14
Розділ 2. Задача …………………………………………………………………..17
Висновок………………………………………………………………………….19
Список використаної літератури………………………………………………..20
Вступ
Наночастинка - частинка речовини довільної форми з розмірами від 1 до 100 нм. У нанотехнології частинкою називають невеликий об'єкт, що поводиться як єдине тіло стосовно своїх транспортних та фізичних властивостей. Наночастинки за цією класифікацією теж саме, що ультрадрібнодисперсні частинки, дрібнодисперсні частинки мають розміри від 100 до 2500 нм, а крупні — від 2500 до 10 тис. нм. Дослідження наночастинок актуальні й інтенсивні завдяки численним потенційним застосуванням в медицині та фізиці, оптиці та електроніці.
Зменшення частинок до нанометрових розмірів призводить до прояву в них так званих «квантових розмірних ефектів», коли розміри досліджуваних об'єктів можна порівняти з довжиною де-бройлівскої хвилі електронів, фононів та екситонів. У сфероїдальних наночастинках має місце тривимірне квантування рівнів, що дозволяє говорити, в залежності від складу наночастинок, про утворення «квантових точок», «квантових кристалітів» та інших об'єктів з нульовою розмірністю.
Однією з головних причин зміни фізичних і хімічних властивостей малих частинок в міру зменшення їх розмірів є зростання відносної частки «поверхневих» атомів, що знаходяться в інших умовах (координаційне число, симетрія локального оточення і т.п.), ніж атоми всередині об'ємної фази. З енергетичної точки зору зменшення розмірів частки призводить до зростання ролі поверхневої енергії.
В даний час унікальні фізичні властивості наночастинок, що виникають за рахунок поверхневих або квантово-розмірних ефектів, є об'єктом інтенсивних досліджень. Особливе місце в цьому ряду займають магнітні властивості наночастинок; тут найбільш чітко виявлені відмінності (іноді дуже суттєві) між компактними магнітними матеріалами і відповідними наночастинками і створена теоретична база, здатна пояснити багато з спостережуваних ефектів.
Який мінімальний розмір постійного магніту? Яким методом і на основі яких хімічних елементів можна створити такий магніт? Чи можна отримати матеріал, де б ці дрібні магнітики були розподілені в немагнітному середовищі, і які будуть їх магнітні властивості? Ці та інші питання, поставлені ще в 30-і роки, стимулювали надалі численні теоретичні та експериментальні дослідження [1].
Розділ 1. Види та фізичні властивості наночасток
1.1 Види наночастинок
Великі бібліотеки наночастинок включають безліч розмірів, форм і матеріалів. Вони володіють різними хімічними та поверхневими властивостями.
Область нанотехнологій перебуває в стані стабільного швидкого зростання, і традиційні бібліотеки раз у раз поповнюються новими видами наночастинок. Класи частинок, про які піде мова далі, є досить поширеними і багатофункціональними. Вони широко використовуються в біотехнологіях, і особливо в наномедицині.
1.1.1 Фулерени: бакіболи і вуглецеві трубки
Фулерени або бакіболи (Рис.1.1) - одна з кількох алотропних модифікацій Карбону. Найвідоміший фулерен - молекула C60, яка має ідеальну форму футбольного м'яча.
/
Рис.1.1 Фулерен
Відкриті в 1985 Робертом Керлом, Гарольдом Крото й Річардом Смолі, ці молекули, що складаються тільки з атомів Карбону, отримали свою назву на честь Річарда Бакмінстера Фулера - архітектора, що прославився побудовою ажурних куполів. Першовідкривачі отримали Нобелівську премію з хімії в 1996 році.
Природні фулерени можна знайти в сажі. Кристалічна форма фулеренів називається фулеритом [2].
1.1.2 Рідкі кристали
Рідкий кристал (Рис 1.2) - специфічна термодинамічна фаза деяких речовин, якій властиві риси як рідини (текучість), так і кристалу (анізотропія властивостей).
/
Рис. 1.2 Рідкий кристал
Рідкий кристал - проміжна фаза (мезофаза) між ізотропною рідиною і кристалічним твердим тілом. Рідкі кристали - це флюїди, молекули яких певним чином впорядковані, тобто існує певна симетрія. Як наслідок, існує анізотропія механічних, електричних, магнітних та оптичних властивостей речовин цього класу. Поєднуючи властивості рідин та твердих тіл (текучість, анізотропія), рідкі кристали проявляють специфічні ефекти, багато з яких не спостерігаються у рідинах та твердих тілах. Зокрема, в рідких кристалах спостерігається подвійне променезаломлення, флексоелектричний ефект, перехід Фредерікса.
Речовина, яка здатна переходити при певних умовах (температурі, тискові, концентрацiї) в рiдкокристалiчний стан (мезоморфний, мезофаза), що є промiжним мiж рiдким (характерна плиннiсть) i кристалiчним (анiзотропнi властивостi - оптичнi, електричнi, магнiтнi та iн.) при вiдсутностi тримiрного дальнього порядку розмiщення атомiв чи молекул. Це молекулярні кристали з властивостями одночасно і рідин і кристалів. Вони переважно складаються з тороподібних чи дископодібних молекул, що можуть утворювати одну чи більше різних впорядкованих флюїдних фаз, а також ізотропні флюїди; трансляційний порядок у них є цілком чи частково порушеним, але значна частка орієнтаційного порядку зберігається при переході від кристалічної до рідинної фази при мезоморфному переході. Hа фазовiй дiаграмi температурний діапазон iснування рiдкого кристала обмежується температурою плавлення твердого кристала й температурою просвiтлення, при якiй рiдкокристалiчний твердий зразок стає прозорим внаслiдок плавлення мезофази й перетворення її в iзотропну рiдину. Такi речовини в рiдкому станi утворюють нематичну фазу - з великим ступенем лiнiйного впорядкування, або смектичну - з великим ступенем впорядкування в площинi.
1.1.3 Ліпосоми
Ліпосома (Рис. 1.3) - кулеподібне утворення (близько 100 нм у діаметрі) що має подвійний ліпідний шар. Ліпосоми мають порожнину в середині, яка зазвичай заповнена розчинником (водою), але може використовуватись для доставки різноманітних речовин (скажімо, ліків) у клітини.
/
Рис.1.3 Ліпосома
Мембрани зазвичай складаються з фосфоліпідів, амфіфільні молекули яких самоорганізовуються в бішари, залишаючи оберненими до води лише полярні кінці. Схожа структура й клітинних мембран.
Назва походить з грецької (ліпос - жир + сома - тіло).
1.1.4 Квантові точки
Квантова точка (Рис. 1.4), також відома як напівпровідниковий нанокристал або штучний атом - кристал напівпровідника, розмір якого має порядок декількох нанометрів. Звичайно вони містять від 100 до 1000 електронів і мають розмір від 2 до 10 нанометрів, або 10-50 атомів, в діаметрі. Для точок розміром 10 нанометрів в діаметрі, приблизно 3 мільйони квантових точок могли б бути викладені в ряд, щоб поміститися у межах ширини пальця людини [3].
/
Рис. 1.4 Квантові точки, які люмінісцирують у видимій області від фіолетового до червоного
Квантові точки були вперше отримані в 1981-му році Олексієм Єкімовим в скляній матриці, а потім, в 1985-му році, Луїсом Брюсом в колоїдних розчинах. Термін «квантова точка» був запропонований Марком Рідом.
1.1.5 Дендримери
Дендример (Рис. 1.5) - олігомерна або макромолекулярна сполука, молекули якої мають деревоподібну структуру з великою кількістю дендример-відгалужень, число яких, що далі від центра, то зростає. На відміну від звичайних полімерів, які утворюються внаслідок спонтанної полімеризації, їх отримують одним із двох способів: дивергентного синтезу та конвергентного синтезу.
/
Рис. 1.5 Дендример
Такі сполуки широко застосовуються в комбінаторній хімії, де використовується як розчинна підкладка, і в цьому випадку досліджуваний, прикріплений на дендример-підкладці, матеріал може бути ізольований за допомогою об'ємно ексклюзійної хроматографії.
Дендример може також бути прикріпленим до полімера і використаним як тверда підкладка, зі значно збільшеним навантаженням порівняно з початковою смолою.
1.1.6 Нанострижень
Нанострижень (Рис. 1.6) - продовгувата наночастинка, будь-які розміри якої не перевищують 100 нм, а відношення довжини до ширини лежить зазвичай в межах від 3:1 до 5:1. Нанострижні можуть бути з напівпровідникового матеріалу або металу. Їх вирощують прямим хімічним синтезом. Ліганди підбираються так, щоб вони сприяли росту в одному напряму й сповільнювали в інших.
/
Рис. 1.6 Нанострижні
Найбільшою з розмірів нанострижня вважається його довжина і зовсім необов'язково повинна укладатися в нанодіапазоні. Два інших розміри повинні відрізнятися між собою менше, ніж в три рази, в той час як відношення довжини нанострижня до цих розмірів має бути більше, ніж 3: 1. Суворого кордону між наностержня і нановолокнами, а також ниткоподібними нанокристалами не існує, проте до останніх зазвичай відносять нанострижні (а при відсутності інформації про внутрішню будову - і нанотрубки) з співвідношенням розмірів 10: 1 і більше [4].
1.2 Властивості наночастинок
Великий інтерес до наночастинок продиктований тим, що вони є по суті мостом між об'ємними матеріалами та атомними чи молекулярними структурами. Властивості об'ємної речовини не залежать від розмірів, але на нанорівні залежність від розмірів спостерігається нерідко. Коли розміри матеріалу досягають нанорівня змінюється відношення площі поверхні до об'єму. Для матеріалів, розміри яких перевищують мікрон, вплив поверхні незначний у порівнянні з об'ємом. Цікаві та часом несподівані властивості наночастинок значною мірою зумовлені збільшенням відносної ролі поверхні, яка починає домінувати над об'ємом..
Наночастинки нерідко мають несподівані оптичні властивості, оскільки вони достатньо малі для локалізації своїх електронів, що зумовлює квантові ефекти. Наприклад, золоті наночастинки надають розчину від темно червоно до чорного забарвлення. Наночастинки жовтого золота й сріблясного кремнію стають червоними. Золоті наночастинки плавляться при набагато менших температурах (~300 °C для частинок розміром 2,5 нм) ніж суцільні золоті пластини (1064 °C)[9]. Нанопровідникові наночастинки, в яких проявляється розмірне квантування, називають також квантовими точками. Поглинання сонячної радіації набагато вище в матеріалах, що складаються з наночастинок, ніж у тонких плівках тієї ж речовини. Як і в сонячній фотовольтаїці, так і в термічних застовуваннях сонячної енергії, можливо, контролюючи розмір, форму та склад наночастинки, управляти поглинанням сонячного світла.
Інші зміни, що залежать від розмірів, включають розмірне квантування в напівпровідникових частинках, локалізовані плазмони в деяких металах та суперпарамагнетизм у магнетиках. На завжди такі зміни бажані. Феромагнітні частинки, менші ніж 10 нм можуть змінити напрямок намагнічення при кімнатній температурі завдяки тільки тепловій енергії, що робить їх непридатними для пристроїв пам'яті.
Суспензії наночастинок можливі завдяки тому, що їхня поверхня достатньо сильно взаємодіє з розчинником, щоб подолати різницю в густинах, яка, інакше, призвела б або до опускання матеріалу на дно або спливання на поверхню.
Велика площа поверхні порівняно з об'ємом забезпечує значну дифузію наночастинок, особливо при підвищених температурах. Агрегація може відбуватися при нижчих температурах і швидше, ніж для більших частинок. Теоретично це не впливає на густину продукту, але виникають технологічні складнощі, пов'язані зі схильністю наночастинок утворювати скупчення. Наночастинки використовуються в деяких продуктах широкого вжитку, надаючи їм нових властивостей. Наприклад, наночастинки діоксиду титану створюють так званий ефект самоочищення, а завдяки малим розмірам їх власне не видно. Наночастинки оксиду цинку мають чудові властивості щодо захисту від ультрафіолетового випромінювання, тому їх часто використовують в лосьйонах від загару.
Наночастинки оксидів, уведені в полімерну матрицю, зміцнюють її, що призводить до утворення міцніших пластмас, що можна підтвердити збільшенням температури склування та різними механічними тестами. Твердість наночастинок частково передається полімеру. Наночастинки вводять також у текстильні волокна з метою створення привабливого й функціонального одягу.
Окрім металевих, діелектричних та напівпровідникових наночастинок, створюються також гібридні структури - наноболонки, напівпровідникові нанокристали типу ядро-оболонка. Такі нанорозмірні частинки використовуються в біомедичних застосуваннях як переносники ліків та агенти, що надають забарвлення.
Виготовляються напівтверді та м'які наночастинки. Прототипом напівтвердої наночастинки є ліпосома. Ліпосомні наночастинки різного роду використовуються клінічно як системи постачання антиракових ліків та вакцин.
Наночастинки, що є наполовину гідрофільними, а наполовину гідрофобними називають наночастинками Януса. Вони ефективно стабілізують емульсії, можуть самозібратися на межі розділу вода/олія і діяти як тверді сурфактанти [5].
1.3 Нанотехнологія
Нанотехнології - це область науки і техніки, пов'язана з розробкою пристроїв розміром близько нанометра (однієї мільярдної частки метра), тобто пристроїв, що становлять від декількох десятків до декількох тисяч атомів. Основне призначення таких пристроїв - працювати з окремими атомами і молекулами (міжатомні відстані в біологічних молекулах вимірюються десятими частками нанометра). Імпульс розвитку нанотехнології дало створення скануючого тунельного мікроскопа - пристрою, що дозволяє досліджувати речовину на атомному рівні ( "бачити" атоми) і переміщати окремі атоми. За цей винахід в 1986 році була присуджена Нобелівська премія.
Найбільш загальною кінетичної закономірністю формування нанорозмірних частинок є поєднання високої швидкості зародження кристалічної фази з малою швидкістю її зростання. Саме ці особливості синтезу наночастинок визначають технологічні шляхи його здійснення.
Всі методи отримання наночастинок можна розділити на дві великі групи. Перша об'єднує способи, що дозволяють отримувати і вивчати наночастинки, але на основі цих методів важко створювати нові матеріали. Сюди можна віднести конденсацію при наднизьких температурах, деякі варіанти хімічного, фотохімічного і радіаційного відновлення, лазерне випаровування.
Друга група включає методи, що дозволяють на основі наночастинок отримувати наноматеріали. Це в першу чергу різні варіанти механохімічного дроблення, конденсація з газової фази, плазмохімічні методи і ін.
Такий поділ методів є відносно умовним. Але відображає ще одну їх особливість: отримання частинок шляхом укрупнення окремих атомів і агрегації, або підхід «знизу», і різні варіанти диспергирования, або підхід «зверху». Перший підхід характерний в основному для хімічних методів отримання нанорозмірних частинок, другий для фізичних методів. Отримання наночасток шляхом укрупнення атомів дозволяє розглядати поодинокі атоми як нижню межу нанохімії. Верхня межа визначається кількістю атомів в кластері, при якому подальше збільшення розміру частки не веде до якісних змін хімічних властивостей [6].
1.4 Синтез наночасток
Існують різні методи створення наночастинок, зокрема конденсація з газу, змелювання, преципітація, піроліз, гідротермальний синтез. У механічному способі макроскопічні або мікрооскопічні частинки засипають у млинок із твердими кульками й сточують до бажаних розмірів. Отриманий порошок потім фільтрують, відбираючи з нього наночастинки. У піролізі прекурсор у газовій або рідкій формі вприскують під високим тиском у сопло й спалюють. Утворюється щось нв зразок сажі, з якої наночастинки вібирають фільтруванням. Традиційно результатом піролізу часто є скупчення наночастинок. Щоб запобігти йому використовують надзвукові форсунки.
Гаряча плазма має достатньо енергії для випаровування частинок мікронних розмірів. Використовують плазму з температурою в околі 10 000 K, здатну випарувати порошок. Наночастинки утворюються при охолодженні на виході з області плазми. Для отримання наночастинок використовуються в основному плазмові факели постійного струму, дугові, радіочастотні індукційні. В плазмових реакторах дугового типу енергію, необхідну для випаровування, отримують за рахунок дугового розряду, що утворюється між анодом та катодом. Наприклад, кремнезем у формі піску можна випарувати в дуговому розряді при атмосферному тиску, тонкі алюмінієві дротини - методом вибуху. Отриману суміш плазми та випаруваного двооксиду силіцію можна швидко охолодити киснем, забезпечуючи якість утвореної силіки.
У радіочастотних індукційних факелах плазма отримує енергію від електромагнітного поля котушок. Плазма при цьому не контактує з електродами, що запобігає проблемі забруднення й дозволяє працювати з широким діапазоном газів: інерних, відновників, окиснювачів та інших їдких речовин. Робоча частота зазвичай лежить в межах від 200 кГц до 40 МГц. Лабораторні установки мають потужність 30-50 кВт, тоді як промислові - до 1 МВт. Час перебування крапельки речовини в плазмі дуже короткий, тому необхідно подавати на вхід маленькі крапельки, щоб вони могли повністю випаруватися. Радіочастотний метод дозволив синтезувати наночастинки різних матеріалів, наприклад, керамічних: оксидів, карбідів та нітридів титану й силіцію.
Для формування наночастинок металів з низькою температурою плавлення часто використовується конденсація в інертному газі. Метал випаровують у вакуумі, а потім охолджують струменем газу. Швидко охолоджений метал конденсується в крапельки нанометрових розмірів, струмінь газу захоплює їх. Потім їх можна осадити на підкладку або вивчати як є [7].
Радіаційна хімія надає ще один спосіб синтезу наночастинок. Радіоліз, зумовлений гамма-променями може створити в розчині активні вільні радикали. Ця проста технологія використовує невелике число хімікатів, до яких входить вода, розчинна сіль металу, підбирач радикалів (часто вторинний спирт) та поверхнево-активна речовина. Необхідні високі дози гамма опромінення порядку 104 грей. В цьому процесі відновлення радикалів залишає іони в стані з нульвою валентністю. Підбрирач взаємодіє переважно з радикалом-окиснювачем, запобігаючи повторному окисненню металу. У стані з нульовою валентністю атоми металу збираються в частинки. Поверхнево-активна речовина оточує частинку в процесі формування і регулює її ріст. Якщо молекул сурфактанту достатньо багато, вони залишаються з частинкою. Це запобігає дисоціації чи утворення кластерів з іншими частинками. Утворення наночастинок методом радіоліз дозволяє регулювати розмір та форму частинки через підбір концентрації прекурсорів та дози опромінення.
Іншим популярним методом отримання наночастинок є так званий сол-гель процес, в якому в розчині будується мережа полімерів, що містять потрібні утворення.
Розділ 2.
2.1 Задача
Завдання.
Підібрати формулу для розрахунку критичних розмірів кластера при формуванні наноструктури:
Матеріал – вироджений напівпровідник тернарної системи РЗМ-ПМ-Ge
- накладене електричне поле – Е = 0 – 85 В/м.
( = 0,6 – 1,4 ДЖ м-2
Розв’язок
Відомо, що зміна енергії Гіббса (G(rc) при утворенні кластера визначається як:
,
де ( -поверхневий натяг, kB – постійна Больцмана, Т – температура, ро – рівноважний тиск, vA – атомний об’єм, р – тиск пару в процесі конденсації, Е – величина накладеного під час конденсації електричного поля, ( – діелектрична проникність, ( – поляризуємість матеріалу.
Мінімізуючи вищевказану формулу та вважаючи, що , встановили залежність критичного радіуса конденсату в залежності від умов конденсації:
Розмір кластера, розрахований по зміні вільної енергії Гіббса, залежить від термодинамічних пересичень під час конденсації (ln (p/po), величин прикладених магнітного та електричного полів, характеристик матеріалу.
Використовуючи пакет програм Maple 18, встановлюємо межі змін розмірів кластера, які подаємо у вигляді рисунків (згідно програми):
> plot3d(0.226*10^25/((100*l+0.419*E^2)*0.12*10^31), l=4..12, E=2.5..25);
а б
Рис. 1. Динаміка зміни величин кластерів при зміні термодинамічних умов конденсації, поверхневого натягу матеріалу (а) та величини накладеного електричного поля (б).
Відповідь: На рис. 1 представлено залежності розмірів кластера від пешопочаткових умов його утворення
Висновок
В першому розділі курсової роботи я ознайомивася та розглянув види та фізичні властивості наночасток. А також роздивився їх можливий синтез. Було з’ясовано, що на даний момент існує багато різних видів наночастинок, а також вчені досліджують та отримують деякі нові, але в данній курсовій роботі я виділив наступні види наночастинок:
Фулерени: бакіболи і вуглецеві трубки;
Рідкі кристали;
Ліпосоми;
Квантові точки;
Дендримери;
Нанострижень.
Вважаю їх найбільш дослідженими наночастинками на даний момент.
Список використаної літератури
1. Hubler, A.; Osuagwu, O. (2010). Digital quantum batteries: Energy and information storage in nanovacuum tube arrays.
2. Гусев А.И., Ремпель А.А. «Нанокристаллические материалы» – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. – 224 с.
3. Пул Ч. Оуэнс Ф. Нанотехнології. – М.: Техносфера, 2004.
4. Електронне джерело: http://innovanews.ru/info/nanotech
5. The Textiles Nanotechnology Laboratory. nanotextiles.human.cornell.edu. Процитовано 6 December 2016.
6. Сергєєв Г.Б. «Нанохимия» Вид. Московьского ун-та, 2003. – 110 с.
7. Генералов М.Б. «Криохимическая нанотехнология»: Навчальний посібник для ВНЗ. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2006. – 325 с.
24.05.2019 20:05-
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора