Введение в наноинженерию. Тема 1

Август 21, 2022

Главная
Химия
Введение в наноинженерию. Тема 1

Содержание

2. Введение. От дисперсных к наноразмерным объектам и материалам Терминология. Особенности наночастиц и систем
3. Терминология и определения. Прежде всего, определимся с терминологией. В наше время большое распространение получили термины с
4. Впервые нетривиальные термодинамические свойства малых металлических частиц, обусловленные дискретностью энергетического спектра электронов, были предсказаны Х. Фрёлихом
5. Идентификация понятия нанотех-нологии приписывается Р. Фейнману, который в своей лекции в 1959 г., названной “Внизу есть
6. В 1981 г. появление туннельного микроскопа позволило увидеть атомные кластеры, а в 1991 г. в компании
7. Таким образом, нанотехнология развивается в нескольких направлениях: (1) - улучшение свойств известных мате-риалов формированием в них
8. Почему важен размер частиц? Оказывается, размерные эффекты по происхождению бывают двух видов: они являются либо поверхностными
9. Поверхностный эффект свидетельствует о том, что стабилизация атома в твердой или жидкой среде определяется количеством соседей,
10. Второй эффект применим только к проводящим (металлическим) или полупроводниковым материалам. Это квантовый размерный эффект, который зависит
11. Тема 1. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем и растворов высокомолекулярных соединений Место наноразмерных объектов и материалов в
12. Рис.1.Соотношение размеров «миров» разной степени дисперсности Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой называют коллоидными растворами. Такие
13. Классификация дисперсных систем
14. Молекулярно-кинетическая теория, первоначально разработанная для газов, а затем распространенная на молекулярные или ионные растворы, применима и
15. Диффузия. В применении к коллоидно-дисперсным системам и растворам высокомолекулярных соединений диффузией называется процесс самопроизвольного выравнивания концентраций
16. Уравнение Эйнштейна-Смолуховского. Закон диффузии отвечает на вопрос, какое количество газа 1 Δm/(SΔt) проходит через 1м2 в
17. Каждая молекула брома достигает какого-то положения через t секунд в результате огромного числа шагов “случайных блужданий”,
18. Хотя реально диффузия происходит в трехмер-ном пространстве, наблюдать же мы можем как трехмерную картину (сферическое облако
19. В первом случае =6Dt, во втором =4Dt, в третьем =2Dt. Эти формулы дают способ измерения коэффициента
20. Формула Эйнштейна-Смолуховского применима для описания смещения броуновской частицы (для этой цели она собственно и была выведена).
21. После этого формулу Эйнштейна-Смолуховского для смещения броуновской частицы можно было записать в виде: Коэффициент диффузии, естественно,
22. Оценив размеры частицы, определив вязкость среды и измерив величину S, Перрен вычислил число Авогадро из формулы
23. на основании экспериментального определения коэффициента диффузии D коллоидных частиц и вязкости среды, позволяет рассчитать радиус r
24. Седиментация. Пусть система содержит одинаковые по размеру частицы сферической формы в жидкой или газовой среде. На
25. Вначале (после перемешивания) частица движется ускоренно, так как при малых скоростях сила тяжести превышает силу трения.
26. где r - радиус частицы; η — вязкость среды. Из условия ff = fg легко найти
27. Скорости седиментации сферических частиц кварца в воде в зависимости от их радиуса (для SiO2 ρ =
28. Из уравнения (*) легко также найти радиус частицы, зная скорость ёе оседания и значение величин η,
29. Седиментация, вызываемая гравитационным полем, так мала, что ею можно пользоваться только в случае самых больших и
30. Скоростные ультрацентрифуги, в которых r равно приблизительно 6 см, обычно работают при 60000 об/мин или 1000
31. Схема ультрацентрифуги: 1 - ось; 2 - ротор; 3 - кварцевые кюветы; 4 - кожух; 5
32. Раствор, исследуемый в скоростной ультрацентрифуге, помещается в кювету с толстыми кварцевыми окнами. Она имеет форму сектора,
34. Гипсометрический закон. Плотность диффузионного потока равна где принята во внимание формула Эйнштейна . , Тогда а
35. Если дисперсная фаза равномерно распределена по объему (например, в результате предварительного перемешивания), то в первое время
36. Учитывая, что концентрация изменяется по высоте, можно написать уравнение (**) для этого случая в виде: Интегрируя
37. или Если величину n заменить пропорциональной ей величиной давления р, то получим хорошо известную барометрическую формулу.
38. В табл. 2 приведены вычисленные по уравнению (***) величины h при (n0/nh) = 2 и (n0/nh)=106.
39. Осмосом называется односторонняя диффузия дисперсионной среды. Осмос можно наблюдать тогда, когда раствор или же золь отделены
40. Осмотическое давление можно обнаружить по деформации мембраны. Для его количественного изучения применяют специальные приборы – осмометры.
42. Скачать презентацию

Слайд 2

Введение. От дисперсных к наноразмерным объектам и материалам
Терминология.
Особенности наночастиц и

систем

Слайд 3

Терминология и определения. Прежде всего, определимся с терминологией. В наше время

большое распространение получили термины с приставкой «нано»: нанотехнология, наночастицы, наноустройства, наноэлектроника, нанохимия и т.п.
В современной литературе понятие нанотехнология принято определять, как умение целенаправленно создавать и использовать материалы, устройства и системы, структурные элементы которых имеют размер ~ 1-100 нм. В нанотехнологии используются изменения, которые могут произойти в наноразмерных материалах, связанные и с повышением доли поверхностной энергии, и с увеличивающейся важностью квантовых эффектов.

Слайд 4

Впервые нетривиальные термодинамические свойства малых металлических частиц, обусловленные дискретностью энергетического спектра

электронов, были предсказаны Х. Фрёлихом (1937 г.) и Р. Кубо (1962 г.). Термин «нанотехнология» впервые был использован в 1974 г. в статье К. Танигучи, в которой обсуждалась возможность проектировать материалы на уровне нанометров в интересах электронной техники.

Слайд 5

Идентификация понятия нанотех-нологии приписывается Р. Фейнману, который в своей лекции в

1959 г., названной “Внизу есть много места: приглашение в новый мир физики”, обратил внимание на возможности манипулирования атомами для произ-водства материалов за многие десятилетия до того, как это стало возможным реализовать. В 1960 г. он писал: «Принципы физики, насколько я их понимаю, не запрещают возмож-ности создания вещей атом за атомом. Такие попытки не нарушают каких-либо законов; это возможно в принципе, но на практике мы это не делаем, потому, что мы очень большие».

Слайд 6

В 1981 г. появление туннельного микроскопа позволило увидеть атомные кластеры,

а в 1991 г. в компании IBM была продемонстрирована способность выстроить индивидуальные атомы ксенона в определённом порядке (в виде аббревиатуры IBM), используя сканирующий туннельный микроскоп, что подтвердило реальность идей атомной архитектуры.

Слайд 7

Таким образом, нанотехнология развивается в нескольких направлениях:
(1) - улучшение свойств

известных мате-риалов формированием в них наноструктур;
(2) - получение и изучение новых нанострук-турных и наноразмерных материалов (типа фуллеренов и углеродных нанотруб);
(3) - проектирование и реализация нанораз-мерных функциональных устройств, в которых закладывались бы принципы и использовались возможности нанотехнологии, биотехнологии и информационной технологии.

Слайд 8

Почему важен размер частиц? Оказывается, размерные эффекты по происхождению бывают двух

видов: они являются либо поверхностными эффектами, либо эффектами квантовых ограничений.

Слайд 9

Поверхностный эффект свидетельствует о том, что стабилизация атома в твердой или

жидкой среде определяется количеством соседей, с которыми он может образовать связи. Важно то, что атом на поверхности или атом на ребре частицы химически отличен от атома, находящегося в середине поверхности грани, или атома, расположенного на вершине той же грани кристалла. Температура плавления или любой другой фазовый переход связаны с этой стабилизацией и, следовательно, со средним количеством соседних атомов. Это ведет к плавному изменению температуры фазового перехода по отношению к радиусу частицы или толщине слоя или проволоки.

Слайд 10

Второй эффект применим только к проводящим (металлическим) или полупроводниковым материалам. Это

квантовый размерный эффект, который зависит от длины стоячей волны де Бройля, которая может быть подобрана к частицам определенного размера. В том же смысле, как для атомов и молекул, это порождает дискретные (квантованные) энергетические уровни, и для достаточно малых величин это приводит к прерывистому масштабированию.

Слайд 11

Тема 1. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем и растворов высокомолекулярных соединений
Место наноразмерных

объектов и материалов в нашем мире

Слайд 12

Рис.1.Соотношение размеров «миров» разной степени дисперсности
Дисперсные системы с жидкой дисперсионной

средой называют коллоидными растворами. Такие растворы изучаются в разделе физической химии, называемом коллоидной химией. Коллоиды образуют частицы с размерами около 10 нм и выше. Следовательно, нанодисперс- ными системами являются и все системы коллоидной химии на верхних пределах дисперсности.

Слайд 13

Классификация дисперсных систем

Слайд 14

Молекулярно-кинетическая теория, первоначально разработанная для газов, а затем распространенная на молекулярные

или ионные растворы, применима и к дисперсным (коллоидным) системам и растворам высокомолекулярных соединений. Специфика коллоидных систем и растворов высокомолекулярных соединений проявляется в том, что масса отдельной частицы или отдельной макромолекулы намного больше массы молекулы дисперсионной среды.

Слайд 15

Диффузия. В применении к коллоидно-дисперсным системам и растворам высокомолекулярных соединений диффузией

называется процесс самопроизвольного выравнивания концентраций частиц дисперсной фазы или макромолекул в объеме среды вследствие их теплового движения. Характеризуется плотностью потока:

А. Фик установил, что поток вещества прямо пропорцио--нален градиенту его концентрации в данной части системы:

В случае плоской симметрии:

D – коэффициент диффузии.

Слайд 16

Уравнение Эйнштейна-Смолуховского. Закон диффузии отвечает на вопрос, какое количество газа 1

Δm/(SΔt) проходит через 1м2 в 1с при заданном градиенте плотности, но не отвечает на вопрос, как далеко за время t переместится в среднем молекула газа 1?
Ответ на этот вопрос, используя метод “случайных блужданий”, получили Эйнштейн и Смолуховский.
В некоторых случаях диффузию газа можно наблюдать визуально. Пусть, например, на дно длинного стакана с воздухом или жидкостью помещена капля брома. Жидкость быстро испаряется и бурый пар медленно расползается по стакану.

Слайд 17

Каждая молекула брома достигает какого-то положения через t секунд в результате

огромного числа шагов “случайных блужданий”, обусловленных столкновениями молекул. Средний квадрат вектора перемещения такой молекулы определяется формулой Эйнштейна-Смолуховского = 6Dt.

Слайд 18

Хотя реально диффузия происходит в трехмер-ном пространстве, наблюдать же мы можем

как трехмерную картину (сферическое облако расширя-ется от точечного источника - рис. а), двумерную (облако с цилиндрической симметрией распрос-траняется от линейного источника - рис. б) или одномерную (плоское облако в длинном стакане от источника на торце стакана - рис. в).

Слайд 19

В первом случае =6Dt, во втором =4Dt, в третьем =2Dt.

Эти формулы дают способ измерения коэффициента диффузии.

Пусть, например, наблюдения за диффузией брома в воздухе в стакане (рис. в) показали, что средняя высота бурого облака над каплей брома (высота, на которой его прозрачность уменьшается вдвое) равна S = 0,1м через t = 500с. Тогда

Слайд 20

Формула Эйнштейна-Смолуховского применима для описания смещения броуновской частицы (для этой цели
она

собственно и была выведена).

Диаграмма броуновского движения. Отмечены точки, где её наблюдали через равные промежутки времени.

Слайд 21

После этого формулу Эйнштейна-Смолуховского для смещения броуновской частицы можно было записать

в виде:

Коэффициент диффузии, естественно, зависит от вязкости среды. Эйнштейн установил это соотношение:

Слайд 22

Оценив размеры частицы, определив вязкость среды и измерив величину S, Перрен

вычислил число Авогадро из формулы

Найденное им значение NA = 6,03·1023моль-1 достаточно близко к принятому в настоящее время значению 6,024·1023моль-1.

Слайд 23

на основании экспериментального определения коэффициента диффузии D коллоидных частиц и вязкости

среды, позволяет рассчитать радиус r этих частиц.

С другой стороны, соотношение

Слайд 24

Седиментация. Пусть система содержит одинаковые по размеру частицы сферической формы в

жидкой или газовой среде. На каждую частицу действует сила тяжести и архимедова сила. Взяв слой системы на высоте h, где концентрация частиц n, найдем, что равнодействующая всех сил, влияющих на все частицы в объеме 1 см3, будет равна

Слайд 25

Вначале (после перемешивания) частица движется ускоренно, так как при малых скоростях

сила тяжести превышает силу трения. По мере увеличения скорости движения сила трения возрастает и в некоторый момент уравновешивает силу тяжести, вследствие чего частица начинает двигаться с постоянной скоростью.

Слайд 26

где r - радиус частицы; η — вязкость среды.
Из

условия ff = fg легко найти скорость седиментации частицы:

В общем случае между силой сопротивления (трения) ff , действующей на частицу, и скоростью равномерного движения v существует зависимость

где В коэффициент сопротивления среды. Для сферических частиц Стокс установил, что

(*)

Слайд 27

Скорости седиментации сферических частиц кварца в воде в зависимости от их

радиуса (для SiO2 ρ = 2,7 г/см3, для Н2O η = 0,015 П):

Слайд 28

Из уравнения (*) легко также найти радиус частицы, зная скорость ёе

оседания и значение величин η, ρs и ρl:

По этому уравнению легко вычислить радиус частиц суспензии по результатам наблюдения за ее оседанием визуально.

Зная плотность вещества частицы и её размер (объём), можно определить массу частицы. Для молекул высокомолекулярных соединений это будет молярная масса.

Слайд 29

Седиментация, вызываемая гравитационным полем, так мала, что ею можно пользоваться только

в случае самых больших и самых плотных коллоидных частиц. Однако её можно увеличить с помощью центрифуг, в которых создаются более сильные поля. Были построены достаточно мощные ультрацентрифуги, чтобы вызывать оседание при измеримых скоростях даже таких маленьких молекул, как молекулы сахарозы.

Слайд 30

Скоростные ультрацентрифуги, в которых r равно приблизительно 6 см, обычно работают

при 60000 об/мин или 1000 об/сек; тогда их ускорение равно
ω2r =(2π х1000 сек-1)2 (6 см) = 2,36 х108 см сек2.
Так как ускорение поля земного притяжения равно 980 см х сек-2, то ускорение ультрацентрифуги в 240000 раз больше гравитационного ускорения.

Слайд 31

Схема ультрацентрифуги: 1 - ось; 2 - ротор; 3 - кварцевые

кюветы; 4 - кожух; 5 - фотокамера: 6 - источник света.
а - вид сбоку, б - вид сверху;
в – перемещение границы золь – дисперсионная среда в кюветах ультрацентрифуги при вращении

Слайд 32

Раствор, исследуемый в скоростной ультрацентрифуге, помещается в кювету с толстыми кварцевыми

окнами. Она имеет форму сектора, если смотреть под прямым углом к плоскости вращения ротора центрифуги, так как седиментация происходит радиально. По мере того как компонент с высоким молекулярным весом оседает во всем объеме раствора, образуется перемещающаяся граница, за которой находится только растворитель. За движением такой границы в кювете можно проследить с помощью оптической системы, основанной на принципе различного светопропускания.

Слайд 33

Слайд 34

Гипсометрический закон.
Плотность диффузионного потока равна

где принята во внимание

формула Эйнштейна

Тогда

а плотность седиментационного потока

(**)

Слайд 35

Если дисперсная фаза равномерно распределена по объему (например, в результате предварительного

перемешивания), то в первое время всегда преобладает седиментация, поскольку вначале dn/dh=0. Однако со временем равномерное распределение вещества в системе нарушается, и производная dn/dh приобретает все возрастающие значения. Массоперенос будет продолжаться до тех пор, пока поток jD не станет равным jg, т. е. пока в системе не установится равновесие и jg/jD=1.

Слайд 36

Учитывая, что концентрация изменяется по высоте, можно написать уравнение (**) для

этого случая в виде:

Интегрируя от n0 до nh и, соответственно, от 0 до h, получим:

Слайд 37

или
Если величину n заменить пропорциональной ей величиной давления р, то получим

хорошо известную барометрическую формулу. Это также называют гипсометрическим законом, которому подчиняется распределение молекул газа по высоте.
Это уравнение можно переписать следующим образом:

С помощью этой формулы удобно вычислять для любой дисперсной системы величину h, представляющую собою высоту, на которую надо подняться, чтобы численная (или, соответственно, весовая) концентрация уменьшилась с n0 до nh или в n0/nh раз.

(***)

Слайд 38

В табл. 2 приведены вычисленные по уравнению (***) величины h при

(n0/nh) = 2 и (n0/nh)=106.

Как видно из данных табл. 2, значение h резко падает с увеличением массы (диаметра) частиц.

Слайд 39

Осмосом называется односторонняя диффузия дисперсионной среды. Осмос можно наблюдать тогда,

когда раствор или же золь отделены от чистой дисперсионной среды или растворителя (или раствора и золя иной концентрации) полупроницаемой мембраной, пропускающей только молекулы растворителя. Вследствие различия концентраций по обе стороны мембраны в отделенных друг от друга частях системы возникает в растворе или золе избыточное по сравнению с другой частью системы давление. Разность давлений называется осмотическим давлением.

Осмос

Слайд 40

Осмотическое давление можно обнаружить по деформации мембраны. Для его количественного изучения

применяют специальные приборы – осмометры.