Нанотехнология

Основные понятия нанотехнологии, ее возможности и преимущества перед традиционными технологиями

Практическое занятие №1

Основные понятия нанотехнологии, ее возможности и преимущества перед традиционными технологиями

Цель занятия:

1. Закрепление и углубление теоретических знаний из курса лекций

2. Ознакомление с практическими примерами использования нанотехнологий и наноматериалов в различных отраслях АПК

Содержание занятия

- Самостоятельная работа студентов с технической литературой

- Рассмотрение и изучение конкретных примеров по использованию нанотехнологий и наноматериалов в АПК РФ

- Решение задач

Теоретическая часть

Нанотехнология - это технология объектов, размеры которых порядка 10-9м, включающая в себя процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой.

В настоящее время понятие «нанотехнология» включает в себя не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, но и систему знаний, умений и навыков, аппаратурное, материаловедческое и информационное обеспечение технологических процессов.

Совершенно новым видом деятельности, интенсивно развивающимся в ХХI веке и направленным на создание отличных от существующих промышленных технологий видов продукции, является наноиндустрия. К объектам наноиндустрии относятся разработка принципиально новых методов манипулирования с молекулами и атомами веществ, создание на их основе новых материалов, полупроводников, антифрикционных обработок деталей машин, покрытий, средств диагностики, защиты окружающей среды, избирательных лекарств, объектов биотехнологии, геномодификации растений и животных и др.

Направления исследований по созданию нанотехнологий и наноматериалов характерны для всех базовых отраслей промышленности. Использование результатов наноиндустрии проявляются с каждым годом во все большем числе производств, в т.ч. и в АПК.

Основные направления исследований в области нанотехнологий в АПК Название Направление исследований 1.Электрическое поле 1.1.Диэлектрическое сепарирование семян

1.2.Обработка семян

1.3.Обработка фруктов

1.4.Обработка масличных культур

1.5.Реструктуризация воды

1.6.Аэроионизация и очистка воздуха 2.Магнитное и электромагнитные поля 2.1.Стимуляция растений

2.2.Омагничивание жидкости

2.3.Производство комбикормов

2.4.Лечение животных

2.5.Сушка сельскохозяйственного сырья

2.6.Контроль качества 3.Оптическое излучение 3.1.Облучение

3.2.Интенсификация роста растений

3.3.Контроль качества продукции

3.4.Обеззараживание воздуха

3.5.Лечение животных

3.6.Диагностика ресурсов 4.Электроимпульсная обработка 4.1.Активирование процессов сушки

4.2.Экстрагирование компонентов растительного сырья 5. Нанобиотехнологии с использованием микроорганизмов 5.1.Биодеградация растительных отходов

5.2.Получение биопрепаратов

5.3.Оценка экологического состояния

5.4.Оценка эффективности препаратов

5.5.Обеспечение качества продукции

5.6.Получение новых продуктов питания

5.7.Получение биотоплива Нанотехнологии маркирования биообъектов 6.1.Селекционные работы

6.2.Паспортизация сортов 7.Нанофильтрация 7.1.Очистка и подготовка жидких сред

7.2.Концентрирование, пастеризация 8.Нанотехнологии в земледелии 8.1.Изучение влияния нанотехнологий на почвообразовательный процесс 9.Применение наноматериалов 9.1.Стимулирование растений

9.2.Иммуноферментный анализ

9.3.Сокращение норм расхода пестицидов

9.4.Получение наносред

9.5. Улучшение свойств покрытий

9.6.Повышение изностойкости деталей

1.Дать определения основным процессам, явлениям, методам, структурам и объектам нанотехнологии.

Абляция – процесс увлечения вещества с поверхности твердого тела обтекающим потоком.

Аллотропия – существование одного и того же элемента в виде различных по свойствам и строению структур.

Алмазоид – высокопрочная и химически инертная алмазоподобная структура из атомов углерода. Алмазоид предполагается использовать при построении нанороботов.

Ассемблер – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе производить из набора атомов молекулы путем механохимии.

Геомодификатор – специальная микро или нанодобавка в топливно-смазочные материалы и технологические среды на базе минералов геологического происхождения.

Гетероструктура – комбинация нескольких гетеропереходов (контакт двух разных полупроводников), используемая для создания потенциальных ям для электронов и дырок в слоистых полупроводниковых структурах.

Графен – углеродный наномонослой, в котором С-С связи образуют правильные графитовые шестиугольники.

Дизассемблер – кибернетическое устройство нанометрических масштабов, способное по заданной программе отделять атомы от молекул, записывая их местоположение на молекулярном уровне. Пара «ассемблер-дизассемблер» может создавать копии любых макрообъектов.

Диссипация – процесс необратимого рассеяния энергии.

Дуга фуллереновая – дуговой метод получения фуллеренов, основанный на термическом разложении графита.

Индентор – твердый предмет определенной формы и размеров, вдавливаемый под действием нагрузки в исследуемый материал.

Квант – неделимая часть энергии (тоже, что и фотон). В основе понятия лежит представление, что любая физическая величина может принимать только определенные, а не произвольные значения.

Кластер – совокупность двух или более однородных элементов (атомов, молекул и др.), обладающая определенными свойствами.

Конгломерат – механическое соединение чего-то разнородного.

Кондиционер металла – вещество или механизм воздействия на металл, позволяющие структурировать или восстанавливать структуру и состав металла, на который он воздействует, посредством доставки необходимых компонентов от внешних источников, а также придавать трущимся поверхностям противоизносные свойства.

Конструкторский туман – наносистема, состоящая из унифицированных строительных нанороботов (фоглетов).

Лотос-эффект – явление несмачиваемости и самоочистки листьев и цветов ряда растений.

Масштабный эффект – явление, заключающееся в росте твердости при малых усилиях индентора. При нагрузках ниже критических практически практически все материалы демонстрируют в контакте упругие свойства.

Метод CVD - метод наномодификации армирующих волокон, т.е. газофазное осаждение металлов на заданную поверхность.

Метод PVD - метод нанесения нанопокрытия, при котором металлы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии. Материал переводится в паровую фазу и затем конденсируется на поверхность подложки.

Мицелла – частица диаметром 10-7-10-9м в коллоидных системах, состоящая из нерастворимого в среде ядра, окруженного оболочкой адсорбированных ионов и молекул растворителя.

Нанотехника – область науки, изучающая закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами при создании новых наноструктур и материалов.

Нанотехнология (по Танигучи) – процесс разделения, сборки и изменения свойств материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой вещества.

Нанотехнология молекулярная (по Декслеру) – совокупность методов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размером менее 100нм хотя бы в одном измерении.

Нанотехнология инкрементная – технология, касающаяся усовершенствования существующих продуктов за счет применения наноматериалов.

Нанотехнология прикладная – технология, рассматривающая задачи и конкретные способы практической реализации нанотехнологий.

Наноматериал – материал, содержащий элементы с геометрическими размерами не более 100нм и обладающий, вследствие этого, новыми свойствами.

Наноиндустрия – вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологии и наноматериалов.

Наноинженерия поверхности – технология формирования качества поверхности деталей с оптимальными эксплуатационными свойствами.

Нанотрибология – раздел трибологии, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.

Наноробот – кибернетическое устройство наномасштабов, изготовленное с атомарной точностью и обладающее функциями движения, обработки и передачи информации.

Наноструктура – два и более нанокристалла.

Наносистема – материальный объект в виде упорядоченных элементов с нанометрическими характеристиками.

Нанотрубка – трубка нанометрических размеров из отдельных атомов углерода, имеющая искусственную структуру.

Пленка сервовитная – особая структура на поверхности трения толщиной в несколько сотен нанометров, обеспечивающая эффект безызносности.

Репликатор – наноробот способный к созданию своей копии.

Синергетика – научное направление, изучающее закономерности, управляющие процессами самоорганизации в различных системах.

Технологии конвергентные – четыре взаимосвязанных направления: нанотехнологии, биотехнологии, нейротехнологии и информационные технологии.

Технология фуллеренов – направление, занимающееся методами производства фуллеренов и задачами их исследования.

Трибология – наука о контактном взаимодействии твердых тел при их относительном движении, охватывающая комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки.

Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) – метод фрикционного нанесения покрытий из пластичных материалов толщиной от 50 до 500нм.

Фуллерены – класс химических соединений, молекулы которых состоят из четного количества атомов углерода.

Фуллериты – твердые фуллерены С60, представляющие собой кристаллы с гранецентрированной кубической решеткой.

Энзимы (ферменты) – белковые молекулы, ускоряющие реакции в живых системах.

Энтропия – мера неупорядоченности больших систем.

Эффект безызносности – избирательный перенос микро и наночастиц с поверхности на поверхность при трении.

2. Привести конкретный пример использования нанотехнологий с указанием режимов обработки и описанием конструктивных схем:

- в активировании процесса сушки растительного сырья на основе направленного инфракрасного излучения,

- в повышении износостойкости деталей технологического оборудования (на основе фрикционного латунирования поверхностей вращения),

- в создании новых видов геномодифицированных продуктов.

1). Возможно снизить энерго- и металлоемкость ИК-сушилок и создать вертикальную цилиндрическую ИК-сушилку, разрез которой показан на рис. 1. Установка состоит из вертикальной цилиндрической рабочей камеры 1, стоек 2, распределительной решетки 3 для поступления потока свежего воздуха, регулирующей заслонки 4, встряхивающего роликового механизма 5, кольцевого барботера 6, продольных рабочей камере низкотемпературных пленочных карбоновых прямоугольных ИК-излучателей 7, отражающей фольги с теплоизолирующим листовым алюфомом 8, крышки с затяжными фиксаторами 9, вытяжного вентилятора 10, нагнетающего канала 11, регулирующей задвижки 12, монтажных шпилек 13, фиксатора 14, штатива 15 и сетчатых лотков 16.

Работа аппарата заключается в следующем: растительное сырье загружается в сетчатые лотки 16, которые фиксируются с помощью монтажной шпильки 13 на штативе 15. После чего штатив с лотками устанавливается в фиксирующем устройстве 14 крышки 9 с затяжными фиксаторами и вытяжным вентилятором 10 и загружается в цилиндрическую вертикальную рабочую камеру сушилки 1, установленной на стойках 2, где сырье сушится при температуре 40...60°С. Отработанный нагретый воздух нагнетается вытяжным вентилятором 10 в нагнетающий канал 11, где при открытой задвижке 12 нагретый вторичный воздух поступает в кольцевой барботер 6, установленный в нижней части ИК-нагревателей, создавая в пристеночном слое турбулентный режим и одновременный подогрев входящего свежего воздуха в рабочую камеру.

Рис. 1 Разрез вертикальной цилиндрической ИК-сушилки

Во время сушки растительного сырья в ИК-поле значительное внимание следует уделять изменениям длины волны излучателя и скорости нагрева, поскольку эти параметры влияют на изменение КПД установки, а следовательно – на энергетические показатели. ИК-генератор должен иметь четкую динамику нагрева и охлаждения, поскольку нагреватели с малой продолжительностью нагрева и охлаждения уменьшают вспомогательное время выхода на стационарный режим работы ИК-генератора, тем самым не позволяя растительному сырью портиться на первых минутах сушки, что позволяет максимально сохранить БАВ уже с момента загрузки в рабочую камеру ИК-сушилки. Для снижения энерго- и металлоемкости установки предложено использовать современный пленочный электронагреватель (ПЛЭН), представленный на рис. 2.

Рис. 2 Внешний вид пленочного электронагревателя (ПЛЭН) ПЛЭН имеет степень черноты ε=0,96 9

Такая степень черноты позволяет считать его абсолютно черным телом. Следовательно, лучеиспускательная способность данного нагревателя при одной и той же температуре нагрева будет максимальной у ПЛЭН, в отличие от ТЭНов, имеющих степень черноты от 0,6 до 0,8. ИК-излучатели такого типа способны создавать высокую плотность потока энергии (от 34 до 80 Вт/м²) в диапазоне длин волн от 8 до 10 мкм (рис. 3) благодаря особенностям их конструкции, что позволяет применять данные генераторы для сушки любого растительного сырья.

Рис. 3 Графическая зависимость спектральной плотности потока излучения λТ от длины волны λ при различной температуре на поверхности ПЛЭН при: Т=303 К; Т=313 К; Т=333 К; Т=353 К

В ИК-излучателях высокая степень черноты может быть реализована тем, что в качестве резистивного нагревающего и излучающего элемента используется термостойкая электроизоляционная пленка с нанесенным шаговым способом на ее поверхность слоем резистивного материала – карбоновой пасты. Нанесение слоя резистивного материала осуществляют путем резистивного напыления в условиях вакуума. Покрытие, полученное данным способом, имеет высокую адгезию, так как осажденные атомы металла достигают подложки в виде ионов. Добавление в плазму тлеющего разряда реакционных газов — кислорода, азота, углеводородов — позволяет осуществить плазмохимические реакции и получить покрытия в форме оксидов, нитридов, карбидов необходимой стехиометрии. Данный способ производства также позволяет регулировать толщину напыления резистивного слоя в зависимости от величины напряжения и необходимой длины волны излучения нагревателя, обусловленную его удельной мощностью, по формуле:

где Н — толщина резистивного слоя, нм;

Р — удельная мощность электронагревателя, то есть мощность, выделяемая единицей площади электронагревателя, Вт/м²;

р — удельное сопротивление напыленного материала, Ом*м;

L — длина электронагревателя, м;

U — напряжение.

2). В промышленности широко применяется метод фрикционного (с помощью трения) нанесения медьсодержащих покрытий – финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО).

Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносятся в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей – коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различного вида штоки, пальцы, резьбовые соединения и т.д. ФАБО применяется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия.

Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) предложен Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским. Основные способы ФАБО условно делятся на две группы:

* Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение); фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах, содержащих в своем составе различные поверхностно-активные вещества и соли металлов, способные к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т.д. из неметаллического инструмента); фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.

* Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами. К разновидностям ФАБО относятся: химико-механическое нанесение покрытий (Россия); нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ); натирание поверхности латунью (Россия); электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария); механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия); химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других. При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесение покрытий трением. Использование ФАБО имеет следующие достоинства: небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии; стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения покрытий от оптимальных; автоматизация процесса; экологическая безопасность; высокая экономическая эффективность и др.

Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при относительно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность.

Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70-80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 4).

Рис. 4 Схема обработки поверхности детали вращений:

1 - деталь «колесная пара»; 2 – натирающий инструмент (латунь); 3 - приспособление; 4 - покрытие; Р – нагрузка прижатия; n – подача приспособления

ФАБО осуществляется в присутствии специальных технологических сред. Практически во всех средах используется глицерин, который в результате трибодеструкции (распада под действием энергии трения) на поверхностях контактирующих тел (деталь – инструмент) окисляется, превращаясь в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина, молекулярной массой.

При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакирующих средах используются различные соли пластичных металлов, например, дихлорид меди. В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот. Образующаяся соляная кислота способствует удалению оксидных пленок, и в результате взаимодействия с оксидами железа на обрабатываемой поверхности образуются защитные слои из хлоридов железа. Происходят восстановление продуктов коррозии и растворение активных металлов и их соединений. Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.

При ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. Согласно металлографическим и спектральным исследованиям структура поверхностного слоя стальной поверхности после ФАБО имеет следующие четыре основные характерные зоны: композиционное (медь, цинк, олово) антифрикционное покрытие; переходная диффузионная зона; деформированная (наклепанная) зона; основной конструкционный материал. В процессе эксплуатации под действием поверхностно-активных веществ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий, по своим физико-механическим и триботехническим свойствам близких к сервовитной пленке, характерной для эффекта безызносности. Структура же сервовитной пленки содержит нанокластеры и нанофазы пластичных цветных металлов. Для фрикционно-механического нанесения медьсодержащих покрытий на поверхности трения гильз цилиндров и других деталей втулочного типа разработаны специальные приспособления (рис. 5), полуавтоматы, автоматы и станки. Режим фрикционной обработки детали прутковым инструментом следующий: окружная скорость поверхности детали 0,15- 0,3 м/с; давление прижатия прутка 10-50 МПа; продольная подача прутка 0,1-0,2 мм/об.; число рабочих ходов 1-2.

Рис. 5 Нанесение покрытия методом фрикционного латунирования на токарном станке

Нанесение антифрикционных противоизносных покрытий позволяет существенно (более чем в 3 раза) снизить интенсивность изнашивания конструкционных материалов соединения «шейка коленчатого вала вкладыш» в период приработки. При приработке поверхностей с нанесенными антифрикционными покрытиями в первый момент времени идет интенсивная приработка с формированием оптимальной структуры поверхностных слоев. Температура в зоне трения при наличии антифрикционного покрытия снижается почти в 5 раз. Это связано с лучшей теплопроводностью нанесенных покрытий и отсутствием очагов схватывания, так называемых мгновенных температурных вспышек на микроконтактах. По результатам стендовых испытаний двигателей СМД -62 (мощностью 180 кВт) с гильзами цилиндров и шейками коленчатого вала, обработанными методом ФАБО в среде СФП-3: эффективная мощность возрастает на 8-12 кВт за счет снижения механических потерь на трение и улучшение качества приработки деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма; повышается давление масла в главной магистрали двигателя при номинальной частоте коленчатого вала на 25–30 %, что указывает на более качественную приработку вкладышей коленчатого вала; снижается износ деталей соединения в среднем в 2 раза.

3). Исследователи из Университета штата Айова нашли способ использовать наночастицы для генной инженерии растений.

Новая технология имеет большие перспективы для генной инженерии и позволит разработать растения, устойчивые к изменениям климата, вредителям, бедным почвам и т.д.

Сегодня доставка ДНК в растительные клетки стала рутиной, однако доставка белков и ферментов в животные и растительные клетки оказалась гораздо более сложной задачей. Американские ученые впервые смогли одновременно с помощью наночастиц доставить в растительные клетки и ДНК, и белки. Это большое достижение, поскольку оно открывает возможности для более сложных и целенаправленных генных модификаций растений.

Рис. 6 В ходе демонстрационных экспериментов с помощью наночастиц, несущих ДНК и белки, ученые смогли изменить цвет растительных клеток.

Ученые использовали специально разработанные мезопористые наночастицы диоксида кремния. Изначально исследователи создали частицы небольшого размера, 100 нанометров, в которых трудно было разместить какие-либо функциональные молекулы, такие как белки и ферменты.

Новое поколение наночастиц в пять раз больше – 500 нм. Для сравнения: вирус ВИЧ имеет около 100 нанометров в диаметре.

Наночастицы из пористого кремния покрыты тончайшим слоем золота, которое придает частице больший вес и позволяет пробивать клеточную стенку, доставляя ДНК и белки непосредственно в клетку. Для демонстрации работы новой технологии ученые успешно отправили ДНК и белки внутрь клеток лука, табака и кукурузы.

Новая технология генной инженерии позволит создавать растения со сложным набором свойств, например, растения с повышенным содержанием крахмала и при этом устойчивые к заморозкам.

3.Решить следующие задачи:

Задача 1. Требуется определить во сколько раз частицы дисперсной фазы больше частиц дисперсной среды, если размер частиц крахмала равен 10-2см, а размер молекул воды – 10-9 м.

Решение:

Частицы дисперсной фазы больше частиц дисперсной среды% по линейным размерам – в раз, а по объему – раз.

Задача 2. Дать количественную оценку степени дисперсности коллоидов и грубодисперсных систем.

Решение:

Грубодисперсные системы, размер частиц в которых более 10-5 м; коллоидно-дисперсные (ультрамикрогетерогенные) с частицами размером от 10-7 до 10-9м.

Степень дисперсности– это величина, обратная размеру (а) дисперсных частиц:

Степень дисперсности для грубодисперсных систем:

Степень дисперсности для коллоидных систем:

От до

Виды нанотехнологий и наноматериалов

Цель занятия:

1. Закрепление и углубление теоретических знаний из курса лекций

2. Ознакомление с существующими методами получения наноматериалов

Содержание занятия

- Самостоятельная работа студентов с технической литературой

- Рассмотрение видов нанотехнологий и способов получения наноматериалов

- Решение задач

Теоретическая часть

Возникнув, как отрасль науки, нанотехнология в своем развитии разделилась на несколько направлений:

Нанотехнология инкрементная – технология, касающаяся усовершенствования существующих продуктов за счет применения наноматериалов.

Нанотехнология прикладная – технология, рассматривающая задачи и конкретные способы практической реализации нанотехнологий

Нанотрибология – раздел трибологии, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров

Наноинженерия поверхности – технология формирования качества поверхности деталей с оптимальными эксплуатационными свойствами.

Технология фуллеренов – направление, занимающееся методами производства фуллеренов и задачами их исследования.

Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизмами, работы над которыми находятся еще на начальном этапе. Из фуллеренов, нанотрубок и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы имеющие форму разнообразных нанодеталей: зубчатых колес, штоков, подшипников, роторов и пр.

Радикальная нанотехнология занимается нанороботами, способными к перемещению в окружающей среде и имеющими бортовую систему управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, изготовления сверхпрочных конструкций и т.д.

Реально диапазон объектов, которыми можно манипулировать достаточно широк и представляет отдельные атомы размером менее 0,1нм, их конгломераты, содержащие более 109 атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух измерениях.

Наноструктуры характеризуются рядом параметров и явлений не свойственных традиционным моно и поликристаллическим состояниям материалов. Уменьшение размеров кристаллов, например в сплавах, может привести к существенному изменению свойств материалов. Эти изменения, как установлено исследованиями, проявляются в том случае, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100нм, а наиболее ярко выражены при размере менее 10 нм. При этом частицы могут иметь разнообразную форму – в виде сферы, пластинки, трубки, главное, чтобы одно из измерений не превышало 100нм.

1.Привести пример конкретной разработки по каждому виду нанотехнологий.

Нанотехнология инкрементная

В середине 70-х годов XX в. профессорами ботаники Боннского университета (ФРГ) В. Бартхлотт и К. Найнуис было обнаружено, что листья и цветки лотоса почти не загрязняются, а также тот факт, что этот феномен протекает в их наноструктурированных поверхностных областях. Впоследствии это явление ими было запатентовано и названо в честь наиболее яркого представителя таких растений «лотос-эффект» (Lotus-effect®). Этот феномен самоочистки детально исследовался и позволил открыть удивительные возможности природы защищаться не только от грязи, но также и от различных микроорганизмов. Данный эффект наблюдается не только у лотоса, но и у других растений (листья капусты, люпина (рис. 4.2), камыша, водосбора, тюльпана), а также у животных (крылья стрекоз и бабочек). Они наделены природой свойством защиты от различных загрязнений, в большей степени неорганического (пыль, сажа), а также биологического (споры грибков, микробов, водоросли и т.д.) происхождения.

Нанотехнология прикладная

Как ни парадоксально это звучит, но человечество с давних времен использовало наноматериалы. Именно наличием наночастиц теперь можно объяснить самые невероятные свойства материалов, изготавливаемых несколько веков назад и порой недоступных даже современной науке.

Так, например, прекрасный рубиновый цвет стекла получали введением наночастиц золота в стеклянную матрицу. Декоративная глазурь с глянцем, характерная для средневековой гончарной посуды, содержала сферические металлические наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства.

В настоящее время наиболее значимые достижения практической, или прикладной, нанотехнологии (рассматривает задачи и способы практического применения нанотехнологии для нужд человечества) находятся в сферах изготовления различных наноматериалов, электроники и медицины.

Нанотрибология

Метод кварцевого кристаллического микробаланса (МККМ). Впервые этот метод был использован дня контроля роста пленок субмонослойной толщины, который реализуется путем измерения сдвига резонансной частоты кварцевого осциллятора, зависящей от массы адсорбированной пленки, осажденной на пластинку. Обычно такие эксперименты выполнялись для контроля роста металлических пленок. Однако, как позже выяснилось, возникает интересная особенность, связанная с дополнительно адсорбирующимися на металл пленками слабо связанных с поверхностью инертных газов (аргона, криптона). В этом случае наблюдался сдвиг добротности кварцевого осциллятора, вызванный наличием сил трения между адсорбированной пленкой и подложкой. Это позволило оценить характерное время затухания движения адсорбированной пленки относительно подложки. Если соответствущая сила трения, действующая на атом адсорбата, пропорциональна скорости скольжения и равна F=-αV. то время скольжения равно М/α. где М – масса атома. Эксперименты дают время скольжения около нескольких наносекунд. что позволяет оценить характерную величину тормозящей силы. Для атома криптона она составляет около 10-16 нН.

С помощью этого метода были также обнаружены фазовые превращеиия адсорбированных пленок, приводящие к сдвигу резонансной частоты и добротности кварцевого осциллятора из-за перехода пленки из жидкого состояния в твердое. Теоретическая интерпретация этого эффекта основана на том, что затвердевшая пленка образует с подложкой несоизмеримую структуру и поэтому скользит значительно дольше (с меньшим трением).

Прогресс в изучении физических явлений, происходящих на наноструктурном уровне возможен с применением различных методов, взаимно дополняющих друг друга. Общим для них является реально достигнутая возможность измерения ультрамалых сил и расстояний, визуализирующих дискретность атомной структуры и межатомных взаи¬модействий.

Наноинженерия поверхности

В 1956 году учеными Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским был открыт избирательный перенос (ИП) при трении или так называемый «эффект безызносности», что позволило изменить сложившееся представление о механизме изнашивания и трения.

Сущность ИП, согласно обнаруженному явлению, заключается в том, «...что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения...». Это явление первоначально было названо атомарным переносом. Позднее, в 1968 году ИП был определен как «...вид фрикционного взаимодействия, характеризуемый молекулярной составляющей силы трения. ИП возникает в результате протекания на поверхности контактирующих тел химических и физических процессов, приводящих к образованию самоорганизующихся систем автокомпенсации износа и снижения коэффициента трения.

Для этого явления наиболее характерно образование защитной (сервовитной) пленки, в которой реализуется особый механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойственных усталостным процессам». Название «сервовитная» (пленка) происходит от латинского servo vitte — спасать жизнь, что подразумевает предотвращение трущихся поверхностей от изнашивания.

Выявлено, что формирования сервовитной пленки можно добиться двумя путями. Первый характеризуется предварительным схватыванием и «намазыванием» медного сплава на поверхность стали с последующим обогащением сопряженных поверхностей трения медью вследствие избирательного растворения медного сплава и «намазанного» слоя с образованием квазижидкой пленки меди на обеих поверхностях трения. Второй путь связан с коррозией медного сплава и последующим атомарным переносом меди. В период намазывания коэффициент трения повышается, а затем (по мере выделения меди) постепенно стабилизируется. Во втором случае коэффициент трения сразу же начинает уменьшаться, следовательно, схватывания не происходит.

Для образования сервовитных пленок в соединениях, не содержащих медных или других пластичных сплавов (цинка, олова, серебра, золота, палладия и др.) необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие рабочие жидкости, например, топливо, промывочные и охлаждающие жидкости.

Технология фуллеренов

Японские ученые из университета префектуры Айти вместе с коллегами из токийского университета Сэйкэй, создали микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их зарегистрировать.

Силу трения, которую измеряли с помощью силового зондового микроскопа, зафиксировать не удалось, так как она оказалась меньше триллионной доли Ньютона, что пока измерить невозможно.

Материалом для «вечного» мини-подшипника послужили синтетические молекулы – фуллерены.

В данном случае они состояли из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти- и шестиугольников, которые вместе составляли шар.

Эти вращающиеся «шарики» после сложного технологического процесса поставили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита.

Так был реализован принцип безызносного подшипника.

Это достижение нанотехнологии, по мнению ученых, планируется использовать в производстве миниатюрных роботов и микромеханизмов, детали которых не будут изнашиваться.

Рис. 1 Сборочные единицы наноподшипника

Эволюционная нанотехнология

Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизмами, работы над которыми находятся на начальном этапе.

По идее К. Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообразных нанодеталей — зубчатых колес, штоков, деталей подшипников и других узлов, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться друг с другом.

Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.

В 2006 году была создана молекулярная механическая «конструкция» — катящийся по золотой поверхности цель-номолекулярный четырехколесный «автомобиль», работающий на поглощении энергии света. Однако у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на сцепление с поверхностью, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими).

Радикальная нанотехнология

Радикальная нанотехнология — нанороботы (предполагаемые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишь в фантастических рассказах и кинофильмах). Они способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов «Земля-орбита» и даже «Земля-Луна», терраформирования (изменения) Луны, других планет, их естественных спутников и т.д.

2.Дать описание и выполнить эскиз основных видов наноматериалов: фуллерена, однослойной и многослойной нанотрубок, графена.

Одной из аллотропных форм углерода является фуллерен – многоатомная молекула углерода Сn. Молекула фуллерена С60 была обнаружена в 1985г. и названа в честь американского архитектора Р.Фуллера, разработавшего дизайн строительных конструкций. Наглядно молекулу фуллерена С60 можно представить в виде футбольного мяча, собранного из правильных шестиугольников и пятиугольников.

Фуллерен – это новая форма углерода, его молекула содержит фрагменты с пятикратной симметрией, не свойственной неорганическим природным соединениям. Кристаллы из этих молекул, называемых фуллеритами, являются связующим звеном между органическими и неорганическими веществами.

Из правильных шестиугольников легко выкладывается плоская решетка, однако из них нельзя сформировать замкнутую поверхность, для чего необходимо часть шестиугольников разрезать и из них сформировать пятиугольники. В фуллерене плоская сетка шестиугольников (графитовая сетка) свернута и сшита в замкнутую сферу (рис. 2), в которой часть шестиугольников трансформирована в пятиугольники.

Рис. 2 Молекула фуллерена С60

Каждый атом в молекуле фуллерена С60 находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника. Радиус молекулы фуллерена С60 составляет 0,357нм.

Наряду со сфероидальными углеродными структурами могут быть образованы и цилиндрические структуры, так называемые нанотрубки, открытые в 1991 г. С. Ииджимой и отличающиеся разнообразием физико-химических свойств.

Модель однослойной нанотрубки изображена на рис. 3.

Рис. 3 Модель однослойной нанотрубки

Развернутая в двухмерный лист нанотрубка называется графеном и представляет собой пленку из атомов углерода. Графен стабилен, гибок, прочен и проводит электрический ток.

В отличие от фуллеренов нанотрубки могут содержать несколько слоев, вложенных один в другой или навитых на общую ось (рис. 4).

Рис. 4 Модели многослойных нанотрубок

Такие многослойные структуры называются луковичными структурами или онионами. Нанотрубки по прочности превосходят железо и близки к алмазу, а по массе легче пластика.

Графен — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, находящихся в sp²-гибридизации и соединённых посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и рекордно большой теплопроводностью (~1 ТПа и ~5•103 Вт•м−1•К−1 соответственно). Высокая подвижность носителей заряда (максимальная подвижность электронов среди всех известных материалов) делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах.

Один из существующих в настоящее время способов получения графена в условиях научных лабораторий основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита от высокоориентированного пиролитического графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей. Этот метод не предполагает использования масштабного производства, поскольку это ручная процедура. Другой известный способ — метод термического разложения подложки карбида кремния — гораздо ближе к промышленному производству. С 2010 года доступны листы графена метрового размера выращенные методом химического осаждения из газовой фазы.

Из-за особенностей энергетического спектра носителей графен проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства. Впоследствии были получены аналогичные двумерные кристаллы кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен).

За «передовые опыты с двумерным материалом — графеном» А. К. Гейму и К. С. Новоселову была присуждена Нобелевская премия по физике за 2010 год. В 2013 году Михаил Кацнельсон награждён премией Спинозы за разработку базовой концепции и понятий, которыми оперирует наука в области графена.

Рис. 5 Графен

3.Описать способы получения фуллеренов и нанотрубок, привести схемы установок для получения данных наноматериалов.

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используются как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение. На рис.6 приведена схема получения фуллеренов.

Рис. 6 Схема установки для получения фуллеренов

1 – графитовые электроды, 2 – охлаждаемые медные шины, 3 – медный корпус, 4 – пружины

Распыление графита осуществляется при пропускании через его электроды, установленные на охлаждаемых шинах, тока частотой 60Гц, 100-200А при напряжении 10-20В. С помощью пружин процесс регулируют так, чтобы основная часть энергии выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием, играющим роль буферного газа . Эффективность установки составляет 10г/В. При этом поверхность медного корпуса, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т.е. графитовой сажей. Этот порошок соскабливают и выдерживают в кипящем толуоле, из образуемой жидкости выпариванием получают мелкодисперсный порошок, в котором содержится 10% фуллеренов С60 и С70 Этот метод называется методом фуллереновой дуги.

Для получения углеродных нанотрубок разработана более совершенная технология – синтез в плазме дугового разряда между графитовыми электродами в атмосфере гелия (рис.7)

Рис. 7 Схема установки для получения нанотрубок

При данном способе дуговой разряд возникает и поддерживается в камере с охлаждаемыми водой стенками при давлении буферного газа порядка 5 мм ртутного столба. Межэлектродное расстояние составляет 1-2 мм. Для получения максимального количества нанотрубок ток дуги составляет 65-75А при напряжении 20-22В. Температура плазменной дуги 4000°С. В этих условиях анод интенсивно испаряется, поставляя отдельные атомы или пары атомов углерода внутрь камеры, из которых на катоде формируются различные углеродные наноструктуры.

Современные достижения в технологии получения нанотрубок связаны с использованием каталитического разложения углеводородов. На рис.8. приведена схема установки для получения нанотрубок методом химического разложения.

Рис. 8 Схема установки для получения нанотрубок

1 –кварцевая труба, 2 – печь, 3 – тигель с катализатором, 4 – поток буферного газа

В качестве катализатора используется мелкодисперсный металлический порошок, который засыпают в керамический тигель, установленный в кварцевой трубке, последнюю помещают в печь при температуре 700-1000°С. Через кварцевую трубку продувают газ, например, атомарный азот. Процесс продолжается от нескольких минут до нескольких часов. На поверхности катализатора вырастают длинные углеродные нити, представляющие собой многослойные нанотрубки длиной до нескольких десятков микрометров с внутренним диаметром от 10нм и внешним до 100нм.

В РФ производством коммерческих партий наночастиц занимаются известные научные центры (табл. 1).

Таблица 1 Производитель Регион Получаемый продукт Отраслевая лаборатория МИФИ Москва Синтез нанодисперсных порошков Институт физической химии РАН Москва Тонкие наноструктурированные алмазные пленки Институт физики твердого тела РАН Черноголовка Графитовые нановолокна и углеродные нанотрубки Институт электрофизики УрО РАН Екатеринбург Оксидные нанопорошки Институт физики прочности и материаловедения СО РАН Томск Плазменное нанесение наноструктурированных покрытий Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН Новосибирск Синтез наноматериалов

4.Решить следующие задачи:

Задача 1. Требуется определить степень дисперсности сливочного масла при ручном и машинном взбивании крема, если размер частиц при ручном взбивании равен 98•10-8, а с помощью высокоскоростного миксера 40•10-9м.

Решение:

Степень дисперсности– это величина, обратная размеру (а) дисперсных частиц:

Степень дисперсности при ручном взбивании:

Степень дисперсности при взбивании с помощью высокоскоростного миксера:

Задача 2. Требуется определить после пропускания через нанодиспергатор число шариков молочного жира в продукте (250 г) жирностью 15%, общую и удельную поверхность шариков, если диаметр шарика составляет 120•10-9 при его плотности 0,95 г/см3.

Решение:

Масса шариков в растворе

Удельная поверхность частиц

Объем отдельной частицы

.

Масса отдельной частицы

Число частиц в растворе

Объем частиц в растворе

Общая поверхность частиц

Нанометрия: способы и устройства измерения характеристик наноматериалов

Цель занятия:

1. Закрепление и углубление теоретических знаний из курса лекций

2. Ознакомление с устройством и принципом действия измерительных приборов, применяемых в нанометрии

Содержание занятия

- Самостоятельная работа студентов с технической литературой

- Рассмотрение и изучение конструкций измерительных средств нанометрии

- Решение задач

Теоретическая часть

Для изучения строения конструкционных материалов на наноуровне в основном используются эффекты квантовой физики.

Одним из современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), которая сканирует исследуемую поверхность специальной иглой-зондом.

Зондовые микроскопы являются не только измерительными приборами, но и инструментами с помощью которых можно манипулировать отдельными атомами.

Схема СЗМ приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема СЗМ

I – программное обеспечение компьютера, II – контроллер, 1 – станина, 2 – трех координатный автоматический столик, 3 – исследуемая поверхность, 4 – зонд, 5 – датчик положения зонда, 6 – пространственный пьезодатчик

В микроскопе роль оптического устройства играет тончайшее вольфрамовое острие или зонд, кончик которого представляет собой один атом и имеет размер в поперечнике 0, 2 нм. Пространственные пьезодатчики прибора дают возможность устанавливать зонд на расстоянии 1-2нм от исследуемой поверхности.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца. Когда зонд оказывается на расстоянии от поверхности около 10 ангстрем, между зондом и образцом возникает рабочее напряжение. В результате электроны начинают перескакивать через зазор, т.е. электрический ток из образца переходит через промежуток в иглу и наоборот в зависимости от знака напряжения. Значения этого тока находятся в пределах 1-1000пА. Величина тока очень чувствительна к величине зазора. Ток протекает благодаря так называемому туннельному эффекту, от которого получил свое название и микроскоп, т.е. электрон может преодолеть энергетический (потенциальный) барьер, образованный разрывом электрической цепи, даже не обладая для этого достаточной энергией, т.е. он «туннелирует» сквозь эту преграду (рис. 2).

Рис. 2 Переход (туннелирование) электрона с кинетической энергией через потенциальный барьер

Пьезоэлектрические двух координатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр, как, например, это делается в электронном микроскопе. При этом продольные строки растра расположены друг от друга на расстоянии долей нанометра.

Схема работы микроскопа приведена на рис. 3.

Рис. 3 Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

1 – зонд, 2 – исследуемая поверхность, 3 – пьезодатчик

Атомно-силового микроскоп (АСМ) позволяет не только рассматривать любые объекты, но и осуществлять необходимые действия с их поверхностью на наноуровне.

Принцип действия АСМ основан на использовании сил межмолекулярных связей вещества. Между атомами в зависимости от расстояния между ними возникают силы отталкивания или силы притяжения. В АСМ зонд в виде алмазной иглы скользит над поверхностью образца (рис. 4).

Рис. 4 Принцип действия АСМ

1 – игла зонда, 2 – электрон, 3 – исследуемая поверхность

Фактически это та же игла, что и в сканирующем туннельном микроскопе. Электронное облако острия оказывает давление на электронные облака отдельных атомов образца, порождая отталкивающую силу, меняющуюся в зависимости от рельефа поверхности. Эта сила отклоняет кончик острия, перемещения которого регистрируются датчиками.

Схема лазерного атомно-силового микроскопа приведена на рис.5.

АСМ можно использовать для определения рельефа поверхности любых веществ на наноуровне.

Рис. 5 Схема АСМ

1 – приемное устройство лазера, 2 – лазер, 3 – игла зонда, 4 – исследуемая поверхность

В ближнепольном оптическом лазерном силовом микроскопе давление зонда на поверхность удалось снизить 10 раз. Исследование образца осуществляется внутри капли воды, в которой находится острие сканера. Нагрузка, которую отслеживает микроскоп складывается из поверхностного натяжения воды и сил Ван-дер-Ваальса. Притягивающая сила в 1000 раз меньше, чем межатомное отталкивание в атомно-силовых микроскопах. При перемещении острие вибрирует с частотой близкой к резонансной. Изменение амплитуды осуществляется сенсорным устройством на базе лазера. Лазерный луч разделяется на два – отражающийся от зеркала и зондирующий луч – от обратной стороны острия. Два луча складываются и интерферируют, порождая сигнал. Интерферометр с помощью луча лазера изменяет амплитуду вибрации кончика острия до 10-4 нм. Данный принцип действия позволяет регистрировать малые неровности рельефа величиной до 5 нм.

С помощью АСМ исследуются биологические объекты: вирусы, гены, молекулы ДНК и другие макромолекулы в рамках биомолекулярной нанотехнологии.

В электростатическом силовом микроскопе вибрирующий зонд имеет электрический заряд. Амплитуда его вибрации зависит от электростатических сил, возникающих в результате взаимодействия с зарядами вещества. С помощью такого микроскопа выявляют картину электрофизических свойств различных материалов, например, концентрацию и распределение легирующих элементов в полупроводниках.

В магнитно-силовых микроскопах вместо немагнитного вольфрамового острия используют намагниченный никелевый зонд. Такой микроскоп позволяет исследовать магнитное поле с разрешением более 25 нм. С его помощью изучают структуру магнитных битов информации на дисках

Зонд растрового термического микроскопа позволяет измерять изменения температуры в десятитысячную долю градуса на длине в несколько десятков нанометров. Зонд представляет собой вольфрамовую проволочку диаметром 30нм, покрытую никелем. Такой вольфрамоникелевый зонд работает, как термопара, генерируя напряжение пропорциональное температуре среды.

В основе метода протонной микроскопии (протонной радиографии) лежит, так называемый «эффект теней». Кристаллический образец облучается параллельным пучком протонов, энергия которых позволяет им приблизиться близко к ядрам атомов, составляющих кристаллическую решетку образца. Рассеиваясь в ядрах, протоны проходят кристалл и засвечивают фотопластинку, где получается сетка линий с пятнами разных размеров. По протонограмме определяют тип структуры кристалла, ориентацию и углы между осями. Этот метод регистрирует даже точечные дефекты в кристаллах.

1.Дать описание устройства, принципа действия и назначения сканирующих микроскопов, применяемых в нанометрии.

Сканирующие микроскопы основаны на таком принципе получения изображения, который позволяет преодолеть дифракционный предел разрешения. Принцип действия таких микроскопов основан на сканировании объекта сверхмалым зондом. Прошедший или отраженный сигнал регистрируется и используется для формирования трехмерной топографии поверхности образца с помощью ЭВМ.

Сканирующие микроскопы в зависимости от принципа взаимодействия зонда и образца разделяют на электронные, атомно-силовые и ближнепольные.

Наиболее интересен ближнепольный растровый сканирующий микроскоп (БРОМ), который работает в видимом излучении. Среди возможных механизмов формирования контраста в БРОМ можно отметить поглощение, поляризацию, отражение, люминесценцию и другие. Эти возможности отсутствуют в электронной и атомно-силовой микроскопии. Кроме того, световой микроскоп является сравнительно дешевым и неразрушающим инструментом исследования и позволяет работать с биологическими и медицинскими препаратами в естественных условиях.

Принцип действия ближнепольного растрового микроскопа заключается в сканировании объекта оптическим зондом на расстоянии меньше длины волны от объекта (в ближнем поле). Роль светового зонда в этом микроскопе выполняют светоизлучающие острия с выходными отверстиями, радиус которых в 10-20 раз меньше длины волны света. В результате ближнепольный растровый сканирующий микроскоп обеспечивает получение изображения с разрешением в десятки раз выше, чем в обычном микроскопе.

Зондовые микроскопы являются не только измерительными приборами, но и инструментами с помощью которых можно манипулировать отдельными атомами.

Схема СЗМ приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема СЗМ

I – программное обеспечение компьютера, II – контроллер, 1 – станина, 2 – трех координатный автоматический столик, 3 – исследуемая поверхность, 4 – зонд, 5 – датчик положения зонда, 6 – пространственный пьезодатчик.

В микроскопе роль оптического устройства играет тончайшее вольфрамовое острие или зонд, кончик которого представляет собой один атом и имеет размер в поперечнике 0,2 нм. Пространственные пьезодатчики прибора дают возможность устанавливать зонд на расстоянии 1-2 нм от исследуемой поверхности.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца. Когда зонд оказывается на расстоянии от поверхности около 10 ангстрем, между зондом и образцом возникает рабочее напряжение. В результате электроны начинают перескакивать через зазор, т.е. электрический ток из образца переходит через промежуток в иглу и наоборот в зависимости от знака напряжения. Значения этого тока находятся в пределах 1-1000 пА. Величина тока очень чувствительна к величине зазора. Ток протекает благодаря так называемому туннельному эффекту, от которого получил свое название и микроскоп, т.е. электрон может преодолеть энергетический (потенциальный) барьер, образованный разрывом электрической цепи, даже не обладая для этого достаточной энергией, т.е. он «туннелирует» сквозь эту преграду (рис. 7).

Рис. 7 Переход (туннелирование) электрона с кинетической энергией через потенциальный барьер

Пьезоэлектрические двухкоординатные манипуляторы перемещают зонд вдоль поверхности образца, формируя растр, как, например, это делается в электронном микроскопе. При этом продольные строки растра расположены друг от друга на расстоянии долей нанометра.

Схема работы микроскопа приведена на рис. 8.

Рис. 8 Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

1 – зонд, 2 – исследуемая поверхность, 3 – пьезодатчик

2.Выполнить эскизы сканирующих микроскопов.

Рис. 9. Эскиз сканирующего зондового микроскопа

I – программное обеспечение компьютера, II – контроллер, 1 – станина, 2 – трех координатный автоматический столик, 3 – исследуемая поверхность, 4 – зонд, 5 – датчик положения зонда, 6 – пространственный пьезодатчик

Рис. 10. Эскиз атомно-силового микроскопа

1 – приемное устройство лазера, 2 – лазер, 3 – игла зонда, 4 – исследуемая поверхность

Рис. 11 Эскиз сканирующего туннельного микроскопа

1 – зонд, 2 – исследуемая поверхность, 3 – пьезодатчик

3.Решить следующие задачи:

Задача 1. Требуется определить суммарную поверхность и число частиц коллоидного раствора, если плотность раствора составляет ρ=0,93 г/см3, объем раствора равен V=1 см3, а диаметр частиц составляет d=150•10-9 м.

Решение:

Удельная поверхность частиц

Общая поверхность частиц

Масса раствора

Объем отдельной частицы ;

Масса отдельной частицы

Число частиц в растворе

Задача 2. Требуется определить удельную и общую поверхность 10 г эмульсии, содержащей 60% растительного масла, плотность которого составляет 0,92 г/см3, а диаметр шарика равен 120•10-9 м.

Решение:

Масса шариков в растворе

Удельная поверхность частиц

Объем частиц в растворе

Общая поверхность частиц


Способ заказа и контакты