Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

NANOSKLA 1. Skelný stav 2. Nanoskla a jejich typy 3. Příprava nanočástic a nanoclusterů ve sklech 4. Skla s nanočásticemi kovů 5. Skla s amorfními nanoclustery.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "NANOSKLA 1. Skelný stav 2. Nanoskla a jejich typy 3. Příprava nanočástic a nanoclusterů ve sklech 4. Skla s nanočásticemi kovů 5. Skla s amorfními nanoclustery."— Transkript prezentace:

1 NANOSKLA 1. Skelný stav 2. Nanoskla a jejich typy 3. Příprava nanočástic a nanoclusterů ve sklech 4. Skla s nanočásticemi kovů 5. Skla s amorfními nanoclustery 6. Bioaktivní nanoskla 7. Nanosklokeramika 8. Nanovlákna

2 SKELNÝ STAV Kriteria použitá pro základní charakteristiku - definici 1.Chemické složení 2.Struktura 3.Metoda přípravy 4.Termodynamický stav

3 Struktura křemičitých skel Teorie spojité neuspořádané mřížky (Zachariasen-Warren) Teorie spojité neuspořádané mřížky (Zachariasen-Warren)

4 Struktura skel Krystalitová teorie Krystalitová teorie (Lebeděv, Poraj-Košic) (Lebeděv, Poraj-Košic)

5 RTG difrakce (různé formy SiO 2 )

6 Skelný stav ( charakteristické znaky )  Amorfní struktura neexistence translační souměrnosti na větší vzdálenosti neexistence translační souměrnosti na větší vzdálenosti [ makroskopická homogenita (pevný roztok)] [ makroskopická homogenita (pevný roztok)]  Transformační interval interval teplot, v němž nastává přechod z metastabilního stavu přechlazené kapaliny interval teplot, v němž nastává přechod z metastabilního stavu přechlazené kapaliny do termodynamicky nestabilního skelného stavu do termodynamicky nestabilního skelného stavu

7 Vznik skla při ochlazování taveniny

8 NANOSKLA Skla s krystalickými nanočásticemi (Skla s jednou nebo více nanokrystalickými fázemi) (Skla s jednou nebo více nanokrystalickými fázemi) Skla s amorfními nanoclustery (Skla se skelnými nanofázemi) (Skla se skelnými nanofázemi) Skla s porésní nanostrukturou Skla s porésní nanostrukturou (Skla s nano- a mesopóry ) (Skla s nano- a mesopóry )

9 Aproximace dimenzí vzdálenost velikost velikost vzdálenost velikost velikost vazby Si – O krystalitů nanočástic v tetraedru ve sklech v nanosklech 0,16 nm ~ 1 nm ~ 10 – 100 nm 0,16 nm ~ 1 nm ~ 10 – 100 nm

10 Příprava nanočástic a nanoclusterů ve skelné matrici Nukleace a krystalizace některých složek Nukleace a krystalizace některých složek skelné matrice skelné matrice nanokrystaly ve skelné matrici nanokrystaly ve skelné matrici Fázová separace a spinodální rozklad Fázová separace a spinodální rozklad nanoclustery skelných fází nanoclustery skelných fází Redukce iontů kovů, nukleace,růst Redukce iontů kovů, nukleace,růst nanočástice kovových elementů nanočástice kovových elementů

11 Rychlost nukleace a krystalizace

12 Závislost rychlosti nukleace na teplotě

13 Závislost rychlosti růstu krystalů na teplotě

14 Tvorba nanoclusterů Ag, Au, Cu ve skelné matrici 1. Implementace do skelné matrice - sloučeniny kovů jsou součástí sklářského kmene - sloučeniny kovů jsou součástí sklářského kmene - difúze iontů do povrchu skla výměnou za alkalické ionty ze skla - difúze iontů do povrchu skla výměnou za alkalické ionty ze skla 2. Redukce na elementární kov - redukčními činidly ve skle (Sb, Fe, Sn) - redukčními činidly ve skle (Sb, Fe, Sn) (nanočástice vznikají v 3D prostoru) (nanočástice vznikají v 3D prostoru) - redukce externím činidlem (CO, H 2 ) - redukce externím činidlem (CO, H 2 ) (nanočástice vznikají v povrchové vrstvě) (nanočástice vznikají v povrchové vrstvě) 3. Nukleace a růst nanoclusterů (temperování v intervalu T m – T g - „nabíhání“) (temperování v intervalu T m – T g - „nabíhání“) (velikost částic do 5 nm) (velikost částic do 5 nm)

15 Absorbance skel s nanočásticemi Ag Absorbance ve viditelné části spektra Absorbance ve viditelné části spektra (žluté až hnědé zbarvení skel Na 2 O-CaO-SiO 2 ) (žluté až hnědé zbarvení skel Na 2 O-CaO-SiO 2 )

16 Absorbance skel K 2 O-PbO-SiO 2 - nanočástice Ag - různá redukční činidla

17 Fotosenzitivní skla Skla s obsahem Ag, Au, Cu ve formě iontů hν T hν T Ag +,Au 3+,Cu 2+ → Ag, Au, Cu → Ag, Au, Cu Ce 3+ (nuklea) (nanočástice) Ce 3+ (nuklea) (nanočástice) Ozáření maskovaného povrchu skla UV → trvalý obraz ve skle

18 Fotochromní skla Skla s obsahem Ag a halogenidů Ag Skla s obsahem Ag a halogenidů Ag T hν T hν Sklo utavené s AgCl → AgCl Ag (nanokrystaly) (nanoclustery) (nanokrystaly) (nanoclustery) (8- 15 nm) AgCl – (šedá až hnědá barva) (8- 15 nm) AgCl – (šedá až hnědá barva) Skla s obsahem Cu, Cd a halogenidů Ag Skla s obsahem Cu, Cd a halogenidů Ag Sklo utavené s Cu 2 Cl 2, CdCl 2, AgCl T ↓ hν T ↓ hν nanokrystaly ↔ nanoclustery Ag nanokrystaly ↔ nanoclustery Ag zelené zbarvení zelené zbarvení

19 NANOSKLA s amorfními clustery Skla, jejichž strukturu tvoří skelné nanoclustery propojené skelnými hraničními rozhraními. Skla, jejichž strukturu tvoří skelné nanoclustery propojené skelnými hraničními rozhraními. Tato rozhraní se vyznačují menší atomovou hustotou, tedy větším volným objemem. Tato rozhraní se vyznačují menší atomovou hustotou, tedy větším volným objemem.

20 Příprava nanoskel s amorfními clustery Syntéza ze skelných nanoclusterů Syntéza ze skelných nanoclusterů Fázová separace Fázová separace Metastabilní odmísení pod teplotou liquidus - vznik izolovaných amorfních nanolokalit (koncentračních fluktuací) (koncentračních fluktuací) ve skelné matrici ve skelné matrici - vznik spojitých fází - vznik spojitých fází (spinodální rozklad) (spinodální rozklad)

21 Spinodální rozklad ve vícesložkových systémech

22 Metastabilní odmísení na dvě skelné fáze isolované nanolokality spojité fáze – spinodální rozklad

23 Sklo VYCOR Tavení skla Na 2 O-B 2 O 3 -SiO 3 Tavení skla Na 2 O-B 2 O 3 -SiO 3 ↓ Tvarování výrobků Tvarování výrobků ↓ Temperování (600 0 C) Temperování (600 0 C) (odmísení v nano - až mikrooblastech) (odmísení v nano - až mikrooblastech) ↓ Vyluhování v minerální kyselině Vyluhování v minerální kyselině (separace rozpustné fáze a vznik poresního skeletu) (separace rozpustné fáze a vznik poresního skeletu) ↓ Slinutí křemičitého skeletu ( C) Slinutí křemičitého skeletu ( C) ↓ sklo Vycor – cca 95 SiO 2, 5 B 2 O 3, 0,5 Na 2 O (hmot.%) α = K – 1 T g = C T m´= C α = K – 1 T g = C T m´= C

24 Aplikační možnosti nanoskel

25 Zpevnění skel laserem

26 Hybridní borito-křemičité sklo s protonovou vodivostí borito-křemičité sklo borito-křemičité sklo ↓ temperování ↓ temperování fázová separace fázová separace ↓ loužení v kyselině ↓ loužení v kyselině porésní sklo porésní sklo ↓ 3 – mercaptopropyl-trimethoxysilan 3 – mercaptopropyl-trimethoxysilan ↓ konc. HNO 3 ↓ konc. HNO 3 oxidace skupin (– SH) na (–SO 3 H) oxidace skupin (– SH) na (–SO 3 H) ↓ hybridní sklo s protonovou vodivostí hybridní sklo s protonovou vodivostí

27 Struktura hybridního skla s protonovou vodivostí

28 Anorganické nekovové biomateriály a - bioinertní, b - bioaktivní vrstva hydroxyapatitu Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 na kovovém implantátu, c - povrchově aktivní biosklo, d - resorbovatelný Ca 3 (PO 4 ) 2

29 Princip bioaktivity Bioactive glass Na +, Ca 2+ H +, H 3 O + Glass Si - OH Si-O-Si + H 2 O Si-OH + HO-Si Amorphous Ca/P layer growth Ca 2+ PO 4 3- CaO-P 2 O 5 Si - OH Glass HAP, CHAp crystallisation OH - CO 3 2- Si - OH Glass Exchange of moveable ions HCA

30 BIOAKTIVNÍ NANOSKLA Charakteristika: Skla se zvýšenou bioaktivitou, která je způsobena mesoporesní texturou (póry 1-50 nm) a nanomorfologií povrchu Skla se zvýšenou bioaktivitou, která je způsobena mesoporesní texturou (póry 1-50 nm) a nanomorfologií povrchu Složení: (Na 2 O, K 2 O), SiO 2, CaO, P 2 O 5 Příprava: metoda sol-gel sol: TEOS (tetraethoxysilan) sol: TEOS (tetraethoxysilan) TEP (triethylfosfát) TEP (triethylfosfát) Ca(NO 3 ) 2, kyselina mléčná, amoniak Ca(NO 3 ) 2, kyselina mléčná, amoniak Tepelné zpracování: stárnutí gelu(60 0 C, 24h) tepelná expozice ( ~500 0 C, 24h) tepelná expozice ( ~500 0 C, 24h) slinutí (~700 0 C, 2 h) slinutí (~700 0 C, 2 h)

31 Bioaktivní nanoskla Porozita a morfologie: Specifický povrch: ~ m 2 g -1 Objem pórů: ~ 0,3 cm 3 g -1 Střední průměr pórů: ~ 1 – 20 nm Nanomorfologie povrchu Tyto parametry lze řídit koncentrací kyseliny mléčné v solu

32 Bioaktivita nanoskel Sledování změn morfologie povrchu in vitro působením roztoku SBF Sledování změn morfologie povrchu in vitro působením roztoku SBF SBF: K +, Mg +, Ca +, Cl -, HCO 3 -, HPO 4 -,SO 4 - Závěr: tvorba vrstvy apatitu je rychlejší u vrstev s vyšším spec.povrchem, objemem pórů a s menším průměrem nanopórů tvorba vrstvy apatitu je rychlejší u vrstev s vyšším spec.povrchem, objemem pórů a s menším průměrem nanopórů

33 Morfologie povrchu nanoskel před a po interakci s SBF - vliv LA na tvorbu hydroxyapatitu A 1 -D 1 povrch před působením SBF (zvyšující se konc. LA) A 2 -D 2 povrch po působení SBF (označen úsek 1 μm) A 3 -D 3 povrch po působení SBF (označen úsek 100 nm)

34 NANOSKLOKERAMIKA  Sklokeramika ANM složený z jedné nebo více krystalických fází, zpravidla submikrometrických a z fáze skelné ANM složený z jedné nebo více krystalických fází, zpravidla submikrometrických a z fáze skelné  Nanosklokeramika Velikost krystalků nepřesahuje 100 nm Velikost krystalků nepřesahuje 100 nm

35 NANOSKLOKERAMIKA - metody přípravy

36 Řízená nukleace a krystalizace

37 Sklokeramika na bázi syntetických surovin

38 Sklokeramika na bázi vysokopecní strusky

39 Biosklokeramika

40 Spinelová nanosklokeramika SLOŽENÍ SLOŽENÍ široký rozsah složení - matrice SiO 2 - Al 2 O 3 -ZnO-MgO + nukleátor TiO 2 široký rozsah složení - matrice SiO 2 - Al 2 O 3 -ZnO-MgO + nukleátor TiO 2 izolované nanokrystaly (Zn, Mg) Al 2 O 4 ) velikost cca 10 nm, izolované nanokrystaly (Zn, Mg) Al 2 O 4 ) velikost cca 10 nm, (cca 30-40% krystalů ve skelné matrici ) (cca 30-40% krystalů ve skelné matrici ) VLASTNOSTI VLASTNOSTI transparentnost transparentnost chemická odolnost chemická odolnost teplotní stabilita do C teplotní stabilita do C

41 Spinelová nanosklokeramika

42 Nanosklokeramika na bázi β-křemene Příprava a vlastnosti Příprava a vlastnosti - izolovan é nanokrystaly (50 nm) vznikaj í ř í zenou krystalizac í skla SiO 2 -Al 2 O 3 -Li 2 O za př í sady nukle á torů TiO 2 a ZrO 2 a jsou fixov á ny ve skeln é matrici - izolovan é nanokrystaly (50 nm) vznikaj í ř í zenou krystalizac í skla SiO 2 -Al 2 O 3 -Li 2 O za př í sady nukle á torů TiO 2 a ZrO 2 a jsou fixov á ny ve skeln é matrici - α = 7x10 -7 K -1 ( C) - transparentnost (velmi mal é krystaly a bl í zkost indexu lomu)

43 Nanosklokeramika na bázi β-křemene

44 NANOVLÁKNA  Metody přípravy -Drawing – tažení -Template synthesis - šablonová syntéza -Self assembly – samo-organizování -Electrospinning – elektrostatické zvlákňování zvlákňování

45 Elektrostatické zvlákňování Schéma laboratorního uspořádání injekční stříkačka injekční stříkačka (nástřik solu) (nástřik solu) ● tryska ● tryska el.pole ↓ el.pole ↓ V tvorba vlákna V tvorba vlákna ↓ ● kolektor ● kolektor

46 Elektrostatické zvlákňování Parametry ovlivňující tvar, průměr a porozitu vláken Parametry ovlivňující tvar, průměr a porozitu vláken Elektromechanické : el.napětí, vzdálenost mezi elektrodami, tvar a pohyb kolektoru Chemické : druh solu, druh, koncentrace a vlastnosti nosného polymeru, vodivost, dielektrická konstanta Reologické : viskozita, koncentrace, povrchové napětí Externí : T, vlhkost prostředí, vakuum, plynná atmosféra, rychlost proudění

47 TYPY ANORGANICKÝCH VLÁKEN TiO 2, SiO 2,vlákna směsného složení, TiO 2, SiO 2,vlákna směsného složení, vlákna s příměsemi (Ag) vlákna s příměsemi (Ag) Jednosložková: Fe 2 O 3, Ta 2 O 5, Co 3 O 4, ZrO 2, SnO 2,CeO 2, GeO 2, ZnO, MgO, CuO, Al 2 O 3 Jednosložková: Fe 2 O 3, Ta 2 O 5, Co 3 O 4, ZrO 2, SnO 2,CeO 2, GeO 2, ZnO, MgO, CuO, Al 2 O 3 Směsná: NiO-Fe 2 O 3, NiO-CoO, BaO-TiO 2, Směsná: NiO-Fe 2 O 3, NiO-CoO, BaO-TiO 2, PbO-ZrO 2 -TiO 2, SiO 2 -ZrO 2, PbO-ZrO 2 -TiO 2, SiO 2 -ZrO 2, MgO-TiO 2, Al 2 O 3 - B 2 O 3 MgO-TiO 2, Al 2 O 3 - B 2 O 3

48 Příprava nanovláken na bázi SiO 2 a TiO 2 Příprava solu Příprava solu Prekurzory: TEOS, isopropoxid Ti Prekurzory: TEOS, isopropoxid Ti Katalyzátory: HCl Katalyzátory: HCl Voda a organická rozpouštědla Voda a organická rozpouštědla Nosné polymery: polyvinylalkohol, polyvinylpyrrolidon, polyethylenoxid Nosné polymery: polyvinylalkohol, polyvinylpyrrolidon, polyethylenoxid Zvlákňování Zvlákňování Kalcinace : slinování, chemická konverze, odstranění org. látek Kalcinace : slinování, chemická konverze, odstranění org. látek

49 Patentovaná technologie výroby nanovláken (TU Liberec) 1- kovový válec (anoda), 2 - zásobník polymerního roztoku, 3 - polymerní roztok, 4 - směr tvorby vláken, 5 - textilní substrát, 6 - uzemnění – ochranný štít

50 Vrstva z nanovláken SiO 2

51 Nanovlákna SiO 2 ( diam. = cca 160 nm)

52 Aplikační možnosti nanovláken Určující faktory: Určující faktory: - chemické složení, průměr (od cca 50 nm), porozita vlákna - chemické složení, průměr (od cca 50 nm), porozita vlákna - tvar a porozita výrobků z nanovláken - tvar a porozita výrobků z nanovláken Možnosti: Možnosti: - nosiče katalyzátorů - nosiče katalyzátorů - ultrafiltrace - ultrafiltrace - chemické senzory - chemické senzory - medicínské aplikace (antibakteriální vlastnosti, biokompatibilita) - medicínské aplikace (antibakteriální vlastnosti, biokompatibilita) - fotokatalýza, fotodegradace - fotokatalýza, fotodegradace - solární články - solární články - výztuž kompozitů - výztuž kompozitů


Stáhnout ppt "NANOSKLA 1. Skelný stav 2. Nanoskla a jejich typy 3. Příprava nanočástic a nanoclusterů ve sklech 4. Skla s nanočásticemi kovů 5. Skla s amorfními nanoclustery."

Podobné prezentace


Reklamy Google