Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where."— Transkript prezentace:

1 1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where the smallest man-made devices meet the atoms and molecules of the natural world.“ (Professor Eugen Wong, Assistant Director of the National Science Foundation, 1999)

2 2 Obsah přednášky (2011) 1. Motivace : New semantic wave 1.2 Nanostruktury v přírodě 1.3 Nanotechnologie vyvinuté člověkem: historie – současnost – budoucnost 2. Top-down vs. Bottom-up: dva přístupy k nanoobjektům 2.1 Metrika nanosvěta 2.2 Přístup Top-down 2.3 Přístup Bottom-up 2.4 Příklady (struktura, hustota, kohezní energie, teplota tání) 3. Teorie vs. Experiment 3.1 Struktura a velikost částic 3.2 Teplota tání nanočástic 4. Koncept předmětu 4.1 Proč ? 4.2 Co a jak ? 5. Literatura – další zdroje informací

3 3 Motivace

4 4 Motivace Nanotechnology (12,7) Nanoparticle(s) (15,2) Nanostructure(s) (8,4) Nanocrystal(s)83416 (5,8) Nanomaterial(s)31427 (14,4) 48 %

5 5 Nanostruktury v přírodě - příklady Morpho cypris Morpho didius

6 6 Nanotechnologie - historie

7 7 Nanotechnologie - současnost NANO Silver

8 8 Nanotechnologie - současnost Elektronika Paměťová média (oxidy, FePt, …) Si komponenty, polymery QD (ZnS, CdSe), lasery, biosenzory MedicínaFarmacie Nanočástice jako kontrastní diagnostická media Nanosystémy pro transtport léčiv Nanostrukturované biomateriály, nanomembrány pro dialýzu, Chemickýprůmysl Katalyzátory a fotokatalyzátory Nanostrukturovaný uhlík Pigmenty, ferofluidy Energetika Li-iontové akumulátory (LiCoO 2, LiMn 2 O 4, Li 4 Ti 5 O 12, …) Fotovoltaika (ZnO, TiO 2 ) Materiály pro akumulaci vodíku (hydridy, C-nanostruktury) Automobilovýprůmysl Katalyzátory výfukových plynů Barvy a laky, ochranné povlaky Saze do pneumatik Ostatní Textilní nanovlákna, antibakteriální úprava textilií Kosmetika Nanomembrány pro čištění odpadních vod

9 9 Co je NANO ? Terminologie - Prefix NANO – z řeckého slova nanos = trpaslík (latinsky nanus) - NANO = NANOmetr = m (nanosekunda, …) - NANOtechnologie - NANOmateriály - NANOčástice (0D), NANOvlákna (1D), NANOvrstvy (2D) - NANOstrukturované materiály - NANOkompozitní materiály - NANOporézní materiály

10 10 Na velikosti záleží ! Kohezní energie Povrchová energie/napětí Energie vzniku vakancí, aktivační energie difúze ΔH, ΔS tání, vypařování, fázové transformace Teplota tání, vypařování, fázové transformace Tenze nasycených par Curioeva teplota, Neélova teplota, teplota přechodu do supravodivého stavu Einsteinova a Debyeova teplota, C V, C p Hustota, koeficient teplotní roztažnosti Koeficient objemové stlačitelnosti, moduly pružnosti Rozpustnost a vzájemná mísitelnost Aktivační energie adsorpce a aktivační energie chemických reakcí Katalytická aktivita a selektivita Tepelná vodivost Šířka zakázaného pásu …

11 11 Na velikosti záleží !

12 12 Metrika nanosvěta

13 13 Geometrie koule 1 kg zlata (ρ = 19,3 g cm -3 ) objem V = 51,81 cm 3 koule o průměru d = 4,63 cm povrch A = 67,35 cm 2 poměr A/V = 1,30 cm -1 1 kg zlata (ρ = 19,3 g cm-3) objem V = 51,8 cm koulí o průměru d = 4,63 mm celkový povrch A = 673,5 cm 2 poměr A/V = 13,0 cm -1 Metrika nanosvěta Au

14 14 Podíl povrchových atomů η (surface-to-volume ratio) Metrika nanosvěta

15 15 Top-down Bottom-up Bottom-up Vztahy platné pro částice (individuální vlastnosti jednotlivých atomů/molekul) jsou „extrapolovány“ na nanoobjekty Top-down Vztahy platné pro makroobjekty (kolektivní vlastnosti velkého počtu atomů/molekul) jsou „extrapolovány“ na nanoobjekty Top-down vs. Bottom-up

16 16 Teorie: Top-down Teorie platné pro makroskopické objekty jsou extrapolovány na objekty velmi malých rozměrů, přičemž rozměr objektu se stává další proměnnou: Klasická termodynamika rovnovážných soustav. Dynamika krystalové mříže na základě Einsteinova resp. Debyeova modelu. Mechanika elastického kontinua. POZOR Existují určitá omezení v přístupu top-down, např. klasickou rovnovážnou termodynamiku nelze užít pro nanočástice menší než cca 2 nm.

17 17 Teorie: Bottom-up

18 18 Quantum mechanics Empirical potentials Tlak Teplota Quasiharmonic approximation Equation of state (EOS) Teorie: Bottom-up

19 19 Top-downBottom-up Struktura nanočástic Wulffova konstrukce: min F surf, anizotropie povrchové energie Kvazikrystalické klastry, optimalizace geometrie výpočtem, „magická čísla“ Hustota nanočástic Youngova-Laplaceova rovnice, izotropní komprese elastického kontinua Nanočástice jako „velká molekula“, výpočet d A-A ab-initio ( atomů) resp. MD ( atomů) Kohezní energie Nanočástice jako „malá částice“, korekce na menší počet vazeb povrchových atomů Nanočástice jako „velká molekula“, výpočet E tot ab-initio ( atomů) resp. MD ( atomů) Teplota tání nanočástic Lindemannova teorie (msd = f(r)) T fus(r) /T fus(∞) = E coh(r) /E coh(∞) Rovnováha (s)-(l) Nanočástice jako „velká molekula“, výpočet E tot (T ) ab-initio ( atomů) resp. MD ( atomů) Top-down vs. Bottom-up

20 20 Experiment - XRD - Poloha píku (2θ) → parametry elementární buňky (Braggova rovnice) → meziatomové vzdálenosti. - Šířka píku v polovině výšky → velikost nanočástic (Debye- Scherrerova rovnice). Teorie vs. experiment Struktura a velikost nanočástic Teorie – MD simulace

21 21 Teorie vs. experiment Teplota tání nanočástic Teorie J.J. Thomson (1888) P. Pawlow (1909)Experiment M. Takagi (1954) – ED … Au Sn

22 22 Teorie vs. experiment Teplota tání nanočástic Cu

23 23 Experiment Mikroskopické metody CLSM – morfologie SEM – topologie/morfologie povrchu EPMA – lokální chemická analýza TEM/HRTEM – tvar a velikost částic Spektroskopické metody XRF – chemické složení Fotoelektronová spektroskopie (XPS, AES) – chemické složení povrchu RTG absorpční spektroskopie (XAS, EXAFS, XANES) – lokální atomová a elektronová struktura (CN, NND) FTIR, RS, SERS Difrakční metody RTG difrakce (XRD, SAXS) – struktura, velikost nanočástic SAED – lokální strukturní analýza (tání) RHEED – struktura povrchu LEED – struktura a vazebné poměry na povrchu (adsorpce) ND – struktura Další metody STM, AFM – topologie/morfologie povrchu DTA/DSC – termofyzikální a termochemické vlastnosti BET – stanovení velikosti povrchu SIMS – chemické složení DLS – velikost částic v suspenzích

24 24 Experiment V některých případech je experiment neproveditelný nebo jen velmi obtížně proveditelný: Stanovení hodnot povrchové energie/napětí pro různé krystalografické roviny (hkl). Stanovení prostorového rozložení meziatomových vzdáleností a vazebných energií. …

25 25 Koncept předmětu – Proč ? Příprava Vlastnosti SloženíStrukturaTvarRozměry Jak závisí fyzikální a chemické vlastnosti na SSTR nanomatriálů Jak podmínky přípravy a zpracování ovlivňují SSTR nanomateriálů

26 26 Bezolovnaté pájky 183 °C Sn–3.0Ag–0.5Cu (wt.%) °C

27 27 Řízený tvar nanočástic Depozice Cu na SrTiO 3 electron-beam evaporator Analýza STM

28 28 Aktivita a selektivita katalyzátorů Activation energies for the electron-transfer reaction between hexacyanoferrate (III) ions and thiosulfate ions in a colloidal solution.

29 29 Aktivita a selektivita katalyzátorů

30 30 Aktivita a selektivita katalyzátorů

31 31 Zvýšená rozpustnost účinných látek v lécích

32 32 Developing nanoparticle formulations or poorly soluble drugs Vijaykumar Nekkanti, Pradeep Karatgi, Mahendra Joshi, Raviraj Pillai Pharmaceutical Technology Europe Ketoconazol (imidazol) Účinná látka k léčbě Plísňových a kvasinkových infekcí obsažen v přípravcích Nizoral Zvýšená rozpustnost účinných látek v lécích

33 33 Koncept předmětu – Ca a jak ? https://student.vscht.cz/predmety/index.php?do=predmet&kod=N Struktura a p-V-T chování 1.1 Pevné látky (atomová struktura, p-V-T chování) 1.2 Povrch pevných látek (atomová struktura, povrchová energie, povrchový stress) 1.3 Nanoobjekty (atomová struktura, p-V-T chování) 2. Kohezní energie nanočástic 3. Dynamika krystalové mříže (Debyeův model) 3.1 Výchylky atomů, Lindemannova teorie tání 3.2 Tepelné kapacity 4. Termodynamický popis fázových rozhraní a fázové rovnováhy v jedno- a dvousložkových systémech 4.1 Gibbsův popis fázových rozhraní 4.2 Jednosložkové systémy: tání a fázové transformace v pevném stavu 4.3 Dvousložkové systémy: rovnováhy (s)-(l) 5. Difúze v nanomateriálech 6.Reaktivita nanomateriálů 6.1 Adsorpce na povrch nanomateriálů 6.2 Reakce (s)-(g), povrchová oxidace kovů, depozice z plynné fáze 6.3 Katalytické reakce

34 34 Návaznost na další předměty Navazující magisterské studium fakulty FCHT Studijní program: Studijní program: Chemie materiálů a materiálové inženýrství Studijní obory: Studijní obory: Nanomateriály, Materiály pro elektroniku N Chemie a fyzika pevných látek (struktura, vazba, mechanické a tepelné vlastnosti) N Přenosové jevy v materiálovém inženýrství (difúze) N Termodynamika materiálů (termodynamické funkce a vztahy mezi nimi, fázové rovnováhy v jedno- a dvousložkových systémech, chemická rovnováha, … Bakalářské studium fakulty FCHT Studijní program: Studijní program: Aplikovaná chemie a materiály Studijní obor: Studijní obor: Chemie a technologie materiálů N Základy nanomateriálů N Fyzikální chemie povrchů a koloidních soustav

35 35 Zdroje informací Elektronické učební pomůcky Termodynamika materiálů Nanomateriály

36 36 Zdroje dalších informací

37 37 Zdroje dalších informací Další studijní opory Knihovna VŠCHT – E-zdroje (http://knihovna.vscht.cz/eiz-a_cze.html)http://knihovna.vscht.cz/eiz-a_cze.html Seznam e-zdrojů - vyhledávání Hledaný řetězec: 39 záznamů nano

38 38 Na velikosti záleží !!!


Stáhnout ppt "1 Fyzikální chemie NANOmateriál ů … „One nanometer is one billionth of a meter. It is a magical point on the scale of length, for this is the point where."

Podobné prezentace


Reklamy Google