Практическое занятие по теме «Нанотехнологии и их приложение»

Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов для изучения наночастиц. Решение задач по нанохимии. Расчет количества атомов в наночастице.

Цель: Ознакомиться принципом работы СЗМ на демонстрационном материале научиться рассчитывать размеры наночастиц и их состав.

Теоретическая часть:

Общие принципы работы сканирующих зондовых микроскопов:

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из наиболее мощных современных методов исследования морфологии (микро и нанорельефа) и локальных свойств поверхности твердого тела и наноструктур на этой поверхности с высоким пространственным разрешением. К настоящему моменту СЗМ превратилась из экзотической методики, доступной лишь ограниченному числу исследовательских групп, в широко распространенный и успешно применяемый инструмент. Исследование морфологии и локальных свойств методами СЗМ проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах составляет, по порядку величины, 0.1 – 10 нм.

В основе работы СЗМ лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Работа туннельного микроскопа основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом. В основе работы атомно-силового, магнитно-силового, электросилового и других силовых микроскопов лежат различные типы силового взаимодействия. Общие черты, присущие различным СЗМ можно представить следующим образом. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью характеризуется некоторым параметром P . Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра P от расстояния между зондом и образцом) (z P P = , то данный параметр может быть использован для организации системы обратной связи (ОС), контролирующей расстояние между зондом и образцом. В существующих СЗМ точность удержания расстояния зондповерхность достигает величины ~0.001 нм. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра взаимодействия P, обусловленное рельефом поверхности.

Система ОС отрабатывает эти изменения, так что при перемещении зонда в плоскости Y X , сигнал на исполнительном элементе оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Визуализация СЗМ данных производится средствами компьютерной графики, в основном, в виде трехмерных и двумерных яркостных (или цветовых) изображений. СЗМ изображения, наряду с полезной информацией, содержат также много побочной информации, искажающей данные о морфологии и свойствах поверхности.

1. Задачи: Сколько атомов углерода входит в состав наноалмаза диаметром 5.0 нм? Какой процент от общего объема алмаза занимают атомы углерода? Необходимая информация: ковалентный радиус атома углерода составляет 0.077 нм (половина длины связи C–C). Плотность алмаза 3.52 г/см3 .

Решение Объем одного наноалмаза составляет: V(С) = d3 /6 = 5.03 / 6 = 65 нм3 = 6.510– 20 см3 , а его масса равна: m(С) = V = 3.526.5410–20 = 2.310–19 г. Число атомов найдем через количество вещества углерода: N(С) = (C)  NA = = m / M  NA = 2.310–19 / 12  6.021023  12000. Зная число атомов, рассчитаем их общий объем: V(ат.) = N4/3 r 3 = 120004/3 0.0773 = 23 нм3 . Процент от общего объема наноалмаза составляет: 23 / 65  100 = 35%. Ответ. 12000; 35%.

1. Оцените число атомов в наночастице золота диаметром 3 нм. Радиус атома Au составляет 0,144 нм.

Решение: предлагается дать оценку числа атомов по порядку величины. В таком грубом приближении свободным объемом между атомами в наночастице можно пренебречь, тогда число атомов равно отношению объема наночастицы V_нч к объему атома V_ат. По условию предполагается, что обе частицы имеют форму шара: N = V_нч / V_ат = 4/3  r_нч³ / (4/3  r_ат³) = (r_нч / r_ат)³ = (1,5 / 0,144)³ ~ 10³. Ответ – 10³.

1.  Оцените, какая доля (в %) атомов золота находится на поверхности наночастицы Аu из пункта 4. Выберите один из вариантов ответа: а) 20–30 %; б) 40–50 %; в) 60–70 %; г) 80–90 %. Решение: Будем считать, что поверхность наночастицы проходит по внешним точкам атомов-шаров: Для оценки доли атомов в поверхностном слое найдем объем поверхностного слоя V_пов и разделим его на объем наночастицы V_нч. Объем поверхностного слоя равен разности объема наночастицы и внутреннего объема шара радиусом (r_нч – 2r_ат): V_пов / V_нч = (4/3 r_нч³ – 4/3 (r_нч – 2r_ат)³) / (4/3 r_нч³) = (r_нч³ – (r_нч – 2r_ат)³) / r_нч³ = (1,5³ – (1,5 – 2•0,144)³) / 1,5³ = 0,47, или 47 %. Правильный ответ – б).

1. Н айдите расстояние между центрами соседних молекул фуллерена в его низкотемпературной модификации (плотность 1.7 г/см3 ), которая имеет примитивную кубическую решетку, где молекулы находятся только в вершинах кубической элементарной ячейки. Решение: В примитивной кубической решетке каждая молекула в вершине куба принадлежит 8 соседним элементарным ячейкам. На одну ячейку приходится 81/8 = 1 молекула C60. Объем одного моля фуллерена составляет: Vm = M /  = 720.6 / 1.7 = 424 см3 /моль. Объем одной элементарной ячейки: Vяч = Vm / NA = 424 / 6.021023 = 7.0410–22 см3 = 0.704 нм3 . Расстояние между центрами соседних молекул равно ребру элементарной ячейки: a = Vяч1/3 = 0.89 нм. Ответ. 0.89 нм.

Контрольные вопросы:

1. Какие микроскопы существуют для изучения наноматериалов?

2. Что такое зонд?

3. Какой диапазон показывает СЗМ?