Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

A nanotechnológia természettudományi alapjai ( BMEVEFAMN01, 2 0 0/f/3 ) Általános ismertető : Dr. Hórvölgyi Zoltán egy. tanár, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "A nanotechnológia természettudományi alapjai ( BMEVEFAMN01, 2 0 0/f/3 ) Általános ismertető : Dr. Hórvölgyi Zoltán egy. tanár, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi."— Előadás másolata:

1 A nanotechnológia természettudományi alapjai ( BMEVEFAMN01, 2 0 0/f/3 ) Általános ismertető : Dr. Hórvölgyi Zoltán egy. tanár, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, Fizikai Kémia Laboratórium F ép. I. lépcsőház,magasföldszint (balra); Telefon: ; Helyszín: QB 402, Időpontok: szerda: 12:15-13:45

2 Felkészülés: Az előadások vázlatos anyaga (amelyeket az előadáson kivetítek) hozzáférhető az intraneten: (ftp://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/kollhz/). Segédanyag: Elektronikus jegyzet Érdemjegy: Az előadáson kerül meghirdetésre.

3 A tantárgy célkitűzése: A kolloidkémiai szemlélet kialakítása, a kolloidkémia jelenségszintű tárgyalása, valamint a kolloidkémiának a hagyományos és modern (nanotechnológiai) iparokban betöltött szerepének bemutatása. Az előadás keretében ismertetjük a különböző kolloid rendszerek legfontosabb tulajdonságait. Foglalkozunk a kolloidstabilitás általános és speciális kérdéseivel. Tárgyaljuk a kolloid rendszerek előállításának fontosabb szempontjait. Válogatást adunk a kolloid rendszerek vizsgálati módszereiről. Konkrét példákon keresztül rávilágítunk a tanultak gyakorlati jelentőségére.

4 Történeti áttekintés: 1856: Faraday: aranyszol, Tyndall-jelenség 1860: Graham: a kolloidok elnevezése az enyv (κολλα) görög neve Az anyagok csoportosítása: - krisztalloidok (jól kristályosíthatók, diffúziójuk gyors) - kolloidok (nem kristályosíthatók, diffúziójuk lassú) A századforduló fő kérdései a kolloidokkal kapcsolatban: 1. Homogén vagy heterogén rendszerek? - oldatokról van szó (homogén: oldatelmélet)! - szuszpenziók (heterogén: szuszpenzió elmélet)! 2. Speciális anyagfajta (enyvszerű anyagok)?

5 Nagy lépés előre: ultramikroszkóp – a szuszpenzió elmélet igazolása Zsigmondy (1903): kimutatja, hogy a szolok apró részecskéket tartalmaznak, amelyek Brown-mozgást végeznek. Ultramikroszkóp sematikus rajza

6 Diszperz rendszerek (Wolfgang Ostwald: diszperzrendszer elmélete) Diszperz rendszer: egyik komponens a másikban diszpergált (eloszlatott) formában van jelen A kolloidokat a homogén (molekuláris, atomi szintű keveredés) és heterogén rendszerek közé helyezi el: AmikroszkóposSzubmikroszkóposDurva valódi oldatkolloid mikroheterogén (pl. cukor-oldat)rendszerekrendszerek (vízben ülepedő homok) nm-es részecskék HOMOGÉN KOLLOIDHETEROGÉN 1 nm = m1 vízmolekula kb. 0,3 nm

7 Weimarn vizsgálatai szerint minden anyag (még a kristályosak is!) kolloid állapotba hozhatók (l. később a Weimarn-szabályt, ill. görbét). A válaszok rövid megfogalmazása: 1. A kolloid rendszerek a homogén és a heterogén rendszerek közé helyezhetők el. 2. A kolloid nem anyagfajta, hanem állapot.

8 A nanovilág felé Moore törvénye: a számítási kapacitásokat tükröző tranzisztorok száma az integrált áramkörökben minden 18. hónapban megduplázódik

9 Markus Niederberger, 2006 pg.de Az első “nanotechnológusok”

10 A nanotechnológia kezdetei: a program 1959 – Richard P. Feynman MINIATÜRIZÁLÁS There's Plenty of Room at the Bottom 1. „Enciklopédia egy tű hegyén”: >>> nanolitográfia 2. Molekuláris gépek előállítása A FOGYASZTÁSI JAVAK MINÉL KISEBB MÉRETEKBEN, MINÉL HATÉKONYABBAN TÖRTÉNŐ ELŐÁLLÍTÁSA (a természet utánzása): ELEKTRONIKA, SZÁMÍTÓGÉPIPAR, OPTIKA, stb. Fotó: Főző A. internetes anyagából

11 A nanotechnológia szót Norio Taniguchi használta először 1974-ben azon folyamatok elnevezésére, amelyek során az anyagot nanométeres skálán manipuláljuk. Ma a fogalom (a nano-biotechnológiával együtt) magába foglalja mindazokat az eljárásokat, amelyek során előállítjuk, jellemezzük és működtetjük a nanoléptékben strukturált halmazokat és nanoléptékű objektumokat. A nanotechnológia kezdetei: elnevezés

12 Megfelelő atomok, molekulák, nano-részecskék megfelelő struktúrákba* való rendeződése (rendezése), majd ezen struktúrák valamilyen előnyös funkciójában való működtetése. A nanotechnológia definíciója Szerkezeti – Funkcionális – Reszponzív (intelligens) anyagok *Nanoléptékű strukturáltság, ill. objektum (pl. fehérjemolekula) Nanoanyagok (nem folytonos, nm léptékben szabdalt)

13 Nanostruktúrák A nanorészecskék megfelelő struktúrába rendezése Félvezető részecskék struktúrája nanokristályos napelemben Michael LoCascio

14 A nanotechnológiai területek csoportosítása 1. nanotechnológiai megoldások (szenzorok, bevonatok, kompozitok, membránok stb.), amelyek létező iparágakhoz kapcsolódnak, ezen iparágak termékeinek hozzáadott értékét növelik (öntisztító bevonatok) 2. ún. „romboló” technológiai megoldásokat (disrupters), amelyek létező termékeket és/vagy technológiai megoldásokat szorítanak ki a piacról (világítástechnika) 3. A harmadik csoportba kerülnek azok a nanotechnológiai megoldások, amelyekre építve új, korábban nem létező iparágak jelennek meg, és alakítják át a feldolgozóipar (és a szolgáltatások) szerkezeti összetételét. (diagnosztika és gyógyászat) (A NANOTECHNOLÓGIA ÉS A JELENLEGI JÖVŐ IPARÁGAK, 2005, Szalavetz Andrea)

15 Szerkezeti nanoanyagok Nanorészecskékkel töltött polimerek: nanokompozitok Előnyösebb mechanikai (szerkezeti) tulajdonság, pl. extrém nagy szakítószilárdság Egyfalú szénnanocsövek szakítószilárdsága (GPa) összevetve már alkalmazást nyert, nagy szilárdságú anyagokéval (K.-T. Lau és D. Hui, Composites B, 33, 2002, 263)

16 Funkcionális nanoanyagok A nanostrukturált bevonatnak, ill. rétegnek funkciója van: megnövelt, ill. szelektív fényáteresztés Antirefkexiós bevonat Fotonikus viselkedés (Bíró et al., MFA)(Hórvölgyi et al., BME)

17 Reszponzív (válaszadó) nanoanyagok TiO 2 ZnO Fény által kiváltott ismételhető nedvesíthetőség változás (Hórvölgyi et al., BME)

18 Nanotudomány? Fizika – Kémia – Biológia Kolloidkémia-Kolloidika (Colloid Science) Nanotechnológia vs. nanotudomány A kolloid rendszerek a homogén és a heterogén rendszerek közé helyezhetők el. A kolloid nem anyagfajta, hanem állapot. Korszerű megfogalmazásban: a kolloid rendszerekre a szub- mikroszkópos diszkontinuitások (1-500 nm) jellemzők. Mind a kolloid részecskék mérete (legalább az egyik térbeli irányban) mind a rendszereikben ható erők hatótávolsága ebbe a távolság tartományba esik. A kolloidika a kolloid rendszerek kémiájával és fizikájával foglalkozik. A kolloid jelenségek fontosak mind az élettelen, mind az élő világban. A kolloidika interdiszciplináris tudomány.

19 Kolloid rendszerek: csoportosítás 1. Csoportosítás a kolloid részecskék minősége és szerkezete szerint: A kolloid rendszerek, amelyek szupermolekuláris halmazokat tartalmazó rendszerek, a kolloid részecskék minősége és szerkezete szerint a következőképpen csoportosíthatók: - fáziskolloidok (diszperziók), amelyben a kolloid részecskék mikrofázisok - makromolekulás kolloid oldatok (kolloid részecskék: makromolekulák) - micella v. asszociációs oldatok (kolloid részecskék: micellák) A mikrofázisokat tartalmazó rendszereket diszperzióknak, míg a makromolekulákat vagy micellákat tartalmazókat kolloid oldatoknak is szokás nevezni.

20 Mikrofázisok: -felülettel rendelkező halmazok: megkülönböztethetők benne külső és belső molekulák (atomok) (ezek minimális száma: = 13) -mivel a mikrofázisok mérete kicsi, az összes (vagy tömegre, ill. térfogatra normált = fajlagos) felület nagy 1 μm élhosszúságú kockák esetén a fajlagos felület: 6 m 2 /cm 3 1 nm élhosszúságú kockák esetén a fajlagos felület: 6000(!) m 2 /cm 3 Nagy felület >>> nagy (határ)felületi szabadenergia többlet >>> a fáziskolloidok termodinamikailag nem stabilak! CSAK KINETIKAI STABILITÁSRÓL BESZÉLHETÜNK! Következmény: számos határfelületi jelenség (pl. adszorpció) A HATÁRFELÜLETEK JELENTŐSÉGE! -a mikrofázisok halmazállapota lehet: S (szilárd; kristályos v. amorf), L (folyadék), G (gáz) -durva diszperziók: eloszlási állandóság nincs

21 A diszperziók nagy fajlagos felülettel rendelkeznek! A nagy felület létrehozásához jelentős munkavégzés szükséges! 1  m 1 nm Fajlagos felület: 0,0006 m 2 /cm 3 6 m 2 /cm m 2 /cm 3 1 cm Elhanyagolható felület A felületi hatások dominálnak Fajlagos felület: egységnyi tömegre vagy térfogatra vonatkoztatott felület (m 2 /g vagy m 2 /cm 3 )

22 Makromolekulák (általában makromolekulákat tartalmazó oldatok): -a makromolekulák keletkezése: polimerizációval, kondenzációval -méret: M = Dalton -szegmens: a molekula (viszonylag) önálló mozgásra képes része (a kolloid állapotra jellemző, új tulajdonságok megjelenése: pl. kaucsukrugalmasság, amely entrópia rugalmasság). A szegmensek mozgását nevezzük mikro Brown-mozgásnak. A makromolekulát az oldószer többé-kevésbé képes “átjárni”: >>> rossz oldószer, jó oldószer és theta-oldószer A molekula mérete nő: jó oldószer-szegmens kölcsönhatás esetén és az. ún. kizárt térfogati hatás miatt.

23 A molekula méretét csökkenti az erős szegmens-szegmens vonzó kölcsönhatás. A térfogatnövelő és térfogatcsökkentő hatás kompenzációja esetén beszélünk théta állapotról. Ez a makromolekula ideális, kvázi kölcsönhatásmentes állapota. Ilyen esetben a molekula mérete megegyezik az elvi számítással kapott ún. “statisztikus gombolyag” méretével. A makromolekulás oldatok termodinamikailag is stabilisak lehetnek. Pl. Poli-vinil-pirrolidon = PVP (vízoldható) A PVP-monomer

24 Micellák: A micellát alkotó molekulák felépítése: apoláris ( ___ ) + poláris (O) molekularész térben elkülönülve (amfipatikus v. amfifil molekula) Termodinamikailag stabil kolloid rendszer; dinamikus egyensúly. Kis- és nagymicellák; fordított micella (apoláris közegben).

25 A kolloid rendszerek közé soroljuk ezeken kívül mindazokat, amelyekben legalább az egyik térbeli irányban kolloid méretű diszkontinuitás van (lamellák, fibrillák: difform rendszerek). A határfelületek vizsgálata is a kolloidika témakörébe tartozik, mivel azok megjelenése kolloidális méretű diszkontinuitásokat okoz.

26 2. A fáziskolloidok csoportosítása a diszperz rész és a diszperziós közeg halmazállapota szerint: Diszperz rész/Diszperziós közeg L: folyadék, G: gáz, S: szilárd fázisok Aeroszolok L/G (köd) S/G (füst) Lioszolok G/L (hab, ill. gázdiszperzió) L 1 /L 2 (emulzió, ill. mikroemulzió) S/L (szuszpenzió vagy köznapi néven szol) Xeroszolok G/S (porózus test) L/S (folyadékkal töltött pórusok) S 1 /S 2 (bizonyos ötvözetek és kompozit anyagok)

27 3. Csoportosítás a diszperz részek vázalkotása szempontjából: Döntő: a diszperz részek vonzó (kolloid) kölcsönhatási energiájának /W koll / és a Brown-mozgás energiájának /W Brown / a viszonya: Ha W koll > W Brown, akkor a szolból gél képződik. A gélek alaktartó, nem túl nagy mechanikai behatásra rugalmasan viselkedő, akár elfolyósodó kolloid rendszerek. Video származási helye: uk.org.uk/amateurs/avi.html

28 Az ún. liogélekre (lioszolból keletkeznek a folyadéktartalom megőrzésével) jellemző a magas folyadéktartalom. 99%-nál nagyobb mennyiségű folyadékot tartalmazó gél: szemlencse. A xerogélek a liogélek kiszáradásával keletkeznek. Az aerogélek szilárd mikrofázisok levegőn történő összekapcsolódásával (pl. Aerosil) Példák liogélekre: makromolekula gél (kocsonya) micellagél (szappan) mikrofázis gél (króm-hidroxid gél) Reverzibilis gél: a hőmérséklet változtatására és/vagy mechanikai behatásra a gél újra szollá alakul. Irreverzibilis gélek: pl. főtt tojásfehérje Tixotrópia: izoterm, reverzibilis szol-gél átmenet

29 A kolloid rendszerek jelentősége Hagyományos területek: Kolloid iparok: festék-, papír-, műanyag-, bőr-, fotó-, mosószer-, kozmetikai-, kerámia- és építőipar Technológiák: adszorpció, ülepítés és szűrés, flotálás, őrlés és emulgeálás, gyógyszer- és növényvédőszer formálás, olajbányászat, víz- és levegő tisztítás, útépítés, stb. Társtudományokkal való kapcsolat: Kolloidok nélkül nincs életjelenség: gélek és membránok (határfelületek)

30 Overview of typical dimension ranges of colloids, together with some representative colloidal systems. Dayang Wang and Helmuth Möhwald: Template-directed colloidal self-assembly – the route to ‘top-down’ nanochemical engineering,, J. Ma t e r. C h em., , 1 4, – 4 6 8


Letölteni ppt "A nanotechnológia természettudományi alapjai ( BMEVEFAMN01, 2 0 0/f/3 ) Általános ismertető : Dr. Hórvölgyi Zoltán egy. tanár, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi."

Hasonló előadás


Google Hirdetések