A nanotechnológia természettudományi alapjai

Slides:



Advertisements
Hasonló előadás
Wilhelmy- és Langmuir-típusú filmmérlegek
Advertisements

LEO 1540 XB Nanomegmunkáló Rendszer
Halmazállapotok, állapotváltozások
Szétválasztási módszerek, alkalmazások
Hő- és Áramlástan I. - Kontinuumok mechanikája
Fizika Bevezető 6. osztály.
Szilárdságnövelés lehetőségei
1. Termodinamikai alapfogalmak Mire kell? A mindennapi gyakorlatban előforduló jelenségek (például fázisátalakulások, olvadás, dermedés, párolgás) értelmezéséhez,
Szilárdságnövelés lehetőségei
Nem egyensúlyi rendszerek
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 1. zárthelyi megoldásai október 18.
Elválasztástechnikai Kutató és Oktató Laboratórium
Élelmiszeripari műveletek
Kolloidok, felületek Kolloid rendszerek:
Intelligens anyagok.
Faiparban alkalmazott polimerek
Ragasztó és felületkezelő anyagok
KOLLOID OLDATOK.
VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA
ANYAGÁTBOCSÁTÁSI MŰVELETEK (Bevezető)
HETEROGÉN RENDSZEREK SZÉTVÁLASZTÁSA
Készítette Varga István VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA
Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei KÖRNYEZETGAZDÁLKODÁSI MÉRNÖKI MSc Gazdálkodási modul Gazdaságtudományi ismeretek.
Flotálás.
Szappanok és mosószerek tisztító hatása
A határfelületi jelenségek szerepe a kolloid diszperziók viselkedésében, kinetikai stabilitásában A fáziskolloidok termodinamikailag nem stabilak, csak.
A nanotechnológia kolloidkémiai alapjai (BMEVEFAA409)
Asszociációs (micellás) kolloidok (vizes rendszerek)
Asszociációs (micellás) kolloidok (vizes rendszerek)
Fényszórás (sztatikus és dinamikus) Ülepítés gravitációs erőtérben
FELÜLETI HÁRTYÁK (oldhatatlan monomolekulás filmek) Amfipatikus molekulákból létesül -Vízben való oldhatóság csekély -Terítés víz-levegő határfelületen.
A mikrofázisok közötti taszító és vonzó kölcsönhatások: DLVO-elmélet
Ülepítés gravitációs erőtérben Fényszórás (sztatikus és dinamikus)
Folyadékalapú habok (lioszolok) Szilárd habok (polimer és fém)
A kolloidok.
Koaguláció. Kolloid részecske és elektrosztatikus mezője Nyírási sík (shear plane): ezen belül a víz a részecskével együtt mozog Zéta-potenciál: a nyírási.
Halmazállapot-változások
A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011
Kutatóegyetemi stratégia - NNA NANOFIZIKA, NANOTECHNOLÓGIA és ANYAGTUDOMÁNY Dr. Mihály György Tanszékvezető egyetemi tanár Budapest november 17.
Aktív nanoszerkezetű anyagok
SZERKEZETI ÉS FUNKCIONÁLIS ANYAGOK Polimer nanokompozitok
A víz aqua.
Fizikai kémia és kolloidika
KOLLOID OLDATOK.
Halmazállapotok Gáz, folyadék, szilárd.
A negyedik halmazállapot: A Plazma halmazállapot
Oldatkészítés, oldatok, oldódás
Koaguláció.
Kémiai reakciók Kémiai reakció feltételei: Aktivált komplexum:
Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Szupermakropórusos polimerek
Halmazállapotok Gáz Avogadro törvénye: azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egyenlő térfogatában – az anyagi minőségtől, molekula méretétől függetlenül.
Többkomponensű rendszerek II.
Mechanikai hullámok.
Mire van szükségünk a kémia órán? Könyv Munkafüzet Füzet Érdeklődés Figyelem Kitartás Szorgalom.
Összefoglalás.
ÁLTALÁNOS KÉMIA 3. ELŐADÁS. Gázhalmazállapot A molekulák átlagos kinetikus energiája >, mint a molekulák közötti vonzóerők nagysága. → nagy a részecskék.
Általános kémia előadás Gyógyszertári asszisztens képzés
Kolloidika, határfelületi jelenségek Szekrényesy: Kolloidika (BME jegyzet) Szántó Ferenc: A kolloidkémia alapjai.
GÁZOK, FOLYADÉKOK, SZILÁRD ANYAGOK
Elválasztás-technika alkalmazása nélkül nincs modern kémiai analízis!
A nanotechnológia természettudományi alapjai
Áramlástani alapok évfolyam
Bevezető Mivel foglalkozik a fizika? Az anyag megjelenési formái a természetben 6. osztály Fizika.
Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása
A folyadékállapot.
Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása
Nem egyensúlyi rendszerek
A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011
Nem egyensúlyi rendszerek
Előadás másolata:

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: 463 2911; e-mail: zhorvolgyi@mail.bme.hu http://www.fkt.bme.hu/~colloid/ Helyszín: QB 402, Időpontok: szerda: 12:15-13:45

(ftp://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/kollhz/). Felkészülés: Az előadások vázlatos anyaga (amelyeket az előadáson kivetítek) hozzáférhető az intraneten: (ftp://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/kollhz/). Segédanyag: Elektronikus jegyzet http://www.interkonyv.hu/konyvek/A%20nanotechnol%C3%B3gia%20kolloidk%C3%A9miai%20alapjai Érdemjegy: Az előadáson kerül meghirdetésre.

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.

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)?

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

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: Amikroszkópos Szubmikroszkópos Durva valódi oldat kolloid mikroheterogén (pl. cukor-oldat) rendszerek rendszerek (vízben ülepedő homok) 1-1000 nm-es részecskék HOMOGÉN KOLLOID HETEROGÉN 1 vízmolekula kb. 0,3 nm 1 nm = 10-9 m

Weimarn vizsgálatai szerint minden anyag (még a kristályosak is 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.

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

Az első “nanotechnológusok” Markus Niederberger, 2006 Markus.Niederberger@mpikg.mpg.de

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

A nanotechnológia kezdetei: elnevezés 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 definíciója Megfelelő atomok, molekulák, nano-részecskék megfelelő struktúrákba* való rendeződése (rendezése), majd ezen struktúrák valamilyen előnyös funkciójában való működtetése. Nanoanyagok (nem folytonos, 1-100 nm léptékben szabdalt) Szerkezeti – Funkcionális – Reszponzív (intelligens) anyagok *Nanoléptékű strukturáltság, ill. objektum (pl. fehérjemolekula)

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

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)

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)

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

Reszponzív (válaszadó) nanoanyagok Fény által kiváltott ismételhető nedvesíthetőség változás TiO2 ZnO (Hórvölgyi et al., BME)

Nanotechnológia vs. nanotudomány Fizika – Kémia – Biológia Kolloidkémia-Kolloidika (Colloid Science) 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.

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.

Mikrofázisok: -felülettel rendelkező halmazok: megkülönböztethetők benne külső és belső molekulák (atomok) (ezek minimális száma: 1+6+3+3 = 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 m2/cm3 1 nm élhosszúságú kockák esetén a fajlagos felület: 6000(!) m2/cm3 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

A felületi hatások dominálnak Elhanyagolható felület A diszperziók nagy fajlagos felülettel rendelkeznek! Elhanyagolható felület 1 m 1 nm Fajlagos felület: 0,0006 m2/cm3 6 m2/cm3 6000 m2/cm3 1 cm A nagy felület létrehozásához jelentős munkavégzés szükséges! Fajlagos felület: egységnyi tömegre vagy térfogatra vonatkoztatott felület (m2/g vagy m2/cm3)

Makromolekulák (általában makromolekulákat tartalmazó oldatok): -a makromolekulák keletkezése: polimerizációval, kondenzációval -méret: M = 104 - 107 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.

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

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).

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.

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) L1/L2 (emulzió, ill. mikroemulzió) S/L (szuszpenzió vagy köznapi néven szol) Xeroszolok G/S (porózus test) L/S (folyadékkal töltött pórusok) S1 /S2 (bizonyos ötvözetek és kompozit anyagok)

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

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

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)

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., 2 0 0 4 , 1 4 , 4 5 9 – 4 6 8