Реферат на тему Характеризация наноматериалов методами лазерной дифракции и динамического рассеяния света

Содержание:

Введение 3
1.    Использование метода динамического рассеивания света для характеризации наноматриалов 5
1.1.    Сущность и специфика использования метода ДРС 5
1.2.    Анализ спектра рассеянного света в ДВС при характеризации наноматериалов 7
2.    Метод лазерной дифракции при анализе размеров частиц наноматериалов 11
2.1.    Сущность и сфера применения метода лазерной дифракции 11
2.2.    Метод дифференциальной интенсивности рассеянного поляризованного света при характеризации частиц наноматериалов 13
Заключение 16
Список использованной литературы 17

Введение:

В последнее время существенно возрос интерес к исследованию наноразмерных структур. Наночастицы металлов обладают рядом особенностей, которые обуславливаются их размерами и строением, что приводит к формированию необычных электрических, магнитных и оптических свойств, которые нехарактерны для макрочастиц. Существует ряд способов получения наноразмерных материалов. К ним относятся: прямые методы механического дробления; конденсация из газовой фазы; плазмохимические методы.
В некоторых случаях также используют ионно-лучевую эпитаксию, газофазное компактирование, контролируемую кристаллизацию, лазерную абляцию. Однако, к наиболее передовым и высокоточным методам контроля наночастиц можно отнести метод динамического рассеивания света (ДРС) и метод лазерной дифракции.
В первой главе работы рассмотрен метод лазерной дифракции. Данный метол представляет собой широко применяемую технология характеризации и анализа размеров частиц, подходящая для большинства наноматериалов, размер частиц которых составляет от сотен нанометров до нескольких миллиметров.
Определение распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции основано на измерении углового распределения интенсивности рассеянного света при прохождении лазерного луча через диспергированный образец. Крупные частицы преимущественно рассеивают свет под малыми углами к лазерному пучку, тогда как мелкие частицы - под большими углами (см. ниже). С использованием теории светорассеяния Ми определяют размеры частиц, формирующих индикатрису рассеяния, совпадающую с измеренными данными об угловой зависимости интенсивности рассеянного света. Размер частиц выражается в виде диаметра сферы эквивалентного объема.
Во второй главе рассматривается метод динамического рассеяния света (ДРС), основанный на анализе флуктуаций интенсивности светорассеяния, которые содержат информацию о пространственной динамике рассеивателей и временных флуктуациях их индивидуальных оптических свойств наноматериалов. В общем случае метод ДРС может дать информацию не только о размере частиц, но также об их форме, взаимодействии (разбавленные или концентрированные системы), а также о структуре и внутренней динамике частиц наноматериала.
Целью данной работы является изучение особенностей характеризации наноматериалов методами лазерной дифракции и динамического рассеяния света

Заключение:

Исходя из рассмотренного в работе материала, можно сделать ряд выводов:
Для измерения размеров наночастиц используется метод динамического рассеяния света (ДРС). Данный метод позволяет определить коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем анализа корреляционной функции флуктуаций интенсивности рассеянного света. Далее, из коэффициента диффузии рассчитывается радиус наночастиц.
Метод динамического рассеяния света используется также для измерения скоростей потоков жидкостей и газов. Традиционно, этот вариант метода носит название лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА). В частности, данная конфигурация метода ДРС используется для измерения электрофоретической подвижности наночастиц, откуда рассчитывается их дзета-потенциал.
Лазерная дифракция – широко применяемая технология анализа размеров частиц, подходящая для материалов, размер частиц которых составляет от сотен нанометров до нескольких миллиметров.
Определение распределения частиц по размерам методом лазерной дифракции основано на измерении углового распределения интенсивности рассеянного света при прохождении лазерного луча через диспергированный образец. Крупные частицы преимущественно рассеивают свет под малыми углами к лазерному пучку, тогда как мелкие частицы - под большими углами (см. ниже). С использованием теории светорассеяния Ми определяют размеры частиц, формирующих индикатрису рассеяния, совпадающую с измеренными данными об угловой зависимости интенсивности рассеянного света. Размер частиц выражается в виде диаметра сферы эквивалентного объема.

Фрагмент текста работы:

Использование метода динамического рассеивания света для характеризации наноматриалов
Сущность и специфика использования метода ДРС
Динамическое рассеяние света (DLS), иначе называемое квазиупругим рассеянием света (QELS), − зарекомендовавшая себя неинвазивная технология измерения размера и распределения по размерам молекул и частиц, размер которых, как правило, находится в субмикронном диапазоне, а с появлением последних решений доступно измерение даже меньше 1 нм.
При взаимодействии луча света с оптически неоднородной средой происходит рассеяние света. Оптическая неоднородность среды может быть вызвана флуктуацией плотности, температуры и концентрации растворённого вещества из-за процессов диффузии. По характеру изменения частоты различают неупругое и упругое рассеяние. В случае неупругого рассеяния в рассеянном свете появляются дополнительные линии, смещённые по частоте относительно возбуждающего излучения. В случае упругого рассеяния рассеянный свет имеет ту же частоту, что и возбуждающий луч света, но амплитуда и фаза оказываются модулированными из-за процессов, вызванных флуктуациями среды [1, 91 c.]. Измерение неупругого рассеяния используется в рамановской спектроскопии. Методы динамического рассеяния света основаны на измерении упругого рассеяния света.
Метод динамического рассеяния света (ДРС) использует измерение и анализ временных флуктуаций интенсивности рассеянного света. Флуктуации интенсивности вызваны интерференцией электромагнитных волн, рассеянных соседними частицами. Специальное устройство (коррелятор) анализирует флуктуации и строит автокорреляционную функцию сигнала — корреляцию значений интенсивности рассеянного света, измеренных через промежуток времени, усреднённых по различным начальным моментам времени. Автокорреляционная функция представляет собой произведение двух сигналов, сдвинутых относительно друг друга на некоторый промежуток времени. Простые математические преобразования преобразуют автокорреляционную функцию интенсивности рассеянного света в экспоненциальное уравнение. 
Анализ автокорреляционной функции позволяет определить время флуктуации, которое обратно пропорционально коэффициенту диффузии. Исходя из полученных значений коэффициента диффузии и предположения о сферической форме частиц, по уравнению Стокса-Эйнштейна происходит вычисление размера частиц (гидродинамического радиуса в методе ДРС) [2, 92 c.]. Для жёстких сферических частиц реальный размер практически совпадает с определеяемым гидродинамическим радиусом. Для белков и полимерных клубков, не имеющих сферической формы, гидродинамический радиус считается условным параметром.
Сочетание метода динамического рассеяния света и электрофореза используется для определения -потенциала (сочетание этих двух технологий получило название метода электрофоретического рассеяния света [3, 11 c]). Метод заключается в измерении интенсивности света, рассеянного заряженными частицами, движущимися с некоторой скоростью под действием под действием приложенного электрического поля. Влияние электрического поля учитывается в автокорреляционной функции. Автокорреляционная функция будет промодулирована косинусоидальной функцией, частота которой определяется электрофоретической подвижностью. Исходя из полученных значений электрофоретической подвижности происходит вычисление потенциала по уравнению Смолуховского.
Измерение размера и потенциала молекул и частиц в растворах играет исключительно важную роль при проведении различных лабораторных исследований. Объектами исследования могут быть белки и белоксодержащие комплексы (белок-белок, белок-ДНК, белок-РНК и др.), вирусы и вирусоподобные частицы, антитела, вакцины, липосомы, мицеллы, наноразмерные структуры и материалы (наноалмазы, углеродные нанотрубки, наночастицы металлов) и многое другое.
Динамическое рассеяние света широко применяют для характеризации частиц, эмульсий и молекул, диспергированных или растворённых в жидкости. Броуновское движение частиц или молекул в среде вызывает колебания интенсивности рассеянного лазерного света разной степени. Анализ таких флуктуаций интенсивности даёт скорость броуновского движения, по которой можно вычислить размер частиц с помощью соотношения Стокса−Эйнштейна.
Допустим, нам необходимо с помощью метода динамического рассеивания охарактеризовать диапазоны размеров наночастиц золота и меди, которые были получены в результате лазерной абляции твердых тел в жидкости. Стоит отметить, что наночастицы благородных металлов используются в основном в биологии, медицине и косметологии. На данный момент наибольшие перспективы использования в медицинской сфере имеют наночастицы железа, меди, серебра, кремния, магния, золота и цинка. Железо и магний ускоряют регенерацию тканей, усиливают ранозаживление. Медь обладает кардиопротекторным действием (повышает выживаемость на 40% при инфаркте миокарда). Для меди, как и для серебра, ярко выражены бактерицидные свойства.
В качестве образца была взята металлическая пластинка (медь, золото). Образец помещался в объем жидкости равный 25 мл. Пластинка в стационарном состоянии подвергалась воздействию импульсного лазерного излучения. В каждой точке воздействия количество импульсов было различным (от 1 до 3500).
Перед лазерным воздействием поверхность каждого из образцов полировалась до значения шероховатости равного 3 мкм с целью обеспечения равномерного снятия материала в ходе воздействия лазерного луча.
Несомненно, имеет место влияние рельефа поверхности на размер наночастиц, что связано с более эффективным поглощением лазерного излучения обработанной мишенью с увеличенной шероховатостью. Однако, ряд ученых отмечает, что предварительная полировка поверхности мишени приводит к снижению вероятности появления частиц различной формы в одном рабочем объеме [4, 60 c.]. В качестве жидкой среды использовались этанол и дистиллированная вода. Степень чистоты жидких сред оценивалась пропусканием лазерного луча с длиной волны 532 нм через объем жидкости. В дистиллированной воде достаточной степени очистки отсутствуют микрочастицы сторонних веществ, наличие которых отрицательно влияет на эффективность процесса абляции.