Рис. 2. Однородные островки Ge/Si.

Влияние ПАВ на поверхностные силы и устойчивость лиофобных наносистем

Под устойчивостью дисперсной системы понимают постоянство во времени ее состояния и основных свойств: дисперсности, равномерного распределения частиц дисперсной фазы в объеме дисперсионной среды и характера взаимодействия между частицами. Дисперсные системы с жидкой дисперсионной средой по характеру взаимодействия фаз подразделяются на лиофильные. В лиофобных системах сольватация поверхности частичек растворителем слабая и не может скомпенсировать избыточную поверхностную энергию. Поэтому частички дисперсной фазы могут слипаться друг с другом в более крупные агрегаты. Этот процесс называется коагуляцией, от латинского coagulatio – свертывание, сгущение. При этом удельная площадь поверхности, а вместе с ней и избыточная свободная поверхностная энергия снижается. Примерами гидрофобных дисперсных систем являются пены, эмульсии типа "масло в воде", латексы, суспензии, золи металлов, сульфидов, галогенидов, оксидов и гидроксидов, а также золи неметаллов (Au, Ag, ZnS, As2S3, AgI, SiO2, TiO2, Al(OH)3, Fe(OH)3, S, Se и другие). Если дисперсная фаза состоит из капелек жидкости, то процесс их слияния называется коалесценцией.

Н. П. Песков (1920) ввел понятие о двух видах устойчивости дисперсных систем: седиментационной (кинетической) и агрегативной. Седиментационная устойчивость позволяет системе сохранять равномерное распределение частиц в объеме, то есть противостоять действию силы тяжести и процессам оседания или всплывания частиц. Основными условиями этой устойчивости являются высокая дисперсность и участие частиц дисперсной фазы в броуновском движении. Агрегативная устойчивость – это устойчивость по отношению к слипанию частичек коллоидной системы в более крупные агрегаты. Иногда в качестве отдельного вида выделяют устойчивость дисперсной системы по отношению к расслоению фаз – фазовую устойчивость. Расслоению может предшествовать коацервация (coacervatio – накопление), то есть выделение в растворе капель, обогащенных растворенным веществом. Дальнейшее слияние этих капель ведет к разделению жидкости на две макрофазы: коацерват – фазу, которая обогащена растворенным веществом, и жидкость, находящуюся с ней в равновесии. Это явление особенно характерно для растворов высокомолекулярных соединений.

По теории Пескова, устойчивость коллоида объясняется присутствием кроме дисперсной фазы и дисперсионной среды третьего вещества – стабилизатора, образующего вокруг коллоидной частицы сольватный слой. Этот процесс – лиофилизация коллоида. Этот процесс можно вызвать адсорбцией поверхностно-активных веществ на поверхности коллоидной частицы.

Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность - способность вещества снижать поверхностное натяжение на границе раздела фаз.

Классификация методов определения размеров наночастиц. Принцип работы сканируемых зондовых приборов

1) Электронная микроскопия. Электронный микроскоп (ЭМ, electron microscope) - высоковольтный вакуумный прибор, в котором увеличенное изображение объекта получают с помощью потока электронов. Разрешающая способность электронного микроскопа достигает 0,1 нм.

Основными типами электронных микроскопов являются сканирующий (растровый) и трансмиссивный (просвечивающий).

2) Растровая электронная микроскопия. Растровый электронный микроскоп (РЭМ, SEM) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением. Растровый электронный микроскоп основан на использовании предварительно сформированного тонкого электронного луча, положением которого управляют с помощью электромагнитных полей. Электронный зонд последовательно проходит по поверхности исследуемого образца. Регистрация электронов, выходящих из объекта, а также других видов излучения (характеристического, светового) дает информацию о различных свойствах микроучастков изучаемого объекта. Соответственно этому системы индикации и другие элементы растровых микроскопов различаются в зависимости от вида регистрируемого излучения.

3) Просвечивающая электронная микроскопия. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ, TEM) – установка, в которой изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.

4) Рентгеновская дифрактометрия. Рентгеновский дифрактометр (SAXS) – прибор для измерения интенсивности и направления рентгеновских пучков, дифрагированных на исследуемом образце. Прибор применяется для решения различных задач рентгеновского структурного анализа, рентгенографии материалов, исследования реальной структуры монокристаллов. Он позволяет измерять интенсивность дифрагированного в заданном направлении излучения с точностью до десятых долей % и угол дифракции с точностью от нескольких минут до долей секунды.

5) Сканирующая зондовая микроскопия. Сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ, SPM) – прибор, в котором исследование микрорельефа поверхности и ее локальных свойств проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов в виде игл. Рабочая часть таких зондов (острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку величин составляет 0.1 – 10 нм.

В основе работы зондовых микроскопов лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. В самом простом случае острие зонда находится в непосредственном соприкосновении с исследуемой поверхностью. Зондовый датчик движется вдоль поверхности, при этом регистрируется изменение изгиба кантилевера или других величин, пропорциональных взаимодействию зонда и исследуемого образца. Кроме простого сканирования, при котором получается карта распределения величины, существуют и другие методики применения СЗМ. Например, при спектроскопии получают множество зависимостей одной величины от другой в различных точках поверхности. При литографии путем воздействия на образец на его поверхности воссоздается заранее заданный рисунок, например, электрической наносхемы. При наноманипуляциях с помощью зонда можно разрезать живую клетку или передвинуть большую молекулу углеродной нанотрубки на заранее подготовленные контакты, получив нанодиод.

Задачи

1. В образце синтезированных наночастиц золота диаметр частиц распределен приблизительно нормально, со средним арифметическим`х и со средним квадратичным отклонением s, указанным в таблице ниже, для соответствующего номера задачи. Вычислить (для своего номера задачи) долю частиц в образце, диаметры которых находятся в пределах от x1 до x2, приняв m =`х и s = s.