Spektroskopia i mikroskopia nanomateriałów i obiektów biologicznych

Transkrypt

1 Spektroskopia i mikroskopia nanomateriałów i obiektów biologicznych Część II Prowadzący: Część I: Prof. dr hab. Jolanta Bukowska Część II: Prof. dr hab. Marek Szklarczyk Czas wykładu: 1 semestr 30 godz. Sposób zaliczenia: egzamin pisemny Radio TV Mikrofale Fale mm Średnia IR Bliska IR VIS Bliski UV Daleki UV X g Daleka IR

2 Cel wykładu 1. Podstawy teoretyczne różnych technik analitycznych: spektroskopowych i mikroskopowych. 2. Podstawy teoretyczne opisujące oddziaływania cząstek. 3. Podstawy krystalografii powierzchni. 4. Praktyczne przykłady zastosowań technik analitycznych. 5. Wybór techniki analitycznej zależnie od obiektu i celu analizy.

3 Program wykładu 1. Wstęp. 2. Podstawy krystalografii powierzchni. 3. Oddziaływanie cząstek z materią. 4. Elektronowe techniki spektroskopowe: ESCA-XPS, LEED, AUGER. 5. Mikroskopia elektronowa, SEM. 6. Jonowe techniki spektroskopowe, ISS i SIMS. 7. Mikroskopia tunelowania elektronów, STM. 8. Mikroskopia sił atomowych, AFM. 9. Spektroskopia tunelowania elektronów, STS. 10. Spektroskopia Ramana ze wzmocnieniem punktowym, TERS. 12. Egzamin

4 ATOMIC AND?

5 Zastosowanie 1. Korozja. 2. Kataliza. 3. Materiałoznastwo. 4. Elektronika. 5. Przemysł maszynowy. 6. Medycyna. 7. Inżynieria genetyczna. 8. Sztuczna inteligencja (elektronika na skale nano).

6 Zastosowanie - przykłady Dziedzina W trakcie badań Od niedawna na rynku Źródła energii Medycyna Inżynieria Ochrona środowiska Elektronika Baterie: nanokrystality Ni i wodorków metali. Wytwarzanie i magazynowanie wodoru: nano TiO 2. Bio-foto-ogniwa Tabletki w postaci nanostruktur dla lepszej przyswajalności. Insulina oraz leki w postaci do inhalacji bez potrzeby zastrzyków. Promotory wzrostu i uzupełn. ubytków kości. Detekcja wirusów. Implanty. Leczenie nowotworów. Hodowla tkanek i implanty Świece samochodowe: proszki ceramiczne oraz nanocząstki metali. Wysokowydajne izolatory: nanoporowata krzemionka. Kontrolowane dozowania herbicydów i pestycydów i czujniki chemiczne. Sita molekularne. Nanocząstki związków magnetycznych do urządzeń o wysokiej gęstości magazynowania danych. Przewodniki i izolatory. Pamięć białkowa. Obwody elektroniczne NRAM: Cu, Al. Ekrany: nanocząstki tlenków przewodz.? Katalizatory polimerowe nieszkodliwe dla środowiska. Dodatki do paliwa do silników Diesla. Osłony przeciwsłoneczne: ZnO, TiO 2, Wskaźniki molekularne: CdSe. Nośniki leków o małej rozpuszczalności w wodzie. Powłoki odporne na ścieranie: Al 2 O 3, Y-Zr 2 O 3. Wzmocnione kompozyty polimerowe. Smary hydrauliczne: CuMoS 2. Pigmenty. Szkła samoczyszczące: TiO 2. Nanowłókna i fotokatalizatory do oczyszczania wody. Powłoki antyodbiciowe. Przygotowanie cieczy magnetycznych. Optoelektronika: przełączniki ceramiczne. Materiały przewodzące. Wielkość sprzedaży: 2003: $500 mln., 2005: $900 mln., 2010: $11000 mln..

7 Właściwości Porównanie właściwości elektrycznych i mechanicznych F 2 IZOLATORY (wiąz. kowalencyjne) METALE (wiąz. metaliczne) Cs PÓŁPRZEWODNIKI CsF ELEKTROLITY (wiąz. jonowe) Metale Półprzewodniki Izolatory Przewodnictwo elektryczne (S/m) srebro, jony miedzi miedź bizmut rtęć ind german krzem chlorek sodu szkło jod P O L I M E R Y diament siarka kwarc parafina

8 Wszechobecny węgiel Nanorurka C C Siatka DNA

9 Defekty powierzchniowe

10 Informacje potrzebne do zdefiniowania materiału i jego powierzchni; 1. Skład chemiczny materiału i jego powierzchni. 2. Elektronowa struktura materiału. 3. Topografia powierzchni. 4. Krystalografia powierzchni. 5. Rodzaj defektów powierzchniowych. 6. Ruch atomów (dyfuzja powierzchniowa i międzyfazowa). 7. Rodzaj adsorbatu. 8. Typ wiązania adsorbatu z powierzchnią. 9. Topografia i struktura adsorbatu. 10. Szybkość procesów adsorpcji i desorpcji.

11 Oddziaływania DIAGRAM PROPSTA Pole elektryczne Ciepło Fotony Siało stałe Jony Cząstki neutralne Elektrony SPEKTRUM ELEKTROMAGNETYCZNE Procesy wibracyjne Procesy rotacyjne Raman Procesy jonizacyjne Radio TV Mikrofale Fale mm Średnia IR Bliska IR VIS Bliski UV Daleki UV X g NMR ESR Daleka IR mm ,5 µm ,5 0,77 Nm ,05 GHz cm -1 0,033 3, ev

12 Oddziaływania i siły ODDZIAŁYWANIA Silne Słabe Elektromagnetyczne Grawitacyjne Co: Kwarki i gluony Wszystkie leptony Cząstki naładowane Wszystko (wiązanie n i p) poza prom. g Zakres [m] ~ <10-17 F µ 1/r 2 F µ 1/r 2 Moc (vs. silne) Czas [s] ~ Procesy Reakcje jądrowe np.: rozpad b - Reakcje chemiczne Destrukcja obiektów wszelkiego typu. SIŁY Siły krótkiego zasięgu Siły dalekiego zasięgu Zmiana z odległością Maleją wykładniczo lub z 1/r n dla n ³ 6 Maleją z 1/r 2 Przykłady Siły jądrowe, siły Van der Waalsa Grawitacyjne, elektrostatyczne

13 Oddziaływania powierzchniowe RODZAJ SIŁ PODZIAŁ WŁAŚCIWOŚCI Przyciągające Siły Van der Waalsa Siły elektrostatyczne Kwantowomechaniczne Hydrofobowe Polaryzacyjne Dyspersyjne, indukcji dipoli, siły Casimir a Kulombowskie, wiązania jonowe, wiązania wodorowe Oddziaływania związane z przeniesieniem ładunku. Wiązania walencyjne, metaliczne, proces wymiany. Hydratacyjne siły przyciągające. Siły typu Van der Waalsa związane z polaryzacją jonów. Siły występujące praktycznie wszędzie. Siły długiego zasięgu, silne. Wymagany ładunek powierzchniowy lub proces rozdziału ładunku. Siły krótkiego zasięgu, silne, odpowiedzialne za wiązania w sieci krystalograficznej. Siły długiego zasięgu, silne, nie bardzo zrozumiałe. Wymagane są ruchome ładunki powierzchniowe w polarnym rozpuszczalniku. Solwatacyjne Wiązania specyficzne Odpychające Kwantowomechaniczne Van der Waalsa Elektrostatyczne Entropowe Siły związane z oscylacją i zubożeniem ładunku. Oddziaływania receptor-ligand, antyciało-antygen, uzupełniające. Wewnątrz atomowe, odpychanie Borna i steryczne Odpychanie osmotyczne, i w warstwach podwójnych, fluktuacja termiczna, steryczne odpychanie w polimerach. Występują w trakcie przyciągania i odpychania. Główne źródło to entropia. Subtelna kombinacja sił niekowalencyjnych. Systemy biologiczne. Siły stabilizujące przyciąganie jonowe i kowalencyjne. Określają wielkość i kształt. Występują tylko pomiędzy nierównocennymi ciałami poprzez jakiś ośrodek. Występują dla określonego rozkładu ładunku w sieci krystalograf. powierzchni. Związane z cząsteczkami lub jonami znajdującymi się pomiędzy dwoma zbliżającymi się powierzchniami. Dynamiczne Nierównowagowe Hydrodynamiczne, lepkość, tarcie. Procesy rozpraszania energii związane z ruchem.

14 Rodzaje wiązań

15 Poziomy energ.

16 Odziaływanie elektronu z materią e p e p Y X-ray e p e wt e wt AE e wt F e p - elektron pierwotny, eV. e wt - elektron wtórny, 0-10 ev. AE- elektron Auger a, eV. X-ray- promieniowanie X, eV. Y- plazmon, ev. F- fonon, 0,01-0,5eV.

17 Widmo

18 Spektrometryczny zestaw pomiarowy Promieniowanie U Układ źródła Próbka Układ detektora Układ rejestrująco- Układ promieniowania obliczeniow interpretujący i

19 Techniki spektroskopowe i mikroskopowe Metoda Proces Pomiar Głęb. Inform Zastosowanie FTIR f f Fotony l Strukt. chemiczna wiązania, Próżnia, gazy, ciecze Czułość na monow. Analiza objętość. 1 Nie RAMAN, SERS f f Fotony l Strukt. chemiczna wiązania, orientacja Próżnia, gazy, ciecze UV-Vis f f Fotony l Strukt. chemiczna Próżnia, gazy, ciecze STM e Elektrony 4 Å Morfologia, krystal. powierzchni Próżnia, gazy, ciecze STS e Elektrony 4 Å Atomy, grupy funkc. Próżnia, gazy, ciecze TERS STM + RAMAN AFM i jej pochodne Fotony? Å Strukt. chemiczna wiązania, orientacja Próżnia, gazy, ciecze F Siły 4 Å Morfologia, krystal. powierzchni Próżnia, gazy, ciecze SNOM f f Fotony 20 Å Morfologia, krystal. powierzchni Próżnia, gazy, ciecze Pojedyncze cząsteczki 1 (techn. Fluoresc.- cząsteczki Pojedyncze atomy Pojedyncze atomy Pojedyncze cząsteczki? Pojedyncze atomy Grupy atomów, cząsteczek Nie Nie Nie Nie Nie Nie Nie EC e V, J Elektrony, jony 4 Å Dedukcyjne inform. o strukturze Ciecze 10-2 Nie

20 Próżniowe techniki spektroskopowe i mikroskopowe Metoda Proces Pomiar Głęb. Inform. Zastosowanie Czułość na monowarst. Analiza objętość. AES e e Electrony Auger a 4 Å Pierwiastki: Li-U 10-1 W komb. z trawieniem jonowym. ESCA-XPS X e Foto- Elektrony 4 Å Pierwiastki: Li-U Wiązania chemiczne 10-1 Tak SIMS J J Jony 20 Å Pierwiastki: H-U Grupy funkcyjne ISS J J Jony 2 Å Pierwiastki: Li-Bi LEED e e Elektrony 2 Å Struktur. krystal. powierzchni 10-5 W komb. z trawieniem jonowym W komb. z trawieniem jonowym Nie SEM HREM e e Elektrony 50 Å Morfologia powierzchni 10-3 Tak TEM e e Elektrony Transm Å? Morfologia Grupy atomów Nie

21 Literatura! 1. Surface Crystallography L. J Clarke, John Willey & Sons, Fundamentals of Surface and Thin Film Analysis L. C. Feldman, J. W. Mayer, North-Holland, Introduction to Surface Chemistry and Catalysis G. A. Samorjai, John Wiley & Sons, The Handbook of Surface Imaging and Visualization A. T. Hubbard (editor), CRC Press, Spectroscopy for Surface Science R. J. H. Clark, R. E. Hester (editors), John Wiley & Sons, Surfaces G. Attard, C. Barnes, Oxford University Press, Applied scanning probe methods B. Bhushan, H. Fusch, S, Hosaka, Springer, Surface analysis methods in material science D.J. O Connor, B.A. Sexton, R.St.C. Smart, Springer, Surface analysis J.C. Vickerman, John Wiley & Sons, Modern Spectroscopy J. M. Hollas, John Wiley & Sons, Fizykochemiczne metody badawcze w nano- i biotechnologii M. Szklarczyk, red. nauk., praca zbiorowa, Wydawnictwa UW, (Wiele prezentowanych w czasie tego wykładu rysunków i zdjęć zastało wykonanych na podstawie materiału zawartego w powyższych książkach., oraz materiałów ze stron firm Kratos, Ion-Tof, NT-MDT, Veeco)