Instrukcja Ćwiczeń Laboratoryjnych Ocena stanu powierzchni otrzymanych warstw: 1. Obserwacja mikroskopowa przy użyciu mikroskopu stereoskopowego.

Transkrypt

1 KATEDRA CHEMII KRZEMIANÓW I ZWIĄZKÓW WIELKOCZĄSTECZKOWYCH Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Temat Blok specjalistyczny Specjalność Instrukcja Ćwiczeń Laboratoryjnych Ocena stanu powierzchni otrzymanych warstw: 1. Obserwacja mikroskopowa przy użyciu mikroskopu stereoskopowego. 2. Pomiar kąta zwilżania i swobodnej energii powierzchniowej. Analiza strukturalna materiałów Analityka i kontrola jakości Kierunek studiów: Technologia chemiczna Rok studiów: V 1. Obserwacja warstw na podłożu stalowym przy użyciu mikroskopu stereoskopowego przed oraz po przeprowadzeniu procesu pyrolizy Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania mikroskopu stereoskopowego Olympus SZX7 oraz ocena jakości warstw osadzonych na podłożu stalowym techniką dip-coating przed i po przeprowadzeniu procesu pyrolizy Wprowadzenie Mikroskop stereoskopowy to mikroskop optyczny umożliwiający przestrzenne widzenie obserwowanego obiektu. Światło biegnące w torach optycznych mikroskopu stereoskopowego, oddzielnych dla obojga oczu, wytwarza obraz postrzegany przez umysł człowieka jako trójwymiarowy. W zależności od konstrukcji torów optycznych tych mikroskopów, dzieli się je na systemy: Greenough oraz CMO (Common Main Objective). Konstrukcje CMO, ze względu na równolegle biegnące tory optyczne w głowicy, posiadają szersze możliwości rozbudowy, zarówno w kierunku zwiększenia ergonomii pracy jak i stopnia zautomatyzowania Charakterystyka mikroskopu stereoskopowego OLYMPUS SZX10 W klasycznym mikroskopie optycznym z głowicą dwuokularową do formowania obrazu używana jest jedynie soczewka obiektywu (Rys. 1a). Otrzymany obraz jest kopiowany i wyświetlany w obu okularach. Obraz jest jeden, ale można oglądać go jednocześnie obojgiem oczu. W mikroskopach stereoskopowych (Rys. 1b) do utworzenia obrazu stosuje się dwie soczewki opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 1

2 obiektywu, po jednej dla każdego oka. Dzięki temu uzyskuje się dwa niezależne kanały optyczne zapewniające obraz stereoskopowy. a) b) Rys. 1. Widok ogólny: a) klasycznego mikroskopu optycznego, b) mikroskopu stereoskopowego Mikroskop stereoskopowy Olympus SZX7 należy do najwyższej klasy badawczych mikroskopów stereoskopowych. Zapewnia pełną powtarzalność i dokładność pomiarów. Zawiera optykę o dużej głębi ostrości i doskonałym odwzorowaniu szczegółów (tzw. galileuszowy układ optyczny) Rys. 2. Zakres powiększeń mikroskopu to 8-56x, a stosując wymienne obiektywy i okulary: 4-336x. Przeznaczenie mikroskopu to badania laboratoryjne wymagające dokładności pomiarów i odwzorowania szczegółów obiektów. Obserwacje prowadzi się w świetle odbitym. Rys. 2. Galileuszowe ścieżki świetlne w mikroskopie stereoskopowym Olympus SZX7 opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 2

3 Zmotoryzowana oś "z" statywu mikroskopu o zakresie przesuwu w osi wynosi 120 mm. Jest sterowana z poziomu komputera i kontrolera wyposażonego w przyciski sterujące ruchem góra/dół, co pozwala zachowywać możliwość ręcznego ustawiania ostrości. Na rysunku 3 zaprezentowano szeroki zakres ruchu mikroskopu stereoskopowego. Rys. 3. Szeroki zakres ruchu mikroskopu Kolejną zaletą mikroskopu stereoskopowego Olympus SZX7 jest kolorowa kamera z matrycą w technologii CMOS 2/3" połączona z komputerem złączem USB 3.0 z możliwością binningu 2x2. Oprogramowanie kamery umożliwia zautomatyzowaną oraz manualną kontrolę parametrów rejestracji obrazu, z funkcją automatycznego składania obrazów w osi "z" oraz możliwość automatycznego wykonywania zdjęć w odstępach czasowych. Wykorzystanie dwóch oświetlaczy LED umożliwia zautomatyzowaną sekwencyjną pracę zestawu oświetlacz-kamera oraz wybór strefowego oświetlania obiektu. Rysunek 4 przedstawia cyfrowe obrazowanie mikroskopu stereoskopowego Olympus SZX7. Rys. 4. Cyfrowe obrazowanie mikroskopu stereoskopowego Olympus SZX7 Statyw mikroskopu wykonany został w technologii ESD, zapobiegając tym samym gromadzeniu ładunków elektrostatycznych. Przykłady zdjęć otrzymanych za pomocą mikroskopu stereoskopowego prezentuje rysunek 5. opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 3

4 Rys. 5. Zdjęcia otrzymane za pomocą mikroskopu stereoskopowego 1.3 Przebieg ćwiczenia W ramach ćwiczenia należy: 1) Zapoznać się z budową i wyposażeniem mikroskopu stereoskopowego Olympus SZX7. 2) Przeprowadzić obserwację warstw osadzonych na podłożu stalowym techniką dip-coating przed oraz po przeprowadzeniu procesu pyrolizy. 3) Wykonać zdjęcia warstw na podłożu stalowym przed i po przeprowadzeniu procesu pyrolizy, które zostaną zamieszczone w sprawozdaniu końcowym z ćwiczeń. 4) Określić różnice jakościowe warstw przed i po przeprowadzeniu procesu pyrolizy (np. nieciągłości materiału w postaci pęknięć, zawalcowań, drobnych pęcherzy, mikroporowatości, itp.). 2. Pomiar kąta zwilżania i swobodnej energii powierzchniowej Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie swobodnej energii powierzchniowej otrzymanych warstw przed oraz po przeprowadzeniu procesu pyrolizy poprzez pomiar kąta zwilżania kroplą cieczy pomiarowych, naniesionych na powierzchnię Wprowadzenie Niezależnie od charakteru powierzchni, z punktu widzenia odpowiedzi komórkowej kluczowe są zjawiska zachodzące na granicy faz komórkapowierzchnia implantu (biomateriału). Poznanie zachowania komórek podczas badań in vitro na powierzchni biomateriałów umożliwia postawienie hipotezy o odpowiedzi komórek w warunkach in vivo. Poznanie tego zachowania pozwala także kierować właściwościami powierzchniowymi w takim kierunku, aby móc prognozować oraz stymulować odpowiedzi danej tkanki, a więc otrzymać biozgodny implant o zaprojektowanych właściwościach (Rys. 6). Istotnym opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 4

5 aspektem badań jest ocena swobodnej energii powierzchniowej (SEP), która definiowana jest jako praca niezbędna do utworzenia nowej jednostki powierzchni podczas rozdziału dwóch znajdujących się w stanie równowagi faz w odwracalnym procesie izotermicznym. Jednostką SEP jest [mj/m 2 ]. Rys. 6. Zależność między biokompatybilnością i krytycznym napięciem powierzchniowym ciała stałego Metody określania wartości swobodnej energii powierzchniowej Miarą ilościową zwilżalności zarówno dla ciał stałych, jak i cieczy jest kąt zwilżania θ. Jest to kąt utworzony przez powierzchnię ciała stałego i płaszczyznę styczną do powierzchni cieczy w punkcie styku z ciałem stałym lub do powierzchni dwóch stykających się cieczy (Rys. 7). Rys. 7. Kropla cieczy pozostająca w równowadze z płaską powierzchnią, γ SL swobodna energia powierzchniowa na granicy ciało stałe ciecz, γ SV swobodna energia powierzchniowa na granicy ciało stałe para nasycona cieczy, γ LV swobodna energia powierzchniowa na granicy ciecz para nasycona cieczy Zmierzona wartość kąta zwilżania oraz równanie Younga (1) stanowią podstawę obliczeń wartości swobodnej energii powierzchniowej. Równanie to zostało wyprowadzone z warunku równowagi sił, reprezentujących odpowiednie napięcia powierzchniowe w punkcie styku trzech faz: ciała stałego, cieczy i pary: σ SV = σ SL + σ LV cos θ (1) opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 5

6 gdzie: σ SV napięcie powierzchniowe ciała stałego (biomateriału) w równowadze z parą nasyconą cieczy; σ SL napięcie powierzchniowe ciała stałego i cieczy; σ LV napięcie powierzchniowe cieczy w równowadze z parą nasyconą tej cieczy; θ kąt, jaki tworzy styczna do powierzchni kropli pomiarowej osadzonej na powierzchni ciała stałego w punkcie styku trzech faz (równowagowy kąt zwilżania). Do wyznaczania swobodnej energii powierzchniowej tworzyw wykorzystuje się równanie Younga w formie przekształconej (2): gdzie: γ S = γ SL + γ L cos θ (2) γ S swobodna energia powierzchniowa ciała stałego; γ SL swobodna energia powierzchniowa ciała stałego w kontakcie z cieczą; γ L swobodna energia powierzchniowa cieczy pomiarowej. Występujące w równaniu (2) wartości γ L oraz θ można wyznaczyć na podstawie pomiarów, jednakże wyznaczenie pozostałych dwóch wielkości: γ S i γ SL wymaga przyjęcia dodatkowych założeń o związkach, zachodzących między poszczególnymi wielkościami γ L, γ S i γ SL. Badania naukowe, prowadzone w tej dziedzinie, doprowadziły do określenia rożnych metod wyznaczania wartości swobodnej energii powierzchniowej materiałów. Podstawowe znaczenie dla obliczeń swobodnej energii powierzchniowej materiałów polimerowych ma metoda Owensa-Wendta Metody obliczeń SEP materiałów polimerowych oparte na metodzie Owensa-Wendta Zastosowany w analizach model Owensa-Wendta wymaga stosowania dwóch cieczy (jednej polarnej oraz drugiej dyspersyjnej). Stosując ten model, otrzymuje się przybliżenie, uznając średnią geometryczną γ p p S (powierzchni) i γ L (cieczy) składowych polarnych. W modelu Owensa-Wendta wykorzystuje się następujące wzory analityczne (3) i (4): γ S = γ S d + γ S p (3) gdzie: γ S d składowa dyspersyjna (Lifshitza-Van der Wallsa {LW}) γ S p składowa polarna (Lewis kwas zasada {AB}): γ L (1 + cos θ) = 2 γ S d γ L d + 2 γ S p γ L p (4) opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 6

7 Tabela 1. Ciecze stosowane w badaniach SEP Nazwa cieczy testowej Napięcie powierzchniowe [mn/m] Częśc dyspersyjna [mn/m] Część polarna [mn/m] woda dijodometan glikol etylenowy glicerol heksadekan α-bromonaftalen fenylometanol dekalina W równaniu (4) są obecne dwie niewiadome γ S d oraz γ S p, zatem nie wystarcza ono do wyznaczenia wartości swobodnej energii powierzchniowej. W związku z tym w pomiarach kąta zwilżalności wykorzystuje się dwie ciecze, co prowadzi do uzyskania układu równań liniowych ze współczynnikami o stałych wartościach (5): { x + ay = b(1 + cos θ 1) x + cy = d(1 + cos θ 2 ) (5) W powyższym równaniu (5) a, b, c, d są to współczynniki związane z cieczami pomiarowymi, θ 1, θ 2 są wartościami kątów zwilżania, oznaczonymi z użyciem dwóch cieczy pomiarowych, a niewiadome x i y: x = γ S d, y = γ S p Do pomiarów kątów zwilżania wybiera się dwie ciecze o rożnych charakterach, co pozwala na ograniczenie wpływu błędów w określaniu wartości składowych γ L d, γ L p, najczęściej stosuje się dijodometan i wodę. Wśród innych metod określania SEP dla materiałów polimerowych wyróżnia się metoda Zismana, służąca do wyznaczania tzw. krytycznej swobodnej energii powierzchniowej γ C. W pomiarach wykorzystuje się kilka cieczy z danego szeregu homologicznego, a na podstawie wyników doświadczalnych generuje się wykres w układzie współrzędnych, w którym oś odciętych stanowi wartość γ L wykorzystanych cieczy, na osi rzędnych natomiast definiuje się cosinus kątów zwilżania θ i. Wartości cos θ wykorzystanych w badaniach cieczy z szeregu n-alkanów formują w przybliżeniu linię prostą, a ekstrapolacja wykresu do punktu cos θ = 1 pozwala wyznaczyć γ C równej wartości odciętej w tym punkcie. W ten sposób można wyznaczyć równanie prostej (6) w zdefiniowanym układzie współrzędnym, w którym b jest współczynnikiem kierunkowym prostej: cos θ = 1 + b(γ C + γ L ) (6). Wykorzystując równania (2) i (6) dla badanego materiału, można opisać zależność między swobodną energią powierzchniową (γ S ) a krytyczną swobodną energią powierzchniową (γ C ): γ S = (bγ C +1)2 4b (7). opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 7

8 2.3. Aparatura pomiarowa Pomiar kąta zwilżania kroplą cieczy naniesioną na nieruchome podłoże należy wykonać przy użyciu aparatu Krüss DSA25E (Rys. 8) sprzężonego z komputerem z zainstalowanym oprogramowaniem Advanced do pomiaru kąta zwilżania i analizy wyników. Kroplę cieczy pomiarowej należy nanosić na podłoże przy użyciu strzykawki o automatycznym systemie dozowania, zamontowanej nad badanym podłożem. Badane materiały należy umieścić na stoliku pomiarowym. Zdjęcia kropli oraz wyznaczenie kąta zwilżania metodą geometryczną wykonywane są automatycznie przez oprogramowanie aparatu. Rys. 8. Schemat aparatu Krüss DSA25E 2.4. Wykonanie ćwiczenia 1) Przygotować roztwory zwilżające: wodę destylowaną i dijodometan. 2) Włączyć goniometr Krüss DSA25E, komputer. Na pulpicie otworzyć folder Pomiary/Blok specjalistyczny i utworzyć nowy folder pod nazwą grupy. 3) Otworzyć aplikację Advanced, wybrać rodzaj pomiaru Sessile Drop i templat Blok specjalistyczny (Rys. 9). Wprowadzić nową nazwę pomiaru w obszarze pracy programu (Rys. 10). opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 8

9 Rys. 9. Ekran startowy programu Advanced Rys. 10. Obszar pracy programu Advanced 4) Napełnić strzykawkę cieczą wzorcową poprzez wybór funkcji Refill. Strzykawka 1 dedykowana jest dla wody, strzykawka 2 dla dijodometanu. 5) Ustawić igłę w górnej części pola kamery. Ustawić ostrość i skalibrować obraz na podstawie znajomości średnicy strzykawki równej 0.5 mm. opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 9

10 Rys. 11. Okno widoku kamery goniometru Rys. 12. Kalibracja obrazu 6) Nadać programowi odpowiednie parametry pomiarowe w oknie Automation program, takie jak rozmiar kropli, prędkość dozowania, liczba powtórzeń pomiarów, odstępy czasowe ich wykonania. Lp. Parametr Wartość 1 objętość kropli 1 µl 2 prędkość dozowania 0.2 µl 3 algorytm dopasowania kształtu kropli Eclipse 4 odstęp czasowy między dozowaniem a pomiarem 1 s 5 ilość powtórzeń pomiaru 3 7) Umieścić badaną próbkę na stoliku pod igłą. 8) Rozpocząć procedurę pomiarową, poprzez naciśnięcie przycisku Start automation. W pierwszej kolejności wykonać pomiary przy użyciu wody. 9) Gdy na ekranie pojawi się komunikat, położyć kroplę na powierzchni próbki. Kliknąć Continue. Rozpocznie się automatyczny zapis wyników. 10) Należy wykonać po 3 krople dla jednej próbki. opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 10

11 11) Procedurę powtórzyć z użyciem dijodometanu. W tym celu należy zmienić strzykawkę. 12) Wszystkie wyniki pomiarów kąta zwilżania znajdują się w zakładce Results (Rys. 13). Wyniki swobodnej energii powierzchniowej znajdują się w zakładce SFE calculations (Rys. 14). Rys. 13. Wyniki pomiarów kąta zwilżania Rys. 14. Wyniki obliczeń swobodnej energii powierzchniowej 13) Po zakończeniu pełnego pomiaru eksportować wyniki do formatu.xlsx. Należy także zapisać po jednym zdjęciu kropli dla danej próbki dla pomiarów wodą i dijodometanem. opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 11

12 Źródła: [1] Żenkiewicz M, Analiza głównych metod badania swobodnej energii powierzchniowej materiałów polimerowych, Polimery 2007, 52, 10, [2] Żenkiewicz M, Adhezja i modyfikowanie warstwy wierzchniej tworzyw wielkocząsteczkowych, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [3] Park JB, Bronzino JD, Biomaterials: Principles and applications, CRC Press, Nowy Jork, USA [4] Ratner BD et al, Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine, Elsevier, New York, USA [5] Goddard JM, Hotchkiss JH, Polymer surface modification for the attachment of bioactive compounds, Progress Polym. Sci. 2007, 32, [6] Xu LC, Effect of surface wettability and contact time on protein adhesion to biomaterial surfaces, Biomaterials 2007, 28, [7] Kaczmarek H, Bajer K: Metody badania biodegradacji materiałów polimerowych, Polimery 2006, 51, (10), [8] Kim MS, Khang G, Lee HB, Gradient polymer surfaces for biomedical applications, Progress Polym. Sci. 2008, 33, 1, [9] Baier RE, The role of surface energy in thrombogenesis, Bull. N.Y. Acad. Med. 1972, 48, 2, [10] Van Oss CJ, Hydrophobicity and hydrophilicity of biosurfaces, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 1997, 2, [11] Liber-Kneć A, Łagan S, Zastosowanie pomiarów kąta zwilżania i swobodnej energii powierzchniowej do charakterystyki powierzchni polimerów wykorzystywanych w medycynie, Polim. Med. 2014, 44, 1, [12] Handbook of Microscopy, DOI: /C [13] Microscopy Techniques for Materials Science, techniques-formaterials-science#book-description. [14] Microscopy of Ceramics and Cements, DOI: /C [15] Pluta M., Mikroskopia optyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, ISBN [16] Sazaki G., Nagashima K., Murata K., Furukawa Y., In-situ observation of crystal surfaces by optical microscopy, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, Volume 62, Issue 2, 2016, Pages [17] Woolnough L., The Stereomicroscope: Understanding and Using, Quekett Microscopical Club, ISBN [18] [19] The History of Stereo Microscopy: [20] Anastasios J. Sakalis, Nikolaos A. Kazakis, Nikolaos Merousis, Nestor C. Tsirliganis, Study of Neolithic pottery from Polyplatanos (Imathia) using micro X-ray fluorescence spectroscopy, stereoscopic microscopy and multivariate statistical analysis, Journal of Cultural Heritage, Volume 14, Issue 6, 2013, Pages [21] Nothnagle PE, Chambers W., Davidson M.W., Introduction to stereomicroscopy, [22] Gacek G., Stereoskop, narzędzie niedoceniane, [23] Zimmer K. P., Optical designs for stereomicroscopes. Proc SPIE, 3482, 1998, opracowały mgr inż. M. Gawęda i dr inż. M. Leśniak 12