ДзКолчин2003 (Домашнее задание), страница 2

Другой способ определения размеров частиц заключается в изучении рассе­яния на них света. Рассеяние зависит от соотношения размеров частиц d и дли­ны волны падающего света λ , а также от его поляризации.

При определении размеров частиц используется монохроматический (с од­ной длиной волны) лазерный луч, который рассеивается на определенный угол (обычно 90°) при параллельной и перпендикулярной поляризации. Измерение интенсивностей рассеяния дает размер частиц, их концентрацию и показатель преломления. Для интерпретации данных о рассеянии на частицах с размерами d<0,1λ, что имеет место при рассеянии видимого света наночастичами, исполь­зуется теория Рэлея. Пример определения размеров наночастиц органической су­спензии с размерами от 9 до 30 нм и максимумом при 12 нм методом рассеяния лазерного луча показан на рисунке.

Метод применим к наночастичам с размерами более 2 нм. Для меньших частиц следует использовать другие методы.

Частицы с размерами менее 2 нм удобно измерять масс-спектрометром(далее будет более подробно описана схема типичного газового масс-спектрометра)

Рис.10.Схема типичного газового масс-спектрометра

Вопрос 3. Гранулометрия(измерение) и классификация(разделение) наночастиц(нанопорошков).

Ответ:

Для измерения мелких порошков используется седиментационный анализ – это вид гранулометрии, основанный на изменении количественных характеристик процесса седиментации компонентов дисперсных систем.

Седиментация – оседание твердых частиц, взвешенных в жидкости или газе под действием силы тяжести.

По закону Стокса(справедливому только для сферических частиц) радиус r твердой частицы с плотностью твердой частицы γ_тв , оседающей спокойной жидкостью с плотностью γ_ж с вязкостью R, с временем оседания τ с высоты H, связаны следующим соотношением:

R=3*[r*H/(2*( γ_тв- γ_ж)* τ)]^0.5

Таким образом, количественной характеристикой размера частиц является время их оседания. Количество частиц с различными радиусами(т.е. его гранулометрический состав) может быть определено путем непрерывной записи массы частиц, осевших на погруженную в жидкость чашку весов. Так раньше и делали.

Разновидностью седиментационного анализа являются методы записи временной зависимости прозрачности жидкости, в которой производится седиментация как для света(фотоседиментационный анализ), так и для других электро-магнитных колебаний(например, рентгеновских лучей).

Современные анализаторы гранулометрического состава, использующие эффект рассеяния лазерного луча и оснащенные микропроцессорами обеспечивают диапазон измерений от 40 нм до 3 мкм. Вообще данный метод применим к наночастицам с размерами более 2 нм.

Классификация(разделение)

Воздушная классификация осуществляется в воздухе или в другом газе. Она основана на различных скоростях перемещения частиц различных гранулометрических фракций в воздухе(газе). Ее проводят как в спокойной атмосфере, так и в восходящих горизонтальных или закрученных(вихревых) потоках. Воздушную классификацию в потоках воздуха(газа) обычно реализуют в специальных аппаратах – циклонах, которые, как правило, компануют в одном агрегате с мельницей. При воздушной классификации порошка(или их смеси) порошки(или смеси) могут быть разделены по плотности, размерам и форме частиц.

Частицы с размерами от типичных для наночастиц до много больших – микронных размеров(масштабов) можно исследовать методами электронной микроскопии. Частицы с размерами менее 2 нм измеряют масс-спектрометром и этот же аппарат можно использовать для классификации частиц таких размеров. При этом использовании метода по массе наночастица очень мала, но по количеству наночастица приемлема для нанонауки.

Схема типичного газового масс-спектрометра показана на рисунке:

Наночастицы ионизируют бомбардировкой электронами, испускаемыми разогретым катодом(f) в ионизационной камере(I). Эти положительные ионы ускоряются разностью потенциалов V между выталкивающей(R) и ускоряющей(A) пластинами, затем фокусируются системой линз L, диафрагмируются щелью S и затем поступают в масс-анализатор. Магнитное поле B анализатора, ориентированное перпендикулярно плоскости рисунка, действует на частицы с силой F=qνB, которая искривляет пучок на 90⁰ с радиусом r, после чего он попадает на коллектор ионов. Отношение массы частицы m к ее заряду q дается выражением

В каждой конкретной установке радиус кривизны r обычно фиксирован, так что для фокусировки на детекторе ионов разных масс изменяют либо магнитное поле B, либо ускоряющее напряжении V. Заряд наноразмерных ионов обычно известен, так что практически определяется их масса. Так как материал наночастиц также известен, то определена и их плотность ρ=m/V, а, следовательно, линейный размер можно оценить как кубический корень из объема: d=V^1/3=(m/ ρ) ^1/3.

Описанный масс-спектрометр использует стандартную конфигурацию магнитного поля масс-анализатора. Современные масс-спектрометры могут иметь другие конфигурации поля, например квадрупольную, или масс-спектрометр на основе измерения времени пролета, у которого каждый ион получает одинаковую кинетическую энергию mν²/2 во время ускорения в ионизационной камере, так что более легкие ионы движутся быстрее и достигают детектора раньше, чем более тяжелые ионы, обеспечивая таким способом разрешение по массе.

На рисунке показан время-пролетный масс-спектрометр для сажи, полученной лазерным испарением мишени, состоящей из лантана и углерода. Верхний масс-спектр (а) на рисунке, полученный на первоначальном неочищенном экстракте са­жи, содержит линии нескольких фуллеренов: С₆₀, С₇₀, С₇₆, С₇₈, С₈₂, С₈₄ и LaС₈₂. По­следний соответствует эндоэдрическому фуллерену, а именно: С₈₄ с атомом лантана внутри. Второй (б) и третий (в) масс-спектры получены на последовательных стади­ях выделения LaС₈₂из смеси других фуллеренов методом, называемым высокопро­изводительной жидкостной хроматографией.

Литература:

1. Введение в нанотехнологию:проблемы материаловедения, экономики, экологии: учебное пособие/П.А. Арсеньев, А.А.Евдокимов, А.Г. Матвеева, Н.А. Яштулов.-И.:Издательство МЭИ,2006.

2. Нанотехнологии, 4-е издание/Ч.Пул-мл., Ф.Оуэнс.-Москва:Техносфера, 2009.

3. Конспект лекций по курсу: Нанотехнология в электротехнических и радиоэлектронных материалах/Колчин В.В.