Курсовая_работа_Киряков_А.Н

Федеральное агентство по науке и образованию

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра «Физические приборы и методы контроля качества»

Руководитель _____________________

ОТЧЕТ

ПО КУРСОВОЙ РАБОТЕ

Дисциплина: Материалы и методы нанотехнологий

по теме:

Измерение размеров наночастиц методом динамического рассеяния света

Руководитель Ремпель А.А.

(подпись)

Студент Фт-490603 Киряков А.Н.

(подпись)

Екатеринбург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Динамическое рассеяние света 4

2. Основные идеи метода динамического рассеяния света 6

3. Дзета-потенциал 7

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 10

ВВЕДЕНИЕ

Динамическое рассеяние света (ДРС) — представляет собой совокупность таких явлений как изменение частоты (Доплеровский сдвиг), интенсивности и направления движения света прошедшего через среду движущихся (Броуновских) частиц.

Чаще понятие «Динамическое рассеяние света» можно встретить при упоминании о «методе динамического рассеяния света» как о способе измерения размеров частиц и об инструментальных средствах, которые в своей конструкции и алгоритмах обработки сигнала реализуют этот метод.

Данный метод представляет большой интерес, поскольку позволяет проводить измерение Дзета потенциала вещества а также измерять размер наночастиц.

1 Динамическое рассеяние света

Для измерения размеров наночастиц используется метод динамического рассеяния света (ДРС). Данный метод позволяет определить коэффициент диффузии дисперсных частиц в жидкости путем анализа характерного времени флуктуаций интенсивности рассеянного света. Далее, из коэффициента диффузии рассчитывается радиус наночастиц.

Метод динамического рассеяния света используется также для измерения скоростей потоков жидкости и газа. Традиционно, этот вариант метода носит название лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА).

В качестве примера рассмотрим диффузию монодисперсных наночастиц, взвешенных в жидкости. Хаотическое броуновское движение дисперсных частиц вызывает микроскопические флуктуации их локальной концентрации. В свою очередь, эти флуктуации приводят к локальным неоднородностям показателя преломления среды. При прохождении лазерного луча через такую среду часть света будет рассеяна на этих неоднородностях. Флуктуации интенсивности рассеянного света будут соответствовать флуктуациям локальной концентрации дисперсных частиц. Информация о коэффициенте диффузии частиц содержится в зависящей от времени корреляционной функции флуктуаций интенсивности. Временная автокорреляционная функция согласно определению имеет следующий вид:

(1)

где интенсивность I имеет различные значения во время t и (t-τ). t_m - это время интегрирования (время накопления корреляционной функции). Очевидно, что при τ = 0, автокорреляционная функция равна среднеквадратичной интенсивности <I²>. Для больших времен корреляция отсутствует, и автокорреляционная функция равна квадрату средней интенсивности рассеяния:

(2)

В соответствии с гипотезой Онзагера, релаксация микроскопических флуктуаций концентрации к равновесному состоянию может быть описана первым законом Фика (уравнением диффузии):

(3)

где c(r, t) - концентрация и D - коэффициент диффузии частиц. Можно показать, что автокорреляционная функция интенсивности экспоненциально затухает во времени и характерное время релаксации однозначно связано с D. Корреляционная функция интенсивности рассеянного света имеет вид:

(4)

где в соответствии с решением уравнения диффузии обратное время корреляции равно:

(5)

Волновой вектор флуктуаций концентрации описывается выражением:

(6)

В выражениях 4-6: a и b - экспериментальные константы, n- показатель преломления жидкости, в которой взвешены дисперсные частицы, λ - длина волны лазерного света и θ - угол рассеяния.

Рисунок 1 — Схема процесса рассеяния света

Рисунок 2 — Автокорреляционная функция рассеянного света

Константы t_c, a и b могут быть найдены путем аппроксимации измеренной корреляционной функции теоретической экспоненциальной функцией. Если форма частиц известна или задана, их размер может быть рассчитан с использованием соответствующей формулы. Например, для сферических частиц можно использовать формулу Стокса-Эйнштейна:

(7)

где k_B - константа Больцмана, T - абсолютная температура и η - сдвиговая вязкость среды, в которой взвешены частицы радиуса R.

С помощью динамического рассеяния света может быть решена также задача измерения вязкости жидкости. Для случая рассеяния света на дисперсных частицах известного размера, измеренное характерное время флуктуаций позволяет рассчитать вязкость жидкости.

Проблема аппроксимации экспериментальных данных проста для рассмотренного случая рассеяния света монодисперсными сферическими частицами. Для полидисперсных образцов интерпретация экспериментальных данных усложняется. Для реально достижимой точности измерений могут быть получены только два-три параметра полидисперсного распределения: средний размер частиц, ширина распределения и асимметрия распределения.

2 Основные идеи метода динамического рассеяния света

• Броуновское движение дисперсных частиц или макромолекул в жидкости приводит к флуктуациям локальной концентрации частиц. Результатом этого являются локальные неоднородности показателя преломления и соответственно - флуктуации интенсивности рассеянного света при прохождении лазерного луча через такую среду.

• Коэффициент диффузии частиц обратно пропорционален характерному времени релаксации флуктуаций интенсивности рассеянного света. Это характерное время, в свою очередь, есть время затухания экспоненциальной временной корреляционной функции рассеянного света, которая измеряется с помощью цифрового коррелятора.

• Размер частиц рассчитывается по формуле Стокса-Эйнштейна, которая связывает размер частиц с их коэффициентом диффузии и вязкостью жидкости.

Дзета-потенциал

Параметрами наночастиц, позволяющими охарактеризовать их, являются: материал частицы, ее размеры и дзета-потенциал. Дзета-потенциал возникает в результате накопления электрических зарядов на границе раздела твердой и жидкой фаз. В результате этого на фазовой границе образуется двойной электрический слой. Двойной электрический слой возникает при контакте двух фаз, из которых хотя бы одна является жидкой. Стремление системы понизить поверхностную энергию приводит к тому, что частицы на поверхности раздела фаз ориентируются особым образом. Вследствие этого контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака, но равной величины, что приводит к образованию двойного электрического слоя. Дзета- (электрокинетический) потенциал соответствует плоскости скольжения и является частью потенциала диффузного слоя. Плоскость скольжения образуется в результате того, что при движении дисперсных частиц наиболее удаленная часть диффузного слоя не участвует в движении, а остается неподвижной. Поэтому появляется нескомпенсированность поверхностного заряда частицы и становятся возможными электрокинетические явления.

Измерение дзета (zeta) - потенциала, или потенциала двойного слоя, позволяет определить силу взаимодействия между частицами, что  и  является характеристикой стабильности системы и способности частиц к агломерации.

Дзета-потенциал определяет степень и характер взаимодействия между частицами дисперсной системы. Измерение дзета-потенциала обеспечивает понимание механизмов диспергирования и их контроль на уровне электростатических взаимодействий. Определение дзета-потенциала чрезвычайно важно во множестве областей производственной и исследовательской деятельности, в том числе фармацевтической промышленности, медицине, при производстве керамики, переработке полезных ископаемых и приложениях водоочистки.

При разработке новых продуктов (суспензий, эмульсий или коллоидов), одним из основных и самых трудоёмких этапов является определение стабильности предполагаемых композиций в различных условиях. Использование дзета-потенциала, как параметра, позволяющего производить экспресс оценку стабильности системы, позволяет существенно оптимизировать этот исследовательский этап. Помимо этого, детальное понимание аспектов стабильности систем, способствует повышению качества производимой и разрабатываемой продукции.

В результате многих производственных процессов происходит загрязнение больших объёмов воды. Таким образом, вопрос очистки воды является чрезвычайно важным, в том числе в силу роста стоимости процедур утилизации. Контроль дзета-потенциала позволяет оптимизировать использование дорогостоящих флокулянтов, процесс и результаты флокуляции и фильтрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дзета-потенциал — это потенциал на границе между коллоидной частицей, способной к движению в электрическом поле, и окружающей жидкостью, т.е. потенциал поверхности скольжения частицы в коллоидном растворе. Наличие дзета-потенциала на границах скольжения всех дисперсных частиц формирует на них одноименные заряды и электростатические силы отталкивания, что обеспечивает устойчивость коллоидного раствора и препятствует агрегации. Чем выше абсолютное значение этого потенциала, тем большесилы отталкивания белковых частиц друг от друга. Таким образом, дзета-потенциал является мерой устойчивости коллоидного раствора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Электронный источник / http://www.nanometer.ru/ от 23.02.2013 / Измерение размеров наночастиц методом динамического рассеяния света / Курьяков В.

2 Электронный источник / http://microscopeworld.ru/dls_theory.html / Microscope World Microscopy and Dynamic Light Scattering /