Министерство образования и науки РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный технологический университет "СТАНКИН"

Егорьевский технологический институт (филиал)

ЖУРНАЛ ОТЧЕТОВ

практических и лабораторных работ

по дисциплине

Поиск и обработка экономической информации средствами интернет-бизнеса

ВЫПОЛНИЛ		ПРОВЕРИЛ
Студент группы БК-111		профессор каф. ЕНД
__________А.В.Закирова		_______________ А.П. Нилов
«______» ___________ 2012 г.		«______» ___________ 2012 г.

Егорьевск 2012

Работа 1. CИНТЕЗ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ

РАСТВОРОВ НАНОЧАСТИЦ

Теоретическая часть:

Нанотехнология – это качественный скачок от работы с веще-

ством к манипуляции отдельными атомами: в наноразмерном со-

стоянии изменяются многие механические, термодинамические,

магнитные и электрические характеристики. Например, наночасти-

цы золота, в отличие от объёмного золота, обладают каталитиче-

скими, ферромагнитными, настраиваемыми оптическими свойст-

вами, способностью к самосборке. Они хорошо поглощают и рас-

сеивают свет, нетоксичны, химически стабильны, биосовместимы.

Их интенсивная окраска уже используется для детектирования, ви-

зуализации и количественного определения биомедицинских объ-

ектов . Золотые наночастицы перспективны для создания це-

лого спектра приборов – от средств диагностики до различных сен-

соров, волоконной оптики и компьютерных наносхем . Благо-

даря указанным свойствам наночастицы золота могут играть роль

удобного, легко доступного, универсального модельного объекта

для ознакомления с основными методами и понятиями нанонауки.[1]

Измельчение материалов механическим путем в мельницах различного типа широко использовалось и до эпохи нанотехнологий. Однако следует учитывать, что при дроблении до крупных частиц расход энергии пропорционален объему разрушаемого тела, а при получении наночастиц работа измельчения пропорциональна главным образом площади образующейся поверхности. Поэтому в данном случае требуется использование мельниц высокой мощности — аттриторов и симолойеров. Это высокоэнергетические измельчительные аппараты с неподвижным корпусом — барабаном и мешалками, передающими движение шарам в барабане. Скорость вращения мешалок может достигать 3000 об/мин. Аттриторы имеют вертикальное расположение барабана, симолойеры — горизонтальное. Измельчение материала размалывающими шарами, в отличие от других типов измельчающих устройств, происходит главным образом не за счет удара, а по механизму истирания. Емкость барабанов в установках этих двух типов достигает 400-600 л.

М еханическим путем измельчают металлы, керамику, полимеры, оксиды, хрупкие материалы. Степень измельчения зависит от вида материала. Так, для оксидов вольфрама и молибдена получают крупность частиц порядка 5 нм, для железа – порядка 10...20 нм. Разновидностью механического измельчения является механосинтез, или механическое легирование, когда в процессе измельчения происходит взаимодействие измельчаемых материалов с получением измельченного материала нового состава. Так получают нанопорошки легированных сплавов, интерметаллидов, силицидов и дисперсноупрочненных композитов с размером частиц 5...15 нм.

Другой распространенный механический метод получения порошков наночастиц — диспергирование расплавов потоком жидкости или газа. Это высокопроизводительный процесс, который легко осуществить по непрерывной схеме и автоматизировать, он экономичен и экологичен. Этим методом получают порошки металлов и сплавов Fe, Al, Cu, Pb, Zn, Ti, W и др.

Одна из разновидностей диспергирования расплавов — спинингование. В этом методе тонкая струя расплавленного металла набрызгивается на вращающийся в инертной атмосфере охлаждаемый барабан. Структура отвердевшего металла или сплава определяется скоростью потока жидкости, частотой вращения барабана и их взаимным расположением. Образующиеся аморфные сплавы содержат кристаллические включения, размер которых составляет несколько десятков нанометров. Подобные сплавы обладают повышенными механическими свойствами.

Физико-химические методы получения нанопорошков

Один из методов, широко применяемых для производства нанопорошков — вакуумное осаждение. Процесс включает три последовательные стадии: испарение вещества, его транспорт к подложке и конденсацию. Тигель с расплавом материала (металла или оксида), разогретого до высокой температуры лазерным излучением, пучком электронов, постоянным или вихревым током, помещается в вакуумированный сосуд. Если испаряемый материал проводит ток и при этом без плавления может обеспечить достаточно высокое давление паров, из него делают проволоку, служащую при пропускании тока источником атомов.

В процессе химического вакуумного осаждения исходный реагент испаряют, и затем он диффундирует к нагретой подложке. На ее поверхности он разлагается и ли реагирует с парами второго реагента. Нелетучий твердый продукт реакции формирует поверхностные наноструктуры, а побочные летучие продукты удаляются. Процесс могут катализировать частицы переходных металлов — Fe, Ni или Co. Этим методом получены наночастицы Fe₂O₃, TiO₂, SiC и некоторые другие.

При лазерной абляции материал испаряется под действием импульсного лазерного излучения и затем конденсируется в виде частиц. Специфика л азерного нагрева ярко проявляется при облучении твердой мишени, погруженной в жидкость. В этом случае закономерности диспергирования материала существенно изменяются. В первую очередь это вызвано тем, что наночастицы образуют коллоидный раствор, вследствие чего могут вернуться в лазерный пучок и повторно подвергнуться облучению.

Закономерности лазерной абляции наночастиц и объемного материала существенно отличаются. В металлических наночастицах, размеры которых меньше длины свободного пробега электронов, возникают коллективные колебания электронного газа на плазменной частоте. В спектрах растворов таких частиц возникает плазмонная полоса поглощения. Для большинства металлов она лежит в УФ области, а для Au, Ag и Cu — в видимой области спектра. Частицы интенсивно поглощают излучение на плазменной частоте, плавятся и локально испаряют окружающую их жидкость. Неравномерное распределение давления паров жидкости вызывает повторное дробление капель расплава. В результате лазерное облучение коллоидного раствора приводит как к измельчению частиц, так и к изменению их распределения по размерам.

Лазерной абляцией в жидкостях получают наночастицы благородных металлов и их сплавов, Ti, Zn, Cu, Co, Ni, оксидов CuO, ZnO, полупроводников CdS, ZnSe и других веществ.

Другой вариант применения метода состоит в том, что готовится «холодная» смесь реагентов, в которой скорость образования целевого вещества мала. Затем этот раствор нагревается до температуры, при которой образуется целевой продукт с концентрацией, достаточной для нуклеации. После быстрой и интенсивной нуклеации концентрация падает и дальше происходит только рост образовавшихся частиц. Во время роста поддерживается температура, при которой скорость образования целевого вещества ниже скорости его кристаллизации.

Размером, формой и степенью кристалличности наночастиц, образовавшихся в золь-методе, можно управлять, варьируя температуру и соотношение концентраций исходных реагентов и стабилизатора. Для остановки роста частиц во всех случаях обычно достаточно быстро охладить реакционную смесь. Чтобы выделить наночастицы, добавляют осадитель — растворитель, смешивающийся с реакционной системой, но плохо растворяющий «защитные оболочки» наночастиц и потому дестабилизирующий суспензию. В результате наночастицы осаждаются в виде порошка, который отделяют центрифугированием. Золь-метод позволяет получать практически монодисперсные наночастицы различных полупроводников и металлов.

Для синтеза нанодисперсных порошков тугоплавких металлов и их соединений (карбидов, нитридов и др.) перспективен плазмохимический метод, представляющий собой восстановление металлов из их соединений под действием газов. В плазмотроне электрической дугой высокой интенсивности создается плазма с температурой 4000-10000 °С. В плазме, через которую пропускают газообразный восстановитель (водород или углеводороды и конвертированный природный газ), исходный материал превращается в конденсированную дисперсную фазу. Таким методом получают порошки тугоплавких металлов W, Mo, Ni.

Восстановление — один из наиболее дешевых методов, позволяющих получать высокочистые порошки. Несколько более дорог электролитический метод. Применяется электролиз как водных растворов, дающий порошки Fe, Cu, Ni, так и расплавов солей Ti, Zr, Nb, Ta, Fe, U. В результате электролиза обычно образуются частицы дендритной формы с размерами порядка десятков нм.[2]

Практическая работа:

Цель работы: синтезировать в водном растворе сферические наночастицы золота и исследовать их свойства в качестве электролитного сенсора, ознакомиться с основными понятиями метода абсорбционной спектроскопии и изучить оптические свойства растворов синтезированных наночастиц.

Применяемое оборудование: магнитная мешалка с подогревом MR Hei-Standard, спектрофотометр Т-70+.

Стеклянная химическая посуда: термостойкий стаканчик на 100 мл, стаканчик на 50 мл – 2 шт., пипетки на 2 и 5 мл, стеклянный пузырек с крышкой на 50 мл, пробирки – 4 шт., магнитик в термостойкой оболочке.

Растворы: дистиллированная вода, 0,001 М раствор HAuCl4, 1%-ный раствор цитрата натрия (Na3C6H5O7), 1М раствор NaCl, 1М раствор сахара.

Порядок выполнения работы:

Опыт 1. Синтез сферических наночастиц золота

Налейте 20 мл 0,001 M раствора HAuCl4 в термостойкий ста-

канчик емкостью 100 мл. Внесите магнитик. Поставьте стаканчик

на магнитную мешалку, предварительно нагретую до 1000 С.

Включите перемешивание и нагрейте раствор до кипения при не-

п рерывном интенсивном перемешивании (1400 об/мин).

После того, как раствор начнет кипеть, добавьте 2 мл 1%-ного

(0,039M) раствора цитрата натрия (Na3C6H5O7). Продолжайте кипя-

тить и непрерывно интенсивно перемешивать раствор до появле-

ния рубиново-красной окраски (~10 мин). Во время перемешивания

старайтесь сохранять объём раствора постоянным, равным 22 мл,

добавляя по необходимости небольшие порции дистиллированной

воды с помощью пипетки на 5 мл. Отмечайте в журнале изменение

цвета раствора, свидетельствующее о протекании химических и

структурных превращениях в системе.

Когда раствор приобретет окончательный рубиново-

красный цвет, выключите нагревание и перемешивание. Снимите

стаканчик с мешалки, охладите раствор при комнатной темпера-

туре и выдержите его при этой температуре ёще 10-15 мин для

о кончательного созревания.

Опыт 2. Наночастицы золота как электролитный сенсор

В стаканчике на 50 мл растворите 0,5 г столовой соли (NaCl) в10 мл дистиллированной воды, чтобы приготовить 1М раствор.

В стаканчике на 50 мл растворите 2г сахара в 10 мл дистиллиро-

ванной воды, чтобы приготовить 1М раствор.

В каждую из четырех пробирок поместите по 3 мл раствора

наночастиц золота, полученного в секции А (пункт 3). Добавьте по

3 Мл дистиллированной воды в каждую пробирку.

С помощью капельницы внесите одномоментно 5-10 капель

раствора NaCl в первую пробирку. Запишите свои наблюдения,

сравнивая с исходным раствором. Что произошло с наночастицами

в растворе?

С помощью капельницы внесите одномоментно 5-10 капель

раствора сахара во вторую пробирку. Запишите свои наблюдения,

сравнивая с исходным раствором.

Выберите другое вещество и добавьте его в третью пробирку.

Обсудите свой выбор с преподавателем. Перед добавлением веще-

ства предскажите изменения (или их отсутствие) в растворе.

Опыт 3. Исследование оптических свойств наночастиц

золота

Получите от преподавателя две кварцевые кюветы с толщи-

ной оптического слоя 1 см (обращаться осторожно: кюветы имеют-

ся в единственном экземпляре).

Кюветы берите только за боковые грани.

Кюветы должны быть предварительно вымыты водой, а при

необходимости и спиртом.

В одну кювету налейте на ¾ её высоты (или до уровня боко-

вой риски) дистиллированной воды, которая будет играть роль ну-

левого раствора.

Во вторую кювету внесите полученный вами в части А пунк-

те 3 раствор наночастиц золота. Убедитесь, что в обеих кюветах от-

сутствуют пузырьки воздуха. В противном случае заполните кюве-

ты заново.

Боковые грани и донышко кювет тщательно протрите фильт-

ровальной бумагой.

Поместите кюветы в кюветодержатель спектрофотометра.

Строго соблюдая инструкцию работы на спектрофотометре,

с нимите спектр исследуемого раствора. Отметьте положение максимума на спектре.