Diszperziók (nanorészecskék) előállítása

(1)

Diszperziók (nanorészecskék) előállítása

1. Dezintegrálás (diszpergálás, dezaggregálás) Munkavégzés szükséges (több új felület) 2. Kondenzálás (nukleáció)

Aktiválási energia kell (új felület)

(2)

Diszpergálás

Szilárd anyagok diszpergálása:

őrlés, aprítás (általában 1-10 m; ásványelőkészítés, szilikátipar) Eszközök: golyósmalom, hengerszék, kolloidmalom, fúvókás malom (legfinomabb szemcseméret)

Az őrlési körülmények optimalizálása

Szilárd anyagok diszpergálását

elősegítő tényezők:

-idegen anyag -nedves őrlés

-tenzid adalékolása (Rehbinder-hatás)

Újra összetapadnak

(3)

Diszperziók előállítása kondenzálással

Csoportosítás:

halmazállapot szerint (pl. gőzfázisú) komponensek száma (oldat)

idegen anyag jelenléte (homogén – heterogén), pl.kondenzcsík (Wilson-féle ködkamra: nukleáció ionokon)

(4)

Nukleáció oldatokban

: (lioszolok előállítása)

Befolyásoló tényezők: hőmérséklet, koncentráció, oldhatóság (T és oldószer)

Góckeletkezés sebessége:

v_gk = K [(c-c_o)/c_o ] relatív túltelítettség

Gócnövekedés sebessége:

v_gn = k (c-c_o) abszolút túltelítettség

Diszperzitásfok (1/részecskeméret) : D_  v_gk/v_gn  1/c_o

A csapadék nagyon rossz oldhatósága nem kedvez a szűrhetőségnek!

(5)

A méret befolyásolása a relatív túltelítettségen keresztül:

Jelentős mennyiségű kisméretű részecskék előállítása céljából eredményre vezet:

nagy c (koagulálás) vagy kicsiny c_o (oldószercsere).

Demonstráció: kén-szol előállítása oldószercserével

(6)

Homogén nukleáció gőzfázisban

Tapasztalat szerint: P > P_

P/P_ = S (túltelítés)

P: gőznyomás, P_: egyensúlyi gőznyomás (adott hőmérsékleten)

(7)

T = áll. d(ΔG)/dr = 0

kritikus gócméret (r_krit) Folyadékcsepp modell: egyetlen gömb alakú csepp

keletkezésére

G = 4 r²  - (4 r³ /3) (RT/V_m) ln (P/P_) felületi tag (+) térfogati tag (-)

r: gócsugár γ: felületi feszültség V_m: folyadék moltérfogata A kondenzált állapot

energetikailag kedvezőbb!

1. Góc keletkezése 2. Góc növekedése

1 2

(8)

A túltelítés hatása a kritikus gócméretre

S_krit : 1 db góc/(cm³ s) pl. vízre: 275,2 K-on

S_krit = 4,2 (0,89 nm, 80 molekula)

S növekedésével egyre kisebb aktiválási energia, egyre kisebb kritikus gócméret.

Tájékoztatásul

(9)

Diszperziók előállítása kondenzálással

Wilson-féle ködkamra: nukleáció ionokon

(Dr. Raics Péter, fénykép) (Dr. Kemenes László, az AtomErőmű című újságban megjelent írásának felhasználásával.

http://www.npp.hu/erdekesseg/kodkamra/kodkamra.htm.)

(10)

Kolloid részecskék alakjának és nagyságának jellemzése

Részecskék alakja

Izometrikus

(minden irányban – x,y,z– azonos méretű):

Gömb Henger Oktaéder

(11)

Anizometrikus

^:

Forgási ellipszoid:

oblát („diszkosz”) prolát („szivar”)

Ezek torzult formái:

lamella fibrilla

Fehér azbeszt Kaolinit

(12)

Részecskeméret jellemzése:

Monodiszperz: azonos méretű részecsék halmaza (szűk méreteloszlás)

Polidiszperz: különböző méretű részecskék halmaza (széles méreteloszlás: átlagok és méreteloszlás függvények)

Milyen átlaggal jellemezzük a méretet?

(13)

Szám szerinti átlag

: M

_n

= (∑ n

_i

M

_i

)/(∑n

_i

)

Tömeg szerinti átlag

: M

_m

= (∑n

_i

M

_i²

)/∑(n

_i

M

_i

)

A polidiszperzitás jellemzése: M_m/M_n(egyenetlenségi tényező) Monodiszperz esetben értéke 1!

Ozmózisnyomás: a részecskék számától függ (kolligatív tulajdonság)!

A szórt fény intenzitása a részecskék méretétől

függ!

(14)

Polidiszperz rendszerek méreteloszlása a méret eloszlási függvényekkel jellemezhető

Differenciális méreteloszlás Integrális méreteloszlás Gyakorlás: Rajzolja fel egy szűk- és egy széles méreteloszlású részecskehalmaz függvényeit, valamint egy tridiszperz rendszer összeggörbéjét!

(15)

A részecske méret (alak) vizsgálati módszerei

SEM (pásztázó elektronmikroszkópia)

TEM (transzmissziós elektronmikroszkópia) HRTEM (nagy felbontású TEM)

AFM és STM (atomi-erők- és pásztázó- alagút-mikroszkópia)

Ülepítési módszerek (ultracentrifuga) Ozmózis nyomás

Fényszórás (dinamikus és sztatikus)

Az alak szerepe: Aggregáció sebessége és gélesedés (gélpont)

80 nm-es szilika részecskékre szorbeált 5 nm-es ZnO részecskék, SEM

(16)

Korszerű szerkezetvizsgálati

eszközök: STM (1981, Binnig & Rohrer) AFM („scanning probe microscopes”) HRTEM

Látni és manipulálni atomi, molekuláris szinten

Pénz és filozófia (transzhumanizmus)

A részecske méret (alak) vizsgálati módszerei

(a fejlődés felgyorsulása a 80-as évektől)

(17)

AFM-tű, nanopencil, nanolitográfia

Hongjie et al.

(18)

Thomas Newman (diák) Stanford Egyetem, 1985 e-beam litográfia

Dickens: A Tale of Two Cities első oldala

A betűk kb. 50 nm szélesek, a terület néhány

négyzetmikrométeres.

http://aktweb.chem.u-sze ged.hu/NT01/Nanotech%20i parok.pdf