Особенности молекулярно – кинетических свойств

Диффузия. Основные закономерности и математические выражения, и ее определение. Количественная особенность диффузии наночастиц в отличие от ионной и молекулярной.

Три вида диффузии в отношении кристаллических наночастиц: межкристаллическая, поверхностная и на границе дисперсной фазы и дисперсионной среды. Соотношение между ними в зависимости от свойств наночастиц. Особенности процесса диффузии для аморфных наночастиц.

Броуновское движение – причины и определение его эффективности. Связь броуновского движения со свойствами наночастиц, дисперсионной среды и их взаимного влияния.

Осмос – причины и следствия. Осмотическое давление и его математическое выражение. Особенности осмоса наночастиц и через мембраны, имеющие наноразмерные поры.

 

Электрокинетические свойства.

Особенности структуры двойного электрического слоя (ДЭС) с учетом дискретности кристаллической поверхности наночастиц. Соизмеримость адсорбционной и особенно диффузных частей ДЭС с размерами самих наночастиц.

Воздействие электрического поля в ходе перемещения наночастиц.

Проявление электрокинетических явлений в наноразмерных капиллярах. Взаимное влияние на структуру ДЭС радиуса капилляров и размера наночастиц.

 

Оптические свойства.

Влияние дискретной кристаллической структуры наночастиц на рассеяние и поглощение света. Оптические свойства в зависимости от размера наночастиц. Отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера при пропускании света через слой наночастиц.

 

РАЗДЕЛ 4

Получение наночастиц

Классификация способов получения наночастиц

Возможность классификации способов получения наночастиц: диспергированием и конденсацией путём разграничения физических и химических способов.

Особенности получения наночастиц диспергирование, то есть сверху – вниз, от ненаноразмерных тел к наночастицам. Ограниченные возможности диспергирования. Элементарные процессы и стадии механического диспергирования.

Возможность расчета минимального расчета наночастиц при диспергировании с учетом структурно-механических параметров. Интенсификация процесса диспергирова­ния: ультразвуковое и электроискровое, при помощи ударных волн и низкотемпературной плазмы.

 

Получения наночастиц конденсацией (снизу - вверх)

Принцип снизу – вверх означает получение наночастиц из молекул. Особенности основных конденсационных способов: жидкостное восстановление, радиолиз, плазменное напыление. Стадии процесса получения наночастиц при помощи молекулярного наращивания. Кристаллизация из раствора. Особенности золь-гель перехода и элементарные акты этого процесса.

 

4.3 Методы определения размера наночастиц и исследования состояния поверхности

Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия. Рассеяние света.

Сканирующая туннельная и атомная силовая микроскопия. Дифракция рентгеновских лучей и электронов. Принципы работы сканирующих зондовых приборов.

 

РАЗДЕЛ 5

Объемные свойства систем наночастиц

Устойчивость.

Два вида устойчивости наночастиц – агрегативная и седиментационная. Возможно образование систем с фиксированным положением наночастиц в матрице, полимерной. Структуры образуются из наночастиц.

Особенности седиментационной и агрегативной устойчивости в жидкой среде. Отклонение от теории ДЛФО и особенности расклинивающего давления с учетом того, что радиус наночастиц может быть меньше толщены прослойки между частицами.

Расчет энергии межмолекулярного взаимодействия в зависимости от отношения между радиусом наночастиц и прослойки между ними. Особенности определения константы Гамакера. Снижение энергии межмолекулярного взаимодействия с уменьшением размеров наночастиц.

Расчет электростатической компоненты расклинивающего давления с учетом перекрытия двойных электрических слоев. Агрегативная неустойчивость. Связь электрокинетических явлений с величиной дзета – потенциала. Коагуляция и нарушение агрегативной и седиментационной устойчивости. Зависимость этих процессов от свойств наночастиц растворителя и внешнего воздействия.

 

Структурно-механические свойства

Структурно – механические свойства отдельных наночастиц (твердость, прочность и др.) и массы из наночастиц. Свободнодисперсные и связнодисперсные наносистемы. Особенности структурированных связнодисперсных наночастиц. Системы, способные течь и обладающие прочностью и упругостью.

Предел текучести связнодисперсных систем. Расчет предела текучести по закону Холла – Петча. Зависимость предела текучести от размера наночастиц и их твердости. Оценка упругих свойств наночастиц при помощи модуля Юнга и модуля сдвига. Причины значительного повышения упругих и прочностных свойств наночастиц по сравнению с обычными системами.

 

Самопроизвольно образующиеся наносистемы

Прямые и обратные мицеллы. Кинетика образования мицелл. Особенности структуры мицеллы как комплекса жидкообразных и твердых тел.

Адсорбционные слои ПАВ на поверхности раздела фаз. Образования структурно – механического барьера в адсорбционных слоях ПАВ. Возможность образования локальной концентрации и островковой наноразмерной структуры ПАВ. Кольца Лизеганга за счет выпадения твердых осадков и образования наночастиц.

 

Рекомендуемая Литература

 

Основная

1. Зимон А.Д. «Коллоидная химия». Изд – 5 М. Апрель 2007 344с.

3. Зимон А.Д., Вегера А.В. «Коллоидная химия наносистем» М. МГУТУ. 2004.с.24.

Специальная

1. Сергеев Г.Б. «Нанохимия». М. Изд. МГУ. 2003. 287с.

2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. «Наноструктурные материалы». М. Академия. 2003. 312с.

3. Сб. «Наномикросистемная техника». Ред. Мальцев П.Г. М. Техносфера. 2005. 580с.

4. Сб. «Коллоидно-химические основы нанонауки». Ред. Шпак А.П., Ульберг З.Р. Киев. Академпериодика. 2005. 466с.

 

 

ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ НАНОЧАСТИЦ»

 

 

 

Наименование дисциплины	Форма обучения Курс/ семестр	Объём в часах по плану очной формы обучения	Количество часов по плану очной формы обучения	Вид итогового контроля
Всего	ауд	Всего	Лекц	Лаб. раб.	Самост работа	Экз	Зач.	Конт. работа
Коллоидная химия наночастиц	ДФО 3/2							-
Коллоидная химия наночастиц	ВФО 3/2							-
Коллоидная химия наночастиц	ЗФО 4/2							-
Коллоидная химия наночастиц	ЗФО (с) 2/2							-

 

 

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ

1. Для студентов ДФО.

Номер лекции

Наименование тем лекций

Количество часов

1. Классификация наночастиц 2

2. Поверхностная энергия 2

3. Адсорбция и адгезия 2

4. Свойства наночастиц 2

5.Получение наночастиц 2

6. Устойчивость наносистем 2

----------------

Итого: 12 часов

 

2. Для студентов ВФО и ЗФО

Номер лекции

Наименование тем лекций

Количество часов

1. Особенности наносистем и классификация 2

2. Поверхностная энергия и поверхностные 2

явления

3. Получение наночастиц и их устойчивость 2

 

___________

Итого: 6 часов

 

ТРЕБОВАния к выполнению контрольных заданий

 

Контрольные задания для студента любой формы обучения состоят из 5 теоретических вопросов и 5 задач.

Задания выполняются в виде домашней письменной контрольной работы в соответствии с индивидуальными вариантами. (Варианты перечислены в конце руководства). Выбор варианта осуществляется по двум последним цифрам шифра студенческого билета или зачётной книжки. Например, если последние две цифры шифра 8 и 1, то следует выполнять 81-ый вариант заданий, если 0 и 1, то – вариант 1, если 0 и 0, то вариант 00 (в списке вариантов следует после № 99).

Контрольные задания выполняются в отдельной тетради, ясным и разборчивым подчерком. Общим требованием к форме выполнения является: 1) указание шифра студенческого билета, наряду с фамилией, именем, отчеством и другими данными, позволяющими определить личную принадлежность работы, 2) указание номера выбранного варианта 3) указание номеров заданий (теоретических вопросов и задач) в соответствии с нумерацией в настоящем руководстве, и 3) письменное повторение формулировки задания. (То есть, формулировка, данная в руководстве, должна быть выписана вместе с номером задания перед ответом или решением). Ответы на вопросы и решения задач даются в той последовательности номеров заданий, какая указана в перечне вариантов. В конце контрольной работы необходимо указать список литературы, использованной при самостоятельном изучении предмета, с точным библиографическим описанием её. (В качестве примера, смотри библиографическое описание Рекомендуемой литературы). Контрольная работа подписывается студентом с указанием даты её окончания.

Ответ на теоретический вопрос должен быть подробным, однако его объём, как правило, не должен превышать две страницы ученической тетради. Более развёрнутые ответы должны быть завершены краткими выводами, суммирующими основные положения ответа. Решение задачи должно содержать как математические формулы в общем виде, так и промежуточные результаты вычислений (выкладки), так чтобы ход решения задачи был очевиден.

В конце решения задачи должен быть дан краткий ответ с числовыми результатами, выраженными, как правило, в единицах СИ. Количество цифр в числовых (окончательных) результатах должно быть таким, какое подразумевается условием задачи.

Графики выполняются вручную на бумаге с типографской сеткой, с указанием шкал и единиц измерений по осям координат. Каждый график должен иметь размер не менее 10×10 см. Не принимаются графики, выполнение с помощью компьютера на бумаге без сетки.

 

 

ОБЩИЕ методические указания по изучению дисциплины «Коллоидная химия наночастиц»

( самостоятельная работа студентов )

 

Изучение дисциплины "Коллоидная химия наночастиц" проходит в соответствии с рабочей программой. Фундаментом для изучения спецкурса являются знания, приобретённые студентами в курсах физической и коллоидной химии. Студентам необходимо овладеть классификацией наночастиц, методами их получения, в также основными физико-химическими методами изучения свойств наносистем.

Самостоятельная работа студентов в межсессионный период предполагает изучение учебной литературы и выполнение контрольной работы, на что студентам ДФО отводится 26 часов, студентам ВФО 18 часов, студентам ЗФО 16 часов и студентам ЗФО (с) 12 часов.

Для студентов технологических специальностей читаются лекции и проводятся лабораторные работы. Заканчивается курс зачетом.

 

Контрольные задания

 

Теоретические вопросы

 

1. Высокодисперсные системы как объекты коллоидной химии. Наночастицы - представители высокодисперсных систем

2. Новые качества наночастиц. Обоснование минимального и максимального размера наночастиц. Разнообразие и многообразие форм наночастиц. Трёхмерные, двухмерные и одномерные наночастицы.

3. Классификация наночастиц по агрегатному состоянию. Особенности кристаллических и аморфных наночастиц. Разнообразие структур и форм наночастиц. Структура и фазовое состояние наночастиц различных модификаций.

4. Причины повышенной удельной поверхности наночастиц. Полидисперсность наночастиц. Геометрическая неоднородность наночастиц. Распределение наночастиц по размерам: нормальное и логарифмическое нормальное.

5. Зависимость избыточной поверхностной энергии Гиббса G ^S от размера частиц. Поверхностные и объёмные слагаемые величины G ^S.

6. Влияние экстремальных условий образования наночастиц на поверхностные явления.. Избыточная поверхностная энергия как энергия дефектов кристаллических наночастиц.

7. Поверхностное натяжение s и его зависимость от размера наночастиц. Формула Толмана для s как функции размера наночастиц. Тоже по упрощённой формуле Русанова.

8. Способы определения поверхностного натяжения наночастиц. Связь между неравновесной и равновесной удельной свободной поверхностной энергией наночастиц.

9. Изменение удельной свободной поверхностной энергии с течением времени.

10. Влияние избытка поверхностной энергии на процесс адсорбции наночастицами. Повышенная адсорбционная активность (ёмкость) наночастиц. Увеличение скорости адсорбционного процесса.

11. Зависимость адсорбционного потенциала от размера частиц. Применение наночастиц для очистки воды. Особенности применения наночастиц в качестве катализатора.

12. Причины повышенной адгезии наночастиц. Влияние избытка поверхностной энергии на адгезионное взаимодействие наночастиц. Определение адгезии наночастиц путём моделирования

13. Расчётное значение силы адгезии наночастиц по теории Дерягина- Мюллера – Топорова (ДМТ). Связь силы адгезии с равновесной работой сил адгезии и поверхностном натяжении.

14. Уравнение Юнга для нанокапель. Зависимость краевого угла смачивания от размера нанокапель. Линейное натяжение нанокапель.

15. Смачивание нитей нанокаплями. Смачивание тонкой упругой плёнки. Стадии растекания нанокапель. Качественные особенности диффузии наночастиц.

16. Сопоставление диффузии наночастиц с ионной и молекулярной диффузией. Три вида диффузии в отношении кристаллических наночастиц.

17. Соотношение межкристаллической, поверхностной и межфазовой диффузии

18. Соотношение коэффициента диффузии для трёх её различных видов кристаллических тел. Особенности структуры аморфных наночастиц.

19. Влияние свойств наночастиц на броуновское движение. Зависимость броуновского движения от свойств наночастиц, дисперсионной среды и их взаимного влияния.

20. Осмотическое давление, его математическое выражение для наночастиц. Осмос через мембраны с наноразмерными порами.

21. Структура двойного электрического слоя с учётом дискретности кристаллической поверхности наночастиц. Соизмеримость адсорбционной и особенно диффузной части двойного электрического слоя с размерами самих наночастиц. Разделение электронного поля на наночастиц, находящегося в виде золя.

22. Электролитические явления в наноразмерных капиллярах. Электроосмос в зависимости от соотношения размера частиц и радиуса нанокапель. Линейная скорость электроосмоса в наноразмерных капиллярах.

23. Влияние дискретной кристаллической структуры наночастиц на рассеяние и поглощение света. Оптические свойства в зависимости от размера наночастиц. Отклонение от закона Бугера-Ламберта-Бера при пропускании света через слой наночастиц.

24. Классификация способов получения наночастиц. Диспергирование и конденсационные способы получения наночастиц. Специфические способы получения наночастиц.

25. Элементарные процессы и стадии механического диспергирования. Физические и химические способы получения наночастиц. Варианты процесса диспергирования.

26. Образование наночастиц конденсационными способами. Жидкостное восстановление и радиолиз.

27. Стадия метода молекулярного наращивания. Получение наночастиц кристаллизацией из раствора. Особенности получения частиц путём золь-гель перехода.

28. Классификация методов определения размеров наночастиц. Принцип работы сканируемых зондовых приборов.

29. Особенности двух видов устойчивости наночастиц. Системы с фиксированным положением наночастиц.

30. Седиментационная устойчивость золя и аэрозоля. Отклонение от теории ДЛФО для наночастиц.

31. Расчёт энергии межмолекулярного взаимодействия, в зависимости от отношения между радиусом наночастиц и прослойкой между ними. Зависимость энергии межмолекулярного взаимодействия от размеров наночастиц.

32. Особенности расклинивающего давления применено к наночастицам. Определение константы Гамакера

33. Расчёт электростатической компоненты расклинивающего давления для наночастиц. Связь электрической компоненты расклинивающего давления с величиной дзета-потенциала. Структурная компонента расклинивающего давления.

34. Условия коагуляции в зависимости от расстояния между наночастицами. Агрегативная устойчивость с учётом суммарного взаимодействия составляющих расклинивающего давления.

35. Коагуляция и нарушение агрегатной и седиментационной устойчивости наночастиц. Влияние растворителя и внешнего воздействия на коагуляцию наночастиц.

36. Механические свойства отдельных наночастиц (твёрдость, прочность и др.) и объектов из множества наночастиц.

37. Свободнодисперсные и связнодисперсные системы из наночастиц. Два типа структур связнодисперсных наночастиц – способные течь и обладающие прочностью.

38. Предел текучести связнодисперсных систем. Определение предела текучести кристаллических наночастиц по закону Холла-Петча. Предел текучести кристаллических наночастиц в зависимости от их микротвёрдости.

39. Особенности модуля Юнга и деформации для наночастиц. Упругие и прочностные свойства наночастиц.

40. Самопроизвольно образующиеся наночастицы. Прямые и обратные мицеллы.

41. Адсорбционный монослой ПАВ. Локальная концентрация и образование островковой наноразмерной структуры

42. Механизм образования двойного электрического слоя. Противоионы и потенциалопределяющие ионы.

43. Электрокинетические явления.

44. Электрокинетический потенциал. Его зависимость от концентрации противоионов.

45. Электрофорез. Скорость электрофореза и электрофоретическая подвижность.

46. Уравнения Гельмгольца – Смолуховского. Условиях его применимости.

47. Электрофоретическая подвижность и её связь с дзета- потенциалом.

48. Электроосмос.

49. Поверхностная проводимость и её влияние на потенциал течения.

50. Коэффициент эффективности диафрагмы и его вычисление.

51. Особенности электрокинетических явлений в наноразмерных капиллярах.

52. Энергия взаимодействия сферических наночастиц.

53. Уравнения для расчета энергии притяжения и энергии отталкивания сферических наночастиц.

54. Структурная составляющая расклинивающего давления.

55. Составляющие поверхностных сил в классической теории ДЛФО. Их характеристика.

56. Электростатическая составляющая расклинивающего давления. Её зависимость от расстояния в области низких потенциалов.

57. Энергия электростатического отталкивания в области низких и больших значениях потенциалов.

58. Энергия молекулярного притягивания на примере взаимодействия плоских пластин и наночастиц.

59. Молекулярная составляющая расклинивающего давления. Ее расчет для модели плоских пластин и сферических наночастиц.

60. Теория ДЛФО. Энергия взаимодействия для плоских пластин и сферических наночастиц в зависимости от расстояния.

61. Кривая потенциальной энергии для дисперсных наносистем с разным характером устойчивости.

62. Адсорбционно-сольватный и структурно-механический факторы устойчивости наносистем.

63. Стабилизация лиофобных нанодисперсных систем. Коллоидная защита.

64. Энтропийный фактор устойчивости наносистем.

65. Устойчивость лиофобных наносистем. Теория устойчивости ДЛФО.

67. Потенциальная кривая взаимодействия наночастиц. Взаимодействие частиц в первичном и вторичном минимумах.

68. Факторы стабилизации наносистем.

69. Влияние электролитов на поверхностные силы и устойчивость наносистем.

70. Влияние ПАВ на поверхностные силы и устойчивость лиофобных наносистем.

71. Поверхностные силы в коллоидных нанодисперсных системах. Их составляющие.

 

Задачи