Testování nanovlákenných materiálů

Transkript

1 Testování nanovlákenných materiálů Vizualizace Eva Košťáková KNT, FT, TUL

2 Obsah přednášky Testování nanovlákenných materiálů -Vizualizace (zobrazování nanovlákenných materiálů) -Chemické složení nanovlákenných materiálů

3 Vizualizace nanovlákenných materiálů -Světelný mikroskop (problémy) -Rastrovací elektronový mikroskop (SEM) -Transmisní elektronový mikroskop (TEM) - Mikroskop atomárních sil (atome force microscope) (AFM)

4 Světelný mikroskop - Problém u vláken s průměry menšími než vlnová délka viditelného světla!

5 Světelný mikroskop - Problém u vláken s průměry menšími než vlnová délka viditelného světla! Ovšem možná detekce vad kapky, silná vlákna, kapky atd.

6 Novou část dějin mikroskopie otvírá německý vědec Ernst Ruska ( ), vynálezce elektronového mikroskopu, přesněji řečeno transmisního elektronového mikroskopu (TEM ). Toto zařízení umožňuje zvětšení výrazně překročující možnosti optického mikroskopu. Princip elektronové mikroskopie spočívá v tom, že světelné paprsky jsou nahrazeny svazkem urychlených elektronů, jehož vlnová délka, výrazně nižší než vlnová délka světla, je závislá na urychlujícím napětí (lze dosáhnout až 6pm). Skleněné čočky, regulující sbíhavost a rozbíhavost paprsku světla u optického mikroskopu, jsou zde nahrazeny elektromagnetickými čočkami. Většinou se pracuje za vakua (cca 10-2 Pa) Elektronová mikroskopie zahrnuje: TEM (transmisní elektronový mikroskop) i SEM (rastrovací elektronový mikroskop)

7 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Jednoduchá příprava preparátu X složité pracovní zařízení Primární paprsek elektronů produkovaných žhavenou katodou (obvykle elektroda ze záporným napětím) se pohybuje pořádcích po preparátu (rastruje) a vyráží sekundární elektrony. Ty jsou snímány sodnou, převáděny na videosignál a zobrazeny na monitoru..

8 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Výhody: velká hloubka ostrosti, plastické zobrazení, velká rozlišovací schopnost

9 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Příprava vzorků: vzorky izolantů je nutné pro zamezení nabíjení jejich povrchu povrstvit (iontově naprášit ) vrstvičkou kovu (Au, Ag, Pl), popř. uhlíku. Tloušťka vrstvy se pohybuje okolo 10nm. Velikost preparátu až několik centimetrů. Vakuum představuje jistou nevýhodu pro pozorování biologických preparátů obsahujících vodu. - ESEM =Environmentální rastrovací elektronový mikroskop (práce s nízkým vakuem = nedosažení tak velkých zvětšení). Zvětšení až x. Zobrazuje se pouze povrch vzorku!

10 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM)

11 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM)

12 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) PŘÍKLADY SNÍMKŮ Z RASTROVACÍHO ELEKTRONOVÉHO MIKROSKOPU

13 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Černá plíseň

14 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Pyl

15 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) List kopřivy

16 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) SE detektor sekundárních elektronů (vyražených) BSE detektor zpětně odražených elektronů Kůže žraloka

17 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Holubí pírko

18 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Struna z kytary

19 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Barevný snímek z SEM??? Pyl Slézovce

20 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Barevný snímek z SEM??? Dobarveno např. Photoshop Pylové zrnko Hyoseris radiata

21 Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Barevný snímek z SEM??? Dobarveno např. Photoshop

22 Destrukce nestabilního materiálu při příliš vysokém urychlovacím napětí

23 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) SEM TEM Zrychlený, usměrněný proud elektronů emitovaný zdrojem je veden vakuem a probíhá tenkým mikroskopovaným vzorkem zde se využívá toho, že se část elektronů odráží od atomů a molekul tvořících hmotu vzorku. Jejich opětovným soustředěním pomocí magnetické čočky se vytváří stínový obraz mikroskopového vzorku.

24 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) Vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí mikroskopu. U komerčně vyráběných mikroskopů se používá urychlovacího napětí od 100 do 400 kv, vlnová délka elektronů je pak 3, pro 100kV a 1, nm pro 400kV, zatímco vlnová délka viditelného světla je nm. ROZDÍL JE 5 ŘÁDŮ!!!

25 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) Příprava vzorků: V prozařovací elektronové mikroskopii se obvykle používají tenké vzorky o tloušťce nm. -Preparát musí obsahovat drobné částice nebo může být řezem tkání, ale jeho celková tloušťka by neměla přesahovat nm (síla preparátu je kompromis: tenký preparát = dobré rozlišení ale malý kontrast, silný preparát obráceně) - preparát musí být dostatečně stabilní, aby odolával pobytu ve vakuu a bombardování elektronovým paprskem -Plošná velikost vzorku je dána rozměrem (průměr 3mm) kovových terčů s otvory, na které se objekty umisťují. Zvětšení až x.

26 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) POROVNÁNÍ SE SVĚTELNÝM MIKROSKOPEM Část a funkce Zdroj záření SVĚTELNÝ MIKROSKOP Žárovka (viditelné záření) TEM Elektronové dělo, žhavené vlákno - katoda Objekt Preparát Tenký preparát (10-300nm) Čočky Skleněné Elektromagnetické Zvětšení primárního obrazu Okulár Projektivy Záznam obrazu Oko (obrazovka) Fluorescenční stínítko

27 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) TEM image of the Rh-based catalyst particles encapsulated within the carbon nanotube channels

28 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) TEM snímky PA 6/MWNTs

29 Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) A transmission electron micrograph of a tissue section containing variola viruses. kimedia.org/wiki/file :Smallpox_Tissue_s ection_containing_v ariola_orthopox_vir uses_tem_phil_22 91_lores.JPG Řez tkáně obsahující virus planých neštovic TEM snímky PA 6/MWNTs

30 Mikroskop atomových sil Atomic force microscope (AFM) Mikroskopie atomárních sil (AFM z anglického atomic force microscopy) je mikroskopická technika, která se používá k trojrozměrnému zobrazování povrchů. Prvně ji realizovali v roce 1986 Binnig, Quate a Gerber. Obraz povrchu se zde sestavuje postupně, bod po bodu. AFM může zobrazovat pouze povrch vzorků, nikoliv jejich objemovou strukturu. (Vzorek vyžaduje fixaci, nemůže např. plavat v roztoku). AFM zobrazuje trojrozměrnou strukturu. Nevyžaduje pokovení vzorku ani vakuum.

31 Sondu AFM si je možné představit jako ohebný nosník drobounkou skákající destičku s připojeným hrotem napojeným zespodu. Když hrot skenuje vzorek jsou zaznamenávány síly (mezimolekulární) mezi hrotem a vzorkem. Detekční zařízení (obvykle odrážející se laserový paprsek) měří vertikální pohyb nosníku, který koresponduje s kopci a údolími na povrchu vzorku. Počítač pak převádí tento vertikální pohyb na obraz. Alternativně může být laser nahrazen piezoelektrickým snímačem (deformace je přetvářena na elektrické napětí). Vertikální pohyb raménka způsobuje silové působení mezi hrotem a povrchem vzorků (přitažlivé síly Van der Waalsovy, Pauliho odpudivé síly elektrostatické atd.)

32 Nevýhodou AFM je velmi omezený rozsah velikosti obrázku (stovky mikrometrů) a pomalost snímání (řádově minuty). V AFM je omezen vertikální rozsah (maximální výška vzorku), který bývá typicky jen desítky mikrometrů. Stovky m Stovky m Desítky m Velikost zabíraného objemu vzorku pro snímek z AFM

33 SEM images of nanotube AFM tips Metoda dosahuje velmi vysokého rozlišení může zobrazovat i atomy. Techniku AFM lze použít nejen k zobrazování, ale také k tvorbě struktur či zpracování povrchů v nanometrové oblasti. Revealing the hidden atom in graphite with AFM showing all atoms within the hexagonal graphite unit cells. Image size 2 2 nm 2.

34 SNÍMKY Z AFM Chromozomy Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna SWNTs svazky na podkladu

35 POROVNÁNÍ SEM, TEM a AFM SEM TEM AFM PŘÍPRAVA VZORKŮ Pokovování - jednoduchá Příprava tenkých řezů - složitá Žádná = jednoduchá MAX. VELIKOST SNÍMANÉ PLOCHY jednotky mm x jednotky mm x stovky m Stovky m x stovky m x desítky nm Stovky m x stovky m x desítky m š x d x v MAXIMÁLNÍ ZVĚTŠENÍ x x Závisí na typu hrotu ZOBRAZENÍ VZORKŮ Jen povrch (bez znalosti rozměru z) Objem vzorku Jen povrch (se znalostí rozměru z) PROSTŘEDÍ PRO SNÍMÁNÍ Vakuum (podtlak) Vakuum Normální

36 Identifikace složení nanovlákenných materiálů -Infračervená spektroskopie -Ramanova spektroskopie p_e_caprolacton_2 p_e_caprolacton_mwcnt_3 MWCNT -EDS SEM C-K Intensity (cnt) Counts O-K Si-K Au-M Au-M Au-M Raman Shift (cm -1 ) kev

37 INFRAČERVENÁ SPEKTROSKOPIE - IR Infračervená spektroskopie je analytická technika určená především pro identifikaci a strukturní charakterizaci organických sloučenin a také pro stanovení anorganických látek. Tato technika měří pohlcení infračerveného záření o různé vlnové délce analyzovaným materiálem. Infračerveným zářením je elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek mm, což odpovídá rozsahu vlnočtů cm -1. Celá oblast bývá rozdělena na blízkou ( cm -1 ), střední ( cm -1 ) a vzdálenou infračervenou oblast ( cm -1 ), přičemž nejpoužívanější je střední oblast.

38 Principem metody je absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem, při níž dochází ke změnám rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly. Absorpční pásy mající vrcholy v intervalu cm -1 jsou vhodné pro identifikaci funkčních skupin (např. OH, C=O, N-H, CH3 aj.). Je možné studovat jak kapalné vzorky tak pevné vzorky (tenké filmy, namletý vzorek slisovaný do tenké tablety). Transmitance - množství infračerveného záření určité vlnové délky, které prošlo vzorkem.

39 Absorbující vazba Přibližný vlnočet (cm -1 ) Intenzita píku a vzhled O-H volná 3600 Střední N-H (aminy primární) Střední, zdvojený pás C-H (alkany) Slabá, zdvojený pás C-H (alkiny) 3300 Silná C-H (alkeny) Slabá C-trojná-C Slabá až střední C-trojná-N Silná, velmi ostrý C=O (estery) Silná C=O (aldehydy, ketony) Silná C=C (alkeny) Slabá C=N Střední až silná NO a 1350 Silná C-O (alkoholy,ethery,estery) Silná C-F Střední C-Cl Střední C-Br Střední C-I Střední Existují knihovny, databáze dle kterých lze indentifikovat i neznámou látku.

40 Příklad IČ spektra PVA nanovláken základních a tepelně zpracovávaných Transmitance - množství infračerveného záření určité vlnové délky (vlnočet), které prošlo studovaným vzorkem.

41 RAMANOVA SPEKTROSKOPIE Ramanova spektroskopie je další metoda pracující s vibracemi molekul, tedy v infračerveném pásmu. Tato technika používá rozptyl laserového paprsku při interakci s látkou. Spektroskopická metoda měřící spektrum elektromagnetického záření rozptýleného díky Ramanově jevu. Ramanův jev (neelastický rozptyl) způsobuje, že rozptýlené záření má nepatrně odlišnou vlnovou délku od vstupujícího záření díky účasti vibračních přechodů v energetických stavech molekuly. Ramanova spektroskopie poskytuje informace o struktuře a prostorovém uspořádání molekuly a poskytuje v zásadě doplňkové informace k IR spektroskopii. Jako zdroj světla je používá obvykle výkonný pulsní laser.

42 Příklad Raman spektra PVA nanovláken základních a MWNTs (resp. SWNTs) a kompozitních nanovláken (PVA + 1hm% MWNTs resp. SWNTs)

43 EDS SEM Skenovací elektronový mikroskop s rentgenovou mikroanalýzou povrchu vzorku Scanning Electron Microscopy with X-ray microanalysis - Vzorek umístěn v SEM -Příprava vzorku jako pro SEM (nevodivé vzorky je nutné povrstvit vodivou vrstvou Au, Pl) - Vzorky pozorovány a testovány ve vakuu - Nejsou zachytávány sekundární elektrony, ale rentgenové záření (X-ray) pozorovaný vzorek

44 Identifikace částic stříbra na PES vláknech

45 Konkrétní příklad: Identifikace částic stříbra na PES 25 µm C-K Au-M 25 µm IMG1 25 µm Ag L Osa x - energie rentgenového zářeni v elektronvoltech (nebo kiloelektronvoltech) Osa y - počet zachycených gama fotonů - counts (bezrozměrné číslo samozřejmě). Toto číslo zavisí vždy na poctu skenování jednoho vzorku (obrázku) - doporučený počet skenování jednoho místa je 10. Counts O-K Ag-L Au-M Ag-L 1000 Au-M Ag-L kev

46 Identifikace křemíku v PVA nanovlákenné vrstvě 20 µm C-K 20 µm IMG1 20 µm Si K Counts O-K Si-K Au-M Au-M Au-M kev