OBSAH Úvod: o Volné klastry - nanočástice o Motivace: létající nanolaboratoře. Experiment: Příklady:

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "OBSAH Úvod: o Volné klastry - nanočástice o Motivace: létající nanolaboratoře. Experiment: Příklady:"

Štefan Kovář
před 7 lety
Počet zobrazení:

Michal Fárník, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i. Makro Nano Molekula (sub-nano) Chemie Fyzika OBSAH Úvod: o Volné klastry - nanočástice o Motivace: létající nanolaboratoře

1 Michal Fárník, Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i. Makro Nano Molekula (sub-nano) Chemie Fyzika OBSAH Úvod: o Volné klastry - nanočástice o Motivace: létající nanolaboratoře Experiment: o Aparatura, Molekulové paprsky o Fotodisociace molekul klastry Příklady: o Halogenvodíky HX(H 2 O) n atmosférická chemie, ozonová díra o Klastry molekul pyrolu bio o Molekuly vzácných plynů

2 Co to jsou klastry? Soubory částic: atomů/molekul Vazby mezi částicemi Energie λ[nm] molekuly: chemické (kovalentní) vazby 5 ev 250 UV klastry: slabé mezimolekulové interakce (van der Waalsovské interakce Ar-Ar, vodíkové můstky) 0.1 ev IR Co to jsou nanočástice? nano = 10-9 ;rozměr molekuly ~1 Å = m nanočástice = klastry molekul Proč klastry studujeme? Motivace I Klastry molekula M M n, n = 2,, 10 3, vlastnost molekuly f(n) makroskopický materiál vlastnost materiálu

Motivace II unikátní vlastnosti klastrů molekuly, kondenzovaný stav Např. chlazení volných klastrů ve vakuu odpařováním částic z povrchu T body 37 o C 310 K T He-droplet 0.

3 Motivace II unikátní vlastnosti klastrů molekuly, kondenzovaný stav Např. chlazení volných klastrů ve vakuu odpařováním částic z povrchu T body 37 o C 310 K T He-droplet 0.37 K Spektroskopie molekul v heliových nanokapičkách: létající nanolaboratoře Fotolýza molekul v prostřed edí látky Potenciální energie foton HX* λ(uv) HX Molekula + Solvent únik fragmentu opožděný únik záchyt Změna PES Chemická reakce R X-H Klastry: měření veličin v makroskopické látce nepřístupných, např. E kin vlastnosti = ƒ(n) konečný počet molekul teoretické výpočty

Experiment OKII Θ velocity selector PR chopper WM TOF 193 nm UV laser 243 nm QMS e - OKI StK SelK ToFK DetK omolekulové paprsky: rychlostní poměr, úhlové rozdělení ovýběr velikostí neutrálních

4 Experiment OKII Θ velocity selector PR chopper WM TOF 193 nm UV laser 243 nm QMS e - OKI StK SelK ToFK DetK omolekulové paprsky: rychlostní poměr, úhlové rozdělení ovýběr velikostí neutrálních klastrů: elastický rozptyl ofotodisociace: ArF/F nm; Nd:YAG-Dye-WEX: 243 nm (2+1)REMPI H(2s) owm TOF: kinetická energie H + : Kinetic Energy Distribution - KED oqms: hmotnostní spektrometrie SelK ToFK OKI StK OKII DetK UV laser

Motivace III Astrochemie, chemie atmosféry: nukleace v mracích, heterogení reakce v PSC ozonová díra Proč je ozon důležitý? Absorbuje UV záření ze slunce.

5 Motivace III Astrochemie, chemie atmosféry: nukleace v mracích, heterogení reakce v PSC ozonová díra Proč je ozon důležitý? Absorbuje UV záření ze slunce... Ozonovou díru způsobuje znečistění ovzduší freony... Proč se tvoří ozonová díra nad Antarktidou? hypotéza: Proč se tvoří ozonová díra nad Antarktidou UV hν 230 nm Sun HCl, ClONO 2, etc. HCl + ClONO 2 Cl 2 + HNO 3 Cl 2, HOCl, etc. photolysis CFC e.g. CFCl 3 reservoir species photolysis Polar Stratospheric Clouds active species Cl Cl + CH 4 HCl + CH 3 ClO + NO 2 ClONO 2 Cl + O 3 ClO + O 2 ClO + O Cl + O 2 O 3 depletion Heterogení chemie na částečkách ledu v polárních stratosférických mracích (PSC) Stratosféra suchá PSC pouze v oblastech s extréměnízkými teplotami póly

6 Polární stratosférické mraky Acidická disociace HCl HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - 1 kg HCl H + + Cl - Energie 10.7 kwh Společenské chování molekul (Molekulární sociologie): H 2 O jako molekulový Don Juan kovalentní kontaktní iontový pár migrace protonu zwitterionická HCl (H 2 O) n H + Cl - Cl - (H 2 O) n-1 H 3 O + Silná vodíková vazba iontu a solventu

7 Příklad I: Fotolýza halogenvodíků na ledových nanočástic sticíchch Jsou molekuly HCl na ledových částicích v PSC acidicky disociovány? Experiment v naší laboratoři: laserová fotolýza HCl na H 2 O klastrech UV H+ H Cl - Příklad II: Fotolýza biomolekul v prostřed edí klastrů Vodíkový můstek: most z laboratoře k životu H (+) (-) Donor Akceptor Fyzika Chemie Biologie: led - - DNA

8 DNA molekula Fotolýza biomolekul v klastrech Pyrrole C 4 H 5 N: nejjednodušší biomolekula UV-Chromofor v biomolekulách (porfyriny) množství studií v plynné fázi Fotochemie v přírodě: prostředí klastry Dimery: Pyrrol N-H π vazba Imidazol H-vazba Pyrazol H-dvojná vazba

9 Příklad III: Nové molekuly inertních plynů Chemie inertních atomů Hydridy H-Rg-X Rg= Xe, Kr, (Ar); X= elektronegativní skupina (Cl, Br, I, CCH, C 6 H 5 ) Vznik fotodisociací v maticích vzácných plynů Rg n klastry= létající nanomatice (nanoreaktory) hν Shrnutí o o Volné klastry - nanočástice Experiment: Fotodisociace molekul klastry Příklady o HX(H 2 O) n atmosférická chemie, ozonová díra o Klastry bio-molekul o Molekuly vzácných plynů

Laborato boratoř lasero serové fotochemie v molekulových paprscích ch (http:://www.jh-inst.cas.

10 Laborato boratoř lasero serové fotochemie v molekulových paprscích ch ( Volná místa pro studenty: BSc, MSc, PhD Max-Planck Institut für Dynamik und Selbstorganisation Göttingen, Germany Udo Buck Poděkov kování: J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry Viktoriya Poterya Ondřej Votava Václav Profant Petr Slavíček, Milan Ončák (VŠCHT, Prague) Experiment WM TOF 193 nm UV laser 243 nm Xe omolekulové paprsky: rychlostní poměr, úhlové rozdělení ofotodisociace: ArF/F nm; Nd:YAG-Dye-WEX: 243 nm (2+1)REMPI H(2s) owm TOF: kinetická energie H + : Kinetic Energy Distribution - KED

UV-Laser System 193 nm: ArF/F 2 -Excimer laser Wavelength region: 217 nm 432 nm 243 nm: 1.8 mj/pulse, 5ns, 10 Hz ω 0 14 mm 0.

11 UV-Laser System 193 nm: ArF/F 2 -Excimer laser Wavelength region: 217 nm 432 nm 243 nm: 1.8 mj/pulse, 5ns, 10 Hz ω 0 14 mm W/cm 2 (2+1) REMPI: H(1s) (2s) H + Wavelength Extender SHG- Second Harmonic Generation SFM- Sum Frequency Mixing WEX 243 nm SFM Nd:YAG Laser 1064 nm Dye Laser KD*P 315 nm SHG KDP 532 nm T C 1 G T C 2 T SHG KD*P 630 nm Jak klastry vytváříme? Expanze molekul do vakua: (λ << d ) srážky urychlení ve směru expanze zpomalení (chlazení) ve směru kolmém zúžení rozdělení rychlostí Supersonic Expansion: c= (5kT/M) v Ar = 560 m/s S~ c/ c S Ar = 20 Maxwell-Boltzmann: c= (3kT/M) v Ar = 380 m/s Supersonická expanze: Mach M=c/a» 1, a = (γkt/m) γ=c p /c V chlazení rotační (vibrační) energie molekul tvorba klastrů

12 Photodisociace ce molekul uly v WM TOF HBr molecule H+Br laser polarization E µ 0 HBr on Ar n 1) přímý únik Ar H Br 2) zpožděný únik 2) 3) záchyt Teorie: modelové povrchy ledu Povrch ledu a ledových nanočástic Buch JPCA 106(2002)9374, Voegele Angew. Chem. 42(2003)2114 Experimenty: teplotně kontrolovaná desorbce, X-paprsková aborbční spektroskopie, FTIR spektroskopie, reaktivní rozptyl Cs + disociace závisí na teplotě ~ K Kang et al. JACS 122(2000)9842 Jak vypadá molekula HX na volné nanočástici ledu?

13 HBr na nanočástic sticích ch ledu HBr (H 2 O) n, n 500 acidická disociace: Br - H 3 O + H signál HBr kovalentně vázaná H signál H přítomnost HBr na (H 2 O) n Ne zhbrani zh 2 O Hydronium H 3 O HBr + H 2 O Br + H 3 O Poměr H v H 3 O : DH 2 O : D 2 HO = 3 : 2 : 1 Signal intensity: 3 : 2.1 : 1.0 Mechanismus: H-fragment detected Br O Br O (H 2 O) n (H 2 O) n S 1 S 1 photoexcitation hν (193 nm) S k Br O photoexcitation hν (193 nm) (H 2 O) n S 0 Br O (H 2 O) n acidic dissociation S 0 Br - + O (JCP 126(07)071101) (H 2 O) n

Podobné dokumenty

Přednášky, cvičení a ukázky měření pro posluchače projektu TEAM CMV z Univerzity Pardubice

Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i. Projekt Team CMV Univerzity Pardubice Přednášky, cvičení a ukázky měření pro posluchače projektu TEAM CMV z Univerzity Pardubice na téma: Nanomateriály: