Charakterizace materiálů I KFY / P224

Transkript

1 Charakterizace materiálů I KFY / P224

2 Sylabus V průběhu přednášky budou studenti seznámeni s principy a možností využití základních mikroskopických metod a difrakčních metod pro strukturní analýzy. Po uvedení základních parametrů a řešených problémů následuje přehled nejdůležitějších technik využívaných k popisu morfologie a topografie povrchů a k analýze krystalové struktury.

3 Obsah Principy a fyzikální základ mikroskopických a difrakčních metod pro analýzu materiálů Mikroskopické techniky: Optická mikroskopie (prof. Novák) SEM (Scanning Electron Microscopy) TEM (Transmition Electron Microscopy) SPM (Scanning Probe Microscopies) STM (Scanning Tunneling Microscope) AFM (Atomic Force Microscopy)

4 Obsah Difrakční a rozptylové metody: LEED (Low Energy Electron Diffraction) (Dr. Lorinčík) RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) (Dr. Lorinčík) XRD (X-Ray Diffraction) (prof. Čapková) GISAX (Grazing-Incidence Small-Angle X-Ray Scattering) Neutronová difrakce

5 Časový plán výuky 1. Obecný úvod do charakterizace materiálů (M. Kormunda) Optický mikroskop a optika + ukázka (S. Novák) Elektronová mikroskopie SEM a část TEM (M. Kormunda) Demonstrace SEM (M. Kormunda) Rastrovací hrotové mikroskopie (STM) (M. Kormunda) Rastrovací hrotové mikroskopie (AFM) (M. Kormunda) Demonstrace AFM (A. Semerádová) + možná STM (M. Kormunda) LEED + RHEED (J. Lorinčík) XRD (P. Čapková) XRD demostrace (P. Čapková) Exkurze??? GISAX + Neutronová difrakce (M. Kormunda) Povrchová energie, tvrdost, adheze, + Závěr Zápočty 17.5.

6 Proč a kde analyzovat Forenzní analýza kriminalistika Kontrola kvality Reverzní inženýrství Vývoj nových materiálů a struktur Datování umělecký děl a nalezených ostatků Výzkum kosmických těles atd.

7 Co je měření? Měření je soubor činností spojených s určením hodnoty dané veličiny. Určením hodnoty dané veličiny se rozumí charakteristika dané veličiny pomocí čísla. Toto přiřazení číselné hodnoty se provádí pomocí měřicího zařízení, jehož konstrukce je založena na zvoleném principu měření. Princip měření je souhrn fyzikálních jevů, na kterých je měření založeno. Z principu měření je odvozena metoda měření. Konkrétní realizaci dané metody měření popisuje postup měření. Číselnou hodnotou dané veličiny je tzv. konvenčně pravá hodnota, která je přisuzována dané veličině a přijatá, někdy konvencí, jako hodnota jejíž nejistota je vyhovující pro daný účel.

8 Jak to probíhá? Sonda Výstup VZOREK DETEKTOR

9 Jak to probíhá? Vědec (detektor oko) Sonda Výstup wikipedie Vzorek lanek= es/news2/a-bird-that-craftstools-2.bmp

10 Teorie měření viz Úvod do teorie měření tento semestr takže zpracováním výsledků a chyb měření se zde nebudeme zabývat

11 Jaký může být vzorek pevná látka, kapalina, plyn, plazma Disperze: suspenze pevná látka v kapalině emulze kapalina v kapalině pěna plyn v kapalině, plyn v pevné látce aerosol tekutina v plynu, pevná látka v plynu mikroemulze farmacie nanosuspenze nano částice, rheological m.

12 Nanosystémy - běžné mléko majonéza mycí prostředky barvy inkousty šampóny zubní pasta to vše jsou koloidní disperze - složka pod 1mm

13 Optické metody analýzy Černobílé foto nástěnné malby Foto téže nástěnné malby, ale v UV světle

14 Mars Odyssey na orbitu Marsu navedena 24. října 2001

15 Mars Odyssey na orbitu Marsu navedena 24. října 2001 Skener zobrazující tepelné emise (Thermal Emission Imaging System THEMIS) pro snímkování povrchu ve vysokém rozlišení ve viditelné a infračervené oblasti, převážně pro detekci minerálů Spektrometr gama záření (Gamma Ray Spectrometer GRS) pro průzkum chemického složení povrchu Spektrometr ionizujícího záření (Martian Radiation Environment Experiment MARIE) přístroj pro měření radiace Neutronový spektrometr (Neutron Spectrometer NS) Detektor rychlých neutronů (High Energy Neutron Detector HEND) dodalo Rusko[2]

16 Skener zobrazující tepelné emise Rozlišení IR 100m/pixel, VIS 19m/pixel Lze detekovat vodu a led (vodní)

17 Skener zobrazující tepelné emise Fe2O3

18 Planetary gamma-ray spectrometers

19 Planetary gamma-ray spectrometers na měsíci

20 AFM on MARS Phoenix Lander that has landed on Mars on May 25th This picture shows an example of a spheroidal particle (in the center) and more platy particles on the top side.

21 XRD on MARS (pro 2018) Konstrukční idea přístroje a výsledky laboratorních testů na Zemi s prototypem na půdě bohaté na železo, jaké je na Marsu.

22 Turínské plátno enrieimg.html cisloclanku=

23 Ježíš Kristus? Lněná textilie (s nepatrným podílem bavlny) je dlouhá 436 centimetrů, široká 110 centimetrů a váží 1420 gramů. Na plátně je otisk mužské postavy. Otisk, který připomíná fotografický negativ, je nezřetelný, sépiové barvy a pouhým okem je rozeznatelný při pohledu z větší vzdálenosti (na fotografiích bývá většinou zvýrazněn). Nejde však o kontaktní otisk. Krom toho jsou na plátně jasně ohraničené skvrny zaschlé krve, rezavé barvy. Otisk těla zasahuje pouze tenkou vrstvu plátna o tloušťce 180 až 600 nanometrů a přesně odpovídá anatomii. Povaha otisku umožnila vytvořit trojrozměrnou rekonstrukci tváře včetně detailů jako kapky krve na vousech, stopy rozmazané krve na pravé tváři, otisk mincí v očních důlcích. Restaurátorské práce z roku 2002 odhalily na zadní straně ještě jeden otisk identické tváře. Postava je vysoká asi 175 až 180 cm, odhadovaného stáří 35 až 40 let, s vousy a vlasy sahajícími až po ramena, dobře vyvinutým svalstvem, odhadované hmotnosti do 81 kilogramů. Tradičně je ztotožňována s Ježíšem Kristem.

24 Počítačový model obličeje

25 Historie První historicky doložené vystavování plátna se konalo roku 1389 Podle legendy bylo plátno brzy po Ježíšově smrti přemístěno z Jeruzaléma do Edessy, později do Konstantinopole, ve středověku do Francie a nakonec do Itálie. Roku 1532 bylo plátno málem zničeno během požáru v Chambéry ve východní Francii, ale na poslední chvíli se ho podařilo zachránit. Do dnešních dnů jsou na plátně ohořelé oblasti, dvě řady tmavých míst odpovídající tomu, jak bylo plátno složeno. Od roku 1578 je relikvie uchovávána v kapli v Katedrále sv. Jana Křtitele v Turíně, kam ji přinesla královská rodina Savojských. Roku 1983 jej exkrál Umberto II. odkázal papeži Janu Pavlu II. Dnes je umístěno ve speciální nádobě naplněné argonem. V roce 1978 byl zahájen projekt vědeckého výzkumu plátna. Roku 1997 opět plátno těsně uniklo požáru, tentokrát v Guariniho kapli turínské katedrály.

26 Tkanina Turínské plátno je lněnou látkou s nepatrnou příměsí bavlny. Len, který byl při tkaní použit, byl ve své době velice drahý a je charakteristický pro oblast Středomoří. Podle biblických evangelií koupil pohřební rubáš Ježíšův tajný učedník a bohatý člen židovské velerady Josef z Arimatie. Ve prospěch pravosti drahocenné památky svědčí mimo jiné i specifický způsob tkaní. Jde o tzv. šupinový kepr (tři k jedné, three-to-one), jenž je nezaměnitelný a snadno rozpoznatelný. Užíván byl pouze v krátkém období na začátku našeho letopočtu. Stejným způsobem se tkalo v pevnosti Massada u Mrtvého moře zničené při židovském povstání proti Římanům v roce 72 po Kristu. Tentýž vzor je zobrazen na malbě z 12. století znázorňující Kristův pohřební rubáš. Dr. Fluryová-Lembergová se domnívá, že malíř musel být v kontaktu s Turínským plátnem a byl si vědom neobvyklého typu tkaní. Lněné nitě mají průměr přibližně 0,15 milimetru, plátno jako celek je silné 0,35 milimetru. Na délku 1 centimetru se vejde asi 25 příčných nebo podélných nití. Jako příměs byla použita bavlna druhu bavlníku bylinného (Gossypium herbaceum) běžně rozšířeného v zemích Blízkého východu. V Evropě nebyla bavlna známa až do 16. století, kdy ji Arabové přivezli na Sicílii a na jih Pyrenejského poloostrova.

27 Tkanina Někteří badatelé považují tuto ilustraci z maďarského rukopisu (Prayův kodex), napsaného mezi roky 1192 a 1195 a uloženého v Széchenyiho národní knihovně v Budapešti, za důkaz, že Turínské plátno není padělkem z vrcholného středověku. Všimněte si dvou skupin skvrn, které se podobají poškozeným místům na relikvii. Malíř se pravděpodobně snažil na své malbě zachytit jedinečný způsob, jakým byla látka utkána. Ježíš na obraze má ruce ve stejné poloze jako postava z plátna.

28 Pylová zrna Švýcarský kriminolog a specialista na falšované obrazy Dr. Max Frei odebral v listopadu 1973 pomocí lepící pásky vzorky z povrchu plátna. V univerzitní laboratoři v Curychu pak vzorky v letech 1974 až 1975 pečlivě zkoumal a identifikoval 165 zrníček pylu 48 druhů rostlin. Nejhojněji byla zastoupena rostlina Gundelia tournefortii (45 zrníček, 27,3%). Frei rostliny rozdělil do čtyř skupin: Pouštní rostliny typu halofilů (dávají přednost místům s vysokým obsahem soli) rostou v oblasti Palestiny, kolem Mrtvého moře a Negebu. Stepní rostliny - typické pro stepní oblasti turecké Anatolie - Bytlis, Diyarbakir, Mardin, Urfa (bývalá Edessa) a Malatya. Menší skupina rostlin, jejichž výskyt je vázán na okolí Istanbulu (dříve Konstantinopol). Rostliny rostoucí na jihozápadě Evropy. Je známo, že pylová zrna mají schopnost zachovávat své vlastnosti po řadu staletí. A podle legendy bylo plátno skutečně brzy po Ježíšově smrti přepraveno z Jeruzaléma do Edessy a později do Konstantinopole. Ve středověku se dostalo do Francie a nakonec skončilo v Itálii.

29 Mikroskopické zkoumání Snímky získané pomocí mikroskopu při polarizovaném světle odhalily, že oční důlky zakrývaly kulaté předměty. Jezuita Francis L. Filas z univerzity v Chicagu v roce 1979 zjistil, že šlo o historické mince. Na minci nad pravým okem byla rozpoznána zahnutá hůl a písmena "U CAI". Pilát nechal v Jeruzalémě v letech 29 až 32 razit peníze (lepton simpulum) s nápisem TIBERIOU KAISAROS (Císař Tiberius). V numismatických sbírkách na celém světě se dochovaly tři kusy mince z roku 29 s nápisem TIBERIOU CAISAROS, takže je reálné, že na zavřené oči zemřelého byly položeny peníze z této chybné ražby. Archeologové jsou této teorii příznivě nakloněni, protože Židé měli skutečně v 1. století ve zvyku klást zemřelým na oči mince.

30 Nápisy Farmaceut Piero Ugolotti a páter Aldo Marastoni si v roce 1978 všimli, že na Turínském plátně lze rozeznat velmi špatně čitelné nápisy. Jednotlivá písmena se podařilo rozluštit až v roce 1995 francouzce Anne Laure-Courageové. Další výzkum realizovali v roce 1997 Grégoire Kaplan, Marcel Alonso a André Marion z Pařížského ústavu pro optiku (Paris Institut d Optique). Rozluštěno bylo několik slov psaných zvláštní směsicí latiny, hebrejštiny a řečtiny. Tento způsob vyjadřování byl před 5. stoletím v tomto regionu obvyklý. Vědci se přiklánějí k možnosti, že nápisy vytvořili úřednící, kteří zapečeťovali Ježíšův hrob. Nejčitelnější je nápis "INNECE", což je asi zkratka nebo část výrazu "IN NECEM IBIS" (trest smrti). Také další slova jsou pozoruhodná: "PEZU" (vykonán), "(I)HSOY" (Ježíš), "NAZARENUS" (Nazaretský), "(O)PSKIA" (stín obličeje) nebo TIBERIUS CĆSAR (císař Tiberius).

31 Stopy krve a další fyziologické poznatky Na rubáši se nacházejí rezavé flíčky - stopy krve. Velká rána o šířce 4,5 a výšce 1,5 cm je umístěná mezi pátým a šestým žebrem otiské postavy a mohlo ji způsobit bodnutí kopím. Krev řinoucí se z rány na boku byla krví posmrtnou, protože plazma zůstala na okrajích a fibrin (bílkovinná látka vznikající při srážení krve) uprostřed. Na ostatních místech jde o krev předsmrtnou, neboť světlou plazmu obklopuje fibrin z vnější strany. Krev prýštila také z ran v zápěstích, kam bývaly nešťastníkům odsouzeným k ukřižování vráženy hřeby. Dlaně by váhu těla nemohly unést. Při tomto způsobu přibíjení ke kříži docházelo k zasažení citlivého hybného nervu, v důsledku čehož se palec obrátil do dlaně směrem k malíčku. Proto jsou na plátně rozlišitelné jen čtyři prsty. "Otisk představuje muže ukřižovaného přesně tak, jak to popisují evangelia: přibitého na kříž za zápěstí a nikoliv za ruce, jak to ukazuje většina středověkých zobrazení jeho utrpení," konstatovala Dr. Fluryová-Lembergová. Nohy byly uprostřed nožní klenby proraženy dlouhým hřebem. Levá noha byla přeložena přes pravou.

32 Stopy krve a další fyziologické poznatky Z analýz vyšlo na jevo, že muž měl krevní skupinu AB negativní. Pozoruhodné je, že stejná krevní skupina byla zjištěna také na plachetce z katedrály ve španělském Oviedu, zkoumané v souvislosti s pylem rostliny Gundelia tournefortii. Výzkum uskutečněný trojicí španělských vědců v roce 1998 dospěl k závěru, že plachetka i plátno pravděpodobně zakrývaly stejnou osobu. Krevní skupina AB je poměrně vzácná. Vyskytuje se pouze u 2 až 5 procent populace. Předpokládá se, že vznikla promísením Kavkazanů s krevní skupinou A a Mongolů s krevní skupinou B někdy po roce 1000 po Kristu, ale datování není vůbec jisté. Někteří experti stáří skupiny odhadují na 2500 let. Odsouzenci byl na hlavu nasazen ostrý bodavý předmět, nešlo však o trnovou korunu ale spíše o jakousi přilbu s dlouhými a ostrými trny. Viditelné je krvácení zepředu (na rozhraní vlasové pokrývky hlavy a čela) i zezadu. Krůpěje krve stékaly až k obočí (zejména k levému). Další slepovaly vlasy nebo protékaly směrem ke spánkům.

33 Stopy krve a další fyziologické poznatky Popravený člověk byl Židem s přiměřené dlouhými vlasy a vousy. V týlu hlavy mu dlouhý pramen vlasů sahal až k lopatkám. Právě takové copánky jsou charakteristické pro Židy žijící v dobách kolem přelomu našeho letopočtu. Rasově se postava shoduje s typem vyskytujícím se dodnes mezi sefardickými Židy nebo vznešenými Araby.

34 Chybné závěry výzkumu z roku 1988 Dr. Raymond Rogers pracoval jako chemik v Národní laboratoři v Los Alamos (Los Alamos National Laboratory, LANL) v americkém státě Nové Mexiko. V roce 1978 se osobně podílel na Výzkumném projektu Turínského plátna (Shroud of Turin Research Project, STURP). Když v roce 1988 provedly tři světově uznávané laboratoře radiokarbonovou analýzu odřezků tkaniny, neměl důvod nevěřit jejím výsledkům. Vědci v anglickém Oxfordu, švýcarském Curychu a arizonském Tusconu po rozboru vzorku o velikosti 1 x 7 centimetrů (rozděleného na 3 díly) dospěli nezávisle na sobě ke shodným závěrům: Látka byla zhotovena kolem roku 1325 s tolerancí plus mínus 65 let. K jejímu prvnímu historicky doložitelnému vystavení došlo až v roce 1389, takže nebylo co řešit. Většina pozorovatelů měla jasno a Turínské plátno označila za církevní padělek.

35 Chybné závěry výzkumu z roku 1988 V roce 2000 však odborníci připustili možnost omylu. Potvrdilo se totiž, že textilie byla ve středověku opravována. Zejména okraje byly prokazatelně záplatovány. V roce 2002 byly záplaty odstraněny a restaurátoři vyjádřili vážné pochybnosti o kusu tkaniny použitém k dataci v roce "Tento fragment je mastný a je v něm inkrustovaný uhlík pocházející z požáru, jemuž plátno uniklo v roce 1532 v Chambéry," uvedla tehdy vedoucí výzkumného týmu Dr. Mechthilda FluryováLembergová ze Švýcarska. Když jsem četl jejich zprávu, domníval jsem se, že jejich hypotéza je nepravděpodobná, ale mohu ji ověřit na vzorcích, které jsem archivoval," popsal svou počáteční skepsi Rogers. V prosinci 2003 mu kolega z týmu STURP poskytl vzorek roucha využitý při rozboru v roce Následná analýza, při níž mu asistovala Anna Arnoldi z Milánské univerzity, ho přiměla diametrálně přehodnotit názor. "Byl jsem ohromen, když jsem zjistil, že s nimi musím souhlasit," řekl Rogers. Vzorek totiž na rozdíl od zbytku plátna obsahoval mořené barvivo, mořidlo z oxidu hliníku, vanilin a spletená vlákna vlny se lnem. Mořené barvivo se ve Francii a Anglii do 16. století nepoužívalo.

36 Chybné závěry výzkumu z roku 1988 Záplata vznikla zřejmě v roce 1534, tedy nedlouho po požáru v kapli ve francouzském Chambéry ( ), kdy bylo plátno poškozeno. Sestry řádu svaté Kláry látku pečlivě vyspravily a na nové části nanesly hnědé barvivo, aby tak docílily podobného odstínu, jaký měl zbytek plátna. "Datování z roku 1988 bylo pro dodaný vzorek určitě správné. Nicméně není pochyb o tom, radiokarbonovou metodou zkoumaný vzorek má úplně jiné chemické složení než hlavní část roucha. Publikovaná doba vzniku tohoto vzorku se neshoduje s dobou, kdy bylo plátno vytvořeno," konstatoval Rogers. Dr. Rogers u vzorků ze středověké záplaty i původního roucha v roce 2003 zjišťoval, jestli obsahují vanilin. Vanilin vzniká rozpadem ligninu v buněčných stěnách rostlin. Z lněných tkanin postupem času mizí a podle jeho množství se určuje stáří materiálu. Zatímco v opravované části byl vanilin přítomen, vlákna z původní tkaniny už tuto látku neobsahovala. Podle toho odhadl Rogers stáří Turínského plátna na 1300 až 3000 let. Jeho poznatky jsou ve shodě s dřívějším výzkumem vědců ze skupiny STURP, kteří využili metodu ultrafialové fluorescence a oznámili, že cíp, z něhož byly v 80. letech odebrány vzorky, není shodný s ostatními částmi roucha. Studie Dr. Rogerse byla 20. ledna 2005 publikována v odborném časopise ThermoChimica Acta.

37 Chybné závěry výzkumu z roku

38 Stále není dořešeno zpracováno s pomocí a Wikipedie

39 Charakterizace materiálů má široké využití