Testování nanovlákenných materiálů Eva Košťáková KNT, FT, TUL
Obsah přednášky Testování nanovlákenných materiálů -Vizualizace (zobrazování nanovlákenných materiálů) -Chemické složení nanovlákenných materiálů -Mechanické vlastnosti nanovlákenných materiálů -Atd.
Vizualizace nanovlákenných materiálů -Světelný mikroskop (problémy) -Rastrovací elektronový mikroskop (SEM) -Transmisní elektronový mikroskop (TEM) - Mikroskop atomárních sil (atome force microscope) (AFM)
Světelný mikroskop - Problém u vláken s průměry menšími neţ vlnová délka viditelného světla!
Světelný mikroskop - Problém u vláken s průměry menšími neţ vlnová délka viditelného světla! Ovšem možná detekce vad kapky, silná vlákna, kapky atd.
Novou část dějin mikroskopie otvírá německý vědec Ernst Ruska (1906-1988), vynálezce elektronového mikroskopu, přesněji řečeno transmisního elektronového mikroskopu (TEM - 1931). Toto zařízení umoţňuje zvětšení výrazně překročující moţnosti 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)
Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM) Jednoduchá příprava preparátu X složité pracovní zařízení Primární paprsek elektronů produkovaných žhavenou katodou (elektroda ze záporným napětím) se pohybuje po řádcích po preparátu (rastruje) a vyráží sekundární elektrony. Ty jsou snímány sodnou, převáděny na videosignál a zobrazeny na monitoru. Výhody: velká hloubka ostrosti, plastické zobrazení, velká rozlišovací schopnost.
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 aţ několik centimetrů. Vakuum představuje jistou nevýhodu pro pozorování biologických preparátů obsahujících vodu. Zvětšení aţ 100 000x. Zobrazuje se pouze povrch vzorku!
Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM)
Rastrovací elektronový mikroskop Scanning electron microscope (SEM)
Destrukce nestabilního materiálu při příliš vysokém urychlovacím napětí
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 vyuţívá toho, ţe se část elektronů odráţí od atomů a molekul tvořících hmotu vzorku. Jejich opětovným soustředěním pomocí magnetické čočky se vytváří stínový obraz mikroskopového vzorku.
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 3,7.10-3 pro 100kV a 1,6.10-3 nm pro 400kV, zatímco vlnová délka viditelného světla je 400-750nm. ROZDÍL JE 5 ŘÁDŮ!!!
Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) Příprava vzorků: V prozařovací elektronové mikroskopii se obvykle používají tenké vzorky o tloušťce 10-500nm. -Preparát musí obsahovat drobné částice nebo můţe být řezem tkání, ale jeho celková tloušťka by neměla přesahovat 100-500nm (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 100 000x.
Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) POROVNÁNÍ SE SVĚTELNÝM MIKROSKOPEM Část a funkce Zdroj záření SVĚTELNÝ MIKROSKOP Ţárovka (viditelné záření) TEM Elektronové dělo, ţhavené vlákno - katoda Objekt Preparát Tenký preparát (10-100nm) Čočky Skleněné Elektromagnetické Zvětšení primárního obrazu Okulár Projektivy Záznam obrazu Oko Fluorescenční stínítko
Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) TEM image of the Rh-based catalyst particles encapsulated within the carbon nanotube channels
Transmisní (prozařovací) elektronový mikroskop Transmission electron microscope (TEM) TEM snímky PA 6/MWNTs
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 můţe zobrazovat pouze povrch vzorků, nikoliv jejich objemovou strukturu. (Vzorek vyţaduje fixaci, nemůţe např. plavat v roztoku). AFM zobrazuje trojrozměrnou strukturu. Nevyžaduje pokovení vzorku ani vakuum.
Sondu AFM si je moţné představit jako ohebný nosník drobounkou skákající destičku s připojeným hrotem napojeným zespodu. Kdyţ hrot skenuje vzorek jsou zaznamenávány síly mezi hrotem a vzorkem. Detekční zařízení (obvykle odráţející 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 můţe být laser nahrazen piezoelektrickým snímačem (deformace je přetvářena na elektrické napětí).
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
SEM images of nanotube AFM tips Metoda dosahuje velmi vysokého rozlišení můţe zobrazovat i atomy. Techniku AFM lze pouţít 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.
SNÍMKY Z AFM Chromozomy Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna SWNTs svazky na podkladu
POROVNÁNÍ SEM, TEM a AFM SEM TEM AFM PŘÍPRAVA VZORKŮ Pokovování - jednoduchá Příprava tenkých řezů - sloţitá Ţádná = 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 100 000x 100 000x 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
Counts Intensity (cnt) 1593.5 1530.3 1336.0 Identifikace složení nanovlákenných materiálů -Infračervená spektroskopie -Ramanova spektroskopie p_e_caprolacton_2 p_e_caprolacton_mwcnt_3 MWCNT -EDS SEM 10500 9000 C-K 7500 6000 4500 3000 1500 O-K Si-K Au-M Au-M Au-M 3 000 2 000 Raman Shift (cm -1 ) 1 000 0 0.04 0.54 1.04 1.54 2.04 2.54 3.04 3.54 4.04 kev
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 0.78 1000 mm, coţ odpovídá rozsahu vlnočtů 12800 10 cm -1. Celá oblast bývá rozdělena na blízkou (13000-4000 cm -1 ), střední (4000-200 cm -1 ) a vzdálenou infračervenou oblast (200-10 cm -1 ), přičemţ nejpouţívanější je střední oblast.
Principem metody je absorpce infračerveného záření při průchodu vzorkem, při níţ dochází ke změnám rotačně vibračních energetických stavů molekuly v závislosti na změnách dipólového momentu molekuly. Absorpční pásy mající vrcholy v intervalu 4000 1500 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.
Absorbující vazba Přibližný vlnočet (cm -1 ) Intenzita píku a vzhled O-H volná 3600 Střední N-H (aminy primární) 3500 3000 Střední, zdvojený pás C-H (alkany) 2980 2850 Slabá, zdvojený pás C-H (alkiny) 3300 Silná C-H (alkeny) 3100 3000 Slabá C-trojná-C 2250 2100 Slabá až střední C-trojná-N 2270 2200 Silná, velmi ostrý C=O (estery) 1750 1730 Silná C=O (aldehydy, ketony) 1740 1695 Silná C=C (alkeny) 1680 1640 Slabá C=N 1700 1620 Střední až silná NO 2 1550 a 1350 Silná C-O (alkoholy,ethery,estery) 1300 1100 Silná C-F 1400 1000 Střední C-Cl 800 600 Střední C-Br 600 500 Střední C-I 500 400 Střední Existují knihovny, databáze dle kterých lze indentifikovat i neznámou látku.
Příklad IČ spektra PVA nanovláken základních a tepelně zpracovávaných Transmitance - množství infračerveného záření určité vlnové délky (vlnočet), které prošlo studovaným vzorkem.
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.
Příklad Raman spektra PVA nanovláken základních a MWNTs (resp. SWNTs) a kompozitních nanovláken (PVA + 1hm% MWNTs resp. SWNTs)
EDS SEM (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 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
Identifikace částic stříbra na PES vláknech
Counts Konkrétní příklad: Identifikace částic stříbra na PES 25 µm 4500 4000 3500 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. 3000 2500 O-K Ag-L 2000 1500 Au-M Ag-L 1000 Au-M Ag-L 500 0 0.05 0.55 1.05 1.55 2.05 2.55 3.05 3.55 4.05 4.55 kev
Counts Identifikace křemíku v PVA nanovlákenné vrstvě 20 µm 10500 9000 7500 C-K 20 µm IMG1 20 µm Si K 6000 4500 3000 1500 O-K Si-K Au-M Au-M Au-M 0 0.04 0.54 1.04 1.54 2.04 2.54 3.04 3.54 4.04 kev