Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лебедев-Степанов ВВедение в самосборку ансамблей наночастиц 2012

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
12.11.2022
Размер:
3.41 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

П.В. Лебедев-Степанов

Введение в самосборку ансамблей наночастиц

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Москва 2012

УДК 620.3 + 531(075) ББК 22.317я7 Л 33

Лебедев-Степанов П.В. Введение в самосборку ансамблей наночастиц: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 184 с .

Описание процессов самосборки ансамблей частиц с методической точки зрения требует привлечения ряда специальных разделов теоретической физики и физической химии, методов компьютерного моделирования и освоения экспериментальных методов получения и исследования микро- и наноструктур. В междисциплинарности подхода и состоит специфика данного пособия, который не имеет прямых аналогов в учебной программе и отражает новейшие потребности подготовки специалистов для работы в области нанотехнологий.

Пособие основано на курсе лекций «Методы описания процессов в ансамблях наночастиц (самосборка) и свойств ансамблей», читаемых для студентов МИФИ и МФТИ.

Предназначено для студентов, специализирующихся в области многомасштабного моделирования наноструктур, и служит введением физику процессов самосборки – одного из ключевых понятий современных технологий, связанных с производством микро- и на- но-структурированных материалов, в основе которых лежит использование особенностей поведения ансамблей наноструктур (макромолекул, микро- и наночастиц) в диссипативных системах, таких как испаряющиеся слои коллоидных растворов.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент: канд. техн. наук М.Э. Бузоверя

ISBN 978-5-7262-1754-3

© Национальный исследовательский

 

ядерный университет «МИФИ», 2012

Оглавление

 

Предисловие........................................................................................

7

Введение ..............................................................................................

9

Глава 1. Основные понятия и определения........................................

12

1.1. Из истории понятий «самоорганизация» и «самосборка» .....

12

1.2. Движущие силы самосборки и размерный эффект................

16

Глава 2. Нанофизика и основные принципы самосборки................

23

2.1. О соотношении микро- и макромира.......................................

23

2.2. Введение в термодинамику.......................................................

25

2.2.1. Термодинамические функции и потенциалы.......................

27

2.2.2. Системы с переменным числом частиц................................

31

2.2.3. Условия термодинамического равновесия...........................

33

2.3. Равновесие жидкости и газа. Уравнение Клапейрона–

 

Клаузиуса...........................................................................................

35

2.3.1. Альтернативный подход.........................................................

36

2.3.2. Феноменологические уравнения для давления....................

41

насыщенного пара.............................................................................

41

3

 

Глава 3. Введение в статистическую физику .....................................

43

3.1. Уравнения Лиувилля .................................................................

45

3.2. Связь функции распределения с гамильтонианом..................

49

3.3. Вывод распределения Максвелла.............................................

51

3.4. Распределение Гиббса. Статистическая сумма.......................

54

Глава 4. Термодинамические функции реального газа .....................

58

4.1. Статистическая сумма ..............................................................

58

4.2. Получение уравнения состояния из статсуммы......................

65

4.3. Вириальное разложение уравнения состояния .......................

68

4.4. Уравнение Ван-дер-Ваальса......................................................

71

4.5. Активность и большая статсумма ............................................

77

Глава 5. Критические параметры ........................................................

79

Глава 6. Потенциальная энергия реального газа................................

89

6.1. Постановка задачи .....................................................................

89

6.2. Дискретный и континуальный подходы..................................

91

6.3. Парные потенциалы...................................................................

99

6.4. Радиальная функция распределения и межчастичные.........

101

потенциалы......................................................................................

101

4

 

6.5. Вывод уравнения Ван-дер-Ваальса........................................

105

6.6. Второй вириальный коэффициент и потенциальная............

107

энергия .............................................................................................

107

6.7. Выводы......................................................................................

109

Глава 7. Диффузия, вязкость и сила сопротивления .......................

110

7.1. Сила, действующая на частицу, помещенную в газ .............

110

7.2. Подвижность ............................................................................

113

7.3. Закон Фика (закон диффузии в газе)......................................

116

7.4. Соотношение Эйнштейна между коэффициентами

 

подвижности и диффузии...............................................................

117

7.5. Диффузия во внешнем потенциале ........................................

119

7.7. Аналогии с электричеством....................................................

121

7.8. Уравнения движения в вязкой среде......................................

122

7.9. Броуновское движение наночастиц........................................

124

8. Испарение жидкостей.....................................................................

127

8.1. Процесс Герца–Кнудсена ........................................................

127

8.2. Диффузионное испарение капли жидкости...........................

130

8.2.1. Сферическая капля................................................................

130

8.2.2. Капля на подложке................................................................

132

5

 

8.2.3. Влияние дисперсной фазы на испарение............................

140

Глава 9. Диссипативная динамика частиц в микрокапле раствора 142

9.1. Движение частиц в объеме капли...........................................

142

Глава 10. Характеризация упорядочения в процессах самосборки 147

10.1. Введение в теорию растворов...............................................

147

10.2 Количественная мера упорядочения.....................................

150

10.3. Типы кристаллических упаковок..........................................

153

Глава 11. Получение и свойства ансамблей микро- ........................

158

и наночастиц........................................................................................

158

11.1. Результаты моделирования самосборки в микрокаплях....

158

11.2. Континуальные методы самосборки....................................

167

11.3. Фотонные кристаллы.............................................................

170

Заключение..........................................................................................

173

Контрольные вопросы........................................................................

175

Список использованной литературы.................................................

178

6

Предисловие

Если теории самоорганизации в физике и химии в настоящее время посвящено большое количество литературы, то теория самосборки проработана более фрагментарно, а само это понятие плохо определено. Данное учебное пособие – попытка частичного восполнения этого пробела.

В последние годы появилось большое количество работ, посвященных разработке наноматериалов для использования их в специализированных устройствах широкого назначения (например, в новейших технологиях самосборки ансамблей наноструктур для получения фотонных кристаллов, барьерных слоев, элементов сенсорных устройств и т.д.). Значительный прогресс ожидается в секторе сенсорных систем, основанных на таких новейших технологиях, как оптические сенсоры и их элементы – матрицы рецепторных центров, защитные покрытия. Самосборка – одно из ключевых понятий современных технологий, связанных с производством микро- и наноструктурированных материалов, в основе которых лежит использование особенностей поведения ансамблей наноструктур (макромолекул, микро- и наночастиц) в таких диссипативных системах, как испаряющиеся слои коллоидных растворов.

Описание процессов самосборки ансамблей микро- и наночастиц, т.е. объектов мезоскопических размеров, находящихся на границе микро- и макромира, с методической точки зрения требует междисциплинарного подхода, привлечения ряда специальных разделов теоретической физики и физической химии, методов компьютерного моделирования и освоения экспериментальных методов получения и исследования микро- и наноструктур.

Это налагает специальные требования как на практическую разработку физико-химических основ получения структур методом самосборки, так и, разумеется, на подходы к подготовке специалистов по данной тематике, организацию процесса обучения.

7

Предлагаемое пособие не имеет прямых аналогов в учебной программе и отражает новейшие потребности подготовки специалистов для работы в области нанотехнологий. В этом смысле он носит экспериментальный характер. Вместе с тем основные его аспекты хорошо освоены в теоретической и экспериментальной работе, которая в течение нескольких лет проводится в ЦФ РАН с активным привлечением студентов старших курсов МФТИ и МИФИ. Назрела необходимость обобщения опыта преподавания.

Данная дисциплина – новая, и положение ее в некотором смысле уникально, поскольку она является промежуточной в методическом

ив содержательном плане, а также если говорить о положении ее характерных объектов на масштабной оси. Размеры много больше атомно-молекулярных, но много меньше макроскопических, – так можно охарактеризовать это положение. Из него вытекают и методические особенности описания, которые должны быть свойственны этой науке, объекты которой – наночастицы, являющиеся в свою очередь предметом так называемых нанотехнологий, бурно развиваемых в наши дни крупнейшими странами мира, в том числе и Россией.

При этом ключевым является само понятие нанотехнологий. «Нанотехнологии – это совокупность приемов и методов, приме-

няемых при изучении, проектировании и производстве наноструктур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль

имодификацию формы, размера, взаимодействия и интеграции составляющих их наномасштабных элементов (около 1–100 нм), наличие которых приводит к улучшению либо к появлению дополнительных эксплуатационных и (или) потребительских характеристик

исвойств получаемых продуктов», – так утверждает нанотехнологический словарь РОСНАНО.

Предметом нанофизики должны быть свойства ансамблей наночастиц или материалов, одно или несколько измерений которых относятся к наномасштабам.

Физика наномира, или нанофизика, должна рассматривать свойства объектов на наноуровне, их отличия от таковых по сравнению с атомарными объектами – с одной стороны, а с другой – с объектами

8

макромира; а также рассматривать свойства ансамблей нанообъектов.

Свойства нанообъекта могут быть поняты, во-первых, как свойства совокупности атомов или молекул, а во-вторых – как свойства наноразмерного объема, отщепленного от макроскопического вещества или образованного отдельно от него. Поведением большого количества одинаковых частиц занимается статистическая физика, поэтому можно говорить о статистической физике наночастиц как о науке, описывающей движение или состояние ансамбля наночастиц, так называемые процессы самосборки или самоорганизации.

В методическом смысле при построении нанофизики можно опираться как на методы физики микромира, так и на методы физики макромира, а также разрабатывать уникальные методы, свойственные данной области науки.

Введение

С точки зрения содержания учебное пособие должно охватывать три следующие тематические составляющие:

1)основные понятия и определения самосборки и самоорганиза-

ции;

2)теорию самосборки ансамблей микро- и наночастиц в микрообъеме раствора;

3)моделирование процессов самосборки ансамбля микро- и наночастиц в микрокапле раствора и описание свойств ансамблей наночастиц.

Первый компонент формирует представление об истории понятий самосборки и самоорганизации, их сходстве и отличии, о теоре-

тических методах описания; указывает на важную роль нелинейности уравнений в синергетике, финитности процесса в случае самосборки, а также – роль локальных и глобальных минимумов свободной энергии системы и диссипативных сил; даются примеры самосборки в природе (опалы), рассказывается о самособирающихся системах в физической химии и нанотехнологиях; описываются техно-

9

логии самосборки: струйная печать, игла-кольцо, центрифугирование; рассказывается о таких приложениях, как фотонные кристаллы, элементы хемосенсоров и оптических устройств, барьерные слои и т.д.

Вторая тематическая составляющая представляет собой теоретическое описание упорядочения ансамбля частиц в диссипативной открытой системе: физическая сущность явления. В данном случае это рассматривается на примере процессов в испаряющейся микрокапле коллоидного раствора. Дается понятие о двух основных задачах при описании самосборки в микрокаплях и тонких пленках:

1)эволюция поверхности капли вследствие испарения жидкости

сучетом влияния частиц и связанные с этим поведение контактной линии и гидродинамические потоки;

2)динамика частиц внутри капли.

Основное внимание уделяется подробному описанию движущих сил самосборки, взаимодействиям основных компонентов системы в процессе самосборки; рассказывается о таких способах управления данными взаимодействиями, как варьирование внутренних и внешних параметров системы (типов подложек, выбора растворителя и материала частиц; варьирование начальной концентрации, объема капли, температуры и влажности окружающей среды); приводятся критерии учета разных факторов: охлаждения поверхности при испарении, гравитации, потоков Марангони, Рэлея и др.

В третьей составляющей курса речь идет о назначении компьютерного эксперимента, сопоставлении вычислений с результатами реальных экспериментов по самосборке ансамблей наночастиц и их интерпретации. Рассказывается о методах моделирования: континуальном (частицы описываются средней плотностью); полудискретном (частицы описываются явно, растворитель – неявно); дискретном (частицы и растворитель описываются явно: имеет смысл только для наночастиц размером около 1 нм). Даются представления о диссипативной динамике частиц и особенностях ее применения для системы с подвижными внешними границами (уменьшающимся объемом капли или жидкой пленки). Рассматриваются свойства ансамблей наночастиц и их приложения.

10