Вычисление объёмной фракции наночастиц в оболочке нанокомпозитных микрокапсул.
Была разработана модель, позволяющая просчитать объёмную фракцию магнетита в микрокапсулах. Для этого рассчитаем толщину оболочки (d) и диаметр ядер (D). Учтём, что для микрокапсул диаметром 5, 10 и 20 нм, адсорбированных поверх полиэлектролита толщина слоя равна 2 нм. Слоёв у нас всего N=14, из них n=4 слоёв оксида железа (F33O4). Из выше перечисленного следует, что вклад толщины полимера равен Δ=δ(N-n)=2*(14-4)=20. В исследуемых микрокапсулах толщина оболочки (d), даваемая наночастицами, равна d-Δ. С учётом того, что d<<D можем считать объём оболочки как произведение её площади (4πr²) на толщину. Таким образом, получаем объёмную фракцию магнетита равную f = (d-Δ)/d = 1-Δ/d = 1-δ(N-n)/n. Объём магнетита получается равен πD²(d-Δ).
Расчёт толщины оболочек.
Решение этой задачи делится на два этапа: получение изображений методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) и обработка полученных изображений.
Атомно-силовая микроскопия — один из видов сканирующей зондовой микроскопии, основанный на ван-дер-ваальсовских взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей, действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя атомами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения. Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе в качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько атомов, закрепленная на кантилевере, который плавно скользит над поверхностью образца. На выступающем конце кантилевера (над шипом) расположена зеркальная площадка, на которую падает и от которой отражается луч лазера. Когда зонд опускается и поднимается на неровностях поверхности, отраженный луч отклоняется, и это отклонение регистрируется фотодетектором, а сила, с которой шип притягивается к близлежащим атомам – пьезодатчиком. Данные фотодетектора и пьезодатчика используются в системе обратной связи, которая может обеспечивать, например, постоянную величину силу взаимодействия между микрозондом и поверхностью образца. В результате, можно строить объёмный рельеф поверхности образца в режиме реального времени. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,1-1 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали. [9]
Рис. №2. Схема работы атомно-силового микроскопа.[10]
На атомно-силовом микроскопе фирмы NTRGRA . Был получен ряд изображений, в последствие обработанный методом цветового контраста и получены данные результаты. Обсчёт производится по трем точкам, в последствие выводится среднее арифметическое значение. Так же следует учитывать, что полученную величину следует делить пополам, так как АСМ изображение удваивает толщину.
Рис. №3. Атомно-силовое изображение первого образца микрокапсул.
Результаты обработки капсул первого образца.
|
Height2 |
78,5 |
50,3 |
55,8 |
58 |
60,65 |
|
Height3 |
56,7 |
61,3 |
58,7 |
68 |
61,175 |
|
Height5 |
76,9 |
77,5 |
66,9 |
60,8 |
70,525 |
|
Height9 |
60,5 |
88,3 |
125,2 |
59,3 |
83,325 |
|
Height11 |
50,6 |
69,4 |
66,5 |
95,5 |
70,5 |
|
Height15 |
60,1 |
56,4 |
110 |
59,4 |
71,475 |
|
Height17 |
60,7 |
73,2 |
65,6 |
98,8 |
74,575 |
|
Height19 |
60,8 |
70,2 |
77,2 |
110,9 |
79,775 |
|
Height21 |
56,3 |
67,2 |
92,7 |
64,1 |
70,075 |
|
Height23 |
81,4 |
83,3 |
105,3 |
56,3 |
81,575 |
|
Height27 |
89,4 |
84,9 |
76,4 |
76,9 |
81,9 |
|
Height31 |
83 |
87 |
86 |
100 |
89 |
|
Height37 |
103 |
66 |
83,5 |
95,9 |
87,1 |
|
Height39 |
63,8 |
68,5 |
83,9 |
71,4 |
71,9 |
|
Height41 |
119 |
114,4 |
106,3 |
96,5 |
109,05 |
|
Height45 |
73,5 |
109,1 |
82,1 |
70 |
83,675 |
|
Height47 |
123 |
86 |
104,7 |
83,6 |
99,325 |
|
Height49 |
109 |
99,3 |
98,4 |
95,3 |
100,5 |
|
Height51 |
90,7 |
98,3 |
100,8 |
77,3 |
91,775 |
Средняя толщина оболочки первого образца равна 40.475 нм.
Рис. №4. Атомно-силовое изображение второго образца микрокапсул.
Результаты обработки капсул второго образца.
|
Height3 |
59,2 |
61,9 |
|
|
60,55 |
|
Height9 |
85,7 |
85 |
65,5 |
|
78,7333333 |
|
Height15 |
91,3 |
95,4 |
82,5 |
83 |
88,05 |
|
Height17 |
82,3 |
76 |
76,5 |
67,2 |
75,5 |
|
Height21 |
94,2 |
92,3 |
88 |
94,1 |
92,15 |
|
Height29 |
95 |
80 |
98 |
90 |
90,75 |
|
Height37 |
99,5 |
93,5 |
90,6 |
94,4 |
94,5 |
|
Height51 |
106 |
122 |
140 |
94 |
115,5 |
Средняя толщина оболочки второго образца равна 44,983 нм.
Определение размера частиц содержащихся в оболочке микрокапсулы.
Методом просвечивающей электронной микроскопии получают изображения исследуемых образцов. Просвечивающая (трансмиссионная) электронная микроскопия (ПЭМ) — это один из видов сканирующей микроскопии, в которой изображение от ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (ПЗС-матрице). [11]
Используя полученные изображения и воспользовавшись программным обеспечением ImageJ, производится обработка, целью которой является определение среднего размера частиц содержащихся в каждом образце.
Рис. № 5. Изображение, полученное от первого образца методом просвечивающей электронной микроскопии.
Для первого образца средний размер частиц равен 7,6859 нм.
Рис. № 6. Изображение, полученное от первого образца методом просвечивающей электронной микроскопии.
Для второго образца средний размер частиц равен 7.125 нм.