СТАТЬИ АРБИР
 

  2018

  Октябрь   
  Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
1 2 3 4 5 6 7
8 9 10 11 12 13 14
15 16 17 18 19 20 21
22 23 24 25 26 27 28
29 30 31 1 2 3 4
   

  
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?


Изучение поверхностных явлений в коллоидных нанодисперсных системах


ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ В КОЛЛОИДНЫХ НАНОДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Аннотация: Изучено одно из важнейших поверхностных явлений в нанодисперсных системах - адгезия. Величина силы адгезии наночастиц определяется тремя методами: расчетным, моделированием и косвенно по значению силы трения.

Ключевые слова: коллоидная химия, наночастицы, наносистемы, адгезия.

Одним из важнейших поверхностных явлений в коллоидных нанодисперсных системах является адгезия.

При определении величины адгезии наночастиц возникают сложности, по существу речь идёт об учёте влияния на адгезию микрошероховатостей на атомном уровне. Поэтому адгезию НЧ определяют расчетным методом, моделированием и косвенно по значению силы трения. Рассмотрим эти способы подробно.

Сила адгезии Рад может быть рассчитана по теории ДКР (Джонсона - Кендалла - Робертса) по уравнению:

Рад = АПае-г/6к2, (1)

где Агав - константа Гамакера; r - радиус НЧ; к - зазор между НЧ и поверхностью (в условиях межмолекулярного взаимодействия за счет сил Ван-дер-Ваальса этот зазор может быть равен 0,165 нм).

Константу Гамакера получают расчетным путем. Так ее величина для НЧ диаметром около 100 нм колеблется в пределах (40-70)10-21 Дж.

Теория ДКР не учитывает деформацию в зоне контакта частиц с поверхностью, теория Дерягина-Мюллера- Топорова (ДМТ) учитывает это.

Согласно теории ДМТ, с учетом деформации зоны контакта частиц с поверхностью, сила адгезии равна:

Рад = K-K-rWen, (2)

где Wen - равновесная работа адгезии Wen = ав ап - апе ~ 2 (ап-ав)0’5, ап, ав - поверхностное натяжение подложки и НЧ соответственно, апе - межфазное поверхностное натяжение подложка-НЧ; к - коэффициент пропорциональности (по теории ДКР к = 3/2, а по теории ДМТ к = 2); r - радиус НЧ [1].

Силу адгезии НЧ можно вычислить по значению силы трения. Если сила адгезии (Рад) препятствует отрыву частиц и направлена перпендикулярно к поверхности субстрата, то сила трения (Ртр) действует параллельно и противодействует взаимному перемещению частиц по поверхности. Связь силы трения с силой адгезии отдельных частиц можно представить в следующем виде:

Ртр рРад, (3)

где р - коэффициент внешнего трения.

По аналогии с трением сыпучих материалов значение коэффициента внешнего трения можно получить путём измерения силы Ротр, которая идет на преодоление трения.

Сила трения Ртр равна и противоположно направлена силе Ротр, обусловливающей перемещение наночастицы тангенциально к поверхности. С учетом равенства силы отрыва силе трения вместо уравнения (3) можно записать:

Ротр. р Рад • (4)

Поскольку экспериментально определить адгезию наноразмерных частиц не представляется возможным, измеряют силу Ротр и коэффициент внешнего трения, которые в соответствии с формулой (4) позволяют определить силу адгезии. Коэффициент внешнего трения по отношению к углеродным наноразмерным частицам на поверхности керамических изделий изменяется в пределах 0,15-0,25.

Силу отрыва измеряют при помощи зонда, радиус закругления которого соответствует размеру наночастиц (рис. 1). Зонд может двигаться по плоской, вогнутой или выпуклой поверхности. Сила трения на поверхности различной формы определяется следующим образом:

вог пл вып

F тр F тр F тр,

где F!огтр, Fnmp, Fe mmp соответственно сила трения на вогнутой, плоской и выпуклой поверхности.

Иными словами, при идентичных условиях сила трения на вогнутой поверхности будет максимальной, а на выпуклой поверхности - минимальной. Однако подавляющее большинство исследований проводилось на плоской поверхности.

Зонд движется под действием Fomp с определённой фиксированной скоростью. При движении зонда диаметром 22 нм со скоростью 1 м/с (покрытого платиной со слюдой) по поверхности идеально гладких кристаллов средняя сила отрыва, а, следовательно, и трения составляла 0,5 нН. При небольших скоростях зонд попадает в микродефекты поверхности, а при больших скоростях проскакивает их. По формуле (2) рассчитывают среднюю силу адгезии, которая равна 2 нН [1].

Кроме того, определяли адгезию по отношению не отдельного зонда, а их множества. В частности, применяли сотни ворсинок, каждая из которых имела радиус закругления, соответствующий радиусу НЧ. Экспериментально определяли силу адгезии не отдельных ворсинок, а их значительного числа, что позволило моделировать адгезию множества НЧ.

Идея использования ворсинок для моделирования измерения адгезии НЧ заимствована от уникальной способности ящериц геккона передвигаться по вертикальным стенкам и даже по потолку. Исследования с помощью сканирующего туннельного микроскопа показали, что поверхность каждого из пальцев животного покрыта миллионами ворсинок длиной от 30 до 130 мкм [2]. «Микроворсинки» имеют головки («шляпки») диаметром в десятки нм. На поверхности пальца ящерицы геккона площадью 1 мм2 имеется около 5000 «микроворсинок». Предполагается, что изгиб «ворсинок» при контакте с твердой поверхностью обеспечивает возникновение сил межмолекулярного притяжения. «Ворсинки» состоят из Р-кератина, имеющего модуль упругости, равный 4 ГПа, образуемая ими поверхность является гидрофобной с краевым углом смачивания водой порядка 160° и способна многократно прилипать как к шероховатым, так и к гладким гидрофильным и гидрофобным поверхностям (например, полярного диоксида кремния SiO2 и неполярного арсенида галлия GaAs), обладая при этом свойством самоочищения.

Как уже отмечалось, адгезия определялась по отношению к значительному числу ворсинок (исчисляемому порой тысячами), а затем пересчитывалась применительно к одной ворсинке.

Сила адгезии в расчете на одну ворсинку определялась в зависимости от первоначальной силы прижима ворсинок, смачивания поверхности, а также материала самих ворсинок.

Сила адгезии зависит от способности поверхности смачиваться. Ворсинки прижимались к модифицированной алюминиевой поверхности: гидрофильной, когда краевой угол соответствовал 42,5°, и гидрофобной, когда краевой угол соответствовал 145°. Зависимость силы адгезии от силы прижима ворсинок представлена в таблице 1.

Как и следовало ожидать, гидрофилизация поверхности способствует усилению адгезии наночастиц [3].

Таким образом, для наноразмерных частиц, адгезия зависит от свойств поверхности, силы прижима частиц и других факторов (влажность среды, температура и т.д.).

Полученные различным путем сведения (расчетом, моделированием, косвенно по значению силы трения, а также измерением адгезионного взаимодействия большого числа нанообъектов) показали, что сила адгезии НЧ незначительна и исчисляется десятками нН. Адгезию обусловливает прочное удержание НЧ на поверхности и зависимость от массы самих частиц. Относительная сила адгезии с учетом массы частиц для частиц диаметром 10 мкм равна 103 нН, а НЧ диаметром 10 нм - 1015 нН, т.е. на тринадцать порядков выше абсолютной силы адгезии [4]. Поэтому наноразмерные частицы обладают значительной адгезией и прочно удерживаются на различных поверхностях.

Литература

Зимон А.Д., Павлов А.Н. Коллоидная химия наночастиц. - М.: Научный мир, 2012. - 224 с.

Sitti M., Fearing R. Synthetic gecko foot-hair micro/nanostructures as dry adhesives. Journal of Adhesion Science and Technology. - 2003. - V. 18. - № 7. - Р. 1055-1077.

Зимон А.Д., Павлов А.Н. Инновационные аспекты курса «Коллоидная химия наночастиц» // Стратегия развития образования: эффективность, инновации, качество / Материалы XIV научно-методической конференции, посвященной 55-летию МГУТУ. - Т. 3. - М.: МГУТУ, 2008. - С. 139-144.

Зимон А.Д. Коллоидная химия. - М.: Агар, 2007. - 342 с.

УДК 331.101.3 ББК 65.29


Павлов А.Н., доцент, Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского (Первый казачий университет), г. Москва





МОЙ АРБИТР. ПОДАЧА ДОКУМЕНТОВ В АРБИТРАЖНЫЕ СУДЫ
КАРТОТЕКА АРБИТРАЖНЫХ ДЕЛ
БАНК РЕШЕНИЙ АРБИТРАЖНЫХ СУДОВ
КАЛЕНДАРЬ СУДЕБНЫХ ЗАСЕДАНИЙ

ПОИСК ПО САЙТУ