Mirzo ulug’bek nomidagi O’zbekiston milliy universiteti fizika fakulteti Yarimo’tkzagichlar va polimerlar fizikasi kafedrasi 5A140210

Mirzo ulug’bek nomidagi O’zbekiston milliy universiteti fizika fakulteti

Yarimo’tkzagichlar va polimerlar fizikasi kafedrasi 5A140210

“kichik o’lchamli holatlar va nanotuzulmali materiallar fizikasi”

Yo’nalishi 2-kurs magistranti Saydaliyev Abdulborining

“Nanofizika va polimerlar nanomaterialshunosligi” fanidan yozgan nazorat ishi

Topshirdi: A.SAYDALIYEV

Qabul qildi : f-m.fn M.Karabayeva


Savollar:

1. 
   Nanomateriallarni tadqiq etishning skaynerlovchi elektron mikraskopiya usuli
   
2. 
   Fulurenlar va nanotrubkalar.
   
3. 
   Polimerlarning qo‘shiluvchanligi
   

Nanomateriallarni tadqiq etishning skaynerlovchi electron mikraskopiya usuli

Bugungi kunda nanomateriallarni tadqiq etish uchun skanerlash elektron mikroskopi qo'llanilmoqda. Maxsus mikroskopning kattalashishi 1 000 000 martaga etadi va o'lchamlari nanometrlarda o'lchanadi. Darhaqiqat, uning imkoniyatlari klassik nur mikroskopining chegaralaridan kamida 500 marta oshadi. Elektron mikraskoplar eng so’ndi mikraskoplardan hisoblanadi. Agar optik mikroskop bizga bir necha yuz yillardan beri tanish bo'lsa, birinchi elektron mikroskop faqat 1931 yilda ishlab chiqilgan (skanerlash keyinroq ham - 1938 yilda). Uning yaratilishi haqidagi nazariy taxminlar biroz oldinroq - 1926 yilda, nemis fizigi Xans Bush zaryadlangan chastotalar harakatiga elektromagnit maydonlarning ta'sirini isbotlagan va elektromagnit linzalarni ixtiro qilganida paydo bo'lgan.

Skanerlash elektron mikroskopi nanomateriallar va nanostrukturalarni diagnostikasida eng ko'p qo'llaniladigan usullardan biridir. Skanerlash elektron mikroskopining rezolyutsiya chegarasi bir necha nanometrga yaqinlashadi va kattalashtirish osonlik bilan ~ 10 dan 300000 gacha o'zgarib turadi.SEM nafaqat an'anaviy optik mikroskoplar singari sirt topografiyasi haqida ma'lumot beradi, balki sirtga yaqin mintaqaning kimyoviy tarkibi haqida ham ma'lumot beradi.Oddiy skanerlash elektron mikroskopida energiyasi bir necha yuz eV dan 50 keV gacha bo'lgan elektron nurlari namuna yuzasiga juda kichik, taxminan 5 nm diametrli nuqtaga qaratiladi, bu esa sirtni burilish lasan tizimi bilan skanerlaydi. Elektronlar sirt bilan to'qnashganda va uning ichiga kirib borganda, namunadagi elektronlar va fotonlar chiqishiga olib keladigan bir qator o'zaro ta'sirlar sodir bo'ladi va chiqarilgan elektronlar katod nurlari naychasiga kirganda unda SEM tasvirlari hosil bo'ladi.

Har xil skanerlash elektron mikroskopiya usullari aniqlanadigan va tasvirlanadigan narsalarda farq qiladi va SEM-da hosil bo'lgan asosiy tasvirlar uch turdan biriga kiradi: ikkilamchi elektronlar tomonidan hosil qilingan tasvirlar, orqaga taralgan elektronlar va elementlarning rentgen xaritalari. Yuqori energiyali birlamchi elektron atom bilan o'zaro aloqada bo'lganda, u yoki atomdagi elektronlar bilan elastik bo'lmagan to'qnashuvga yoki atom yadrosi bilan elastik to'qnashuvga uchraydi.Elektron bilan noelastik to'qnashuv jarayonida tushayotgan elektron o'z energiyasining bir qismini boshqa elektronga o'tkazadi. O'tkazilgan energiya etarlicha katta bo'lganda, namunadan ikkinchi elektron chiqariladi. Agar chiqarilgan elektronning energiyasi 50 eV dan kam bo'lsa. u ikkilamchi elektron deb ataladi.

Orqa sochilgan elektronlar - bu yuqori energiyali elektronlar bo'lib, ular elastik tarqalishga uchragan va asosan tushgan energiya bilan bir xil yoki asosiy elektronlarga ega. Orqaga chiqish ehtimoli namuna elementining atom soniga qarab ortadi. Orqaga sochilgan elektron tasvirlarni elementar tahlil qilish uchun ishlatib bo'lmaydigan bo'lsa ham, namunadagi atomlar soni Z bilan sezilarli farq qiladigan mintaqalar o'rtasida sezilarli farqni kuzatish mumkin.
Optik tizimlar uchun echib bo'lmaydigan rezolyutsiya chegarasi borligi aniq bo'lganda yangi kattalashtirish moslamasini yaratish zarurati paydo bo'ldi. Ko'rinadigan yorug'likning to'lqin uzunligi jiddiy cheklovlarni keltirib chiqaradi, shuning uchun kichik mikroskoplarda (200 nm dan kam) kuzatib bo'lmaydi. Ammo biz fotonlarni to'lqin uzunligi qisqaroq elektronlar bilan almashtirsak, chegaralar engib bo'lmaydigan bo'lib qoladi. Ushbu fikr elektron mikroskopni skanerlash usulining asosihisoblanadi.
Skanerlash elektron mikroskopi qanday ishlaydi? Yorug'lik manbai o'rniga u erda elektronlarni "otadigan" elektron qurol mavjud. Elektron nurlari maxsus burilish rulonlari tomonidan boshqariladi va elektromagnit va elektrostatik linzalar tomonidan namunaga yo'naltirilgan. Natijada olingan rasm alohida qurilma tomonidan yozib olinadi. 1960 yilgacha rasm kineskopda namoyish etilib, plyonkada yozib olingan edi, endi eskirgan texnologiyalar raqamli formatga almashtirildi.Zond mikroskopini skanerlash usuli deyarli uch o'lchovli tasvirni - o'rganilayotgan namunaning maydoni xaritasini olishga imkon beradi. Bundan tashqari, elektron nur hujayralarning kimyoviy tarkibini "tekshirishga" qodir. Imkoniyatlari tufayli usul turli sohalarda qo'llaniladi: tibbiyot, biologiya, fizika, elektronika, materialshunoslik va boshqalar.

Ammo elektron mikroskopi ham salbiy xususiyatlarga ega. Elektronlar oddiy muhitda erkin harakatlana olmaydi. Ularni boshqarish uchun sizga havosiz joy (vakuum) kerak. Ushbu cheklovlar bilan mikroskoplarni yaratish juda qimmatga tushadi. Plyus elektronlar elektromagnit maydonga sezgir, shuning uchun mikroskop o'rnatilgan xonada begona nurlanish manbalari bo'lmasligi kerak.

Fulurenlar va nanotrubkalar.

1991 yilda Yaponiyaning  Tsukuba Science City, , NEC korporatsiyasining fundamental tadqiqot laboratoriyasidan Iijima Sumio, C₆₀ hosil bo'lish sharoitida chiqarilgandan so'ng, uglerod elektrodlari uchida o'sadigan qattiq moddalardan olingan materialni o'rganib chiqdi. Iijima qattiq jismlar ko'p konsentrik "grafen" silindrlardan tashkil topgan mayda naychalardan iborat ekanligini aniqladi, har bir silindr devori olti burchakli halqalarga joylashtirilgan uglerod atomlari varag'idan iborat. Shilinglar odatda yopiq uchlari bo'lgan va uzunligi 2 dan 10 mikrometrgacha (metrning millioninchi qismi) va diametri 5 dan 40 nanometrgacha (metrning milliarddan bir qismi) bo'lgan. Keyinchalik yuqori aniqlikdagi uzatish elektron mikroskopi natijasida ushbu ko'p devorli uglerodli nanotubalar (MWNT) uzluksiz ekanligi va qo'shni qatlamlar orasidagi bo'shliq grafit varaqlari orasidagi kuzatilgan masofaga yaqin 0,34 nanometrga teng ekanligi aniqlandi. Muayyan naychadagi konsentrik tsilindrlarning soni 3 dan 50 gacha bo'lgan va uchlari odatda beshburchak halqalarni o'z ichiga olgan (naychalarni yopish uchun zarur bo'lgan) fulleren gumbazlari bilan yopilgan. Tez orada kobalt-nikel katalizatoridan foydalanilsa, bitta devorli nanotubalar (SWNT) ushbu usul bilan ishlab chiqarilishi mumkinligi ko'rsatildi. 1996 yilda Smalli boshchiligidagi guruh kobalt va nikel bilan singdirilgan uglerodni lazer yordamida bug'lash orqali yuqori tozaligida SWNT ishlab chiqardi. Ushbu nanotubalar asosan cho'zilgan fullerenlardir. Individual uglerodli nanotubalar naychalar devorlaridagi olti burchakli halqalar qatorlarining spiral yo'nalishiga qarab metall yoki yarim o'tkazgich bo'lishi mumkin. SWNTlar elektronni tashish va elektr o'tkazuvchan isitishga olib keladigan diffuziyali jarayonni elektr transporti orqali o'tkazishdan ko'ra, ballistik transportni namoyish etadi, bu juda samarali va tez o'tkazuvchanlik jarayoni bo'lib, unda trubaning devori yoki uning atrofi bo'ylab tarqalishining oldini olingan elektronlar. uglerod atomlarining muntazam olti burchakli massivi, kolba o'qi bo'ylab tez tarqaladi.

Uglerodli nanotubalar ilgari eng yaxshi issiqlik o'tkazuvchisi deb tan olingan olmosga qaraganda tezroq fonon tashishni namoyish etadi va nanotubalarning elektr tokini o'tkazish qobiliyati misdan to'rt baravar yuqori. Youngning MWNT moduli (ularning egiluvchanligi yoki cho'zish yoki siqishni tiklash qobiliyati o'lchovi) tadqiqotchilar tomonidan uglerod tolalaridan 5 dan 10 gacha kattaroq deb taxmin qilinadi. uglerod atomlari orasidagi bog'lanish saqlanib qoladigan chayqalish yoki burish kabi qaytariladigan elastik deformatsiyalar ketma-ketligi.

Nanokimyada uglerodning ahamiyati juda ktta, fullerenlar va nanoquvurlarning kashf etilishi ham ko’p jihatdan ana shunga bog’liq.

Fullerenlar – shakliga ko’ra futbol to’pini eslatadigan sharsimon karkas strukturali 40 tadan ko’proq uglerod atomlaridan iborat klasterlardir (2.2-rasm). Fullerenlar o’z nomlarini arxitekturada shunga o’xshash strukturalardan foydalanishni o’ylab topgan arxitektor Fuller nomidan olishgan.

Eng turg’un fulleren C60 bo’lib, uni 1985 yilda Kroto xodimlari bilan topgan. Fullerenlarni tadqiq eta borib turli miqdordagi - 36 dan 540 gacha uglerod atomlaridan iborat klasterlar olindi.

1991 yili yapon olimi Sumio Iijima uglerodli uzun strukturalarni aniqladi, keyinchalik ularni nanoquvurlar deb ataldi.

Uglerodli nanotubalar va fullerenlar - bu bo'shliq tuzilishi va g'ayrioddiy issiqlik, elektr va mexanik xususiyatlari bilan ajralib turadigan uglerodning allotroplari. Sharsimon fullerenlar shuningdek bakki to'plari deb ataladi, silindrsimon shakllar esa nanotubalar deb nomlanadi. Ushbu tuzilmalarning devorlari bitta qatlamli uglerod atomlaridan (grafen) iborat.

Fullerenlar va nanoquvurlar nanotextexnologiyalarning eng ko’p tadqiq etiladigan, bir qator g’aroyib xossalarga egabo’lgan va fan va texnikada keng qo’llanilayotgan ob’ektlari hisoblanadilar. Silindrik egilmagan nanotrubkalar takrorlanadigan uglerodli oltiburchaklardan  hosil  bo’ladi.  Agar  uglerodli  olti  burchakni,  besh  burchakka yetti burchakka yoki ikkita va yettita nuqsonlarga almashtirilsa nanotrubka egiladi. Egilishga  nisbatan  turli  tomonlarning  uglerodli  olti  burchaklarning  orientatsiyasi turlicha    bo’ladi.  Nanotrubka  o’qiga  olti  burchaklarning  orientatsiyasi  o’zgarishi bilan uning elektron spektri, Fermi sathining joylashuvi, optik tirqish kengligiga va hokazolar o’zgaradi. Xususiy holda egilishga nisbatan nanotrupka chapdan metall o’ng tomondan esa yarim o’tkazgich bo’lishi kerak. Shunday qilib bu egilgan nano trupka  o’zining  molekulyar  getero  o’tish  metall  yarim  o’tkazgichni    namoyon  etadi.  Nanotrubkaning  berilgan  bo’laklarini  izolyatsiyalangan  deb  qaralsa, egilishga  nisbatan  turli  tomonlarning  Fermi  sathidagi  elektronlar  turli energiyalarga  ega.  Butun  sistemada  energiyadan  yutish  zaryad  oqimiga  va potensial  bar’yerning  hosil  bo’lishiga  olib  keladi.  Bunday  o’tishda  elektr  toki faqatginaelektronlar  nanotrubkaning  katta  Fermi  energiyali  sohasidan  quyi energiyali sohasiga o’tganida oqadi. Boshqacha aytganda tok faqat bir yo’nalishda oqishi mumkin.  Egilgan  nanotrubkadan  tokning  “bir  tomonlama”  oqishi  elektron sxemalardan asosi bo’lgan “to’g’rilagich diodlarni” ishlab chiqarishda ishlatiladi.

Polimerlarning qo‘shiluvchanligi

Sanoatda qo'llaniladigan polimer qatronlar va kompozitlarning ko'pi sirtsiz erkin energiyaga ega va ularning yuzasida qutbli funktsional guruhlar mavjud emas, natijada yopishqoqlik xususiyati yomonlashadi. So'nggi o'n yillikda polimerlarning yopishqoqligini tushunish uchun kuchli tadqiqot tezligi avtomobilsozlik va aviatsiya sanoatining tarkibiy qismlari va sirt qoplamalarini yaxshiroq yopishtirishga bo'lgan ehtiyojining ortishi bilan bog'liq. Oxirgi paytlarda mexanik bog'lanish, kimyoviy bog'lanish va termodinamik yopishqoqlikning yopishish mexanizmlari bo'yicha olib borilgan tadqiqotlar muhokama qilinadi. Yopishqoqlikni oshiruvchi vositalarning maydoni plazma va kimyoviy davolanishga yo'naltirilgan holda, yopishqoqlikni o'lchashning bevosita usullari bilan birgalikda ko'rib chiqiladi.

Polimer qo‘shiluvchanligi turli omillarga bog‘liq. Ikki polimerning bir-biriga yopishishi ularning qutub molekulalarining yaqinligi bilan belgilanadi. Yopishqoqlik kuchining oshishiga quyidagilar sabab bo'ladi:

-polimerning molekulyar massasini kamaytirish;

-makromolekulalarning dallanishi kuchaygan;

-haroratning oshishi, bosim;

- sirtlarning kantakt vaqtining ko'payishi.


Molekulalararo kimyoviy bog'lanishlarning mavjudligi makromolekulalarning tarqalish ehtimoli keskin pasayishiga va natijada yopishqoqlikning pasayishiga olib keladi.

Diffuziya tezligi polimer zanjirlarining molekulyar massasi va egiluvchanligiga bog'liq bo'lgani uchun yuqori elastik yoki yopishqoq oqim holatida bo'lgan past molekulyar og'irlikdagi polimerlar ko'proq yopishqoqlikni namoyish etadi. Shisha yoki kristalli polimerlar yopishqoqlikni sezilarli darajada pasaytiradi. Buning sababi sirtlarning kichik aloqa maydoni, polimerning oqish qobiliyatining etishmasligi, shuningdek interdiffuziya tendentsiyasining pasayishi. Agar polimerlardan biri shisha holatida bo'lsa, ikkinchisi yuqori elastik yoki yopishqoq suyuqlikda bo'lsa, bir tomonlama diffuziya tufayli ularning orasidagi yopishish mumkin. Agar bu holda, oynali polimerda makromolekulalarning o'rash zichligi yuqori bo'lsa yoki polimerda kristal faza bo'lsa, diffuziya imkoniyatlari kamayadi va yopishish kamayadi. Makromolekulalarning qutblanishining ma'lum chegaraga ko'tarilishi qutbli substratga yopishqoqlikning kuchayishiga yordam beradi. Polarlikning yanada oshishi bilan makromolekulalarning harakatchanligi va yopishqoqligi pasayadi. Agar substrat qutbsiz bo'lsa, unda, qoida tariqasida, polarligi past bo'lgan polimerlar unga ko'proq yopishadi. Diffuziya nazariyasi. Yopishtirish, xuddi avtogeziya singari, molekulalararo kuchlar hisobiga sodir bo'ladi va zanjir molekulalarining yoki ularning segmentlarining diffuziyasi makromolekulalarning maksimal darajada interpenetratsiyasini ta'minlaydi, bu esa molekulyar aloqa kuchayishiga yordam beradi. Ushbu nazariya, ayniqsa, polimer-polimer yopishqoqligi holatida juda mos keladi, chunki u makromolekulalarning asosiy xususiyatlari - zanjir tuzilishi va egiluvchanligidan kelib chiqadi. Qoida tariqasida, faqat yopishqoq molekulalar tarqalish qobiliyatiga ega. Ammo, agar yopishtiruvchi eritma sifatida qo'llanilsa va substrat eritmada shishishi yoki erishi mumkin bo'lsa, substratning yopishqoqqa sezilarli darajada tarqalishi mumkin. Ushbu ikkala jarayon ham fazalar orasidagi chegaraning yo'qolishiga va yopishqoqlikning paydo bo'lishiga olib keladi, bu bir polimerdan ikkinchisiga bosqichma-bosqich o'tishni anglatadi. Shunday qilib, polimer yopishqoqligi ommaviy hodisadir.