шпоры ТиЭМИСМ. 1. Определение умных материалов, примеры подобных материалов. Умные
 Скачать 32.56 Kb.
|
|
1. Определение «умных» материалов, примеры подобных материалов. «Умные» материалы, или, по-другому, интеллектуальные материалы–это материалы, которые способны изменять свои свойства под воздействием каких-либо внешних факторов. Примеры подобных факторов: механические напряжения, электрические или магнитные поля, температура, свет или другое электромагнитное излучение, свойства среды и т.д. «Самовосстанавливающиеся материалы, которые могут самостоятельно залечивать возникающие в них дефекты. Сплавы с «эффектом памяти» («памятью формы») после деформации восстанавливают свою первоначальную форму при нагреве. Самосмазывающиеся материалы уменьшают трение или износ. Самоочищающиеся материалы отталкивают воду, органические жидкости и прочие загрязнения Магнитореологические и электрореологические жидкости – в магнитном или, соответственно, электрическом поле резко увеличивают вязкость. Электрохромные материалы меняют оптические свойства при электрических воздействиях. «Умные» гидрогели способны набухать по сравнению с исходными габаритами на порядки (до 1000 раз). Гидрогели имеют сетчатую, «сшитую» структуру и состоят из гидрофильных гомо- или сополимеров. 3. Квантовые точки – определение, свойства и применение. Квантовые точки это полупроводниковые наночастицы у которых электронные и оптические свойства зависят от их размера (квантово-размерный эффект). Электрон в квантовой точке способен возбуждаться до состояния более высокой энергии, когда квантовые точки освещаются ультрафиолетовым светом. Этот процесс отвечает за переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. Возбужденный электрон может упасть обратно в валентную зону, высвободив свою энергию за счет излучения света. Это излучение света (фотолюминесценция), Цвет этого света зависит от разности энергий между зоной проводимости и валентной зоной. 4. Жидкие кристаллы – определение, свойства и применение. Жидкокристаллическое состояние вещества — это особое фазовое состояние, когда вещество обладает свойствами и жидкости, и кристалла. По реологическим свойствам вещество является жидкостью - оно течет, принимает форму сосуда, в который помещено, образует капли. Одновременно с этим вещество проявляет ряд свойств, типичных для кристалла: анизотропию оптических, магнитных, механических, электрических характеристик. Анизотропия – различие свойств данной среды в зависимости от направления внутри нее (например, показатель преломления, скорость звука или теплопроводность) Характерной особенностью структуры жидких кристаллов является чрезвычайно высокая мобильность, т. е. способность легко подвергаться структурным перестройкам. Структурные элементы связаны слабыми дисперсионными силами. Поэтому небольшие внешние воздействия (температура, электрические и магнитные поля, механические напряжения) приводят к заметным изменениям в структуре жидких кристаллов и, следовательно, изменяют их физические свойства. Применение жидких кристаллов ЖК-дисплеи Термография. 3. Электронные индикаторы. 5.Системы адресной доставки лекарств – определение и примеры структур. Под адресной доставкой лекарств понимают транспортировку молекул лекарственного вещества к мишени с помощью управляемого носителя, коим могут выступать молекулы или частицы. В настоящее время идею направленного транспорта лекарств реализуют, выбирая носитель, связывая его с переносимым ЛС и обеспечивая доставку к патологическому очагу. В адресной доставке лекарств используются наночастицы – носители, размер которых не должен быть более одного микрона (тысячи нанометров). Системы доставки создаются путем помещения ЛС либо в нанокапсулу, в которой лекарство находится в полости, окруженной проницаемой мембраной, либо в наносферу, в которой лекарство диспергировано по всему объему. Существенным преимуществом таких систем доставки является защита активных лекарственных средств от распада и метаболизма. Также системы доставки получают путем связывания ЛС с поверхностью носителя– наночастицы, в этом случае оно не защищено от распада в организме под воздействием среды. В качестве носителей ЛС выступают липосомы, полимерные наночастицы, углеродные наночастицы, клетки крови, наночастицы металлов, оксидов и др 6. Оптическая микроскопия – общий принцип, разрешающая способность. Общими для всех линзовых оптических микроскопов являются принципы формирования увеличенного изображения объекта в видимом свете (а также УФ и ИК) за счет его преломления и фокусировки на оптической линзе. Линза это симметричная деталь из оптически прозрачного материала, например стекла, кристалла, полимера и т.п. Преломление и фокусировка достигается за счет разности показателей преломления материала линзы и окружающей среды, а также геометрии самой линзы. Традиционно, оптический микроскоп состоит из следующих основных элементов: осветителя и конденсора (линза фокусирующая освещение), объектива (линза или линзовый узел, обращенный к объекту), окуляра (линза или линзовый узел, обращенный к глазу наблюдателя). Микроскоп проходящего света просвечивает прозрачную или полупрозрачную пробу и предоставляет плоское цветное изображение, суммированное по толщине. Оптическая микроскопия отраженного света предоставляет цветное изображение деталей поверхности хорошо отражающих свет малопрозрачных проб. Предельно достижимое разрешение оптической микроскопии не превышает 0,2 мкм, что не достаточно для работы с наноструктурами. 7. Флуоресцентная микроскопия – особенности, разрешающая способность, описание микроскопа. Флуоресценция – способность ряда веществ после поглощения света с одной длиной волны излучать свет с другой, как правило, большей длиной волны. Флуоресцентная микроскопия – разновидность оптической микроскопии, использующая данное явление для изучения свойств органических и неорганических препаратов. Необходимым условием для наблюдения препарата с помощью флуоресцентного микроскопа является присутствие в образце молекул, обладающих флуоресцентными свойствами. Устройство флуоресцентного микроскопа отличается от обычного микроскопа наличием дополнительных фильтров. Первый из них помещают перед конденсором; он пропускает только те компоненты, которые необходимы для эффективного возбуждения флуоресценции. При поглощении этого излучения молекулы, начинает испускать фотоны с большей длиной волны. Второй светофильтр, установленный после объектива, пропускает к глазу наблюдателя только флуоресцирующие области препарата. 8. Электронная микроскопия – общий принцип, разрешающая способность. Электронный микроскоп – прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электроны способны проникать сквозь тонкие слои материалов, отражаться и рассеиваться материалами. Электронные микроскопы в массе своей является вакуумными приборами, так как при нормальном атмосферном давлении электронный пучок сильно рассеивается и поглощается, что делает невозможным его фокусировку. Поэтому рабочий вакуум в камере микроскопа должен быть 10−5тор., или лучше. В электронной микроскопии, в отличие от оптики используются не стеклянные, а электромагнитные линзы, представляющие собой многослойные катушки по которым пропускают постоянный ток. За счет создания определенной геометрии поля электомагнитной линзой электроны могут быть собраны в одну точку (фокус). Изображения, получаемые методом электронной микроскопии являются черно-белыми и определяют характер отражения, испускания, поглощения и пропускания электронов структурой пробы Длина волны разогнанного электрона определяется величиной ускоряющего напряжения (формула Дебройля). И в современных приборах предел разрешающей способности составляет до 0,1 нм, что достаточно для исследования атомарных и молекулярных структур 9.Сканирующая электронная микроскопия – особенности, разрешающая способность, описание микроскопа. Растровый электронный микроскоп – это прибор для получения увеличенного изображения объекта путем сканирования по поверхности объекта сфокусированным пучком электронов и регистрации детекторами вторичных частиц и излучений, возникающих в результате взаимодействия первичных электронов с веществом образца. Электронно-оптическая система (колонна), как правило, состоит из: - конденсорной линзы; диафрагмы; отклоняющей системы; объективной линзы. Конденсорная линза предназначена для уменьшения диаметра пучка электронов, вышедших из источника электронов. Объективная линза используется для фокусировки электронного пучка на поверхность исследуемого образца. Отклоняющая система используется для сканирования пучком по поверхности образца позволяет менять направление сканирования, При энергии электронов 100 кэВ длина волны λ = 0,0037 нм и предельное разрешение электронного микроскопа имеет порядок 0,2 нм. При более высоких ускоряющих напряжения разрешающая способность еще выше. 10. Просвечивающая электронная микроскопия – особенности, разрешающая способность, описание микроскопа. Обычная ПЭМ является важнейшим инструментом визуализации внутренней микроструктуры сверхтонких образцов. Электронный луч не сканирует пробу а формирует изображение полностью. Поскольку в ПЭМ необходимо «просветить» пробу электронами насквозь, используется большие чем в РЭМ ускоряющие напряжения, до 1 МВ и более протяженная электронно-оптическая система. ПЭМ-изображение – это двумерная проекция внутренней структуры материала. Для исследования в ПЭМ используются экстремально тонкие пробы (до единиц нм толщиной) в виде дисков диаметром 3 мм. Основная задача ПЭМ в области материаловедения ‒ анализ дефектов кристаллической структуры методом дифракционного контраста и объяснение структурных особенностей дифракцией электронов. Пучок электронов, испускаемый электронной пушкой, фокусируется с помощью конденсорной линзы в маленькое пятно ≈ 2–3 мкм в диаметре на образце и после прохождения через образец фокусируется с помощью объективной линзы для получения проекции увеличенного изображения образца на специальном экране или детекторе. 11. Атомно-силовая микроскопия – общий принцип, разрешающая способность, описание микроскопа. СЗМ – один из мощных современных методов исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с высоким пространственным разрешением. Если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ ― ощупывается. Принцип сканирования перемещение зонда от точки к точке, от линии к линии и считывание информации в каждой точке.. При работе зондовых микроскопов необходимо контролировать рабочее расстояние зонд-образец и осуществлять перемещения зонда в плоскости образца с высокой точностью Эта задача решается с помощью сканирующих элементов Сканирующие элементы зондовых микроскопов изготавливаются из пьезоэлектриков ― материалов, меняющих свои размеры во внешнем электрическом поле. В основе АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце. Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В АСМ для этой цели широко используются оптические методы. На выступающем конце кантилевера (над зондом) 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. Данные фотодетектора используются в системе ОС, которая передает данные о ней в компьютерную систему, управляющую движением сканера. 12. Спектрофотометрия – принцип действия метода, общее описание устройства. Фотометрия – оптический метод анализа, основанный на поглощении электромагнитного излучения анализируемым веществом. Различают фотометрию в УФ-, видимой и ИК-областях. Спектрофотометр – оптический прибор, который разлагает световой поток на непрерывный спектр и позволяет измерять его на любой длине волны в пределах оптического диапазона. В качестве диспергирующего устройства, разлагающего свет на монохроматический, используется диспергирующая призма или дифракционная решетка. Основные элементы спектрофотометра представлена на рисунке. Свет пропускается через монохроматор, чтобы обеспечить выбор желательной области спектра, которую нужно использовать для измерений. Щели нужны, чтобы выделить узкий луч света и, тем самым, улучшить цветную чистоту. Свет затем проходит через поглощающую ячейку (кювету), где часть излучательной энергии поглощается, в зависимости от природы и концентрации раствора. Не поглощенный свет попадает на фотоприемник (фотоэлемент, фотоумножитель, фотодиод и др.), преобразующий энергию излучения в электрический сигнал, величина которого может быть зарегистрирована измерительным устройством и выведена на стрелочный или цифровой индикатор. 13. Динамическое светорассеяние – принцип действия метода, общее описание устройства. Метод ДРС основан на анализе спектра рассеянного лазерного излучения на исследуемом образце. После взаимодействия лазерного луча с исследуемым образцом в рассеянном свете имеется информация о частицах, на которых рассеялось лазерное излучение. Из анализа рассеянного света можно получить информацию о частицах, такую как размер частиц, их форма, распределение частиц по размерам, концентрация, коэффициент диффузии. ДСР измерения размера частиц в растворах, обычно в диапазоне 5 нм - 100 мкм. Параметром измерения динамического рассеяния света является броуновское движение частиц. Он и связывает его с размером частиц. DLS предоставляет данные о гидродинамическом действии наночастиц. При динамическом рассеянии света скорость, с которой частицы рассеиваются из-за броуновского движения, измеряется путем измерения скорости, с которой интенсивность рассеянного света колеблется.. Эти колебания интенсивности рассеянного света возникают в маленькой кюветке, содержащей частицы. Стационарная кювета освещается лазером, а рассеянный свет регистрируется детектором. Детектор преобразует интенсивности рассеянного света в электрические сигналы, которые затем отправляются на коррелятор для дальнейшей обработки. Наконец, компьютер с предустановленным программным обеспечением DLS строит корреляционную кривую и производит расчеты для представления обобщенных данных о гидродинамическом размере частиц в анализируемых растворах. Размер частицы рассчитывается из коэффициента поступательной диффузии с использованием уравнения Стокса-Эйнштейна. 14. Электронный парамагнитный резонанс – принцип действия метода, общее описание устройства. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный магнитный резонанс (ЯМР) используют принцип магнитного резонанса. Оба метода основаны на том, что в веществе, помещенном в сильное магнитное поле, при определенной напряженности под влиянием высокочастотного излучения создают условия для перехода электронов или ядер с одного магнитного уровня на другой. Этому переходу соответствует поглощение веществом энергии радиоволн электронами (ЭПР) и ядрами (ЯМР). Явление (ЭПР) заключается в резонансном поглощении электромагнитного излучения в диапазоне радиочастот веществами, помещенными в постоянное магнитное поле, и обусловленное квантовыми переходами между энергетическими подуровнями, связанными с наличием магнитного момента. Если облучать парамагнитное вещество радиоволнами строго постоянной частоты и мощности, то, меняя напряженность магнитного поля, всегда можно подобрать ее так, что частота вращения электрона совпадет с частотой радиоволны. При их резонансе радиоизлучение начнет поглощаться. (Можно напряженность магнитного поля оставлять постоянной, а изменять частоту радиоизлучения, но на практике этот вариант используют крайне редко.) Поглощение радиоизлучения обусловлено переходом электронов в веществе с одного магнитного уровня на другой, в частности с нижнего уровня на верхний. В спектрометрах ЭПР поглощенную образцом высокочастотную энергию регистрируют в виде спектра в координатах: "интенсивность поглощения высокочастотной энергии I – напряженность магнитного поля Н при постоянной частоте. 15.Ядерный магнитный резонанс – принцип действия метода, общее описание устройства. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса – вид спектроскопии, которая регистрирует переходы между магнитными энергетическими уровнями атомных ядер, вызываемые радиочастотным излучением. В сущности, эксперимент ЯМР состоит в том, чтобы сообщить энергию ядру и перевести его с одного энергетического уровня на другой, более высокий уровень. К сказанному следует добавить следующее: сигналы в спектрах ЯМР могут давать только ядра атомов, обладающих нечетным спиновым числом. Метод ядерного магнитного резонанса позволяет осуществлять количественное определение наличия определенных химических соединений в исследуемом образце. Исследуемый образец помещается внутрь магнита ЯМР-спектрометра. Сигналы, принимаемые от образца после приложения магнитного поля, передаются в компьютер для построения ЯМР-спектра 19. Микрофлюидика – определение, описание микрофлюидных «чипов», применение Микрофлюидика – перспективная междисциплинарная область исследований, посвященная манипулированию микрообъемами жидкостей и растворов различных химических веществ в каналах размером от десятков до сотен микрометров. Микрофлюидика управляет потоками жидкостей на микрометрической шкале. Это позволяет резко снизить расход реагентов для проведения исследования и сократить время выполнения некоторых сложных реакций. Микрофлюидика предоставляет уникальные возможности для синтеза и регулирования свойств наночастиц, а также систем доставки лекарственных средств. В микрожидкостных чипах можно одновременно осуществлять несколько химических реакций, а также массообменных процессов, таких как смешение компонентов и т.д. Микрофлюидные устройства недороги в изготовлении и требуют минимум дополнительного оборудования. Ключевым компонентом является микротекучий чип, похожий на электронный чип, но с проточными каналами вместо токопроводящих схем Производство микрожидкостных чипов. Чипы изготавливаются методом мягкой литографии. Это сложный процесс, включающий несколько высокотехнологичных этапов. Микрожидкостные каналы обычно изготавливаются из полидиметилсилоксана (ПДМС), который представляет собой прозрачный полимер, обеспечивающий оптимальные условия для дальнейших оптических микроскопических исследований процессов, происходящих внутри микроканалов. 20.Установка для реализации процессов в микроканалах – необходимые устройства и их назначение. Оборудования для данного практикума цифровой оптический микроскоп, микрофлюидные устройства, шприцевые насосы и реагенты для проведения исследования. Лабораторный практикум начинается с установки микрофлюидного чипа на держатель цифрового оптического микроскопа и подключением к нему питающих трубок с растворами компонентов. Процессы происходящие внутри микроканала исследуют с помощью оптического микроскопа, которая передает изображение на монитор компьютера и позволяет записывать материалы для анализа. 17.Численные методы – принцип и применение. Численное моделирование – это создание математической модели изучаемой системы и дальнейшее ее исследование с использованием численных методов, которые реализуются на компьютере. Исследование разнообразных систем или объектов осуществ-ляется с помощью математических методов и математической модели. Математическая модель представляет собой формализованное опи-сание на языке математики исследуемого явления. Таким формализо-ванным описанием может быть система линейных, нелинейных или дифференциальных уравнений, система неравенств, определенный интеграл, полином с неизвестными коэффициентами и т. д. Математи-ческая модель должна передавать важнейшие характеристики иссле-дуемого объекта и отражать связи между ними. Основная идея метода конечных элементов (МКЭ) – аппроксимация сплошной среды с бесконечным числом точек и степеней свободы совокупностью элементов конечно малого размера, связанных между собой в узлах В настоящее время МКЭ получил глубокие теоретические обоснования и применяется для решения весьма широкого круга задач, например: • стационарные задачи распространения тепла , диффузии, распределения электрического поля, другие задачи теории поля; • задачи гидромеханики, в частности, течение жидкости в пористой среде; • задачи механики и прочности, в т.ч. проектирование самолётов, ракет и различных пространственных оболочек; |