7. Pojęcie powierzchni i zjawisk powierzchniowych - np. napięcie powierzchniowe

* Powierzchnia to dwuwymiarowy odpowiednik pojęcia krzywej.
* Powierzchnia to zbiór punktów (miejsce geometryczne) o tej własności, iż możemy wokół każdego jej punktu zbudować (niewielką) sferę, która w przecięciu z tym zbiorem daje jedynie obiekty jednowymiarowe (krzywe).

* Zjawiska powierzchniowe - zjawiska fizyczne zachodzące na powierzchni fazy skondensowanej (ciała stałego lub cieczy). Należą do nich między innymi zwilżanie, przyleganie, adsorpcja

1. W fazach skondensowanych pomiędzy cząsteczkami istnieją silne oddziaływania przyciągające.
W pobliżu powierzchni (granicy faz) są one jednak niezrównoważone. Fakt ten jest przyczyną istnienia szeregu zjawisk na granicy faz, m. in. napięcia powierzchniowego (międzyfazowego) i adsorpcji.

2. Cząsteczki w warstwie przypowierzchniowej znajdują się w odmiennym stanie energetycznym niż cząsteczki we wnętrzu fazy (energia powierzchniowa).

3. Wielkość σ nazywamy napięciem powierzchniowym i definiujemy jako pracę niezbędną do zwiększenia powierzchni granicy międzyfazowej o jednostkę. Możemy zatem zdefiniować napięcie powierzchniowe również jako siłę styczną do powierzchni cieczy w kierunku prostopadłym do liniowego przekroju powierzchni cieczy, przypadającą na jednostkę długości granicy międzyfazowej.

4. W przypadku kropli będącej w styku z podłożem musimy, prócz siły napięcia powierzchniowego
i siły grawitacji, uwzględnić również siły oddziaływań ciecz - podłoże, które to siły mogą być zarówno większe od siły napięcia powierzchniowego cieczy (zwilżanie powierzchni) jak i mniejsze od tych sił (ciecz nie zwilżająca, częste zjawisko w przypadku rtęci).

Kąty zwilżania ciała stałego przez ciecz na powierzchniach o różnym charakterze:

5. Adsorpcja jest procesem samorzutnego gromadzenia się cząsteczek na granicy faz (na powierzchni międzyfazowej). Cząsteczki te pochodzić mogą tylko z tych faz, które mają mobilne cząsteczki (gaz lub ciecz). Substancję gromadzącą się nazywamy adsorbatem zaś substancję stanowiącą fazę, na której powierzchni gromadzą się cząsteczki - adsorbentem.

Rodzaje adsorpcji:
(kryterium jest tu rodzaj oddziaływań adsorbent-adsorbat i tego konsekwencje)

Adsorpcja fizyczna (fizysorpcja)	Adsorpcja chemiczna (chemisorpcja)
Oddziaływania fizyczne	Wiązania chemiczne
Małe ciepło adsorpcji (do 50 kJ/mol)	Duże ciepło adsorpcji (kilkaset kJ/mol)
Możliwa adsorpcja wielowarstwowa	Adsorpcja jednowarstwowa
Energia aktywacji niska	Energia aktywacji wysoka

8. Definicja nanotechnologii i określenie różnic między układami makroskopowymi a manometrycznymi.

* Nanotechnologia to dziedzina inżynierii, zajmująca się otrzymywaniem i zastosowaniem struktur, których co najmniej jeden wymiar jest wyrażany w nanometrach. Najczęściej, wymiary tych struktur zawierają się
w przedziale od 1 do 100 nm (rzadziej do kilkuset nm). wielkości rzędu nanometrów (1nm = 10-9m) są wielkościami zbliżonymi do rozmiarów atomów i cząsteczek chemicznych.

1. Materiały nanometryczne i cząstki nanometryczne wykazują właściwości, które w tych samych materiałach, ale w skali makro nie występują. Te unikalne cechy stanowią o właściwości użytkowych produktów wytwarzanych przez nanotechnologie, które nie można by uzyskać przy zastosowaniu tradycyjnych materiałów. Stąd też tak duże zainteresowanie świata technicznego nanoobiektami, intensywny rozwój nanotechnologii oraz duże środki przeznaczane na badania.

2. Nanocząstki i nanomateriały zachowują właściwości fizykochemiczne charakterystyczne dla skali makro,
a dodatkowo posiadają zespół oryginalnych cech, co związane jest z rozmiarem cząstek. Z jednej strony z racji wielkości podlegają one już nie tylko prawom fizyki klasycznej, ale są dla nich właściwe także zachowania opisywane przez fizykę kwantową. Wykazują cechy, zwłaszcza te elektryczne i optyczne, znacznie różne od materiałów w rozmiarach makrometrycznych. Dualizm charakteru nanocząstek stanowi jedną z największych zalet tego rodzaju obiektów. Dodatkowo nanocząstki posiadają rozmiary, które pozwalają im na między innymi przenikanie przez większość barier, również tych na poziomie bioorganicznym.

Właściwością charakterystyczną nanocząstek jest także znacznie bardziej rozwinięta powierzchnia właściwa
w porównaniu do tradycyjnych materiałów. Silnie rozwinięta powierzchnia właściwa niektórych nanocząstek
i materiałów z nich zbudowanych decyduje między innymi o ich bardzo dobrych właściwościach adsorpcyjnych
i przekłada się dalej na ich specjalne zachowanie podczas użytkowania, różne od tradycyjnie obserwowanych.

3. Nanomateriały w porównaniu do konwencjonalnych wykazują właściwości między innymi takie jak:

* większa twardość (nanokrystaliczny nikiel jest równie twardy co utwardzana stal),

* większa wytrzymałość (np. nanokrystaliczny krzem jest znaczenie bardziej wytrzymały na rozciąganie niż stal) i występujący jednocześnie wzrost plastyczności, odwrotnie niż ma to miejsce w materiałach tradycyjnych; w przypadku niektórych nanomateriałów ceramicznych ma się do czynienia ze zjawiskiem tzw. superplastyczności, materiały te mogą ulegać odkształceniom plastycznym nawet do 250%,

* większa odporność na pełzanie, co pozwala na wytwarzanie materiałów do stosowania w najwyższych temperaturach (np. nanometryczny węglik krzemu),

* właściwości ślizgowe (np. materiały polimerowo-nanometryczne stosowane jako części maszyn nie wymagające stosowania smarów),

* większa biokompatybilność biomateriałów nanometrycznych,

* oryginalne bądź wzmocnione zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne (między innymi w stosunku do wodoru), a także unikalne właściwości magnetyczne wykorzystywane do gromadzenia informacji w elektronice i informatyce,

* większa odporność chemiczna (np. azotki metali przejściowych);

* większa hydrofilowość niektórych nanomateriałów, zwana superhydrofilowością, polegająca na obniżeniu kąta zwilżania powierzchni materiału przez wodę do około 1o (nanometryczny ditlenek tytanu).

10. Podstawy spektroskopii elektronowej: absorpcja i luminescencja.

1. Spektroskopia to dziedzina nauki, która obejmuje metody badania materii przy użyciu promieniowania elektromagnetycznego, które może być w danym układzie wytworzone (emisja) lub może z tym układem oddziaływać (absorpcja).

Przejście elektronów w cząsteczce ze stanu podstawowego do wzbudzonego powoduje zmiany energii oscylacyjnej i rotacyjnej. Widma UV-VIS są zatem widmami elektronoworotacyjno-oscylacyjnymi i dlatego są dobrym narzędziem do badania struktury cząsteczki (np. identyfikacja związków organicznych).

Wzbudzenia elektronowe:

Fotony z zakresu światła widzialnego i ultrafioletu są absorbowane/emitowane powodując przejścia elektronowe.

Zakres 180-800 nm

400-800 nm obszar widzialny

180-400 nm bliski UV

10-180 nm daleki UV (próżniowy)

Spektroskopia opisuje zjawiska oddziaływania fali elektromagnetycznej z materią. Do podstawowych zjawisk spektroskopowych należą absorpcja, luminescencja i odbicie.

2. Absorpcja = pochłanianie, wchłanianie

Absorpcja - proces dyfuzyjny polegający na pochłanianiu jakiejś substancji (zwanej absorbatem) przez całą objętość innej substancji, która tworzy odrębną fazę (absorbent), np.

zjawisko pochłaniania substancji gazowej w całą objętość substancji ciekłej lub stałej,

lub też substancji ciekłej w całą objętość substancji stałej.

PRAWA ABSORPCJI

Prawo Lamberta-Beera - opisuje pochłanianie promieniowania elektromagnetycznego przy przechodzeniu przez częściowo absorbujący i rozpraszający ośrodek.

A - absorbancja

I₀ - natężenie światła padającego na ciało

I - natężenie światła po przejściu przez ciało

ε- molowy współczynnik ekstynkcji

b - droga jaką pokonuje światło w ciele

c_m - stężenie molowe substancji absorbującej w roztworze

a - molowy współczynnik absorpcji zwany poprawnie absorbancją molową

absorbancja A jest proporcjonalna do stężenia roztworu c i grubości warstwy absorbującej b

3. Luminescencją nazywana jest każda emisja promieniowania, która nie jest świeceniem ciał ogrzanych do wysokich temperatur. Luminescencja zachodzi z elektronowo-oscylacyjnie wzbudzonej cząsteczki będącej
w równowadze termicznej z otoczeniem. Luminescencję nazywa się niekiedy "zimnym świeceniem" ze względu na emisję promieniowania przez ciała zimne. Zależnie od czynnika wzbudzającego świecenie rozróżnia się:

* fotoluminescencję - światło

* katodoluminescencję - elektrony

* rentgenoluminescencję - promienie rentgenowskie

* elektroluminescencję - wyładowania elektryczne w gazach; świecenie gazów oraz świecenie kryształów pod wpływem silnego pola elektrycznego

* chemiluminescencję - reakcje chemiczne powodują świecenie

* termoluminescencję - ciepło

* bioluminescencję - świecenie żywych organizmów wskutek przebiegających reakcji chemicznych

Luminescencję dzieli się na fosforescencję i fluorescencję. Substancje, które pod wpływem czynników zewnętrznych wykazują luminescencję nazywa się luminoforami. Znajdują one zastosowanie w technice m. in. do konstrukcji lamp luminescencyjnych (świetlówek), ekranów telewizyjnych, liczników scyntylacyjnych, mikroskopu fluorescencyjnego.

11. Spektroskopia w podczerwieni i rozpraszanie Ramana:

1. SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI

Obszar widma elektromagnetycznego (od ok. 14000 do 200cm-1) między obszarem widzialnym
a mikrofalowym nazywamy podczerwienią (IR). W określeniu struktury związków organicznych największe zastosowanie posiada zakres 4000-400cm-1 (tj. obszar podczerwieni podstawowej), z którą sąsiaduje podczerwień daleka (poniżej 400cm-1 ) oraz bliska podczerwień ( powyżej 4000cm-1).

Najpowszechniej stosowaną techniką IR jest absorpcyjna spektroskopia IR, służąca do otrzymywania widm oscylacyjnych (choć w zakresie dalekiej podczerwieni obserwuje się także przejścia rotacyjne). Przy pomocy spektroskopii IR można ustalić jakie grupy funkcyjne obecne są w analizowanym związku.

Spektroskopia w podczerwieni pozwala na analizę zarówno struktury cząsteczek jak i ich oddziaływania
z otoczeniem. Jest to jedna z podstawowych metod stosowanych w badaniu wiązań wodorowych. Metodą komplementarną do spektroskopii IR jest spektroskopia Ramana.

2. Rozpraszanie Ramana:

Spektroskopia ramanowska (RS) jest metodą badania przejść pomiędzy poziomami energetycznymi cząsteczek, zachodzącymi na skutek nieelastycznego rozproszenia światła.

Wynikiem pomiaru próbek z użyciem spektrometru ramanowskiego są widma wyrażające zależność intensywności promieniowania rozproszonego w skali względnych wartości liczb falowych w zakresie energetycznym od 4000 do 0 cm−1. Widma oscylacyjne mogą być wykorzystane do identyfikowania związku, analizy ilościowej, badania przemian w reakcjach chemicznych oraz oddziaływania z otoczeniem. Spektroskopia ramanowska może być stosowana zarówno do gazów, cieczy, jak i ciał stałych. W większości spektrometrów ramanowskich jako źródła wzbudzenia używa się laserów.

U podstaw spektroskopii ramanowskiej leży wzbudzenie rotacji lub oscylacji cząsteczki poprzez oświetlenie jej światłem (ν0) z zakresu ultrafioletowego, widzialnego lub bliskiej podczerwieni. W wyniku oddziaływania cząsteczka-fala elektromagnetyczna obserwuje się światło rozproszone o tej samej energii (rozproszenie Rayleigha) oraz dyskretne składowe o liczbie.

Pasma ramanowskie pojawiające się przy liczbie falowej mniejszej niż ta dla światła wzbudzającego nazywane są pasmami stokesowskimi, a te przy wyższych - pasmami antystokesowskimi.

---