Cấu trúc nano - Polyme chức năng và vật liệu lai: Phần 1

Chia sẻ: Hoa La Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:289

Thêm vào BST

Báo xấu

309
lượt xem 97
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Polyme chức năng và vật liệu lai cấu trúc nano được chia thành hai phần. Phần 1 giới thiệu đến bạn đọc nội dung tương ứng phần I trong Tài liệu về polyme chức năng (functional polymers). Phần này bao gồm 6 chương, với các nội dung chính như: Photo polyme, photopolyme hệ tạo ảnh khuyếch đại hóa học, polyme dẫn điện thuần, polyme hydrogel thông minh ((intelligent hydrogels polymers), polyme cấu trúc nano, polyme nanocomposit.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cấu trúc nano - Polyme chức năng và vật liệu lai: Phần 1

VIÖN KHOA HäC Vµ C¤NG NGHÖ VIÖT NAM Bé S¸CH CHUY£N KH¶O HéI §åNG BI£N TËP Chñ tÞch Héi ®ång: GS.TSKH. §Æng vò minh Phã Chñ tÞch Héi ®ång: GS.TSKH. NguyÔn Khoa S¬n pgs.tskh. NguyÔn T¸c An, pgs.ts. Lª TrÇn B×nh, pgs.tskh. NguyÔn V¨n C , gs.tskh. Vò Quang C«n, ts. Mai H , gs.vs. NguyÔn V¨n HiÖu, gs.TSKH. H Huy Kho¸i, gs.tskh. NguyÔn Xu©n Phóc, gs.ts. Bïi C«ng QuÕ, gs.tskh. TrÇn V¨n Sung, pgs.ts. Ph¹m Huy TiÕn, gs.ts. TrÇn M¹nh TuÊn, gs.tskh. NguyÔn ¸i ViÖt.
Lêi giíi thiÖu ViÖn Khoa häc v C«ng nghÖ ViÖt Nam l c¬ quan nghiªn cøu khoa häc tù nhiªn v c«ng nghÖ ®a ng nh lín nhÊt c¶ n'íc, cã thÕ m¹nh trong nghiªn cøu c¬ b¶n, nghiªn c u v ph¸t triÓn c«ng nghÖ, ®iÒu tra t i nguyªn thiªn nhiªn v m«i tr'êng ViÖt Nam. ViÖn tËp trung mét ®éi ngò c¸n bé nghiªn cøu cã tr×nh ®é cao, c¬ së vËt chÊt kü thuËt hiÖn ®¹i ®¸p øng c¸c yªu cÇu vÒ nghiªn cøu v thùc nghiÖm cña nhiÒu ng nh khoa häc tù nhiªn v c«ng nghÖ. Trong suèt 30 n¨m x©y dùng v ph¸t triÓn, nhiÒu c«ng tr×nh v kÕt qu¶ nghiªn cøu cã gi¸ trÞ cña ViÖn ®C ra ®êi phôc vô ®¾c lùc cho sù nghiÖp x©y dùng v b¶o vÖ Tæ quèc. §Ó tæng hîp v giíi thiÖu cã hÖ thèng ë tr×nh ®é cao, c¸c c«ng tr×nh v kÕt qu¶ nghiªn cøu tíi b¹n ®äc trong n'íc v quèc tÕ, ViÖn Khoa häc v C«ng nghÖ ViÖt Nam quyÕt ®Þnh xuÊt b¶n bé s¸ch chuyªn kh¶o. Bé s¸ch tËp trung v o ba lÜnh vùc sau: Nghiªn cøu c¬ b¶n; Ph¸t triÓn v øng dông c«ng nghÖ cao; T i nguyªn thiªn nhiªn v m«i tr'êng ViÖt Nam. T¸c gi¶ cña c¸c chuyªn kh¶o l nh÷ng nh khoa häc ®Çu ng nh cña ViÖn hoÆc c¸c céng t¸c viªn ®C tõng hîp t¸c nghiªn cøu. ViÖn Khoa häc v C«ng nghÖ ViÖt Nam xin tr©n träng giíi thiÖu tíi c¸c quý ®éc gi¶ bé s¸ch n y v hy väng bé s¸ch chuyªn kh¶o sÏ l t i liÖu tham kh¶o bæ Ých, cã gi¸ trÞ phôc vô cho c«ng t¸c nghiªn cøu khoa häc, øng dông c«ng nghÖ, ® o t¹o ®¹i häc v sau ®¹i häc. Héi ®ång Biªn tËp
L I NÓI U V�t li�u polyme ph�n l�n ��c phát minh ra trong n�a cu�i th� k� tr��c. Nó �ã góp ph�n quan tr�ng trong các ngành k� ngh� và trong ��i s�ng hàng ngày c�a con ng��i. Nh�ng n�m cu�i th� k� 20 ��u th� k� 21 th�c s� v�t li�u polyme �ã làm nên “th�i ��i �� nh�a”. Tuy nhiên, nhu c�u cho cu�c s�ng c�a con ng��i �òi h�i ngày càng cao và ngày càng hoàn thi�n. Vì v�y, nh�ng v�t li�u m�i trên cơ s� nh�ng polyme ��c bi�t �ã ��c t�p trung nghiên c�u và tìm tòi. �ó là l�nh v�c v�t li�u polyme ch�c n�ng và v�t li�u lai c�u trúc nano. Nh�ng lo�i v�t li�u m�i này, �i�n hình nh�: v�t li�u �i�n t� h�c phân t� (molecular electronic), quang t� (photonics), tin h�c, �i�n t� sinh h�c (bionics) cho ��n v�t li�u n�ng l��ng, v�t li�u mô ph�ng sinh h�c… Nó không nh�ng �áp �ng ��c nhu c�u c�a các ngành k� ngh� cao, nhu c�u v� cu�c s�ng hàng ngày c�a con ng��i còn t�o ra môi tr��ng s�ng hài hoà hơn, s�ch s� và thú v� hơn. V�i nh�ng yêu c�u c�p thi�t c�a cu�c s�ng, vi�c gi�ng d�y và nghiên c�u v� polyme ch�c n�ng và v�t li�u lai c�u trúc nano �ang ��c tri�n khai trên ph�m vi toàn th� gi�i. � Vi�t Nam, h�u h�t các tr��ng ��i h�c và các vi�n nghiên c�u c�ng b�t ��u tri�n khai nghiên c�u và �ào t�o các nhà khoa h�c v� l�nh v�c khoa h�c v�t li�u m�i m� này. Ph�m vi nghiên c�u và �ng d�ng bao trùm c� các ngành tin h�c, v�t lý, hoá h�c, sinh h�c và môi tr��ng. Vì v�y, vi�c biên so�n 1 tài li�u chuyên kh�o v� ��i t��ng polyme ch�c n�ng và v�t li�u lai c�u trúc nano là h�t s�c c�n thi�t và b� ích cho các cán b� gi�ng d�y, nghiên c�u viên và các nhà khoc h�c chuyên ngành. Cu�n sách chuyên kh�o: POLYME CH C N NG VÀ V T LI U LAI C U TRÚC NANO ��c biên so�n t� nh�ng k�t qu� nghiên c�u c�a các �� tài Nghiên c�u cơ b�n c�a B� Khoa h�c và công ngh� và các �� tài trong ch�ơng trình nghiên c�u v� khoa h�c v�t li�u c�a Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam tài tr�. ��ng th�i,
cu�n sách c�ng ��c biên so�n t� nh�ng tài li�u bài gi�ng t�i tr��ng ��i h�c Công ngh�, ��i h�c Qu�c gia Hà N�i và Vi�n Khoa h�c và Công ngh� tiên ti�n Nh�t B�n (Japan Advanced Institute of Science and Technology - JAIST) và nh�ng tài li�u tham kh�o m�i nh�t v� l�nh v�c này trên th� gi�i. Tuy nhiên, vì trình �� và ki�n th�c có h�n, m�t khác cu�n sách �� c�p v� nhi�u l�nh v�c khoa h�c m�i t� v�t lý, hoá h�c, sinh h�c, công ngh� nano…, và tác gi� ph�i tham kh�o nhi�u ngu�n tài li�u t� nh�ng ngôn ng� khác nhau: Anh, ��c, Nh�t, Hàn, vì v�y cu�n sách không tránh kh�i nh�ng sai sót v� ki�n th�c c�ng nh� ngôn t� s� d�ng. Tác gi� mong ��c gi� thông c�m và góp ý �� có th� s�a ch�a k�p th�i. �� xu�t b�n ��c cu�n sách này, tác gi� xin chân thành c�m ơn V� Khoa h�c t� nhiên và xã h�i thu�c B� Khoa h�c và Công ngh�, Ch�ơng trình V�t li�u, nhà xu�t b�n Khoa h�c T� nhiên và Công ngh� thu�c Vi�n Khoa h�c và Công ngh� Vi�t Nam. Tác gi� c�ng xin c�m ơn vi�n s� Nguy�n V�n Hi�u �ã tin t��ng giao trách nhi�m và t�o nhi�u �i�u ki�n �� hoàn thành các �� tài khoa h�c, c�m ơn các b�n ��ng nghi�p �ã t�n tình giúp �� tác gi� có th� hoàn thành cu�n sách này. Tác gi� xin c�m ơn các b�n ��ng nghi�p t� Úc, Hàn Qu�c, Nh�t B�n, ��c… �ã giúp �� v� tài li�u, cho phép tham kh�o, trích d�n m�t s� ph�n quan tr�ng c�a cu�n sách. Cu�i cùng xin c�m ơn v� con và nh�ng ng��i thân �ã ��ng viên khuy�n khích �� tôi hoàn thành cu�n sách này. Hà N i, Thu n m 2008 Tác gi Nguy n c Ngh a Email: ducnghia264@fpt.vn
Ph n I POLYME CH C N NG ( FUNCTIONAL POLYMERS)
1 Ch ng 1 PHOTO POLYME 1. Quang và phân t 1.1. N ng l ng quang Khi b c x ánh sáng vào phân t có tính ch t nh y quang, phân t !ó h p th" n#ng l %ng quang, ph&n ng quang hoá x&y ra. Ph&n ng quang hoá này ! %c ti*n hành theo các hình th c: oxy hoá, kh , phân hu/, c0ng h%p, trùng h%p, ho2c dime hoá... Nh ng n#ng l %ng c6a ánh sáng ph" thu0c vào b 7c sóng c6a nó. Vì v9y khi chi*u x ánh sáng, ph&n ng quang hoá ch: x&y ra khi n#ng l %ng quang !6 l7n. Ánh sáng có b 7c sóng ng
Nguy�n ��c Ngh�a 2 Cho nên, ph&n ng quang hoá dA x&y ra khi chi*u x ánh sáng ng
Ph n I. Ch ng 1. Photo polyme 3 B�ng 1: M�i tư�ng quan gi�a bư�c sóng và n�ng lư�ng Bư�c N�ng lư�ng M�u sóng eV -12 erg.10 kcal (1mol photon) 300 T� ngo�i 4,13 6,60 95,0 360 3,44 5,51 79,6 395 3,15 4,97 71,8 455 Tím 2,75 4,32 62,3 490 Xanh 2,53 4,01 57,8 575 L�c 2,15 3,42 49,3 590 Vàng 2,10 3,33 48,0 650 Da cam 1,90 3,02 43,6 750 �� 1,65 2,62 37,8 900 H�ng ngo�i 1,39 2,20 31,8 Theo !Mnh lu9t ! ng l %ng quang (Law of Photochemical equivalent), n#ng l %ng quang ! %c tính bSi ph ng trình PLANK: = h = hc/ (1) V !ây là n#ng l %ng quang, ! n vM !o là erg, h là hWng sX Plank có giá tri là: 6,625 x 10-27 erg.sec, là t^n sX ! n vM !o là sec-1, b 7c sóng có ! n vM !o là cm, c là tXc !0 ánh sáng trong chân không, c = 2,998 x1010 cm.sec-1. Ta bibu th c 1 ta có thb tính ! %c n#ng l %ng c6a ánh sáng có b 7c sóng khác nhau. Ví d", ánh sáng t ngo i có b 7c sóng là 400 nm (4.10-5cm) n#ng l %ng c6a photon t ngo i ! %c tính : 6,625 .10 27 x 2,998.1010 = = 4,965.10 -12 erg 4.10 -5 Trong ph&n ng hoá hdc, n#ng l %ng th Dng ! %c tính theo ! n vM mol (phân t gam). Vì v9y 1 mol quang t có n#ng l %ng là E (! n vM erg), ! %c tính theo công th c sau : E = N. (2) Trong !ó N là sX Avogadro, !ây là sX phân t có trong 1 mol h%p ch t hoá hdc, có giá trM là 6,025x1023. N#ng l %ng 1 mol quang t ! %c gdi là 1 Einstein. N*u tính theo công th c 2, thì n#ng l %ng 1 mol quang t có b 7c sóng 400 nm ! %c tính nh sau: E = 6,025x1023 x 4,965x10-12 =2,992x1012 erg N*u chuybn !fi giá trM này sang ! n vM !o calory, v7i 1 calory
Nguy�n ��c Ngh�a 4 bWng 4,183x107 erg, thì n#ng l %ng 1 mol quang t sg là : E = 2,992x1012/ 4,183x107 =71.520 calo = 71,52 kcal N#ng l %ng quang còn có ! n vM !o khác là !iJn t Vôn (Electron Volt eV). i n vM eV là n#ng l %ng c^n thi*t !b chuybn dMch 1 !iJn t S giEa hai !ibm có hiJu !iJn th* là 1Vôn, t ng ! ng v7i n#ng l %ng 1,602x10-12erg. N*u tính n#ng l %ng c6a ánh sáng S b 7c sóng 400nm theo ! n vM eV sg có: = 4,965x10-12/1,602x10-12 =3,099 eV Sóng ánh sáng còn có ! n vM !o là sX sóng, ký hiJu là (Wave number), có ! n vM !o là cm-1 và ! %c tính : =1/ Nh v9y, S b 7c sóng 400nm thì sX sóng sg là: =1/4x10-5 =25.000 cm-1 B�ng 2: B�ng ch� rõ tư�ng quan gi�a các h� �o n�ng lư�ng -1 cm erg/mol kcal/mol eV -1 5 -3 -4 cm 1 1,196x10 2,8584x10 1,2395x10 -9 -11 -12 erg/mol 8,36x10 1 2,39x10 1,0363x10 10 -2 kcal/mol 349,85 4,184x10 1 4,3365x10 11 eV 8067,49 9,64887x10 23,060 1 1.2. Tính ch t quang h c trong phân t h u c 1.2.1. Kích ho t quang và gi n Jablonsky Nguyên t là thành ph^n nhm nh t c u t o nên v9t ch t. Phân t ! %c t o thành ta các nguyên t , trong phân t , các nguyên t k*t h%p ch2t chg v7i nhau bSi các liên k*t hoá hdc. Phân t là th c#n b&n t o thành v9t ch t. Quá trình quang hoá ch: x&y ra S các nguyên t ho2c phân t . ió là quá trình quang sau khi phân t ho2c nguyên t h p th" n#ng l %ng quang và bi*n !fi tr ng thái. Thông th Dng m0t phân t tIn t i S ba tr ng thái n#ng l %ng, !ó là n#ng l %ng quay, n#ng l %ng dMch chuybn phân t và n#ng l %ng !iJn t . Khi h p th" n#ng l %ng quang, n#ng l %ng quay, n#ng l %ng dMch chuybn t#ng lên, nh ng không l7n, ch: có n#ng l %ng !iJn t bi*n !fi nhiou nh t. Khi !ó, !iJn t !ang S tr ng thái c b&n
Ph n I. Ch ng 1. Photo polyme 5 dMch chuybn lên qup ! o S tr ng thái n#ng l %ng cao h n, !Ing thDi mXi liên k*t giEa các nguyên t trong phân t sg bM phân ly và ph&n ng quang hoá dA x&y ra. Quá trình chuybn dMch !iJn t x&y ra ta tr ng thái c b&n (Ground state) lên tr ng thái kích ho t (Excited State). Trong tr ng thái kích ho t bao gIm tr ng thái kích ho t ! n, b9c nh t (Excited Singlet) và tr ng thái kích ho t b9c ba (Excited Triplet). V tr ng thái Excited singlet, hai !iJn t có qup ! o !Xi l9p song song ( ), S tr ng thái qup ! o Excited triplet, !ôi !iJn t có qup ! o song song ( ). ThDi gian sXng c6a phân t S tr ng thái kích ho t singlet kho&ng 10-9- 10-8 giây. ThDi gian sXng c6a phân t S tr ng thái kích ho t Triplet dài h n, kho&ng10-3 giây. Vì v9y ph&n ng quang hoá th Dng x&y ra S tr ng thái kích ho t Triplet. Hình 3: Gi�n �� Jablonsky bi�u hi�n quan tr�ng nh�t trong quá trình v�t lý quang h�c. Quá trình chuybn hoá n#ng l %ng trong phân t S tr ng thái kích ho t ! %c thrc hiJn thông qua các b 7c và d 7i hình th c: ! H p th" quang (Photon absorption ABS ) ! HIi ph"c dao !0ng (Vibrational Relaxation :VR1) ! Chuybn n0i phân t (Internal Conversion IC) ! Phát huwnh quang (Fluoresense F)
Nguy�n ��c Ngh�a 6 ! Truyon xuyên nhau trong hJ (Interssysstem Crossing ISC) ! Phát lân quang (Phosphoresence P) Quá trình này ! %c bibu diAn qua gi&n !I Jablonsky, nh hình 3 ThDi gian sXng c6a các tr ng thái kích ho t r t khác nhau. ThDi gian sXng c6a tang tr ng thái kích ho t ! %c trình bày trong b&ng 3. B�ng 3: Các tr�ng thái kích ho�t và th�i gian s�ng trong quá trình quang v�t lý Step Process Lifetime -13 1. Excitation S0 + h S1 10 -11 -14 2. Internal conversion (IC) S1 S1 + 10 - 10 -6 -11 3. Fluorescent emission (F) S1 S0 + h F 10 – 10 -8 -11 4. Intersystem crossing (ISC) S1 T+ 10 – 10 -11 -14 5. Internal conversion (IC) T1 T1 + 10 _ 10 1 2 -3 6. Phosphorescent emission (P) T S0 + h p 10 _ 10 1.2.2. Quá trình chuy"n d$ch i%n t& trong phân t& - nguyên lý Frank-Condom Nh trên ta !ã bi*t, sau khi h p th" ánh sáng, !iJn t di !0ng, n#ng l %ng dao !0ng gia t#ng. Xét tr Dng h%p ! n gi&n nh t, !Xi v7i m0t phân t có hai nguyên t . Th* n#ng c6a nó ph" thu0c vào kho&ng cách giEa hai h t nhân, nh hình 4. Hình 4: C�u t�o c�a phân t� hai nguyên t�.
Ph n I. Ch ng 1. Photo polyme 7 Trong !iou kiJn bình th Dng, hai nguyên t ti*p c9n nhau, kho&ng cách giEa hai h t nhân là r0, khi !ó th* n#ng là nhm nh t và hai nguyên t có chung qup ! o, lúc này liên k*t là bon nh t. Khi h p th" n#ng l %ng ánh sáng, phân t chuybn sang tr ng thái kích ho t. Kho&ng cách giEa hai h t nhân t#ng lên, hai nguyên t cách xa nhau, dao !0ng t#ng lên và hai nguyên t dA bM phân tách. Nh trên hình 4, phân t S tr ng thái c b&n, n#ng l %ng là ES0. Lúc này 2 nguyên t trong phân t có kho&ng cách là rb, nh9n n#ng l %ng quang ho t là Eb nguyên t trS nên tr ng thái kích ho t, nh ! Dng ch m (...1) trong s !I hình 5. N*u n#ng l %ng Eb v %t quá m c n#ng l %ng t7i h n crc ! i ES1 thì hai nguyên t phân ly. Trong tr Dng h%p th* n#ng S m c th p h n, Ea, hai h t nhân nguyên t có kho&ng cách là ra. Khi nh9n n#ng l %ng b c x là Ea, nh ng n#ng l %ng này nhm h n m c n#ng l %ng dao !0ng liên k*t crc ! i ES1 vì v9y ph&n ng quang hoá không x&y ra. Khi !ó !iJn t trS vo tr ng thái c b&n ban !^u, gi&i phóng n#ng l %ng qua quá trình phát huwnh quang ho2c nhiJt. Hình 5: Gi�n �� chuy�n hoá n�ng lư�ng trong phân t� theo nguyên lý Frank-Condon.
Nguy�n ��c Ngh�a 8 Hình 6: Quá trình h�p th� ánh sáng và t�t trong phân t� h�u c� liên h�p 1/H�p th� quang (a) Chuy�n d�ch �i�n t� (b) Truy�n n�ng lư�ng (phát quang) v� tr�ng thái ban ��u (d) 1/H�p th� quang (a) Chuy�n d�ch �i�n t� (c) Tác ��ng môi trư�ng (e) Ph�n �ng quang hoá (f) 1.3. nh lu t quang hoá 1.3.1. 0$nh lu1t quang hoá và hi%u su2t l34ng t& Quá trình quang hoá trong các ch2t tuân th5 $nh lu1t sau: a) Ph&n ng quang hoá ch: x&y ra khi phân t h p th" ánh sáng có n#ng l %ng c6a photon !6 l7n b) MBi phân t ho2c nguyên t ch: h p th" 1 photon l %ng t và ch: phân t ho2c nguyên t !ó trS thành tr ng thái kích ho t. c) Sr phân bX S tr ng thái kích ho t Excited Singlet state hay Triplet state c6a phân t ho2c nguyên t sau khi h p th" photon l %ng t có m0t xác su t nh t !Mnh. d) ThDi gian sXng S tr ng thái kích ho t S1 là ng
Ph n I. Ch ng 1. Photo polyme 9 quang hoá. Nó ! %c tính bSi t/ sX giEa sX phân t trong hJ chi*u x tham gia ph&n ng (No. of molecules reacting in a particular process) và sX l %ng photon h p th" trong hJ (No. of quanta absorbed by the system in unit time) theo công th c sau : No. of molecules reacting in a particular process = No. of quanta absorbed by the system in unit time HiJu su t l %ng t là giá trM quan trdng !b xác !Mnh c ch* ph&n ng và l0 trình ph&n ng quang hoá: N*u = 1, t t c& photon l %ng t h p th" !ou tham gia ph&n ng. N*u > 1, ph&n ng dây chuyon x&y ra. N*u < 1, ch: m0t ph^n photon l %ng t tham gia ph&n ng. 1.3.2. Các hình th:c phát quang và ph n :ng quang hoá a) Phát hu nh quang (Fluorescence) Trong quá trình ph&n ng quang hoá x&y ra sau khi phân t h p th" photon l %ng t , bao gIm giai !o n chuybn vM !iJn t ta tr ng thái c b&n lên tr ng thái ho t hoá singlet S1. i i b0 ph9n nhEng phân t ho t hoá này gi&i phóng n#ng l %ng và !iJn t trS vo tr ng thái ban !^u. Tuy nhiên, tuw theo c u t o c6a phân t và !iou kiJn c6a ph&n ng, thDi gian tIn t i S tr ng thái kích ho t S1 có thb dài h n. V tr ng thái kích ho t singlet, phân t có thb tham gia ph&n ng quang hoá ho2c trS vo tr ng thái c b&n khi !ã truyon n#ng l %ng quang cho phân t khác, t o thành h%p ch t trung gian nh Hình 7: Quá trình phát hu�nh quang trong phân t� h�u c�.
Nguy�n ��c Ngh�a 10 radical, ion tr do hay phát huwnh quang (Fluorescence). Quá trình truyon n#ng l %ng theo S0 S1, S0 S2 ho2c chuybn T1 T2 dA x&y ra h n so v7i quá trình truyon n#ng l %ng ta S T ho2c T S vì hai quá trình sau có thay !fi spin !iJn t . Quá trình quay trS l i tr ng thái c b&n c6a !iJn t ta singlet và phát huwnh quang (Fluorescence), nh hình 7. b) Phát lân quang (Phosphorescence) iây là quá trình truyon n#ng l %ng ta Singlet sang Triplet. V tr ng thái triplet thDi gian sXng lâu h n. Phân t dA tham gia ph&n ng quang hoá ho2c phát lân quang trS vo tr ng thái c b&n ban !^u. Nh hình 8. Hình 8 : Quá trình phát lân quang trong phân t� h�u c�. ThDi gian sXng c6a fluorenscence r t ng