软物质中所涉及的力精PPT课件

1、物质之间所涉及的力，主要有：Coulombic 力： 250 kJ/molLondon 力（也称为色散力，dispersion force）:弱相互作用：van der Waals effect: 1 kJ/molhydrogen bond:第1页/共43页From the viewpoint of kinetic energy, a crude distinction between the soft and hard ones can be made on the basis that:软物质的分子动能： kBT （kB Boltzmann constant)硬物质的分子动能： kBT多数

2、软物质可在一定条件下形成流动态，其主要原因在于它们缺乏如结晶态固体所有的、构成原子的三维长程有序。第2页/共43页对于通常意义上的软物质而言，经常会有下列两种形式的结构出现：分子之间的有序化（intermolecular ordering)分子有序化聚集 (molecular aggregated-induced ordering): colloid, amphiphile, 第3页/共43页Hydrogen bond: 虽然带有部分共价键成分，但基本上属于一种偶极-偶极相互作用。在自组装体系、生物体系中起到关键的作用。疏水作用疏水作用(hydrophobic effect): 当某种憎水化合

3、物，如碳氢化合物加入到水里的时候，该物质倾向于聚集在一起，这种现象称为疏水作用。这种作用会导致熵(entropy)的减小。这种作用往往随着胶束(micelles)的形成而明显降低，而且通常和氢键紧密联系。第4页/共43页 Structural organization1)一种处于晶体和液体之间的“过渡态”或者“中间态”；2)通常具有1-1000nm 尺度上的周期性，也称之为“介观态mesoscopic”。上述这些特点充分地表现在液晶化合物、嵌段聚合物的有关特性上。第5页/共43页软物质有序的一些情况软物质有序的一些情况第6页/共43页X = (2Dt)1/2 (1) 其中D 是扩散系数；F =

4、fv (2) 其中f和v分别为摩擦系数和速度；Df = kBT (3) kBT 为估计的单一颗粒的平动动能；f = 6R (4) Stokes 定律；R为粒子的流体力学半径；将（3）和（4）联合，得到：D = kBT / 6R (5) Stokes Einstein 方程方程通常，分子在液体中的D值在D 10-9 m2s-1。室温下流体半径为10nm的胶束在水中扩散时候的D 10-11 m2s-1。聚合物由于分子较大，D值通常在D 10-18 m2s-1。 有关的动力学内容：有关的动力学内容：第7页/共43页显微镜光散射/X-射线/中子散射流变学波谱学方法：NMR、IR/Raman谱、UV-可

5、见光、介电方法量热技术表面探针技术3. 常用的技术手段第8页/共43页几种显微分析技术的一般分辨率几种显微分析技术的一般分辨率 扫描探针显微镜：0.02 nm 透射电镜：0.2 nm 扫描电镜：2 nm 光学显微镜：200 nm 人眼：0.2 mm第9页/共43页光散射/X-射线/中子散射静态光散射(SLS): 弹性散射光的强度作为散射角的函数被记录下来。d ：Rayleigh scattering;d ：Rayleigh-Debye-Gans scattering； more complex! d ：Mie scattering第10页/共43页动态光散射：主要用于研究高分子溶液的扩散，有时

6、也被称作光子相关光谱或者准静态光散射。通过对光散射强度的自相关函数（autocorrelation function)的分析，可以得到有关驰豫时间分布的信息，进而得到有关平动扩散系数的数据；然后根据有关方程，可以得到有关组成粒子的流体力学半径。第11页/共43页通过静态光散射的方法可测量高聚物的平均分子量（MW），回转半径（Rg）和第二维里系数（A2）;通过动态光散射的方法可以测量大分子和胶体粒子的流体力学半径分布情况。可测粒子大小为几个nm至1m，并具有不破坏体系原有状态的特征，因此在高分子与胶体化学，材料科学，生命科学等方面都得到广泛应用。第12页/共43页X-X-射线射线/ /中子散射中

7、子散射第13页/共43页聚酰亚胺薄膜中聚酰亚胺薄膜中铜铜纳米粒子粒度分布测纳米粒子粒度分布测试试第14页/共43页在研究新一代紫外发光元件及透明导电膜材料引起广泛关注的氧化锌。采用危险性较小的锌乙酰丙酮1水化合物低温合成方法。采用XRD可了解反应过程的差异、可得到高浓度水蒸气中150结晶良好的氧化锌结果。 上图为干燥氮中、下图高湿度氮中（相当于水蒸气压强9.3kPa, 5075%RH）第15页/共43页流变学流变学第16页/共43页第17页/共43页波谱学方法波谱学方法：NMR、IR/Raman谱、 UV-可见光、介电方法光的吸收和发射是许多物质分子的标志性特征。根据量子力学原则，分子中的价电

8、子总是处于某种运动状态之中，并属于一定的能级。当处于最低能级时称为基态基态。当电子吸收了外加能量（如电致激发、热致激发或者光致激发等）后从一个较低能级转移到另一个较高的能级，称为跃迁跃迁。这种跃迁所需要的能量是量子化的。当实现跃迁的两个能级之间的能量满足一定的关系时，就会产生吸收光谱。NMR、IR/Raman谱、UV-可见光、原子吸收光谱等都是吸收光谱法的具体应用。第18页/共43页相反，当激发态的原子或者分子从不稳定的激发态返回到低能态或基态时就会把多余的能量以光的形式释放出来，产生发射光谱和发射曲线。分子荧光光谱法分子荧光光谱法和原子发射光谱法原子发射光谱法都是发射光谱的应用。第19页/共

9、43页中红外区400-4000cm-1分子基频振动远红外区10-400cm-1分子转动及晶格振动近红外区4000-13000cm-1O-H, N-H, C-H振动的倍频及合频第20页/共43页近来被越发广泛采用的一些新技术：ATR: attenuated total reflection;DTIFTS: diffuse transmittance infrared Fourier transform spectroscopy;IRRAS: infrared reflection absorption spectroscopy;PM: polarization modulation;2D IR:

10、 two dimensional correlation analysis of IR dynamic spectraFTIR microscopy第21页/共43页对于Raman 光谱，本质上是观察分子的转动或者振动能否导致分子极化度（polarizability)可否改变。Polarized Raman Scattering：研究分子取向运动，了解特定化学键的“有序”情况；Raman microscopy: 了解分子在特定平面上取向的信息；Photon correlation spectroscopy: 通常用于可见光的辐射，但同样可以用于红外和Raman辐射。主要可以提供有关分子运动动力

11、学方面的信息。Raman Raman 光谱光谱第22页/共43页对极性分子非常有用的探针技术；与动态粘弹技术（有时也称之为DMA技术）相比，测量的频率范围更宽，可以达到15个数量级（10-5到1010 HZ); 因此对某些研究玻璃化转变和其它与链段运动相关的运动模式更为敏感。通常与DMA技术相互补充，分别作高频和低频下的相关研究。介电方法介电方法第23页/共43页介电谱仪通过测量材料的介电性质及其随频率和温度的变化，可直接测得材料的介电损耗，从而研究材料的介电损耗机制（材料弛豫、相变、微结构变化、分子团重新取向等）。介电谱仪对于聚合物分子的链接、取向和固化极为灵敏。 广泛应用于化学、物理化学、

12、电化学、电子、电工工程、材料科学、生物学和制药领域，尤其包括聚合物、树脂、陶瓷、橡胶、玻璃、液晶、石油及悬浮体等材料介电方法介电谱仪具有极宽的频率范围（3Hz-3GHz），能灵敏地测量极低电导率和极低损耗的材料，并且运用数字技术可达到10(e-5)分辨率。第24页/共43页量热技术量热技术主要包括DSC, TG, DMA等有关涉及到程序升降温过程中，检测有关信号的技术。第25页/共43页热分析热分析物 质加热加热冷却冷却热量变化热量变化重量变化重量变化长度变化长度变化粘弹性变化粘弹性变化气体发生气体发生热传导热传导其其 他他DTATGTMADMADSCEGADTG（热机械分析）（热机械分析）（

13、逸出气分析）（逸出气分析）(动态机械分析动态机械分析)（微分热重分析）（微分热重分析）第26页/共43页主要的热分析方法的分类主要的热分析方法的分类测定样品的物理性测定样品的物理性质质所有方法名称所有方法名称热量变化热量变化质量质量 变化变化挥发产物挥发产物尺寸变化尺寸变化热热- -力分析力分析热热- -电分析电分析热热- -光分析光分析差示扫描量热法、差示分析差示扫描量热法、差示分析法法热重法热重法逸出气分析逸出气分析线膨胀法和体膨胀法线膨胀法和体膨胀法静态热机械法和动态热机械静态热机械法和动态热机械法法热释电流法热释电流法热释光分析法热释光分析法磁学性质磁学性质热磁学法热磁学法第27页/共

14、43页在经过程序温度扫描，差示量热扫描（DSC）是用来测量样品释放或吸收热流的一种技术。在加热和冷却过程中，材料的任何转变都要伴随差热量的交换，DSC使得需要测定的转变温度以及需要定量的热量成为可能。 主要功能主要功能: : 测定主要的转变温度 晶体相熔化热的测定以及结晶度 研究晶体动力学 测定热容 测定生成热 样品纯度第28页/共43页典型的DSC曲线（聚对苯二甲酸乙二醇酯）阴影部分面积为相应的热焓第29页/共43页TGA 测量的是材料在一定环境条件下，其重量随温度或时间的变化，目的是研究材料的热稳定性和组目的是研究材料的热稳定性和组份份。水分：吸附水和结晶水分析，水合及脱水速率，吸附，干燥

15、条件，吸湿性气体反应：催化剂评选，金属与气体反应，腐蚀研究氧化与还原：抗氧化剂，耐火性，阻燃剂与添加剂，闪点，燃点，阻燃作用（炭化），等温分解分解：分解过程，气氛影响热稳定性：热稳定性，质量变化，油脂稳定性，抗氧化剂，抑制作用活化能：活化能，反应速率，反应机理，爆炸性研究涂料：涂料的稳定性，涂敷物研究，单体含量研究发泡剂：发泡剂含量，发泡特性混合物：混合物，组成分析，填料，溶媒研究粘土矿物：鉴别，煅烧度，脱羟基，矿物学，结晶结构升华与蒸发：升华与蒸发，蒸发速率第30页/共43页第31页/共43页动态热机械分析仪（DMA）：使样品处于程序控制的温度下，并施加随时间变化的振荡力，研究样品的机械行为

16、，测定其储能模量、损耗模量和损耗因子随温度、时间与力的频率的函数关系。广泛应用于热塑性与热固性塑料、橡胶、涂料、金属与合金、无机材料、复合材料等领域。 测量材料的如下特性：储能模量（刚性）；损耗模量（阻尼）；粘弹性；蠕变与应力松弛；玻璃化转变；软化温度；二级相变；固化过程。 第32页/共43页非晶态高聚物玻璃化转变前后动态力学性能随频率的变化非晶态高聚物玻璃化转变前后动态力学性能随温度的变化第33页/共43页第34页/共43页表面探针技术表面探针技术SPM （scanning probe microscopy)技术X-ray/neutron reflectivity: 通过测量从样品表面上反射

17、的X-ray/neutron reflectivity的强度与入射角（angle of incidence)的关系。第35页/共43页计算模拟方法 Monte Carlo 方法分子动力学方法布朗动力学方法第36页/共43页4. 4. 软物质在纳米技术的应用软物质在纳米技术的应用第37页/共43页软物质在纳米技术的应用形式：软物质在纳米技术的应用形式：一种是采用先进的加工技术,如微机械加工、微刻蚀等手段，将构造的纳米化推进到极限，即所谓的“自上而下方式”（top-down);特点：精密准确，当往往投入较大，周期较长。另一种则是使构筑单元通过协同自组装、模板构筑等方法，制备出能够精密控制其构成和性

18、能的纳米构造，从而发现新的功能，即“自下而上”(bottom-up)。特点：缺陷较多，可控制性不十分理想；但属于真正意义上的“调控”第38页/共43页第39页/共43页From micro- to Nanofabrication with Soft MaterialsQuake, S R; et.al Science 2000, 24, 1536第40页/共43页Quake, S R; et.al Science 2000, 24, 1536第41页/共43页1. Physical Chemistry, P.W. Atkins, 6th edition, Oxford Uni. Press, Oxford, 1998;2. The Colloidal Domain. Where Physics, Chemistry, Biology and Technology Meet, 2nd Edition, D. F. Evans and H. Wennerstrom,