17
ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΦΕΡΡΙΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΨΕΥΔΑΡΓΥΡΟΥ ΚΑΙ ΜΑΓΓΑΝΙΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΧΡ. ΠΑΠΑΪΩΑΝΝΟΥ ΠΑΤΡΑ 2013

ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

  • Upload
    denali

  • View
    63

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ. ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΦΕΡΡΙΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝ ΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΨΕΥΔΑΡΓΥΡΟΥ ΚΑΙ ΜΑΓΓΑΝΙΟΥ. ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΧΡ. ΠΑΠΑΪΩΑΝΝΟΥ. ΠΑΤΡΑ 2013. εισαγωγη. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΦΕΡΡΙΤΙΚΩΝ ΝΑΝΟΚΟΛΛΟΕΙΔΩΝΜΕ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΠΡΟΣΜΙΞΕΩΝ ΨΕΥΔΑΡΓΥΡΟΥ ΚΑΙ ΜΑΓΓΑΝΙΟΥ

ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΧΡ. ΠΑΠΑΪΩΑΝΝΟΥ

ΠΑΤΡΑ 2013

Page 2: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

• Για δεκαετίες, τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου έχουν χρησιμοποιηθεί εκτεταμένα ως το πρότυπο υλικό στον τομέα της βιοϊατρικής έρευνας που σχετίζεται με τη χρήση μαγνητικών πεδίων

• Καθώς οι μαγνητικές ιδιότητες επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση των μαγνητικών νανοσωματιδίων σε τέτοιου είδους εφαρμογές, η μελέτη της σχέσης δομής-ιδιοτήτων είναι απαραίτητη για την αύξηση της μαγνήτισης κορεσμού

• Μέθοδος που μελετήθηκε: Αντικατάσταση ενός ποσοστού ιόντων σιδήρου στη δομή του νανοκρυστάλλου με άλλα μεταλλικά ιόντα

• Αυτή η στρατηγική έχει οδηγήσει σε φερρίτες με καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες όταν η αντικατάσταση γίνεται σε συγκεκριμένες θέσεις στο κρυσταλλικό πλέγμα

Page 3: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΣΚΟΠΟΣ

• Εφαρμογή της προαναφερθείσας στρατηγικής σε μία συνθετική πορεία ανάπτυξης μαγνητικών νανοκολλοειδών στην οποία δεν έχει εκτιμηθεί μέχρι τώρα η επιτυχία της

• Η πειραματική διαδικασία οδηγεί σε νανοκρυσταλλίτες οξειδίου του σιδήρου με αυξημένες μαγνητικές ιδιότητες σε σχέση με τη βιβλιογραφία

• Σε αυτά τα πλαίσια μελετήθηκε αν οι ήδη αυξημένες μαγνητικές ιδιότητες αυτών των νανοκρυσταλλιτών, μπορούσαν (πιθανώς) να βελτιωθούν ακόμα περισσότερο με μερική ιοντική αντικατάσταση

Page 4: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΣΥΝΘΕΤΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ

• Η μέθοδος που ακολουθήθηκε για την σύνθεση του μαγνητικού νανοκολλοειδούς ήταν η υδρολυτική αλκαλική καταβύθιση μιας πρόδρομης ένωσης σιδήρου (FeCl2·4H2O) ή (FeSO4·7H2O)

• Παρουσία του πολυμερούς αλγινικού νατρίου σαν επιφανειακού τροποποιητή

• Προσμίξεις μεταλλικών ιόντων (ZnCl2), (MnCl2·4H2O), (ZnSO4·7H2O), (ΜnSO4·H2O)

• Έγιναν αρκετές δοκιμές μεταβάλλοντας την πρόδρομη ένωση σιδήρου, το μεταλλικό ιόν και τις μεταξύ τους αναλογίες.

Page 5: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΣΥΝΘΕΣΕΙΣ ΜΕ FeCl2

α/α Δείγμα Αναλογία Πρόσμιξης

Z-av (nm)

Vzeta (mV)

[M]Fe[M]total

Μαγνητοφόρηση (δείκτης)

03 MagAlg-FeCl2 - 104 -45.5 0.0761 0.207

04 MagAlg-8FeCl2-1MnCl2 8Fe:1Mn 120 -39.9 0.06870.0773 0.181

05 MagAlg-12FeCl2-1MnCl2 12Fe:1Mn 113 -38.8 0.0842

0.0912 0.16

06 MagAlg-4FeCl2-1MnCl2 4Fe:1Mn 118 -36.5 0.08260.1033 0.086

07 MagAlg-1FeCl2-4MnCl2 1Fe:4Mn Καθόλου μαγνητικές ιδιότητες

16 MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2 12Fe:1Zn 113 -51.5 0.0720.078 0.233

17 MagAlg-8FeCl2-1ZnCl2 8Fe:1Zn 136 -49.8 0.06270.0705 0.211

22 MagAlg-16FeCl2-1ZnCl2 16Fe:1Zn 113 -60.5 0.08140.0865 0.202

23 MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2^4NaOH 12Fe:1Zn Καθόλου μαγνητικές ιδιότητες

24 MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2^bc 12Fe:1Zn 113 -37.8 0.0542

0.0576 0.194

Page 6: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΣΥΝΘΕΣΕΙΣ ΜΕ FeSO4

α/α Δείγμα Αναλογία Πρόσμιξης

Z-av (nm)

Vzeta (mV)

[M]Fe[M]total

Μαγνητοφόρηση (δείκτης)

01 MagAlg-4FeSO4-1MnCl2 4Fe:1Mn 111 -35 0.626 0.095

02 MagAlg-FeSO4 - 107 -46.7 0.0715 0.284

08 MagAlg-4FeSO4-1MnSO4 4Fe:1Mn 104 -37.8 0.0939

0.1174 0.136

09 MagAlg-8FeSO4-1MnSO4 8Fe:1Mn 100 -43.1 0.0899

0.1011 0.181

10 MagAlg-12FeSO4-1MnSO4 12Fe:1Mn 104 -49.3 0.0951

0.103 0.178

11 MagAlg-2FeSO4-1MnSO4 2Fe:1Mn Ελάχιστες μαγνητικές ιδιότητες

12 MagAlg-12FeSO4-1ZnSO4 12Fe:1Zn 129 -56.7 0.1041

0.1128 0.247

13 MagAlg-8FeSO4-1ZnSO4 8Fe:1Zn 134 -56.1 0.0841

0.0946 0.145

14 MagAlg-16FeSO4-1MnSO4 16Fe:1Mn 156 -57.8 0.0875

0.093 0.271

15 MagAlg-16FeSO4-1ZnSO4 16Fe:1Zn 95 -50.7 0.0918

0.0975 0.286

Page 7: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΛΟΙΠΕΣ ΣΥΝΘΕΣΕΙΣ

α/α Δείγμα Αναλογία Πρόσμιξης

Z-av (nm)

Vzeta (mV)

[M]Fe[M]total

Μαγνητοφόρηση (δείκτης)

18 MagAlg-12FeCl2-1HoCl3 12Fe:1Ho Σχεδόν καθόλου μαγνητικές ιδιότητες

19 MagAlg-12FeCl2-1HoCl3^4NH3 12Fe:1Ho 144 -56 0.0921

0.0998 0.078

20 MagAlg-12FeCl2-1HoCl3^6NH3 12Fe:1Ho 170 -64.5 0.0599

0.0649 0.053

21 MagAlg-2FeCl3-1FeCl2 Co-precip 153 -64 0.108 0.101

Page 8: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ XRD

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

(220)

(222)

Inte

nsity

(a.

u.)

2theta (deg)

MagAlg-12FeSO4-1ZnSO4MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2

(311)

DXRD

=9.2nm

DXRD

=11nm

34 35 36 37

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

Inte

nsity

(a.

u.)

2theta (deg)

MagAlg-12FeCl2-1ZnCl

2

0

5000

10000

15000

20000DXRD

=11nm

DXRD

=9.2nm

MagAlg-12FeSO4-1ZnSO

4

• Πιστοποιήθηκε ότι η δομή της κυρίαρχης φάσης των νανοκρυσταλλιτών ταιριάζει με αυτήτου σπινελίου του οξειδίου του σιδήρου, με την χαρακτηριστική ανάκλαση του κρυσταλλογραφικού επιπέδου (311)

• Με εφαρμογή της εξίσωσης Scherrer, υπολογίστηκε το μέσο μέγεθος των νανοκρυσταλλιτών για τα δείγματα

Page 9: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ SEM-EDS

• Πιστοποιήθηκε η αναλογία Fe:X, όπου X το εκάστοτε μεταλλικό ιόν που προσμίχθηκεκατά την πειραματική πορεία.

Page 10: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

TGA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 13030

40

50

60

70

80

90

100

Mas

s Lo

ss %

Time (min)

0

100

200

300

400

500

600

700

Sodium Alginate

Tem

pera

ture

(oC

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

86

88

90

92

94

96

98

100

MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2

Time (min)

Mas

s Lo

ss (%

)

0

100

200

300

400

500

600

700

Tem

perature (°C)

• Προσδιορίστηκε το ποσοστό του πολυμερούς που συνδέθηκε στην επιφάνεια των μαγνητικών νανοκρυσταλλιτών

• Από το αποτέλεσμα της μέτρησης TGA για το νανοκολλοειδές εξήχθει ότι το οργανικό κλάσμα των υβριδικών νανοφορέων κυμάνθηκε κοντά στο 11% wt

Page 11: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ DLS• Η καταγραφή της υδροδυναμικής διαμέτρου, ήταν απαραίτητη για τη σύγκριση των αποτελεσμάτων μαγνητοφόρησης καθώς έχει δειχθεί ότι σε κολλοειδή αποτελούμενα από ακριβώς το ίδιο υλικό, αυτά με την μεγαλύτερη διάμετρο κινούνται ταχύτερα. Το παραπάνω περιγράφεται από την εξίσωση:

• Στόχος ήταν τα δείγματα να έχουν μια ομοιογένεια ως προς την Dh

100 1000 10000

0

2

4

6

8

10

12

14

16MagAlg-FeCl2 D

h=104nm

MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2 Dh=113nm

MagAlg-8FeCl2-1ZnCl2 Dh=136nm

MagAlg-16FeCl2-1ZnCl2 Dh=113nm

MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2 b̂c Dh=113nm

Inte

nsity

(%

)

Hydrodynamic Diameter (nm)

100 1000 10000

0

2

4

6

8

10

12

14 MagAlg-FeSO4 Dh=107nm

MagAlg-12FeSO4-1ZnSO4 Dh=129nm

MagAlg-8FeSO4-1ZnSO4 Dh=134nm

MagAlg-16FeSO4-1ZnSO4 Dh=95nm

Inte

nsity

(%

)

Hydrodynamic Diameter (nm)

Page 12: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ ΜΑΓΝΗΤΟΦΟΡΗΣΗΣ

• Η τιμή της απορρόφησης εξαρτάται από την συγκέντρωση του δείγματος. Το δείγμα με την μισή τιμή συγκέντρωσης έχει και την μισή τιμή στην κλίση.

2000 3000 40000.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00MagAlg-FeCl2 slope=-0.49522MagAlg-FeCl2, half [C] slope=-0.28715

Abs

(cm

-1)

Time (sec)

• Καλύτερη ακρίβεια επιτυγχάνεται υπολογίζοντας τον δείκτη (index) της μαγνητοφόρησης από τον

τύπο:

2000 3000 4000-0.02

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14 MagAlg-FeCl2 index=0.2078MagAlg-FeCl2, half [C] index=0.21435

Bn

Time (sec)

Page 13: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ ΜΑΓΝΗΤΟΦΟΡΗΣΗΣ

2000 3000 4000 5000 6000-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25MagAlg-FeCl2 index=0.2078MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2 index=0.23339MagAlg-8FeCl2-1ZnCl2 index=0.21086MagAlg-16FeCl2-1ZnCl2 index=0.20176MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2 b̂c index=0.19436

Bn

Time (sec)

2000 3000 4000 5000 6000-0.05

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30MagAlg-FeSO4 index=0.2835MagAlg-12FeSO4-1ZnSO4 index=0.24679MagAlg-8FeSO4-1ZnSO4 index=0.14481MagAlg-16FeSO4-1ZnSO4 index=0.28565

Bn

Time (sec)

• Η μείωση στην απορρόφηση συνδέεται με την μείωση της συγκέντρωσης του μαγνητικού υλικού εντός της κυψελίδας. Όσο πιο απότομη είναι αυτή η μείωση, τόσο μεγαλύτερη είναιη ταχύτητα των σωματιδίων που αλληλεπιδρούν (έλκονται) με το μαγνητικό πεδίο.

• Η σύνθεση με FeSO4 που χρησιμοποιήσαμε σαν οδηγό παραμένει η καλύτερη παρά τις προσμίξεις με τα άλλα ιόντα

Page 14: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ VSM

-20 -10 0 10 20

-60

-40

-20

0

20

40

60 MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2

M (em

u/g)

H (kOe)

Hc=32 Oe

Ms=59emu/g

-50 0 50-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

M (e

mu/

g)

H(Oe)

• Προέκυψε ότι το δείγμα δεν παρουσίασε χαρακτηριστικά υστέρησης, συνεπώς επιδεικνύει υπερπαραμαγνητική συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου

• Από τον βρόχο υστέρησης, προκύπτει ότι η Mmax είναι 59emu/g. Όμως με βάση την απώλεια μάζας, την οποία υπέστη το κολλοειδές (11% wt) η μέγιστη μαγνήτιση τελικά υπολογίζεται στα 66.3emu/g.

Page 15: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕΣΩ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΥΠΕΡΘΕΡΜΙΑΣ

0 50 100 150 200 250 300

26

28

30

32

34

36

38

40

42

MagAlg-12FeCl2-1ZnCl2 SAR=24.3W/g ILP=0.56nHm2/kg

Tem

pera

ture

(o C

)

Time (sec)

• Με βάση την κλίση της εφαπτομένης από το παρακάτω γράφημα υπολογίστηκε ο SAR στα24.3W/g Fe2O3,τιμή εξαρτώμενη από τη ένταση του μαγνητικού πεδίου και τη συχνότητά του

• Για αυτό τον λόγο δεν μπορούν να γίνουν συγκρίσεις με αυτήν την τιμή SAR και είναι προτιμότερη η έκφραση ILP, η οποία για το συγκεκριμένο υλικό είναι 0.56nHm2/kg

0 2 4 6 8 100.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

SA

R

B

relaxation time,

Page 16: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

• Στην συγκεκριμένη συνθετική πορεία, η μερική ιοντική αντικατάσταση δεν συνέβαλε στην βελτίωση των μαγνητικών ιδιοτήτων. Αυτό αποδίδεται πιθανώς στην τυχαία αντικατάστασητων ιόντων μέσα στην δομή του κρυστάλλου του μαγνητίτη

• Για να είμαστε ακριβείς θα πρέπει να ξέρουμε το μέγεθος των νανοκρυσταλλιτών σε όλα τα προϊόντα, ώστε οι διαφορές της μαγνητικής απόκρισης να αποδοθούν στην αλλαγή της δομήςκαι όχι σε τυχόν αλλαγές του μεγέθους των νανοκρυσταλλιτών

• Παρόλα αυτά, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η πιθανή μικρή διαφορά στο μέγεθος πουενδεχομένως υπάρχει στα κολλοειδή με τις προσμίξεις, δεν είναι ο κύριος παράγονταςμείωσης της μαγνητικής τους απόκρισης

Page 17: ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Ενημερωμένη έκδοση εργασίας: www.teledos.eu/n.papaioannouΕπικοινωνία: [email protected]