軟物質(zhì)中所涉及的力精PPT課件

1、物質(zhì)之間所涉及的力，主要有：Coulombic 力： 250 kJ/molLondon 力（也稱為色散力，dispersion force）:弱相互作用：van der Waals effect: 1 kJ/molhydrogen bond:第1頁/共43頁From the viewpoint of kinetic energy, a crude distinction between the soft and hard ones can be made on the basis that:軟物質(zhì)的分子動(dòng)能： kBT （kB Boltzmann constant)硬物質(zhì)的分子動(dòng)能： kBT多數(shù)

2、軟物質(zhì)可在一定條件下形成流動(dòng)態(tài)，其主要原因在于它們?nèi)狈θ缃Y(jié)晶態(tài)固體所有的、構(gòu)成原子的三維長(zhǎng)程有序。第2頁/共43頁對(duì)于通常意義上的軟物質(zhì)而言，經(jīng)常會(huì)有下列兩種形式的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)：分子之間的有序化（intermolecular ordering)分子有序化聚集 (molecular aggregated-induced ordering): colloid, amphiphile, 第3頁/共43頁Hydrogen bond: 雖然帶有部分共價(jià)鍵成分，但基本上屬于一種偶極-偶極相互作用。在自組裝體系、生物體系中起到關(guān)鍵的作用。疏水作用疏水作用(hydrophobic effect): 當(dāng)某種憎水化合

3、物，如碳?xì)浠衔锛尤氲剿锏臅r(shí)候，該物質(zhì)傾向于聚集在一起，這種現(xiàn)象稱為疏水作用。這種作用會(huì)導(dǎo)致熵(entropy)的減小。這種作用往往隨著膠束(micelles)的形成而明顯降低，而且通常和氫鍵緊密聯(lián)系。第4頁/共43頁 Structural organization1)一種處于晶體和液體之間的“過渡態(tài)”或者“中間態(tài)”；2)通常具有1-1000nm 尺度上的周期性，也稱之為“介觀態(tài)mesoscopic”。上述這些特點(diǎn)充分地表現(xiàn)在液晶化合物、嵌段聚合物的有關(guān)特性上。第5頁/共43頁軟物質(zhì)有序的一些情況軟物質(zhì)有序的一些情況第6頁/共43頁X = (2Dt)1/2 (1) 其中D 是擴(kuò)散系數(shù)；F =

4、fv (2) 其中f和v分別為摩擦系數(shù)和速度；Df = kBT (3) kBT 為估計(jì)的單一顆粒的平動(dòng)動(dòng)能；f = 6R (4) Stokes 定律；R為粒子的流體力學(xué)半徑；將（3）和（4）聯(lián)合，得到：D = kBT / 6R (5) Stokes Einstein 方程方程通常，分子在液體中的D值在D 10-9 m2s-1。室溫下流體半徑為10nm的膠束在水中擴(kuò)散時(shí)候的D 10-11 m2s-1。聚合物由于分子較大，D值通常在D 10-18 m2s-1。 有關(guān)的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容：有關(guān)的動(dòng)力學(xué)內(nèi)容：第7頁/共43頁顯微鏡光散射/X-射線/中子散射流變學(xué)波譜學(xué)方法：NMR、IR/Raman譜、UV-可

5、見光、介電方法量熱技術(shù)表面探針技術(shù)3. 常用的技術(shù)手段第8頁/共43頁幾種顯微分析技術(shù)的一般分辨率幾種顯微分析技術(shù)的一般分辨率 掃描探針顯微鏡：0.02 nm 透射電鏡：0.2 nm 掃描電鏡：2 nm 光學(xué)顯微鏡：200 nm 人眼：0.2 mm第9頁/共43頁光散射/X-射線/中子散射靜態(tài)光散射(SLS): 彈性散射光的強(qiáng)度作為散射角的函數(shù)被記錄下來。d ：Rayleigh scattering;d ：Rayleigh-Debye-Gans scattering； more complex! d ：Mie scattering第10頁/共43頁動(dòng)態(tài)光散射：主要用于研究高分子溶液的擴(kuò)散，有時(shí)

6、也被稱作光子相關(guān)光譜或者準(zhǔn)靜態(tài)光散射。通過對(duì)光散射強(qiáng)度的自相關(guān)函數(shù)（autocorrelation function)的分析，可以得到有關(guān)馳豫時(shí)間分布的信息，進(jìn)而得到有關(guān)平動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)的數(shù)據(jù)；然后根據(jù)有關(guān)方程，可以得到有關(guān)組成粒子的流體力學(xué)半徑。第11頁/共43頁通過靜態(tài)光散射的方法可測(cè)量高聚物的平均分子量（MW），回轉(zhuǎn)半徑（Rg）和第二維里系數(shù)（A2）;通過動(dòng)態(tài)光散射的方法可以測(cè)量大分子和膠體粒子的流體力學(xué)半徑分布情況?？蓽y(cè)粒子大小為幾個(gè)nm至1m，并具有不破壞體系原有狀態(tài)的特征，因此在高分子與膠體化學(xué)，材料科學(xué)，生命科學(xué)等方面都得到廣泛應(yīng)用。第12頁/共43頁X-X-射線射線/ /中子散射中

7、子散射第13頁/共43頁聚酰亞胺薄膜中聚酰亞胺薄膜中銅銅納米粒子粒度分布測(cè)納米粒子粒度分布測(cè)試試第14頁/共43頁在研究新一代紫外發(fā)光元件及透明導(dǎo)電膜材料引起廣泛關(guān)注的氧化鋅。采用危險(xiǎn)性較小的鋅乙酰丙酮1水化合物低溫合成方法。采用XRD可了解反應(yīng)過程的差異、可得到高濃度水蒸氣中150結(jié)晶良好的氧化鋅結(jié)果。 上圖為干燥氮中、下圖高濕度氮中（相當(dāng)于水蒸氣壓強(qiáng)9.3kPa, 5075%RH）第15頁/共43頁流變學(xué)流變學(xué)第16頁/共43頁第17頁/共43頁波譜學(xué)方法波譜學(xué)方法：NMR、IR/Raman譜、 UV-可見光、介電方法光的吸收和發(fā)射是許多物質(zhì)分子的標(biāo)志性特征。根據(jù)量子力學(xué)原則，分子中的價(jià)電

8、子總是處于某種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，并屬于一定的能級(jí)。當(dāng)處于最低能級(jí)時(shí)稱為基態(tài)基態(tài)。當(dāng)電子吸收了外加能量（如電致激發(fā)、熱致激發(fā)或者光致激發(fā)等）后從一個(gè)較低能級(jí)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)較高的能級(jí)，稱為躍遷躍遷。這種躍遷所需要的能量是量子化的。當(dāng)實(shí)現(xiàn)躍遷的兩個(gè)能級(jí)之間的能量滿足一定的關(guān)系時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生吸收光譜。NMR、IR/Raman譜、UV-可見光、原子吸收光譜等都是吸收光譜法的具體應(yīng)用。第18頁/共43頁相反，當(dāng)激發(fā)態(tài)的原子或者分子從不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)返回到低能態(tài)或基態(tài)時(shí)就會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，產(chǎn)生發(fā)射光譜和發(fā)射曲線。分子熒光光譜法分子熒光光譜法和原子發(fā)射光譜法原子發(fā)射光譜法都是發(fā)射光譜的應(yīng)用。第19頁/共

9、43頁中紅外區(qū)400-4000cm-1分子基頻振動(dòng)遠(yuǎn)紅外區(qū)10-400cm-1分子轉(zhuǎn)動(dòng)及晶格振動(dòng)近紅外區(qū)4000-13000cm-1O-H, N-H, C-H振動(dòng)的倍頻及合頻第20頁/共43頁近來被越發(fā)廣泛采用的一些新技術(shù)：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頁/共43頁對(duì)于Raman 光譜，本質(zhì)上是觀察分子的轉(zhuǎn)動(dòng)或者振動(dòng)能否導(dǎo)致分子極化度（polarizability)可否改變。Polarized Raman Scattering：研究分子取向運(yùn)動(dòng)，了解特定化學(xué)鍵的“有序”情況；Raman microscopy: 了解分子在特定平面上取向的信息；Photon correlation spectroscopy: 通常用于可見光的輻射，但同樣可以用于紅外和Raman輻射。主要可以提供有關(guān)分子運(yùn)動(dòng)動(dòng)力

11、學(xué)方面的信息。Raman Raman 光譜光譜第22頁/共43頁對(duì)極性分子非常有用的探針技術(shù)；與動(dòng)態(tài)粘彈技術(shù)（有時(shí)也稱之為DMA技術(shù)）相比，測(cè)量的頻率范圍更寬，可以達(dá)到15個(gè)數(shù)量級(jí)（10-5到1010 HZ); 因此對(duì)某些研究玻璃化轉(zhuǎn)變和其它與鏈段運(yùn)動(dòng)相關(guān)的運(yùn)動(dòng)模式更為敏感。通常與DMA技術(shù)相互補(bǔ)充，分別作高頻和低頻下的相關(guān)研究。介電方法介電方法第23頁/共43頁介電譜儀通過測(cè)量材料的介電性質(zhì)及其隨頻率和溫度的變化，可直接測(cè)得材料的介電損耗，從而研究材料的介電損耗機(jī)制（材料弛豫、相變、微結(jié)構(gòu)變化、分子團(tuán)重新取向等）。介電譜儀對(duì)于聚合物分子的鏈接、取向和固化極為靈敏。 廣泛應(yīng)用于化學(xué)、物理化學(xué)、

12、電化學(xué)、電子、電工工程、材料科學(xué)、生物學(xué)和制藥領(lǐng)域，尤其包括聚合物、樹脂、陶瓷、橡膠、玻璃、液晶、石油及懸浮體等材料介電方法介電譜儀具有極寬的頻率范圍（3Hz-3GHz），能靈敏地測(cè)量極低電導(dǎo)率和極低損耗的材料，并且運(yùn)用數(shù)字技術(shù)可達(dá)到10(e-5)分辨率。第24頁/共43頁量熱技術(shù)量熱技術(shù)主要包括DSC, TG, DMA等有關(guān)涉及到程序升降溫過程中，檢測(cè)有關(guān)信號(hào)的技術(shù)。第25頁/共43頁熱分析熱分析物 質(zhì)加熱加熱冷卻冷卻熱量變化熱量變化重量變化重量變化長(zhǎng)度變化長(zhǎng)度變化粘彈性變化粘彈性變化氣體發(fā)生氣體發(fā)生熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)其其 他他DTATGTMADMADSCEGADTG（熱機(jī)械分析）（熱機(jī)械分析）（

13、逸出氣分析）（逸出氣分析）(動(dòng)態(tài)機(jī)械分析動(dòng)態(tài)機(jī)械分析)（微分熱重分析）（微分熱重分析）第26頁/共43頁主要的熱分析方法的分類主要的熱分析方法的分類測(cè)定樣品的物理性測(cè)定樣品的物理性質(zhì)質(zhì)所有方法名稱所有方法名稱熱量變化熱量變化質(zhì)量質(zhì)量 變化變化揮發(fā)產(chǎn)物揮發(fā)產(chǎn)物尺寸變化尺寸變化熱熱- -力分析力分析熱熱- -電分析電分析熱熱- -光分析光分析差示掃描量熱法、差示分析差示掃描量熱法、差示分析法法熱重法熱重法逸出氣分析逸出氣分析線膨脹法和體膨脹法線膨脹法和體膨脹法靜態(tài)熱機(jī)械法和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械靜態(tài)熱機(jī)械法和動(dòng)態(tài)熱機(jī)械法法熱釋電流法熱釋電流法熱釋光分析法熱釋光分析法磁學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)熱磁學(xué)法熱磁學(xué)法第27頁/共

14、43頁在經(jīng)過程序溫度掃描，差示量熱掃描（DSC）是用來測(cè)量樣品釋放或吸收熱流的一種技術(shù)。在加熱和冷卻過程中，材料的任何轉(zhuǎn)變都要伴隨差熱量的交換，DSC使得需要測(cè)定的轉(zhuǎn)變溫度以及需要定量的熱量成為可能。 主要功能主要功能: : 測(cè)定主要的轉(zhuǎn)變溫度 晶體相熔化熱的測(cè)定以及結(jié)晶度 研究晶體動(dòng)力學(xué) 測(cè)定熱容 測(cè)定生成熱 樣品純度第28頁/共43頁典型的DSC曲線（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）陰影部分面積為相應(yīng)的熱焓第29頁/共43頁TGA 測(cè)量的是材料在一定環(huán)境條件下，其重量隨溫度或時(shí)間的變化，目的是研究材料的熱穩(wěn)定性和組目的是研究材料的熱穩(wěn)定性和組份份。水分：吸附水和結(jié)晶水分析，水合及脫水速率，吸附，干燥

15、條件，吸濕性氣體反應(yīng)：催化劑評(píng)選，金屬與氣體反應(yīng)，腐蝕研究氧化與還原：抗氧化劑，耐火性，阻燃劑與添加劑，閃點(diǎn)，燃點(diǎn)，阻燃作用（炭化），等溫分解分解：分解過程，氣氛影響熱穩(wěn)定性：熱穩(wěn)定性，質(zhì)量變化，油脂穩(wěn)定性，抗氧化劑，抑制作用活化能：活化能，反應(yīng)速率，反應(yīng)機(jī)理，爆炸性研究涂料：涂料的穩(wěn)定性，涂敷物研究，單體含量研究發(fā)泡劑：發(fā)泡劑含量，發(fā)泡特性混合物：混合物，組成分析，填料，溶媒研究粘土礦物：鑒別，煅燒度，脫羥基，礦物學(xué)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)升華與蒸發(fā)：升華與蒸發(fā)，蒸發(fā)速率第30頁/共43頁第31頁/共43頁動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀（DMA）：使樣品處于程序控制的溫度下，并施加隨時(shí)間變化的振蕩力，研究樣品的機(jī)械行為

16、，測(cè)定其儲(chǔ)能模量、損耗模量和損耗因子隨溫度、時(shí)間與力的頻率的函數(shù)關(guān)系。廣泛應(yīng)用于熱塑性與熱固性塑料、橡膠、涂料、金屬與合金、無機(jī)材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域。 測(cè)量材料的如下特性：儲(chǔ)能模量（剛性）；損耗模量（阻尼）；粘彈性；蠕變與應(yīng)力松弛；玻璃化轉(zhuǎn)變；軟化溫度；二級(jí)相變；固化過程。 第32頁/共43頁非晶態(tài)高聚物玻璃化轉(zhuǎn)變前后動(dòng)態(tài)力學(xué)性能隨頻率的變化非晶態(tài)高聚物玻璃化轉(zhuǎn)變前后動(dòng)態(tài)力學(xué)性能隨溫度的變化第33頁/共43頁第34頁/共43頁表面探針技術(shù)表面探針技術(shù)SPM （scanning probe microscopy)技術(shù)X-ray/neutron reflectivity: 通過測(cè)量從樣品表面上反射

17、的X-ray/neutron reflectivity的強(qiáng)度與入射角（angle of incidence)的關(guān)系。第35頁/共43頁計(jì)算模擬方法 Monte Carlo 方法分子動(dòng)力學(xué)方法布朗動(dòng)力學(xué)方法第36頁/共43頁4. 4. 軟物質(zhì)在納米技術(shù)的應(yīng)用軟物質(zhì)在納米技術(shù)的應(yīng)用第37頁/共43頁軟物質(zhì)在納米技術(shù)的應(yīng)用形式：軟物質(zhì)在納米技術(shù)的應(yīng)用形式：一種是采用先進(jìn)的加工技術(shù),如微機(jī)械加工、微刻蝕等手段，將構(gòu)造的納米化推進(jìn)到極限，即所謂的“自上而下方式”（top-down);特點(diǎn)：精密準(zhǔn)確，當(dāng)往往投入較大，周期較長(zhǎng)。另一種則是使構(gòu)筑單元通過協(xié)同自組裝、模板構(gòu)筑等方法，制備出能夠精密控制其構(gòu)成和性

18、能的納米構(gòu)造，從而發(fā)現(xiàn)新的功能，即“自下而上”(bottom-up)。特點(diǎn)：缺陷較多，可控制性不十分理想；但屬于真正意義上的“調(diào)控”第38頁/共43頁第39頁/共43頁From micro- to Nanofabrication with Soft MaterialsQuake, S R; et.al Science 2000, 24, 1536第40頁/共43頁Quake, S R; et.al Science 2000, 24, 1536第41頁/共43頁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,