ebook Świat nanocząstek

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2016

Nanocząstki występowały w przyrodzie od zawsze, jednak dopiero niedawno poznano wielkie możliwości ich zastosowania w wielu dziedzinach techniki. Stało się to za przyczyną ogromnego zainteresowania nanocząstkami, zarówno w środowisku naukowym, pragnącym zrozumieć i wyjaśnić zjawiska w nanoskali, jak i przemysłowym, chcącym wykorzystać niezwykłe cechy nanocząstek do poprawy jakości całej gamy produktów.

Publikacja przedstawia specyficzne właściwości nanocząstek, wynikające z ich rozmiarów, metody ich charakteryzowania, wytwarzania oraz obszary zastosowania. Skierowana jest do studentów kierunków ścisłych i technicznych − fizyki, chemii, inżynierii materiałowej − oraz wydziałów mechanicznych, budowlanych i elektrycznych. Będzie użyteczna również dla pracowników przedsiębiorstw działających w innowacyjnych sektorach gospodarki, wykorzystujących zaawansowane materiały.

Spis treści ebooka Świat nanocząstek

Wprowadzenie Krzysztof J. Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska 13

1. Różne sposoby postrzegania nanotechnologii Witold Łojkowski, Anna Świderska-Środa, Joanna Sobczyk 17
1.1. Wprowadzenie 17
1.2. Czym jest nanotechnologia 18
1.3. Jaka jest dzisiejsza nanotechnologia 19
1.4. Nanotechnologia w oczach środowiska akademickiego 21
1.5. Nanotechnologia z punktu widzenia przemysłu 24
1.6. Nanotechnologia w oczach rządów i instytucji finansujących naukę 26
1.7. Nanotechnologia w świecie przepisów, praw i standardów 27
1.8. Nanotechnologia w odbiorze społeczeństwa 28
1.9. Wpływ polityki edukacyjnej na rozwój nanotechnologii 29
1.10. Podsumowanie 30
Literatura 33

2. Technologie otrzymywania nanocząstek Urszula Narkiewicz 35
2.1. Metody wytwarzania nanocząstek w fazie ciekłej 38
2.1.1. Strącanie 39
2.1.2. Metoda zol–żel 43
2.1.3. Metody koloidalne 44
2.1.4. Metody solwotermalne 44
2.2. Metody otrzymywania nanocząstek w fazie gazowej 45
2.3. Metody otrzymywania nanocząstek w fazie stałej 47
2.4. Inne metody otrzymywania nanocząstek 48
2.4.1. Metoda samoorganizacji 48
2.4.2. Metoda wyładowania łukowego 48
2.4.3. Rozdrabnianie wybuchowe i elektroeksplozja 49
2.4.4. Techniki mikrofalowe 49
2.4.5. Techniki ultradźwiękowe 50
2.4.6. Metoda próżniowego odparowania przepływającego płynu 50
2.4.7. Metoda elektroosadzania 50
2.4.8. Powlekanie obrotowe 51
2.4.9. Strącanie w płynach w stanie nadkrytycznym 51
2.4.10. Kontrolowana krystalizacja z amorficznych prekursorów 51
2.4.11. Metody z udziałem mikroorganizmów 52
Literatura 52

3. Nanomateriały węglowe Urszula Narkiewicz 55
3.1. Zerowymiarowe nanomateriały węglowe 55
3.2. Jednowymiarowe nanomateriały węglowe 57
Literatura 60

4. Nanocząstki tlenków o szerokiej przerwie energetycznej jako luminofory i znaczniki biologiczne Marek Godlewski, Michał Marek Godlewski 62
4.1. Wstęp 62
4.2. Procesy rekombinacji promienistej 62
4.3. Luminofory w lampach fluorescencyjnych 64
4.4. Ziemie rzadkie jako aktywatory świecenia luminoforów 70
4.5. Czy nanorozmiary są potrzebne 74
4.6. Znaczniki fluorescencyjne do zastosowań w biologii i medycynie 77
4.7. Znaczniki fluorescencyjne nowej generacji 79
4.8. Zastosowanie luminoforów domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich w badaniach biomedycznych 81
Literatura 84

5. Nanocząstki a kataliza heterogeniczna Marcin Pisarek 86
5.1. Wprowadzenie 86
5.2. Kataliza heterogeniczna (kataliza kontaktowa) 88
5.2.1. Wymagania stawiane katalizatorom 90
5.2.2. Etapy reakcji chemicznych w katalizie heterogenicznej 90
5.3. Otrzymywanie nanocząstek stosowanych w katalizie 92
5.4. Metody charakteryzowania nanocząstek stosowanych w katalizie 93
5.5. Przykłady zastosowania nanocząstek w reakcjach katalitycznych. Wpływ czynników morfologicznych, strukturalnych, chemicznych oraz geometrycznych 97
5.6. Podsumowanie 103
Literatura 104

6. Nanocząstki zwiększające przewodność elektryczną Ewelina Ciecierska 106
6.1. Nanorurki węglowe 106
6.2. Grafen 108
Literatura 111

7. Nanocząstki w zastosowaniach biomedycznych Agata Roguska 112
7.1. Wprowadzenie 112
7.2. Nanocząstki metali szlachetnych 113
7.3. Nanoczątski hyroksyapatytowe 117
7.4. Nanocząstki magnetyczne 119
7.5. Kropki kwantowe 122
7.6. Nośniki leków 124
7.7. Biosensory 127
7.8. Podsumowanie 128
Literatura 129

8. Metody i procedury charakteryzowania morfologii nanocząstek Anna Świderska-Środa 131
8.1. Parametry opisu budowy nanocząstek i techniki ich pomiaru 132
8.1.1. Fundamentalne elementy charakterystyki nanoobiektów 132
8.1.2. Techniki badawcze, stosowane w miernictwie nonoobiektów 133
8.2. Znaczenie procedur w analizie morfologicznej nanocząstek 138
8.2.1. Procedura badań nanomateriałów stosowana w Laboratorium Nanostruktur 139
8.3. Nanometrologia w dokumentach UE 141
8.4. Podsumowanie 142
Literatura 142

9. Obrazowanie nanocząstek metodami mikroskopii sił atomowych Michał Woźniak 144
9.1. Sonda skanująca 146
9.2. Rozdzielczość pikselowa 146
9.3. Warunki środowiskowe 147
Literatura 154

10. Obrazowanie nanocząstek metodami mikroskopii elektronowej Tomasz Płociński 156
10.1. Oddziaływanie wiązki elektronów z materią 160
10.2. Detektory 162
10.3. Mikroskopy wysokorozdzielcze HR STEM/TEM, wyposażone w korektor aberracji sferycznej i/lub chromatycznej 164
10.4. Uchwyty 167
10.5. Mikroanaliza składu chemicznego nanocząstek 167
10.6. Przygotowanie nanocząstek do obserwacji w mikroskopie elektronowym 170
Literatura 172

11. Metody opisu kształtu i pomiary wielkości nanocząstek Krzysztof Rożniatowski, Tomasz Wejrzanowski 173
11.1. Wstęp 173
11.2. Parametry lokalne i globalne 173
11.3. Ograniczenia pomiarowe 174
11.4. Obrazowanie nanocząstek 175
11.5. Parametry opisujące wielkość i kształt 176
11.6. Analiza obrazu i wyznaczanie wielkości parametrów 179
11.7. Podsumowanie 182
Literatura 182

12. Pomiar rozkładu wielkości nanocząstek metodą rozpraszania światła laserowego Agnieszka Opalińska 184
Literatura 194

13. Pomiar stabilności koloidów i zawiesin nanocząstek Jacek Wojnarowicz, Agnieszka Opalińska 195
13.1. Układy dyspersyjne 195
13.1.1. Stabilność koloidów i zawiesin 196
13.1.2. Siły i oddziaływania między cząsteczkami 197
13.1.3. Niestabilność Ostwalda 200
13.1.4. Ruchy Browna 201
13.1.5. Teoria DLVO (podwójna warstwa elektryczna) 202
13.1.6. Zmienność układów dyspersyjnych 203
13.1.7. Termodynamiczny aspekt stabilności układu dyspersyjnego 204
13.1.8. Efekt steryczny 206
13.1.9. Podsumowanie 207
13.2. Proces destabilizacji zawiesin i koloidów 207
13.3. Zasada pomiaru stabilności metodą MLS 209
13.3.1. Stabilność 211
13.3.2. Zmiana wielkości cząstek 212
13.3.3. Migracja cząstek 213
13.3.4. Połączenie niestabilności 214
13.3.5. Podsumowanie 215
13.4. Stabilność elektrostatyczna – potencjał zeta 215
13.4.1. Pomiary potencjału zeta metodą elektroforetyczną 217
13.4.2. Pomiary potencjału zeta metodą elektroakustyczną 218
13.4.3. Pomiary potencjału zeta metodą potencjału strumieniowego 219
13.4.4. Podsumowanie 219
13.5. Podsumowanie rozdziału 220
Literatura 220

14. Pomiar rozmiaru nanokryształów metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego Stanisław Gierlotka 223
14.1. Wstęp 223
14.2. Dyfrakcja promieniowania na kryształach 224
14.2.1. Analogie do dyfrakcji światła 224
14.2.2. Specyficzne cechy dyfrakcji na kryształach 225
14.2.3. Dyfrakcja na polikryształach 227
14.2.4. Jak rozmiar krystalitu uwidacznia się na dyfraktogramach 229
14.3. Określanie średniego rozmiaru krystalitów – metoda Scherrera 232
14.4. Małe krystality z naprężeniami – metoda Williamsona–Halla 239
14.5. Badanie rozkładu wielkości krystalitów przez analizę kształtu piku dyfrakcyjnego 242
14.5.1. Ograniczenie metody analizy kształtu piku 247
14.6. Podsumowanie, czyli jak postępować w praktyce 248
Literatura 249

15. Badanie rozkładu wielkości nanokrystalitów metodą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego Roman Pielaszek 250
15.1. Zasada działania 250
15.2. Proszki monodyspersyjne – metoda Scherrera 252
15.3. Proszki polidyspersyjne 254
15.3.1. Metoda Integral Breadth (uogólniona) 256
15.3.2. Metoda Scherrera uogólniona, FW1_ 5/4_ 5M 258
15.3.3. Nanokryształy dużych cząsteczek 259
15.3.4. Metody bezpośredniego dopasowania 261
15.3.5. Narzędzia internetowe 262
15.4. Oszacowanie i redukcja błędów pomiarowych 264
15.4.1. Błąd oznaczenia stałej sieci nanokryształów 264
15.4.2. Błąd oznaczenia rozmiaru ziarna nanokryształów 265
15.4.3. Określanie poziomu tła piku 265
15.5. Ograniczenia metod rentgenowskich 266
15.6. Podstawy ﬁzyczne (dla dociekliwych) 267
15.6.1. Równanie Debye’a 267
15.6.2. Równanie Debye’a dla kryształów, warunek Bragga 267
15.6.3. Proﬁl linii i stała Scherrera dla kryształów prostopadłościennych 271
15.6.4. Proﬁl linii i stała Scherrera dla kryształów kulistych 273
15.6.5. Proﬁl linii dla proszków polidyspersyjnych (wielościany) 274
15.6.6. Proﬁl linii dyfrakcyjnej dla proszków polidyspersyjnych (ziarna kuliste) 278
15.6.7. FW1_ 5/4_5M – metoda Scherrera dla proszków polidyspersyjnych 280
15.6.8. Metoda Integral Breadth (uogólniona) 283
15.6.9. Oszacowanie błędów pomiarowych stałej sieci 284
15.6.10. Oszacowanie błędów pomiaru rozmiaru ziarna 286
Literatura 286

16. Znaczenie morfologii w kształtowaniu właściwości nanocząstek Anna Świderska-Środa 287
Literatura 290

17. Toksyczność nanocząstek i sposoby jej wyznaczania Agnieszka Gajewicz, Tomasz Puzyn, Przemysław Oberbek, Michał Woźniak 291
17.1. Czy nanocząstki są toksyczne 291
17.2. Potencjalne mechanizmy toksyczności nanocząstek 293
17.3. Ocena ryzyka stwarzanego przez nanocząstki 295
17.4. Metody eksperymentalne 297
17.4.1. Metody in vitro 298
17.4.2. Metody mikroskopowe 301
17.4.3. Metody in vivo 305
17.4.4. Podstawowe badania toksykometryczne 306
17.5. Metody komputerowe (in silico) 309
17.5.1. Zbieranie danych eksperymentalnych 310
17.5.2. Podział związków na zbiór uczący i testowy 310
17.5.3. Obliczenie deskryptorów 311
17.5.4. Kalibracja i walidacja modelu 313
17.6. Przykłady zastosowania metod QSAR do nanocząstek 317
17.7. Podsumowanie 323
Literatura 324

18. Bezpieczeństwo i higiena pracy z nanocząstkami Anna Świderska-Środa 330
18.1. Ochrona zdrowia pracowników 331
18.1.1. Rekomendowane limity stężeń nanocząstek w środowisku pracy 331
18.1.2. Rekomendowane środki ochrony pracowników 333
18.2. Ryzyko pożaru i eksplozji w środowisku pracy 338
18.2.1. Środki ochrony przeciwpożarowej 338
18.3. Przekazywanie informacji w łańcuchu dostaw 339
18.3.1. Karty charakterystyki materiału 339
18.3.2. Etykiety znamionowe na pojemnikach 341
18.4. Podsumowanie 341
Literatura 342

19. Nanomateriały w świetle przepisów Unii Europejskiej Anna Świderska-Środa, Agnieszka Baran 345
19.1. Definicje i normy 345
19.1.1. Definicja nanomateriału 345
19.1.2. Działania normalizacyjne w nanotechnologii 349
19.2. Kluczowe regulacje Unii Europejskiej dotyczące substancji chemicznych, w tym nanomateriałów 351
19.2.1. System kontroli substancji chemicznych w Unii Europejskiej 351
19.3. Przepisy sektorowe zawierające odniesienia do nanomateriałów 357
19.3.1. Produkty kosmetyczne 357
19.3.2. Produkty biobójcze 358
19.3.3. Produkty spożywcze 358
19.4. Przepisy na poziomie krajowym odnoszące się do nanomateriałów 360
19.5. Podsumowanie 362
Literatura 362

20. Polityka i działania Unii Europejskiej w odniesieniu do nanomateriałów Anna Świderska-Środa 366
Literatura 369

21. Rynek nanocząstek tlenków metali Elżbieta Krawczyk-Dembicka 371
21.1. Nanotechnologia na świecie 371
21.2. Nanotechnologia w Polsce 375
21.3. Rynek nanocząstek tlenków metali 378
21.3.1. Nanocząstki tlenku glinu (Al2O3) 380
21.3.2. Nanocząstki tlenku antymonu cyny (ATO) 383
21.3.3. Nanocząstki tlenku bizmutu (Bi2O3) 384
21.3.4. Nanocząstki ditlenku ceru (CeO2) 384
21.3.5. Nanocząstki tlenku kobaltu (CoO) 385
21.3.6. Nanocząstki tlenku miedzi (CuO) 386
21.3.7. Nanocząstki tlenku żelaza (Fe2O3 oraz Fe3O4) 386
21.3.8. Nanocząstki tlenku indu (In2O3) 387
21.3.9. Nanocząstki tlenku magnezu (MgO) 387
21.3.10. Nanocząstki tlenku manganu (MnO oraz Mn2O3) 388
21.3.11. Nanocząstki tlenku niklu (NiO) 389
21.3.12. Nanocząstki ditlenku krzemu (SiO2) 389
21.3.13. Nanocząstki ditlenku tytanu (TiO2) 390
21.3.14. Nanocząstki tlenku itru (Y2O3) 390
21.3.15. Nanocząstki tlenku cynku (ZnO) 391
21.3.16. Nanocząstki ditlenku cyrkonu (ZrO2) 392
Literatura 404

Ważniejsze skróty i akronimy 405

Skorowidz 413