Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка оптических неинвазивных методов измерения геометрических параметров, электрокинетического потенциала и концентрации несферических наноразмерных объектов в жидких средах.

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
анализатор наночастиц, несферические наночастицы, измерение геометрических параметров, аспектное отношение, электрокинетический (дзета) потенциал, динамическое рассеяние света, деполяризация рассеянного излучения, стандартные образцы, методики измерения, электрофоретическое рассеяние света, контроль продукции наноиндустрии, оценка токсичности наноматериалов.

Цель проекта:
1.Проект направлен на решение проблемы экспрессного измерения и контроля параметров несферических нанообъектов (размеров, концентрации и электрокинетического потенциала) непосредственно в жидких дисперсиях. 2. Цель работы - разработка методов диагностики и технологии создания устройств для обеспечения возможности проведения экспресс-диагностики этих параметров несферических наноразмерных объектов в жидких средах для контроля технологий и продукции наноиндустрии и оценки токсичности наноматериалов

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате выполнения проекта планируется разработать эффективные методы измерения геометрических параметров, концентрации и электрокинетического потенциала несферических наноразмерных объектов в жидких средах, малогабаритный оптический анализатор, реализующий эти методы, необходимые математические алгоритмы и программное обеспечение. Предполагается разработка методик измерения, стандартных образцов аспектного отношения несферических наночастиц и электрокинетического потенциала.
2. Разрабатываемый в рамках НИОКР малогабаритный анализатор наночастиц в жидких дисперсиях должен обеспечивать:
- измерение размерных параметров (длины, диаметра, аспектного отношения) несферических наночастиц в жидких средах в диапазоне от 5 нм до 5 мкм при аспектных отношениях от 2 до 500 ;- измерение счетной концентрации сферических и несферических наночастиц в жидких средах в диапазоне от 10^8 до 10^15 см^3;- измерение электрокинетического (дзета) потенциала сферических и несферических наночастиц в жидких средах в диапазоне от минус 200 до + 200 нм
Анализатор должен обеспечивать проведение всех указанных измерений с временным разрешением, в целях контроля стабильности жидких дисперсий, содержащих сферические и несферические наночастицы и оперативного контроля происходящих в них изменений.Должны быть разработаны средства метрологического обеспечения (методики измерений, стандартные образцы аспектного отношения и электрокинетического потенциала) , для поддержки измерений, перечисленных выше.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1.Конечный продукт - анализатор, математические модели и алгоритмы, методики измерений и стандартные образцы, совместно обеспечивающие неинвазивную экспресс-диагностику несферических наночастиц в жидких дисперсиях.
2-3. В рамках проекта развивается предложенный получателем субсидии и защищенные патентом РФ на изобретение 2556285 RU способ измерения геометрических параметров несферических наночастиц методом частично деполяризлванного динамического рассеяния света (ЧД ДРС). По сравнению с известным ранее методом деполяризованного динамического рассеяния, развиваемый метод позволяет в несколько раз снизить мощность лазерного излучения, возбуждающего рассеяние либо уменьшить время измерения. Кроме того, появляется возможность увеличить количество первичной измерительной информации (вместо двух автокорреляционных функций получать 3-5 АКФ), повышая тем самым точность решения обратной задачи (вычисления по АКФ коэффициентов трансляционной и ротационной диффузии и далее - диаметра и длины частиц). Впервые разрабатываются стандартные образцы электрокинетического (дзета) потенциала, воспроизводящие не только его среднее значение этой величины, но и ее распределение по размерам.
4. Для достижения заявленных результатов разработана оригинальная оптическая схема анализатора, производится ее макетирование и оптимизация параметров, развиваются математические модели и алгоритмы для решения упомянутых в п.п.2-3 обратных задач. Ограничения точности решения обратных задач обусловлены прежде всего отличием формы реальных несферических частиц от идеальных цилиндров, модели диффузии которых приходится использовать в расчетах.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты проекта могут использоваться при разработке и развитии новых нанотехнлогий, связанных с использованием несферических наночастиц - прежде всего биомедицинских (наностержни для фотодинамической терапии и наносенсорных систем), нанокомпозитных материалов (армирующие элементы в виде наностержней, нанотрубок и нанопроволок), наноэнергетике (наностержни и нанопроволоки для высокоэффективных солнечных батарей). Они могут использоваться при контроле стабильности различных несферических наночастиц, выпускаемых предприятиями наноиндустрии и оперативном выявлении изменений, происходящих с этими частицами, а также при контроле некоторых видов нанопродукции на соответствие требованиям безопасности.
2. На основе результатов проекта будет возможно проведение ОКР, подготовка серийного производства оптического анализатора параметров сферических и несферических наночастиц в жидких средах, непосредственно по результатам проекта может быть организован мелкосерийный выпуск стандартных образцов аспектного отношения несферических наночастиц и электрокинетического (дзета) потенциала несферических наночастиц в жидких средах.
3. Методы и средства неинвазивного и быстрого измерения и контроля параметров несферических наночастиц будут способствовать развитию новых нанотехнологий и повышению эффективности оперативного контроля определенных видов нанопродукции.
4. В рамках развития методов и средств диагностики несферических наночастиц в жидких средах предполагается сотрудничество ФГУП "ВНИИОФИ" и Национального института метрологии Китая.

Текущие результаты проекта:
Работы 2015 года. Проведено теоретическое обоснование и экспериментальная апробация предложенного получателем субсидии метода определения геометрических параметров несферических частиц по частично деполяризованному динамическому рассеянию света (ЧД ДРС). В рамках теоретических исследований совершенствовались алгоритмы решения двух обратных задач - вычисления коэффициентов трансляционной и ротационной диффузии по АКФ и вычисления диаметра и длины несферических наночастиц по этим коэффициентам диффузии. Проанализированы различные модели диффузии цилиндрических частиц для решения второй из названных задач, предложена полуэмпирическая модель, предусматривающая подбор коэффициентов, учитывающих особенности данного вида наночастиц.
Выполнены экспериментальные исследования геометрических параметров золотых наностержней четырех видов, золотых нанопроволок и многослойных
углеродных нанотрубок методом ЧД ДРС. Показано, что наиболее эффективным использование метода ЧД ДРС является для контроля стабильности геометрических параметров наночастиц и кинетики различных процессов, происходящих с ними в жидких дисперсиях.
Предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый оптический метод определения абсолютных значений концентраций наночастиц в жидких дисперсиях.
Разработаны оптическая и электрические схемы макетного образца оптического анализатора, предназначенного для экспресс-диагностики несферических нанообъектов в жидких средах. Разработан комплект ЭКД на анализатор, изготовлен и собран его макетный образец. Разработано программное обеспечение для анализатора. Ведется разработка стандартных образцов аспектного отношения наночастиц и электрокинетического (дзета) потенциала наночастиц в жидких средах.