软物质中所涉及的力ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,2.,软物质中所涉及的力、能量和时间尺度：,物质之间所涉及的力,Structural organization,有关的动力学内容,相转移,有序参数,标度定律,物质之间所涉及的力,，主要有：,Coulombic,力,：,250 kJ/mol,London,力,（,也称为色散力,，,dispersion force,）,:,弱相互作用,：,van,der,Waals,effect:1 kJ/mol,hydrogen bond:,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,：,k,B,T,（,k,B,Boltzmann,constant,),硬物质的分子动能,：,k,B,T,多数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。,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,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,(hydrophobic effect),:,当某种憎水化合物，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。,Structural organization,一种处于晶体和液体之间的,“,过渡态,”,或者,“,中间态,”,；,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。,软物质有序的一些情况,X=(2Dt),1/2,(1),其中,D,是扩散系数,；,F=fv (2),其中,f,和,v,分别为摩擦系数和速度,；,Df,=,k,B,T,(3),k,B,T,为估计的单一颗粒的平动动能；,f=6,R (4)Stokes,定律；,R,为粒子的流体力学半径,；,将（,3,）和（,4,）,联合，得到：,D=,k,B,T,/6,R (5),Stokes Einstein,方程,通常，分子在液体中的,D,值在,D,10,-9,m,2,s,-1,。,室温下流体半径为,10nm,的胶束在水中扩散时候的,D,10,-11,m,2,s,-1,。,聚合物由于分子较大，,D,值通常在,D,10,-18,m,2,s,-1,。,有关的动力学内容：,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,-,可见光、介电方法,量热技术,表面探针技术,3.,常用的技术手段,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,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,动态光散射：主要用于研究高分子溶液的扩散，有时也被称作,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。,通过静态光散射的方法可测量高聚物的平均分子量（,M,W,），回转半径（,R,g,）和第二维里系数（,A,2,）,;,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。,X-,射线,/,中子散射,聚酰亚胺薄膜中,铜,纳米粒子粒度分布测试,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,）,流变学,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,。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,。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。,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,和,原子发射光谱法,都是发射光谱的应用。,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,-1,O-H,N-H,C-H,振动的倍频及合频,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,:two dimensional correlation analysis of IR dynamic spectra,FTIR microscopy,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学方面的信息。,Raman,光谱,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,10,10,H,Z,);,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、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。,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。,热分析,物 质,加热,冷却,热量变化,重量变化,长度变化,粘弹性变化,气体发生,热传导,其 他,D,TA,TG,TMA,DMA,D,SC,EGA,D,TG,（热机械分析）,（逸出气分析）,(,动态机械分析,),（微分热重分析）,主要的热分析方法的分类,测定样品的物理性质,所有方法名称,热量变化,质量 变化,挥发产物,尺寸变化,热,-,力分析,热,-,电分析,热,-,光分析,差示扫描量热法、差示分析法,热重法,逸出气分析,线膨胀法和体膨胀法,静态热机械法和动态热机械法,热释电流法,热释光分析法,磁学性质,热磁学法,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,:,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,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,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份,。,水分：吸附水和结晶水分析，水合及脱水速率，吸附，干燥条件，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,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，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。,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,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的,X-ray/neutron reflectivity,的强度与入射角（,angle of incidence),的关系。,计算模拟方法,Monte Carlo,方法,分子动力学方法,布朗,动力学方法,4.,软物质在纳米技术的应用,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