Šta su nanomaterijali?

Nanomaterijali su materijali kod kojih najmanje jedna karakteristična dimenzija pripada nanometarskom području. Pri ovim dimenzijama odnos površine i zapremine postaje izuzetno veliki, a materijali mogu pokazivati fizička i hemijska svojstva koja se značajno razlikuju od svojstava istog materijala u makroskopskom obliku.

Promene mogu obuhvatiti optička, električna, magnetna, mehanička i katalitička svojstva, zbog čega se nanomaterijali danas intenzivno razvijaju za primenu u elektronici, energetici, katalizi, farmaciji, biomedicini, premazima i naprednim funkcionalnim materijalima.

Posebnu grupu predstavljaju metal-organske mreže (MOF), porozni kristalni materijali izgrađeni od metalnih centara povezanih organskim ligandima. Njihova kontrolisana poroznost i velika specifična površina čine ih interesantnim za skladištenje i separaciju gasova, katalizu, senzore i isporuku aktivnih supstanci.

Izazovi u karakterizaciji nanomaterijala

Kod razvoja nanomaterijala nije dovoljan samo jedan analitički parametar. Njihove performanse mogu zavisiti od veličine i raspodele veličine čestica, oblika, agregacije, kristalne strukture, hemijskog sastava, površinskih svojstava i stabilnosti disperzije.

Kod nanostrukturisanih površina i tankih filmova dodatno su značajni debljina sloja, hrapavost, optička svojstva i struktura interfejsa.

Zbog toga kompletna karakterizacija nanomaterijala zahteva kombinovanje više komplementarnih tehnika koje pružaju informacije od elementarnog i molekularnog sastava do kristalne strukture i površine na nanometarskom nivou.

Veličina nanočestica i stabilnost disperzija

Zetasizer serija koristi dinamičko rasejanje svetlosti (DLS) za određivanje veličine čestica i raspodele veličine u nanometarskom području.

Kod koloidnih sistema i nanočestičnih disperzija posebno je značajno određivanje zeta potencijala, koji pruža informacije o površinskom naelektrisanju i stabilnosti disperzije. Promene zeta potencijala mogu ukazati na povećanu sklonost ka agregaciji ili promene izazvane pH vrednošću, jonskom jačinom i sastavom disperzionog medijuma.

Za sisteme koji obuhvataju širi raspon veličina, Mastersizer serija omogućava karakterizaciju čestica laserskom difrakcijom i predstavlja komplementarnu tehniku za praćenje većih čestica i agregata.

Kristalna struktura i nanostruktura

Rendgenske tehnike omogućavaju karakterizaciju strukture nanomaterijala bez potrebe za direktnim snimanjem pojedinačnih čestica.

Empyrean XRD platforma omogućava primenu različitih rendgenskih metoda za istraživanje nanostrukturisanih materijala.

Rasejanje rendgenskih zraka pod malim uglovima (SAXS) pruža informacije o veličini, obliku i organizaciji nanostruktura, dok rendgenska difrakcija (XRD) omogućava identifikaciju kristalnih faza, određivanje strukturnih parametara i procenu veličine kristalita.

Kod tankih filmova i višeslojnih struktura, rendgenska reflektometrija (XRR) omogućava karakterizaciju debljine, gustine i hrapavosti slojeva, dok visokorezolucione XRD konfiguracije pružaju dodatne mogućnosti za analizu epitaksijalnih i drugih naprednih tankoslojnih materijala.

Elementarni sastav nanomaterijala

Kontrola elementarnog sastava značajna je kod sinteze nanomaterijala, posebno kada njihova svojstva zavise od preciznog odnosa elemenata, koncentracije dopanata ili veoma malih količina nečistoća.

XRF sistemi omogućavaju brzu i nedestruktivnu elementarnu analizu različitih čvrstih i praškastih materijala i mogu se koristiti za kontrolu sastava tokom razvoja i proizvodnje.

Za preciznu kvantitativnu multielementnu analizu, ICP-OES sistemi HORIBA i Analytik Jena omogućavaju određivanje velikog broja elemenata u širokom koncentracionom opsegu. ICP-OES je posebno značajan za kontrolu sastava prekursora, nanomaterijala i procesnih rastvora nakon odgovarajuće pripreme uzorka.

Kombinacija XRF i ICP-OES tehnika omogućava pouzdanu kontrolu glavnih komponenti, dopanata i elementarnih nečistoća.

AFM karakterizacija nanostrukture i površine

HORIBA AFM sistemi omogućavaju direktnu karakterizaciju površine na mikro i nanometarskom nivou i predstavljaju jednu od ključnih tehnika za istraživanje nanomaterijala.

AFM omogućava određivanje topografije, hrapavosti, dimenzija nanostruktura i lokalnih svojstava površine uz veoma visoku prostornu rezoluciju.

Tehnika se može koristiti za karakterizaciju nanočestica, nanostrukturisanih površina, tankih filmova, 2D materijala, polimera, premaza i drugih funkcionalnih materijala.

AFM analiza je posebno korisna kada je potrebno povezati makroskopska svojstva materijala sa njegovom lokalnom površinskom i nanometarskom strukturom.

Raman spektroskopija i Raman mapiranje

HORIBA Raman mikroskopi omogućavaju hemijsku i strukturnu karakterizaciju nanomaterijala bez potrebe za kompleksnom pripremom uzorka.

Raman spektroskopija je posebno značajna za istraživanje grafena, ugljeničnih nanocevi, drugih ugljeničnih nanomaterijala, 2D materijala, poluprovodnika, oksida, nanokristala i različitih funkcionalnih materijala.

Spektralne karakteristike mogu pružiti informacije o hemijskoj strukturi, kristalnom kvalitetu, defektima, naprezanju i drugim promenama u materijalu.

Raman mapiranje dodatno omogućava prostornu analizu hemijskog i strukturnog sastava, čime se mogu identifikovati nehomogenosti i različite faze unutar analiziranog područja.

Spektrofluorimetrija i optička svojstva nanomaterijala

Optička svojstva predstavljaju jedan od najznačajnijih aspekata brojnih nanomaterijala. Promene veličine, sastava i površine nanočestica mogu značajno promeniti njihovu apsorpciju i emisiju svetlosti.

HORIBA spektrofluorimetri omogućavaju detaljnu karakterizaciju fotoluminiscentnih svojstava nanomaterijala, uključujući merenje emisionih i ekscitacionih spektara, kvantnog prinosa i životnog veka fluorescencije, u zavisnosti od konfiguracije sistema.

Ove tehnike imaju posebnu primenu kod kvantnih tačaka, poluprovodničkih nanomaterijala, luminiscentnih nanočestica, 2D materijala i drugih optički aktivnih sistema.

Spektrofluorimetrija omogućava istraživanje odnosa između nanostrukture materijala i njegovih optičkih svojstava, što je značajno pri razvoju senzora, fotonike, optoelektronike i naprednih funkcionalnih materijala.

Elipsometrija za tanke filmove i nanostrukturisane slojeve

Kod tankih filmova i višeslojnih nanostruktura, kontrola debljine i optičkih svojstava slojeva predstavlja jedan od osnovnih zahteva razvoja i proizvodnje.

HORIBA spektroskopski elipsometri omogućavaju nedestruktivno određivanje debljine tankih filmova i optičkih konstanti materijala, kao i karakterizaciju složenih višeslojnih struktura odgovarajućim optičkim modelima.

Elipsometrija je posebno značajna za poluprovodničke strukture, optičke premaze, 2D materijale, fotonaponske materijale, nanostrukturisane površine i druge tanke funkcionalne slojeve.

Kombinovanje elipsometrije sa AFM i XRR analizom omogućava veoma detaljnu karakterizaciju tankih filmova, povezujući njihove optičke karakteristike sa debljinom, hrapavošću i površinskom strukturom.

Masena spektrometrija stabilnih izotopa (IRMS)

Masena spektrometrija odnosa stabilnih izotopa (IRMS) pruža drugačiji nivo informacija od klasične elementarne analize. Umesto ukupne koncentracije elementa, tehnika omogućava precizno određivanje odnosa stabilnih izotopa u uzorku.

Kod istraživanja nanomaterijala IRMS može biti značajan u specifičnim istraživačkim primenama koje koriste izotopsko obeležavanje za praćenje porekla, transformacije ili kretanja materijala.

Ova tehnika predstavlja specijalizovano dopunsko rešenje za istraživanja u kojima je potrebno pratiti procese koje nije moguće razlikovati samo na osnovu ukupnog elementarnog sastava.

Kompletna karakterizacija nanomaterijala

Razumevanje nanomaterijala zahteva povezivanje informacija dobijenih na različitim nivoima strukture.

Zetasizer i Mastersizer omogućavaju karakterizaciju veličine čestica, agregacije i stabilnosti disperzija. XRD, SAXS i XRR pružaju informacije o kristalnoj i nanometarskoj strukturi, dok XRF i ICP-OES omogućavaju kontrolu elementarnog sastava.

HORIBA AFM omogućava direktnu karakterizaciju površine na nanometarskom nivou, Raman spektroskopija pruža hemijske i strukturne informacije, a spektrofluorimetrija karakterizaciju fotoluminiscentnih svojstava. HORIBA elipsometrija proširuje analizu na optička svojstva i debljinu tankih filmova, dok IRMS omogućava specijalizovana istraživanja stabilnih izotopa.

Kombinovanjem ovih tehnika dobija se kompletna karakterizacija veličine, strukture, sastava, površine i optičkih svojstava nanomaterijala, od osnovnih istraživanja i razvoja novih materijala do kontrole kvaliteta i optimizacije njihove primene.