ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2014, том 117, № 4, с. 662-665
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА
УДК 532.6+535.3+539.8
ОТЕКГРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И СМАЧИВАЕМОСТЬ МОНОКРИСТАЛЛОВ БРОМИДА КАЛИЯ, ХЛОРИДА НАТРИЯ, ФТОРИДА МАГНИЯ ПРИ НАНОСТРУКТУРИРОВАНИИ
© 2014 г. П. В. Кужаков*, Н. В. Каманина*, **
*Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, 199053 Санкт-Петербург, Россия **Санкт-Петербургский государственный технический университет "ЛЭТИ", 197376Санкт-Петербург, Россия
E-mail: kpv 2002@mail.ru, nvkamanina@mail.ru Поступила в редакцию 28.03.2013 г.
Рассмотрено влияние поверхностного структурирования углеродными нанотрубками ряда оптических материалов ИК диапазона спектра (бромида калия, хлорида натрия и фторида магния) на спектральные характеристики и гидрофобность.
DOI: 10.7868/S0030403414100134
ВВЕДЕНИЕ
Развитие наукоемких областей оптоэлектро-ники, космической техники, автомобилестроения, биомедицины, дисплейной техники и др. требует скрупулезного исследования новых материалов, в том числе наноструктурных (нано-структурированных), а также применения современных методов их синтеза и исследования. В ряде научных публикаций представлены достаточно емко систематизированные данные о нанострук-турных материалах, об особенностях их физико-химических свойств, о механических и структурных параметрах [1, 2]. Однако существует определенный пробел в наших знаниях по ИК спектральным характеристикам наноструктурирован-ных композитов и по их гидрофобным свойствам.
Среди ряда оптических неорганических систем известно, что материалы на основе монокристаллов бромида калия, хлорида натрия, фторида магния представляют собой удобную матрицу для проведения физико-химических исследований в широком диапазоне спектра, причем как объемных, так и поверхностных свойств. В последнее время углубленный аспект в таких исследованиях отводится именно процессу наноструктурирова-ния поверхности, а также влиянию этого процесса на наблюдаемые изменения в спектре, микротвёрдости, термодинамических и др. свойствах материалов. При этом сам размер наноструктур, используемых для модификации свойств, играет немаловажную роль. Так, в работе [3] представлены результаты изучения поверхности и спектра монокристалла КВг при обработке таковой абразивами с разными размерами зерна. Установленная нижняя граница размеров зерна абразива со-
ставляет порядка одного микрона, что обусловлено тем, что на поверхности, шлифованной абразивами с меньшими размерами зерна, толщина слоя вещества мала для анализа из-за слишком малой шероховатости получаемой поверхности. Шлифовка пластины КВг грубым абразивом с размерами зерна более сотни микрон приводит к большим сколам и другим повреждениям поверхности, что не позволяет получить на ней равномерного слоя вещества для анализа. Изучение спектра пропускания, полученного авторами работы [3], выявило наличие характерных полос поглощения углеродных материалов 1580, 1250 и 880 см-1, обусловленных колебаниями атомов углерода.
Установлено, что для образца, который был подвержен обработке при шлифовании более крупным абразивом, полосы поглощения более интенсивны из-за большей средней толщины
A
(G
с —<
©
П) 3
в« 035
Рис. 1. Схема нанесения нанопокрытия.
Рис. 2. Схема определения краевых углов: а — при смачивании образца; б — сухого образца.
Пропускание, %
4000 8000 12000 16000 20000 24000 28000
X, нм
Рис. 3. Сравнительный график с ИК спектрами пропускания чистого и структурированного образцов КВг: 1 — с нанесенным нанопокрытием с воздействием влаги 1 сутки, 2 — без покрытия перед исследованием, 3 — с нанесенным на-нопокрытием с воздействием влаги 2 суток, 4 — без покрытия через 2 суток, 5 — с нанесенным нанопокрытием с воздействием влаги 3—14 суток, 6 — без покрытия через 3 суток.
слоя анализируемого материала. В спектрах отсутствовали полосы поглощения воды.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В работах [4—6] при исследовании разных материалов УФ и ИК диапазонов, оптимизированных углеродными наночастицами, в том числе нанесенными на подложку из КВг, №С1, MgF2 бесконтактным способом лазерного осаждения ориентированных углеродных нанотрубок [7], были получены улучшенный спектр пропускания для наноструктурированного материала и увеличенная прочность. Авторы с помощью набора экспериментальных данных, а также аналитического и квантово-химического анализа объясняли улучшенные спектральные и механические свойства наноструктурированных материалов ко-валентной привязкой к последним углеродных нанотрубок (показатель преломления п = 1.1), что позволяло наряду с повышением прочностных характеристик модифицировать границу раздела
фаз воздух (п = 1) — нанотрубка (п = 1.1) — твердая подложка (п > 1.3).
Результаты данных работ применены в настоящем исследовании для исследования гидрофобных свойств наноструктурированных поверхностей на основе КВг, №С1, MgF2. Для оценки однородности слоя покрытия определялась прозрачность в ИК спектральном диапазоне 1500—28000 нм на фурье-спектрометре "Инфралюм ФТ-08" (Россия). Предварительно снимался спектр пропускания образца, при этом образец представлял собой диск диаметром 35 мм и толщиной 8 мм. На подложку, например из материала КВг, по двум поверхностям А и В наносилось нанопокрытие, толщина которого ~100 нм. По торцу С наносился влагозащитный лак (рис. 1) для предотвращения проникновения паров воды через торцевые поверхности материала, на которые углеродные на-нотрубки не осаждались. Кроме того, на рис. 2 представлена схема определения краевых углов при сравнительном исследовании смачиваемости поверхности как чистого, так и наноструктуриро-ванного образцов материала.
664
КУЖАКОВ, КАМАНИНА
Пропускание, %
4000 8000 12000 16000 20000 24000
X, нм
Рис. 4. Сравнительный график с ИК спектрами пропускания чистого и структурированного образца КаС1: 1 — без покрытия перед исследованием (чистый образец), 2 — спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием с воздействием влаги 1 ч; 3 — без покрытия с воздействием влаги 1 ч, 4 — спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием с воздействием влаги 24 ч, 5 — без покрытия с воздействием влаги 24 ч, 6 — спектр пропускания с нанесенным нанопокрытием с воздействием влаги 42 ч, 7 — без покрытия с воздействием влаги 42 ч.
N27°
Рис. 5. Слева — угол смачивания на подложке КБг до нанообработки (значения угла смачивания 7°), справа — угол смачивания на подложке КБг после нанообработки (значения угла смачивания 27°).
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Итак, после нанесения слоя из углеродных на-нотрубок на поверхности А и В изучаемых образцов указанные поверхности, предохраненные с использованием специального лака по торцам, проверялись по измерению спектров пропускания, снятых до начала исследования и после воздействия влаги на образец (рис. 3 и 4). Анализ рис. 3 и 4 показывает, что углеродные нанотрубки вполне логично использовать для защиты бромида калия и хлорида натрия от влаги с целью увеличения срока службы оптических элементов из данных гигроскопичных материалов.
Параллельно изучались углы смачивания методом растекающейся капли (рис. 2). Заметим, что краевой угол смачивания 9 или ео89 является характеристикой гидрофильности (гидрофобно-сти) поверхности образца. Он определяется как угол между касательной АС, проведенной к по-
верхности смачивающей жидкости, и смачиваемой поверхностью твердого тела АВ, при этом 0 всегда отсчитывается от касательной в сторону жидкой фазы. Касательную проводят через точку соприкосновения трех фаз: твердой фазы (образец исследуемого оптического материала, чистого или наноструктурированного), жидкости (дистиллированная вода) и газа (воздух).
Результаты регистрации углов смачивания для данных оптических материалов представлены на рис. 5—7. Видно, что углеродные нанотрубки способны защищать поверхность исследуемых оптических материалов. Углы смачиваемости существенно увеличены: от 7° до 27° для бромида калия и хлорида натрия и слегка изменяются от 88° до 89° для фторида магния. Заметим, что фотографии капель при изучении углов смачиваемости были сделаны с помощью камеры Lumenera LU070 VGA USB 2.0 OEM Camera Module.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, анализируя данные настоящей работы, можно сделать вывод, что в образцах с наноструктурированием даже во влажной атмосфере заметно улучшение спектров пропускания по сравнению с чистыми материалами, что подтверждается измерением углов смачивания, а также делает возможным и перспективным использование нанотрубок в качестве защитных покрытий.
Более того, стоит обратить внимание, что настоящие результаты хорошо коррелируют с ранее полученными данными. Действительно, отсутствие в спектре пропускания линий воды, полученное в работе [1], а также проведение изучения улучшенных спектров пропускания при нано-структурировании [2—4] показывают, что применение в качестве защитных покрытий именно углеродных нанотрубок является перспективным и своевременным.
Авторы благодарят П.Я. Васильева и В.И. Сту-дёнова (ОАО "ГОИ им. С.И. Вавилова") за помощь в работе. Исследования выполнены при частичной поддержке грантов РФФИ № 10-03-
— угол
— угол
00916 (2010-2012) и № 13-03-00044 (2013-2015), а также СЧ ОКР "Нанокоатинг-ГОИ" (2012-2015).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр "Академия", 2005. 192 с.
2. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию М.: БИНОМ, 2008. 134 с.
3. Фурсова Т.Н., Баженов А.В. Патент РФ № 2465566 (RU 2 465 566 С1), приоритет от 09 июня 2011 г.; зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 27.10.2012 г.
4. Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студенов В.И. // Письма в ЖТФ. 2011. T. 37. В. 3. № 1. С. 23-29.
5. Кужаков П.В., Каманина Н.В. // Ученые записки Петрозаводского гос. ун-та. Сер. Естественные и технические науки. 2012. № 6 (127). С. 99-100.
6. Кужаков П.В. // Наноматериалы и нанотехноло-гии. 2012. № 3. С. 3-7.
7. Каманина Н.В., Васильев П.Я., Студёнов В.И. Патент РФ № 2405177 (RU 2 405 177 С2), приоритет от 23 декабря 2008 г.; зарегистрирован в Гос. реестре изобретений РФ 27.11.2010 г.
Рис. 6. Слева — угол смачивания на подложке КаС1 до
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.