Таким образом, при выполнении реферативной работы студентами должны быть описаны существующие технологии изготовления композитных наноматериалов для применения в стоматологии и костной хирургии, их основные характеристики, отдельно отмечены экологичность и другие риски использования.
Тема 2: Композитные наноматериалы на основе биологических молекул: области применения и перспективы использования
Цель занятия: проведение студентами выступлений по заданной теме, обсуждение представленного материала, оценка самостоятельной работы.
Время занятия: 2 академических часа.
Обоснование выбора темы:
В последние годы биологические молекулы — такие как ДНК, белки — все больше и больше находят свое прикладное применение в различных отраслях — от медицины и диагностики до электроники и наноинженерии. Отдельной строкой стоят технологии и методики, позволяющие создавать биосовместимые композитные наноматериалы на основе биологических молекул. Область применения биосовместимых композитных материалов, содержащих биологические молекулы в основном захватывает медицину и фармакологию. Такие нанокомпозиты используются при создании лекарственных средств направленного действия, при создании систем доставки генетического материала, при создании всевозможных сенсорных систем и т. п. Ярким и наиболее развитым примером являются системы доставки генетического материала, сочетающие в себе композиты генных векторов (фрагментов ДНК) и полимерного носителя. Другой пример — использование композитов ДНК или белков с углеродными нанотрубками, фуллеренами, которые начинают находить применение в качестве сенсорных систем, вводимых в живой организм. Такие системы уже начинают использоваться для диагностики онкологических заболеваний. На основе ДНК и белковых композитов, содержащих наночастицы металлов возможно изготавливать самоорганизующиеся системы со способностью изменять свою конфигурацию в зависимости от условий окружения, например ионной силы. В настоящее время ведутся исследования об использовании таких систем в качестве функциональных блоков наномашин, действующих внутри живых организмов. Совмещение молекул синтетических полимеров с пептидными молекулами находит себе применение при создании искусственных мышечных волокон, нервной ткани.
Таким образом, при выполнении реферативной работы студентом должны быть описаны существующие технологии изготовления биосовместимых композитных наноматериалов на основе биологических молекул, описаны области их применения, сделаны выводы о дальнейших перспективах использования подобных нанокомпозитов, а также риски их применения.
Тема 3: Применение композитных наноматериалов с антибактериальными и ранозаживляющими свойствами
Цель занятия: проведение студентами выступлений по заданной теме, обсуждение представленного материала, оценка самостоятельной работы.
Время занятия: 2 академических часа.
Обоснование выбора темы:
В настоящее время композитные наноматериалы с антибактериальными свойствами используются при конструировании образцов бытовой техники, связанной с хранением, приготовлением пищи, с обработкой белья. Примером могут служить внутренние покрытия холодильников, стиральных машин. Кроме этого, подобные композитные материалы нашли свое применение в медицине при создании различных систем введения лекарственных препаратов и питательных элементов в организм. Например, системы парентерального введения, системы энтерального введения, где биосовместимость играет важную роль, за счет длительного нахождения системы или ее отдельных частей в живом организме. Обычно, подобные композитные наноматериалы содержат полимерные матрицы, включающие в себя наночастицы металлов, в основном серебра. Кроме этого, данный тип композитных наноматериалов находит применение и при создании различных ранозаживляющих покрытий. В данном случае, помимо наночастиц металлов в состав композита могут включаться различные ферменты или лекарственные средства. Технологии изготовления таких наноматериалов достаточно сложны, однако эффективность использования в разы превосходит существующие «классические» препараты. В настоящее время также ведутся разработки по созданию содержащих нанокомпозиты антибактериальных и ранозаживляющих аэрозолей и гелей для применения в травматологии и хирургии. Однако как и любые антибактериальные препараты нанокомпозиты имеют негативные побочные действия, например, коллоидное серебро в больших концентрациях имеет токсическое действие.
Таким образом, при выполнении реферативной работы студентами должны быть описаны существующие технологии изготовления композитных наноматериалов с антибактериальными и ранозаживляющими свойствами и описаны области их эффективного применения, а также ограничения применения и возможные токсические и другие вредные воздействия на человеческий организм и окружающую среду.
Тема 4: Футурологический прогноз конструирования и использования композитных биосовместимых наноматериалов
Цель занятия: проведение студентами выступлений по заданной теме, обсуждение представленного материала, оценка самостоятельной работы.
Время занятия: 2 академических часа.
Обоснование выбора темы:
Существующий прогноз развития нанотехнологий позволяет говорить о том, что в ближайший перспективе именно данный тип развития науки и техники позволит разрешить существующие в мире глобальные и локальные проблемы в различных отраслях. Важными являются и перспективы развития технологий и применения биосовместимых композитных наноматериалов, которые во многом являются ключом в решении проблем, существующих в современной медицине, фармакологии, отраслях, связанных с непосредственным участием человека. В данном случае необходимо четко представлять себе оценки развития, основываясь как на существующих достижениях, так и экспертных прогнозных оценках, выполненных ведущими аналитическими компаниями.
Таким образом, при выполнении реферативной работы студентом должен быть проведен анализ материалов о перспективах развития данной области нанотехнологий и о возможности применения ее продуктов. Должны быть представлены собственные выводы, касающиеся данной области.
Тема 5: Проблемы оценки биосовместимости и токсичности композитных наноматериалов
Цель занятия: проведение студентами выступлений по заданной теме, обсуждение представленного материала, оценка самостоятельной работы.
Время занятия: 2 академических часа.
Обоснование выбора темы:
Наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии, в связи с чем, они относятся к новым видам материалов и продукции, характеристика потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной!!! Несмотря на важность оценки потенциального и реального рисков применения наноматериалов для человека на настоящий момент не существует однозначно выработанных стандартов в данной области. Ведутся различные метрологические разработки как в России так и за рубежом, тем не менее, однозначности в оценках не существует. Например, использование наноулерода (фуллеренов, нанотрубок, графена) уже нашло обширные области применения, и тем не менее, существует совершенно противоречивые друг другу исследования о влиянии этих нанообъектов как на человека, так и на среду окружения. Существуют данные свидетельствующие о возможной токсичности наночастиц металлов, и тем не менее из-за отсутствия стандарта невозможно делать однозначной оценки. Еще большая проблема лежит в области применения биосовместимых композитных наноматериалов. Во-первых, кроме вышеуказанных проблем с простой оценкой токсичности новых (и известных) нанокомпозитов данной категории, возникает проблема того, что материал является композитным и может содержать нанообъекты разной природы, совокупность которых может приводить к совершенно непредсказуемым эффектам. С другой стороны, доказанное отсутствие токсичности для живого организма в целом еще не говорит о биосовместимости материала. Для ее оценки необходимо проведение ряда дополнительных исследований, занимающих порой десятилетия, аналогично исследованиям новых лекарственных форм.
Таким образом, для раскрытия данной темы студент должен выполнить обзор материалов, связанных с описанием уже принятых форм оценки токсичности и биосовместимости существующих наноматериалов.
РАЗДЕЛ II. Проектирование и моделирование наноматериалов
Проектирования любых наноматериалов, в том числе и композитных наноматериалов является сложной задачей, требующей неординарности мышления и владения набором методик, позволяющих осуществлять такое проектирование. В отличие от проектирования объектов в макромире, нанообъекты обладают своими специфичными физико-химическим характеристиками и подчиняются другим законам, чем макрообъекты. Для проектирования наноматериалов требуется использование методов компьютерного моделирования и специального программного обеспечения, позволяющего как вводить необходимые параметры, проводить компьютерное моделирование так и производить визуализацию полученных структур и информации об их свойствах. Овладение основами работы с методами компьютерного моделирования и специальным программным обеспечением является для студентов специализирующихся в области проектирования биосовместимых композитных наноматериалов важной задачей.
Тема 1: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Базовые принципы работы.
Цель занятия: знакомство студентов с базовыми принципами работы программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice).
Время занятия: 2 академических часа.
План занятия:
Ознакомление с интерфейсом программы, форматами сохраненных данных, форматами поддерживаемого экспорта и импорта данных. Знакомство с параметрами вводимых данных. Построение простейших молекул и выбор способа их визуализации.
Тема 2: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Расчет простейших молекулярных систем с использованием методов молекулярной механики, молекулярной динамики, квантово-химических методов
Цель занятия: знакомство студентов с методами молекулярной механики, молекулярной динамики, квантово-химическими методами на основе программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice).
Время занятия: 2 академических часа.
План занятия:
Ознакомление с базовыми принципами метода молекулярной механики, молекулярной динамики, квантово-химическими методами. Расчет простейшей молекулярной системы (например, молекула этилена) методом молекулярной механики и полуэмпиричекого квантово-химического метода. Сравнение полученных результатов.
Тема 3: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Проектирование композитных наноматериалов на основе полимеров и кристаллических структур
Цель занятия: знакомство студентов с возможностью проектирования композитных материалов на основе полимеров и кристаллических структур с использованием программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice).
Время занятия: 2 академических часа.
План занятия:
Построения полимеров с помощью программного пакета. Построение кристаллических структур с помощью программного пакета. Ознакомление с возможностью импортирования нанообъектов в полученные структуры.
Тема 4: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Проектирование композитных наноматериалов на основе биологических молекул.
Цель занятия: знакомство студентов с возможностью построения композитных материалов на основе биологических молекул с использованием программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice).
Время занятия: 2 академических часа.
План занятия:
Знакомство с возможностью построения аминокислотных последовательностей. Знакомство с конформационными особенностями строения белков (альфа-спираль, бэта-слой, рандомный клубок). Знакомство с возможностью построения нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). Ознакомление с особенностью строения ДНК (А-форма, В-форма, Z-форма). Ознакомление с возможностью импортирования нанообъектов в полученные структуры.
Тема 5: Знакомство с возможностями программного пакета для квантово-химических расчетов GAMESS (или GAUSSIAN, ПРИРОДА). Базовые принципы работы.
Цель занятия: знакомство студентов с базовыми принципами работы программного пакета для кватово-химических расчетов GAMESS (или GAUSSIAN, ПРИРОДА).
Время занятия: 2 академических часа.
План занятия:
Знакомство с принципами параллельных и распределенных вычислений. Ознакомление с основными командами ввода данных программного пакета.
Тема 6: Знакомство с возможностями программного пакета для квантово-химических расчетов GAMESS (или GAUSSIAN, ПРИРОДА). Расчет простейших молекулярных систем.
Цель занятия: знакомство студентов с возможностями расчета методом Хартри-Фока и методом теории функционала плотности с помощью программного пакета GAMESS (или GAUSSIAN, ПРИРОДА).
Время занятия: 2 академических часа.
План занятия:
Знакомство с методом Хартри-Фока. Знакомство с методом теория функционала плотности. Расчет простейшей молекулы (например, молекулы этилена) с помощью указанных методов. Сравнение полученных результатов.
6. План ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
Лабораторные работы по курсу предназначены для ознакомления с основными методами исследования и характеризации нанокомпозитов, а также с простейшими методиками самостоятельного получения некоторых композитных биосовместимых наноматериалов.
Объем лабораторных занятий составляет 28 учебных часа (7 занятий).
План лабораторных занятий представлен в таблице 4.
Таблица 4.
Темы лабораторных работ | Кол. часов |
РАЗДЕЛ I Методы характеризации композитных наноматериалов | 16 |
Тема 1: Принципы работы и способы измерений с помощью спектрофотомера | 4 |
Тема 2: Метод электронной микроскопии | 4 |
Тема 3: Метод динамического рассеяния света | 4 |
Тема 4: Метод сканирующей зондовой микроскопии на примере атомно-силовой микроскопии | 4 |
РАЗДЕЛ II Изучение структуры и свойств биосовместимых композитных наноматериалов на примере простейших систем | 12 |
Тема 1: Получение композитных наноматериалов на основе биологических молекул: ДНК-компактизация | 4 |
Тема 2: Исследование свойств композитного наноматериала для применения в стоматологии: влияние светового излучения на структуру и свойства | 4 |
Тема 3: Исследование антибактериальных свойств композитного наноматериала | 4 |
ВСЕГО | 28 |
РАЗДЕЛ I Методы характеризации композитных наноматериалов
Тема 1: Принципы работы и способы измерений с помощью спектрофотомера
Цель занятия: знакомство студентов с принципами работы спектрофотометра и способами измерений.
Время занятия: 4 академических часа.
Необходимое оборудование: спектрофотометр (например, СФ-56 (ОКБ «СПЕКТР», Россия), СARY 50 (VARIAN, США)), набор кювет, набор поглощающих образцов (например, суспензии наночастиц металлов, растворы биологических молекул).
План выполнения работы:
Ознакомление студентов с теоретическими основами спектрофотометрии
Каждое вещество имеет набор различных состояний образующих его частиц — электронных, колебательных, вращательных, которые различаются по энергиям, т. е. вещество имеет набор энергетических уровней. Поглощение световой энергии связано с различным типом электронных переходов. Оптические спектры атомов связаны с квантовыми переходами электронов внешней электронной оболочки. При объединении атомов в молекулу обобществленные (валентные) электроны образуют внешнюю оболочку. Они ответственны за оптические спектры. Частоты испускаемого (поглощаемого) света при таком переходе связаны с энергиями состояний: E1‑E2=hn, где Е1 — энергетический уровень молекулы до поглощения, а Е2 — энергетический уровень, достигаемый в результате поглощения. Если среди всех многочисленных состояний частицы нет пары таких, чтобы разность их энергий равнялась hn, то излучение с частотой n не будет испускаться (поглощаться) веществом, построенным из этих частиц. Набор испускаемых (поглощаемых) частот определяется природой вещества, его строением и называется спектром испускания (поглощения). Молекула или ее часть, которая может быть возбуждена посредством поглощения света в видимой и ближней УФ-области, называется хромофором. Хромофор — химическая группа атомов, имеющая определенные структурные и спектроскопические характеристики, слабо меняющиеся при переходе от молекулы к молекуле. Например, в полипептидных цепях и белках такими группами являются: пептидный хромофор (амидная группировка атомов или пептидная связь); остатки ароматических и гетероциклических аминокислот (тирозин, фенилаланин, триптофан); цистиновый хромофор. В нуклеиновых кислотах хромофорами являются азотистые основания. В некоторых случаях на интенсивность и положение полосы поглощения влияет природа растворителя или окружение хромофора, причём полоса может сдвигаться как в длинноволновую, так и в коротковолновую область. Батохромный (или красный) сдвиг — сдвиг в сторону длинных волн (его могут вызывать, например, алкильные группы, расположенные по соседству с хромофором). Гипсохромный (синий) сдвиг — в сторону коротких длин волн. Гиперхромный эффект — повышение интенсивности поглощения, гипохромный — ее понижение.
Количественный анализ в спектрофотометрической практике основан на использовании закона Ламберта-Бера:
где I0 — интенсивность падающего света (квант с-1); I — интенсивность света, прошедшего через раствор или пленку образца; D — поглощение раствора (оптическая плотность или экстинкция — безразмерная величина), e — коэффициент молярной экстинкции, отнесённой к единице толщины поглощающего слоя (1 см) и единице концентрации исследуемого раствора С=1 моль/л; l — толщина поглощающего слоя.
Коэффициент экстинкции e является постоянной величиной для данного соединения при данной длине волны. При больших значениях e удобно пользоваться lg e. Между поглощением (D) и пропусканием (Т) существует следующая зависимость: 
Если известны коэффициенты молярной экстинкции (e), толщина кюветы (l), и поглощение (D), то концентрацию вещества можно найти количественно, используя закон Ламберта-Бера. В некоторых случаях, если концентрация (С) велика, e становится функцией С, закон Бера нарушается. Это может быть результатом рассеяния света или структурных изменений (например, димеризации, агрегации или химических изменений) при высоких концентрациях
В большинстве случаев изменение конформации исследуемой системы под воздействием различных факторов может вызывать значительные изменения в спектрах поглощения. Особенно это касается систем, содержащих биологические молекулы. Таким образом, метод спектрофотометрии подходит в некоторых случаях для изучения различных процессов, изменяющихся во времени и для изучения взаимодействия различных агентов друг с другом.. Метод спектрофотометрии используется как для качественного анализа, при идентификации различных веществ и систем, так и для количественного анализа.
На рисунке 1 представлена основная схема, применяемая в спектрофотометрах в настоящее время.
Рисунок 1 — Блок-схема устройства спектрофотометра
Измеряемый образец освещается монохроматическим светом. Для измерений используется стандартный образец и исследуемый образец. Стандарт используют для определения поглощения света, прошедшего через систему, не содержащую образец, но, за исключением этого факта, идентичную. Данная величина вычитается из поглощения образца, таким образом, давая нам истинное значение поглощения исследуемого образца.
Порядок выполнения практической части работы со спектрофотометром
Студент должен:
1. Внимательно ознакомиться с устройством предложенного для выполнения работы спектрофотометра.
2. По навеске, используя аналитические весы, подготовить набор растворов или суспензий с различными концентрациями исследуемого образца. Для предложенных образцов (суспензий наночастиц, растворов биологических молекул) должны быть известны полоса поглощения и коэффициент экстинкции.
3. Произвести измерение спектров поглощения для всех образцов.
4. Построить график зависимости положения максимума в спектре поглощения от концентрации образца и определить, является ли она линейной.
5. На основании полученных результатов вычислить коэффициент экстинкции для исследуемого образца и сравнить его с известным.
6. Составить отчет о проделанной работе.
Отчет о проделанной лабораторной работе должен содержать:
1. Описание принципов работы спектрофотометра. Описание физических основ поглощения света веществом.
2. Анализ полученных экспериментальных результатов.
Тема 2: Метод электронной микроскопии
Цель занятия: ознакомление студентов с физическими основами электронной оптики, устройством растрового электронного микроскопа, электронно-оптическими методами исследования наноматериалов.
Время занятия: 4 академических часа.
Необходимое оборудование: сканирующий электронный микроскоп (например, из линейки микроскопов фирм Jacso), набор образцов для исследования (образцы композитных материалов для стоматологии и костной хирургии, образцы биологических молекул).
План выполнения работы:
Ознакомление студентов c теоретическими основами работы электронного микроскопа
Электронные пучки получили широкое практическое применение в приборах электронной микроскопии. Используя источники свободных электронов и различные типы линз, фокусирующих или дефокусирующих пучки электронов, сконструировано большое число аналогов оптических устройств. Перспективность применения электронной оптики стала ясна после выдвижения в 1924 г. гипотезы о волнах де Бройля. Благодаря чрезвычайно малой длине волны электронов, предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие, максимально близко расположенные детали объекта, у электронного микроскопа составляет 2-3 Å (1Å=10-10м). Это в несколько тысяч раз меньше, чем для оптического микроскопа. Первое изображение объекта, сформированное пучками электронов, было получено в 1931 г. немецкими учеными М. Кноллем и Э. Руска.
Необходимым условием перемещения электронов в виде пучка на большое расстояние является создание на их пути вакуума, поскольку в этом случае средняя длина свободного пробега электронов между столкновениями с газовыми молекулами будет значительно превышать расстояние, на которое они должны перемещаться. Для этих целей достаточно поддерживать в рабочей камере вакуум приблизительно 10-4 Па. Источником электронов служит металл (обычно вольфрам), из которого после его нагревания в результате термоэлектронной эмиссии испускаются электроны. С помощью электрического поля поток электронов можно ускорять и замедлять, а также отклонять в любых направлениях, используя электрические и магнитные поля.
Исторически первым был изготовлен просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ), в котором электроны, после прохождения через объект, попадают на электронную линзу, которая формирует увеличенное изображение объекта. Оптическая схема ПЭМ полностью эквивалентна соответствующей схеме оптического микроскопа, в котором световой луч заменяется электронным лучом, а оптические линзы или системы линз заменяются электронными линзами или системами электронных линз. Достоинством ПЭМ является большая разрешающая способность. Основной недостаток связан с тем, что объект исследования должен быть очень тонким (обычно тоньше, чем 0,1 мкм). Кроме того, в ПЭМ используют электроны большей энергии. В зависимости от исследуемого материала электроны ускоряют до кинетической энергии в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Это приводит к нагреву образца вплоть до разрушения и испарения.
Более простым и универсальным для практического применения является сканирующий и растровый электронный микроскоп. РЭМ предназначен для исследования массивных объектов с разрешением, существенно более низким, чем у ПЭМ, —от 50 до 200 А. В растровом электронном микроскопе хорошо сфокусированный электронный пучок (зонд) развертывают с помощью магнитной или электростатической отклоняющей системы по заданной площади на объекте исследования. При взаимодействии электронов пучка с объектом возникает несколько видов излучений — вторичные и отраженные электроны; электроны, прошедшие через объект (если он тонкий); рентгеновское излучение. Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим детектором, преобразующим излучение в электрические сигналы, которые после усиления модулируют пучок электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), см. рисунок 2. Развертка пучка ЭЛТ производится синхронно с разверткой электронного зонда в РЭМ. Изображение объекта в соответствующем излучении наблюдается на экране ЭЛТ. Увеличение микроскопа определяется отношением размеров областей сканирования в РЭМ и ЭЛТ.
1 — электронный пучок; 2 — образец; 3 — отраженные электроны; 4 — вторичные электроны; 5 — ток поглощенных электронов; 6 — катодолюминесценция; 7 — рентгеновское излучение; 8 — Оже-электроны; 9 — наведенный ток; 10 — прошедшие электроны
Рисунок 2 — Эффекты, возникающие при взаимодействии пучка электронов с веществом
Многообразие областей применения РЭМ связано с различными механизмами взаимодействия электронов с твердыми телами.
Возможности РЭМ для изучения рельефа поверхности объекта иллюстрирует рисунок 3.
Рисунок 3 — Получение изображения рельефа поверхности в растровом электронном микроскопе
Регистрируемая детектором интенсивность потока рассеянных электронов зависит от того, в какое место по отношению к неровностям поверхности образца падает пучок в процессе сканирования.
Кроме топографического контраста, в РЭМ часто наблюдают контраст состава. Этот контраст связан с тем, что коэффициент вторичной электронной эмиссии (отношение числа выбитых электронов к числу падающих) зависит от атомного номера элемента и, следовательно, от химического состава образца в данной точке.
Наряду с топографическим контрастом и контрастом состава в РЭМ используют также и другие: кристаллический и магнитный. Методы создания дифракционных картин в РЭМ достаточно просты и дают обширную информацию о кристаллическом строении и совершенстве образцов. При исследовании в растровом электроном микроскопе магнитных образцов для доменов с различным намагничиванием наблюдается контраст, обусловленный тем, что магнитные поля доменов в значительной степени влияют на траектории движения вторичных электронов.
На рисунке 4 представлена принципиальная схема растрового электронного микроскопа
1 — катод; 2 — фокусирующий электрод; 3 — анод; 4 — ограничивающая диафрагма; 5 — первая кондесорная линза; 6 — вторая конденсорная линза; 7 — отклоняющие катушки; 8 — стигматор; 9 — конечная (объективная) линза; 10 — диафрагма, ограничивающая размер пучка; 11 — детектор рентгеновского излучения; 12 — усилитель фотоумножителя; 13 — генераторы развертки; 14 — образец; 15 — детектор вторичных электронов; 16 — к отклоняющим катушкам; 17 — управление увеличением; 18 – ЭЛТ
Рисунок 4 — Принципиальная схема растрового электронного микроскопа (РЭМ)
Электронный луч в виде тонкого пучка электронов (диаметр пучка £ 10 нм) обегает (сканирует) образец по строчкам точку за точкой и синхронно передает сигнал на кинескоп. При попадании электронного луча в какую-либо точку образца происходит выбивание из его материала вторичных электронов и отраженных электронов. Электронный зонд представляет собой тонкий пучок электронов приблизительно цилиндрической формы, при воздействии его на образец возбуждаются одинаково малые пятна электронного возбуждения. Этим объясняется хорошая глубина резкости изображения при растровой электронной микроскопии. Первичный электронный луч (зонд) формируется в вакуумной колонке (электронной пушке) растрового электронного микроскопа. Электроны вылетают из накаливаемого катода, и ускоряются электрическим полем напряжением 1-50 кВ. Луч фокусируется тремя электромагнитными конденсорными линзами и с помощью отклоняющих катушек сканируется по образцу.
Излученные образцом электроны вызывают в сцинтилляторе световые вспышки (фотоны). Быстрые упруго рассеянные (отраженные) электроны с высокой энергией без значительного подвода энергии попадает в сцинтиллятор; вторичные электроны с низкой энергией при движении к сцинтиллятору получают ускорение в результате приложения электрического поля. Световые лучи покидают вакуумную камеру через световод и в примыкающем к нему фотоумножителе превращаются в световые импульсы. Посредством последних, объект как будто освещается сцинтиллятором, установленным на боковой стороне объекта, а наблюдение ведется со стороны направления первичного электронного луча.
Подготовка образцов для исследования с помощью РЭМ не вызывает трудностей. Основное требование к образцу — соответствие его размеров размерам камеры для образцов в приборе. Необходимо также, чтобы поверхность, предназначенная для исследования, была чистой. Очистку образцов от загрязнений осуществляют с помощью различных растворителей в ультразвуковой камере в сочетании с осторожной механической очисткой.
Таким образом, РЭМ идеально подходит в качестве прибора для исследования свойств поверхностей композитных наноматериалов.
Порядок выполнения практической части работы с РЭМ
Студент должен:
1. Внимательно ознакомьтесь с устройством и принципом работы электронного микроскопа.
2. Выбрать объект исследования с характерными особенностями рельефа.
3. Сфотографировать изображение.
4. Провести анализ полученного изображения объекта, результаты анализа занести в отчет.
5. Составить отчет о проделанной работе.
В качестве образцов лучше использовать композитные наноматериалы, предназначенные для применения в стоматологии или костной хирургии. Для сравнения можно использовать образцы натуральной костной ткани животных. В этом случае необходимо произвести визуальное анализирование и сравнение свойств натурального материала и искусственного композитного наноматериала.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
