Συνδυασµός θεωρητικών και πειραµατικών

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Συνδυασµός θεωρητικών και πειραµατικών"

Ἀλφαῖος Αξιώτης
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Συνδυασµός θεωρητικών και πειραµατικών τεχνικών για τον χαρακτηρισµό νανοϋλικών Μ.Ε. Καινουργιάκης, Γ.Χ. Χαραλαµποπούλου, Α.Κ. Στούµπος Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ηµόκριτος Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ ΘΕΡΙΝΟ ΣΧΟΛΕΙΟ 25

2 Υλικά ετερογενή στην νανοκλίµακα Vycor Ανοδιωµένη αργιλία Ζεόλιθος Α σκόνη Ζεόλιθος Α

3 Σηµαντικοί τοµείς στους οποίους συµµετέχουν υλικά ετερογενή στην νανοκλίµακα Χηµική βιοµηχανία Ιατρική και σύγχρονη φαρµακευτική βιοµηχανία Περιβαλλοντική τεχνολογία Βιοµηχανία εξόρυξης πετρελαίου Βιοµηχανία τροφίµων

και σύγχρονη φαρµακευτική βιοµηχανία Περιβαλλοντική

4 Σηµαντικές µακροσκοπικές ιδιότητες υλικών ετερογενών στην νανοκλίµακα Ηλεκτρική αγωγιµότητα J = G U ιαχυτότητα J = D c ιαπερατότητα v = k η p Μηχανικές ιδιότητες Μαγνητικές ιδιότητες

5 Απαραίτητες προϋποθέσεις για την µελέτη των µακροσκοπικών ιδιοτήτων των νανοπορωδών υλικών Ακριβής αναπαράσταση της δοµής Ακριβής περιγραφή του φαινοµένου που αφορά την µακροσκοπική ιδιότητα µε την προϋπόθεση της δυνατότητας εκτέλεσης των απαιτούµενων υπολογισµών

Ακριβής περιγραφή του φαινοµένου που αφορά την µακροσκοπική

6 Αναπαράσταση της πορώδους δοµής έσµη κυλίνδρων ίκτυα πόρων Ψηφιακές δοµές

7 Συνάρτηση φάσης ( ) = x Z, αν το x ανήκει στην φάση (π.χ. στον κενό χώρο), σε κάθε άλλη περίπτωση Χωρική κατανοµή των φάσεων (ορισµοί)

8 Χωρική κατανοµή των φάσεων (ορισµοί) Πορώδες ε = Z( x) Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης Ειδική επιφάνεια R z ( u) = Z ( x) Z( x + u) 2 ε ε S = ε ( ε ) R () v 4 Z 2 ε Αν δύο σηµεία που απέχουν u ανήκουν στην φάση τότε Z ( x) Z( x + u) = Κατανοµή µεγέθους χορδών p i (r) Z Αλλιώς ( x) Z( x + u) =

( ε ) R () v 4 Z 2 ε Αν δύο σηµεία που απέχουν u ανήκουν στην φάση τότε

9 Προσδιορισµός των στατιστικών ιδιοτήτων της πορώδους δοµής µε µικροσκοπία (Άµεση µέθοδος)..8.6 R z (u) u (A) 2-διάστατες τοµές (SEM, TEM) Ψηφιοποίηση Υπολογισµός των στατιστικών ιδιοτήτων των ψηφιοποιηµένων εικόνων

10 Προσδιορισµός των στατιστικών ιδιοτήτων της πορώδους δοµής µε τεχνικές SAS (έµµεσες µέθοδοι) Νετρόνια ή Ακτίνες-Χ..8 R z (u).6.4 ΕΙΓΜΑ u(a) I(Q) - R z 2 2π V + 2 ( u) = Q I( Q) sin Qu Qu dq Q(A - )

Ακτίνες-Χ..8 R z (u).6.4 ΕΙΓΜΑ 2.2. 2 3 4 5 -.

11 Στοχαστική ψηφιακή ανακατασκευή Συνέλιξη µε τον κατάλληλο πυρήνα ο οποίος προκύπτει από την πειραµατικά προσδιορισµένη R Z (u) / / / / / / / / Y ( x, y, z) = K( x x, y y, z z ) X ( x, y, z ) dx dy dz Φιλτράρισµα ώστε το διακριτό πεδίο που θα προκύψει να έχει κλάσµατηςφάσης ίσο µε τοπορώδες Z( x, y, z) = if if (2π) (2π) / 2 y e e t 2 / 2 y 2 / 2 t / 2 dt ε dt > ε / (Α) (B) (A) (B) X(x,y,z) Y(x,y,z) Z(x,y,z)

dy dz Φιλτράρισµα ώστε το διακριτό πεδίο που θα προκύψει να έχει κλάσµατηςφάσης ίσο µε τοπορώδες Z( x,

12 Ψηφιοποιηµένη δοµή υάλου Vycor

13 Συναρτήσεις αυτοσυσχέτισης υάλου Vycor..8 Stochastic reconstruction SAS.6 R z (u) u (A)

14 ισδιάστατες τοµές υάλου Vycor Εικόνα TEM ισδιάστατη τοµή της ανακατασκευασµένης δοµής

15 Ανακατασκευασµένη δοµή ασβεστόλιθου

16 Συναρτήσεις αυτοσυσχέτισης ασβεστόλιθου..8 Στοχαστική ανακατασκευή SEM R Z (u) u µm

17 Παρασκευή µεµβράνης γ-al 2 O 3 Α E M M K K E Μικροσφαίρες γ-al 2 O 3 S V = 99m 2 /g P µεµβράνη γ-al 2 O 3 S V = 96-97m 2 /g

18 Ψηφιοποιηµένη δοµή τυχαίας συσσώρευσης σφαιρών Βαλλιστική εναπόθεση

19 Συνάρτηση αυτοσυσχέτισης δοµής τυχαίας συσσώρευσης σφαιρών..8 R z (u) u/r s

20 Προσδιορισµός διαχυτότητας (τυχαίος περίπατος) Lattice Off Lattice r r 2 r ( t) D = lim t 6t

21 Συντελεστές διαχυτότητας ανακατασκευασµένων δοµών D e (µοριακή)/d b Συσσώρευση σφαιρών (ε=.4) Vycor (ε=.28) Κιµωλία Βόρειας Θάλασσας (ε=.383) Προσοµοίωση Πείραµα

22 Προσδιορισµός διαχυτότητας Knudsen r 2 r ( t) D = lim t 6t Μεµβράνη Al 2 O 3 (ε=.4) Vycor (ε=.28) D e (Knudsen) 3 (cm 2 /s) Προσοµοίωση Πείραµα

23 Προσδιορισµός διαπερατότητας Η µέθοδος Lattice Boltzmann ιακριτοποίηση του χώρου και της ταχύτητας D3Q9 D2Q9

24 Προσδιορισµός διαπερατότητας Η µέθοδος Lattice Boltzmann D2Q9 f i ( x,t) = Κλάσµα µορίων του ρευστού στη θέση x D3Q9 eq fi ( x + ei,t + ) fi ( x,t) = [ fi ( x,t) fi ( x,t)] + F i τ f eq i που κινούνται στην κατεύθυνση e i ( x, t) = wi ρ( x, t) + 3e i u + + ( ei u) u 2 2 Μακροσκοπικές ιδιότητες 2 ν = ( τ.5) 3 ρ( x, t) = f i ( x, t) q i= ιξώδες πυκνότητα q u( x, t) = e i fi ( x, t) ταχύτητα ρ ( x, t) i=

25 Προσδιορισµός της διαπερατότητας Darcy v = k p η ιαπερατότητα Darcy Πορώδες k (m 2 ) υπολογισµός Βιβλιογραφία Συσσώρευση σφαιρών (Blake Kozeny) Ύαλος Vycor Κιµωλία

26 Κατανοµή διαφορετικών φάσεων στην πορώδη δοµή Ελαχιστοποίηση της διεπιφανειακής ελεύθερης ενέργειας Επιλογή αρχικής κατάστασης V L E old S Αλλαγή φάσης δύο τυχαίων θέσεων G S = i A i γ i E new αν E, η νέαδιαµόρφωση είναι αποδεκτή αν E>, η νέαδιαµόρφωση είναι αποδεκτή µε πιθανότητα E P( E) = exp E ref

27 Τρισδιάστατες εικόνες που προέκυψαν κατά τον προσδιορισµό της χωρικής κατανοµής συµπυκνώµατος - ατµού

28 SAΝS+Ρόφηση (Contrast matching) 2 Νετρόνια I(Q) Q(A - ) (C 6 H 6 / C 6 D 6 ) 2 Νετρόνια I(Q) Q(A - )

29 Χωρική κατανοµή προσροφηµένης ουσίας (Al 2 O 3 -C 6 H 6 /C 6 D 6 ) V s =.2 2 I(Q) o Q(A - ) R z (u) o u(a)

30 Χωρική κατανοµή προσροφηµένης ουσίας (Al 2 O 3 -C 6 H 6 /C 6 D 6 ) V s =.5 2 I(Q) o Q(A - ).6 R z (u) u(a) o

31 Αέριος σχετική διαπερατότητα πορώδους υάλου Vycor και πορώδους διαφράγµατος αργιλίας..8.6 Vycor Experiment [3] γ SV =422, γ LV =72, γ SL =35 γ SV =, γ LV =3, γ SL =7 γ SV =2, γ LV =, γ SL =..8.6 Αργιλία Experiment [32] γ SV =422, γ LV =72, γ SL =35 γ SV =2, γ LV =, γ SL = P R.4 P R V S V S

32 Χωρική κατανοµή πολλώνφάσεωνσε πρότυπους πόρους

33 Χωρική κατανοµή φάσεων σε πρότυπους πόρους

34 Βιολογική εφαρµογή: Κερατίνη στιβάδα (Stratum Corneum) Κερατίνη στιβάδα.5 µm 23-4 µm µm Λιπιδιακή φάση κεραµίδια λιπαρά οξέα χοληστερόλη Ινίδια κερατίνης

35 Προσδιορισµός της µεσοσκοπικής δοµής της κερατίνης στιβάδας µε USANS Πειραµατικά δεδοµένα USANS I(Q) Μοντέλο πλίνθων και πηλού Q (nm - ) Πρότυπες ψηφιοποιηµένες SC δοµές Πειραµατική συνάρτηση αυτισυσχέτισης.8.6 Rz(r) r (nm) Θεωρητική συνάρτηση αυτοσυσχέτισης Προσδιορισµός του µεγέθους των κερατινοκυττάρων και του λιπιδιακού διάκενου

36 Προσδιορισµός της µεσοσκοπικής δοµής της κερατίνης στιβάδας µε USANS.8.6 VSANS ACF lz=µm lz=.8µm lz=.6µm lz=.2µm.8.6 VSANS ACF lp=.2µm lp=.5µm lp=.7µm lp=.µm lp=.5µm Rz(r).4 Rz(r) r (nm) r (nm) Πάχος κερατινοκυττάρων:.6- µm Λιπιδιακό διάκενο:.5-. µm

37 Συνοψίζοντας Τα νανοπορώδη υλικά είναι δυνατόν να αναπαρασταθούν σε µεσοσκοπική κλίµακα µε µεθόδους ψηφιακής ανακατασκευής Έχουν αναπτυχθεί προηγµένες µέθοδοι, για την προσοµοίωση διεργασιών, οι οποίες µετηνχρήσητων ψηφιακών δοµών επιτρέπουν τον προσδιορισµό σηµαντικών µακροσκοπικών ιδιοτήτων

Σχετικά έγγραφα

ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΟΡΩΔΩΝ

ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΟΡΩΔΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μ. Γ. Πολίτης 1, 2, Ε. Σ. Κικκινίδης 1, 2, Μ. Ε. Καινουργιάκης 3 και Α. Κ. Στούμπος 3 1 Εργαστήριο Ανόργανων Υλικών, Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών,