ΜΑΓΝΗΤΙΚA ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤA ΝΙΚΕΛΙΟΥ

Transcript

1 ΜΑΓΝΗΤΙΚA ΝΑΝΟΣΥΡΜΑΤA ΝΙΚΕΛΙΟΥ Ι. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα νανοσύρματα (nanowires) ανήκουν στην κατηγορία των μονοδιάστατων νανοδομών δηλαδή κατασκευών στις οποίες οι δύο από τις τρείς διαστάσεις τους κυμαίνονται σε τιμές κάτω των 100 nm και η τρίτη, δηλαδή το μήκος τους, είναι τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερο από τις άλλες δύο φτάνοντας τυπικά τα δεκάδες ή εκατοντάδες μικρόμετρα. Αν είναι ευθύγραμμα ονομάζονται συνήθως νανοράβδοι (nanorods) ενώ αν παρουσιάζουν κενό χώρο στο εσωτερικό τους καθ ολο το μήκος τους ονομάζονται νανοσωλήνες (nanotubes). 1 Χαρακτηριστικότερο και πιο γνωστό στις μέρες μας παράδειγμα της τελευταίας οικογένειας είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes). Τα υλικά και οι συνδυασμοί που συγκεντρώνουν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για παρασκευή και μελέτη σε μορφή νανοσυρμάτων κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τις ιδιότητες που εμφανίζουν και με βάση τις εφαρμογές που μπορούν να έχουν στους αντίστοιχους κλάδους της νανοτεχνολογίας. Νανοσύρματα από ημιαγώγιμα υλικά όπως πυρίτιο και νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) τα οποία εμπλουτιζόμενα με τις κατάλληλες προσμίξεις εμφανίζουν επιλεκτικά αγωγιμότητα ηλεκτρονίων ή οπών, αποτελούν την βάση μιας τεράστιας προσπάθειας για την δημιουργία των μελλοντικών νανοηλεκτρονικών διατάξεων όπως νανοδιόδων, νανοτρανζίστορς και μη μαγνητικών μνημών (flash memories). Ακόμα σημαντικότερη είναι η δυνατότητα οι διατάξεις αυτές να συνδυαστούν προς επεξεργαστές και μνήμες πολύ μεγαλύτερης ισχύος και χωρητικότητας αντίστοιχα. Μεταλλικά νανοσύρματα από χρυσό, πλατίνα, χαλκό, χρώμιο αλλά και νανοσωλήνες άνθρακα και άλλα υλικά μελετώνται αρκετά χρόνια τώρα ως τα καλώδια σύνδεσης μεταξύ των παραπάνω διατάξεων. Τεχνικές κόλλησης των καλωδίων μεταξύ τους αλλά και με τις ενεργές ηλεκτρονικές διατάξεις, έτσι ώστε ούτε τα καλώδια ούτε οι διατάξεις να χάνουν τις ωφέλιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες τους, αποτελούν μέρος της όλης προσπάθειας. 2 Οι νανοσωλήνες άνθρακα παρουσιάζουν εξαιρετική μηχανική αντοχή ενάντια στην έκταση και την θραύση. Η εισαγωγή τους σε μήτρες άλλων υλικών όπως πολυμερών, ρητινών κ.α. οδηγεί στην παρασκευή εξαιρετικά ανθεκτικών αλλά και χαμηλού βάρους συνθετικών υλικών που ήδη δοκιμάζονται για αντίστοιχες εφαρμογές σε ποδήλατα, σκάφη αλλά και αυτοκίνητα, ρούχα και προστατευτικά κράνη, κόλλες κ.α. Παρουσιάζουν επίσης πολύ υψηλή θερμική αλλά και ηλεκτρική αγωγιμότητα επειδή τα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας τους μπορούν να κινούνται βαλλιστικά (δηλαδή χωρίς σκεδάσεις) κατά την διεύθυνση του μήκους τους. Έτσι μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πάρα πολλές μορφές ηλεκτροδίων για εφαρμογές όπως μπαταρίες και φωτοβολταϊκές κυψέλες. 3 Τέλος νανοσύρματα νικελίου και κοβαλτίου παρουσιάζουν πολύ ενδιαφέρον για μαγνητικές εφαρμογές καθώς η πολύ μικρή εγκάρσια διάσταση τους επιτρέπει στο καθένα να παρουσιάζει μια και μόνη μαγνητική περιοχή. Έτσι μελετάται η εφαρμογή τους στα επόμενης γενιάς μαγνητικά αποθηκευτικά 1

2 μέσα υπέρ-υψηλής πυκνότητας αποθήκευσης ψηφιακής πληροφορίας. 4 Σε σχέση με σφαιρικά νανοσωματίδια των αντίστοιχων υλικών, το εξαιρετικά ασύμμετρο σχήμα της μαγνητικής περιοχής κάθε νανοσύρματος (επειδή είναι μονοδιάστατο) βοηθά στην διατήρηση της μαγνήτισης (ή ψηφιακής πληροφορίας) ανά σύρμα για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Στα σφαιρικά νανοσωματίδια η πληροφορία χάνεται γρηγορότερα λόγω του φαινομένου του υπέρ-παραμαγνητισμού (superparamagnetism) δηλαδή της ανεξέλεγκτης αντιστροφής της μαγνήτισης που διεγείρεται θερμικά ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου και σχετίζεται με την πολύ μικρή αποθηκευμένη μαγνητική ενέργεια ανά νανοδομή λόγω του μικρού της όγκου. 5,6 ΙΙ. ΣΥΝΘΕΣΗ Στο εργαστήριο θα παρασκευαστούν νανοσύρματα νικελίου με την τεχνική της ηλεκτροναπόθεσης. 7 Η ηλεκτροεναπόθεση (electrodeposition or electroplating) είναι μια πολύ παλιά τεχνική (χρονολογείται από τις αρχές του 19 ου αιώνα) που χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά για επιχαλκώσεις και έπειτα για επαργυρώσεις και επιχρυσώσεις φθηνότερων μετάλλων και αγώγιμων κραμάτων. Σήμερα χρησιμοποιείται ευρύτατα για τις εφαρμογές Σχήμα 1: Διάταξη ηλεκτροεναπόθεσης αυτές αλλά και σε όλων των ειδών τις επιμεταλλώσεις όπου η επιφάνεια ενός αγώγιμου φορέα πρέπει να καλυφθεί με επίστρωση άλλου αγώγιμου υλικού ή κράματος για επίτευξη συγκεκριμένων επιφανειακών ιδιοτήτων όπως αντοχή στην φθορά από μηχανική χάραξη (κράματα χρωμίου και βαναδίου σε ατσάλια για εργαλεία, μηχανολογικά εξαρτήματα και άλλα), μειωμένη τριβή (ρουλεμάν κ.α.), υψηλή ανακλαστικότητα (επιχρωμιώσεις), αντισκωριακή προστασία (γαλβανισμός) κτλ. Στηρίζεται στο γεγονός ότι διαλυμένα μεταλλικά ή άλλα ιόντα (αγώγιμου πάντως τελικού προϊόντος) μπορούν να κινηθούν παρουσία διαφοράς δυναμικού μεταξύ δύο ηλεκτροδίων που βρίσκονται μέσα στο διάλυμα και να υποστούν οξειδωαναγωγικές αντιδράσεις που να οδηγήσουν στην εναπόθεση του υλικού που μας ενδιαφέρει. Έτσι για παράδειγμα άλας μετάλλου Μ, μορφής Μ ν+ Χ ν- διαλύεται σε νερό. Μέσα στο διάλυμα τοποθετούνται δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια (ίδιου ή άλλου μετάλλου) και εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού μεταξύ τους (Σχήμα 1). Τα κατιόντα Μ ν+ κινούνται προς την κάθοδο και τα ανιόντα Χ ν- προς την άνοδο. Τα κατιόντα καταφθάνοντας στην κάθοδο προσλαμβάνουν ηλεκτρόνια από αυτήν και ανάγονται δηλαδή μειώνουν τον αριθμό οξείδωσης τους σύμφωνα με την αντίδραση: 2

3 Μ ν+ + ν e - M 0 (1) Το ουδέτερο μεταλλικό άτομο που αποτελεί προϊόν της παραπάνω αντίδρασης επικάθεται στην επιφάνεια της καθόδου. Η συσσώρευση τέτοιων μεταλλικών ατόμων καταλήγει στην επιμετάλλωση της καθόδου. Για να εξασφαλιστεί η συνέχεια του ρεύματος θα πρέπει στην άνοδο να αποδοθεί ο αντίστοιχος αριθμός ηλεκτρονίων. Αν η άνοδος είναι από το μέταλλο του άλατος τότε μπορεί εκεί να λειτουργήσει η αντίστροφη της παραπάνω αντίδρασης δηλαδή οξείδωση. Τότε το συνολικό αποτέλεσμα είναι η συνεχόμενη μεταφορά ατόμων του μετάλλου από την άνοδο (με ταυτόχρονη επομένως διάβρωση της) στην κάθοδο διατηρώντας σταθερή την συγκέντρωση του μεταλλικού κατιόντος στο διάλυμα. Αυτή είναι η συνήθης διαμόρφωση για επιμεταλλώσεις. Αν η άνοδος αποτελείται από άλλο μέταλλο τότε είναι αυτό που μπορεί να οξειδώνεται ενώ αν αυτό είναι αδρανές, όπως για παράδειγμα η πλατίνα, τότε οξειδώνεται ο διαλύτης (αν είναι πχ νερό παράγεται οξυγόνο σύμφωνα με την αντίδραση 2 Η 2 Ο Ο Η e - ). Επειδή σε αυτή την περίπτωση το κατιόν που μας ενδιαφέρει δεν αναπληρώνεται ο ρυθμός εναπόθεσης θα μειώνεται με την διάρκεια της. Αυτό μπορεί να συμβεί σε ορισμένες περιπτώσεις ακόμα και όταν η άνοδος είναι μέταλλο που μπορεί να οξειδωθεί αλλά το ph του διαλύματος είναι τόσο υψηλό ώστε να ευνοείται η οξείδωση του διαλύτη. Καθώς η εναπόθεση γίνεται στην κάθοδο η μέθοδος ονομάζεται συχνά και καθοδική ηλεκτροεναπόθεση (cathodic electrodeposition). Μεγάλα πλεονέκτημα της μεθόδου είναι η δυνατότητα εναποθέσεων σε πολύ μεγάλες και όχι αναγκαστικά επίπεδες επιφάνειες με καλή ομοιογένεια πάχους και ιδιοτήτων. Οι εναποθέσεις γίνονται γρήγορα και σε θερμοκρασία περιβάλλοντος ενώ η τεράστια γκάμα αλάτων κάνει αντίστοιχα μεγάλη την λίστα των δυνατών εναποθέσεων. Μόνος περιορισμός το άλας να είναι διαλυτό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η μορφολογία των εναποθέσεων μπορεί να ελεγχθεί ξεκινώντας από πραγματικά επίπεδα λεπτά υμένια έως πορώδη υλικά αλλά και συλλογές από νάνο ή/και μίκρο δομές διαφόρων σχημάτων ανάλογα και με τις συνθήκες της διαδικασίας. Βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι η ανάγκη τόσο το υπόστρωμα να είναι αγώγιμο όσο και η εναποτιθέμενη ένωση. Σε κάθε άλλη περίπτωση η αδυναμία εξουδετέρωσης του φορτίου στην κάθοδο βάζει φραγμό στην έλευση επιπλέον κατιόντων μηδενίζοντας το ρεύμα. Ρυθμιζόμενες παράμετροι της εναπόθεσης είναι το ρεύμα και ο χρόνος της διαδικασίας. Είναι γνωστό από τον νόμο του Faraday ότι η μάζα, m, του υλικού που φτάνει στο ηλεκτρόδιο της καθόδου για χρονικό διάστημα, t είναι ευθέως ανάλογη του συνολικού φορτίου των κατιόντων που κινήθηκαν προς το ηλεκτρόδιο, q, δηλαδή m = Z q όπου Ζ = ΑΒ/v F Ζ είναι μια σταθερά που ονομάζεται ηλεκτροχημικό γραμμο-ισοδύναμο του κατιόντος και όπως βλέπουμε εξαρτάται από το ατομικό του βάρος (ΑΒ), το σθένος του, v και τη σταθερά του Faraday F = Cb. Επειδή το φορτίο, q, ισούται με το γινόμενο ρεύματος χρόνου (I t), είναι το γινόμενο αυτό που αναμένεται να ρυθμίζει τη μάζα ή αλλιώς το πάχος της εκάστοτε εναπόθεσης. Όσο πιο πολύ είναι 3

4 το φορτίο που κινείται, τόσο πιο μεγάλη η μάζα που εναποτίθεται άρα και το τελικό πάχος εναπόθεσης. Όλα αυτά εφόσον το μέταλλο που μας ενδιαφέρει, συμμετέχει κατά 100% στις αντιδράσεις τόσο οξείδωσης στην άνοδο όσο και αναγωγής στην κάθοδο. Αν συμμετέχουν και άλλα ιόντα (πχ οξυγόνο και υδρογόνο από τον διαλύτη) τότε η απόδοση της ηλεκτροεναπόθεσης πέφτει κατά το ποσοστό συμμετοχής των άλλων ιόντων. Στην περίπτωση της ηλεκτροεναπόθεσης νικελίου το πιο σύνηθες ηλεκτρολυτικό διάλυμα, που μάλιστα χρησιμοποιείται κατά κόρον και με ελάχιστες διαφοροποιήσεις στην βιομηχανία, είναι το υδατικό διάλυμα Watts σε συνδυασμό με ανοδικό ηλεκτρόδιο νικελίου. Σε αυτό η βασική πηγή μεταλλικών κατιόντων Νικελίου είναι το θειϊκό νικέλιο (Nickel sulfate, NiSO 4 ). Χρησιμοποιείται σε συγκέντρωση g/lt ανάλογα με το μέγιστο ρεύμα, ή αλλιώς το μέγιστο ρυθμό εναπόθεσης που χρειάζεται να επιτευχθεί. Σε αυτό προστίθεται χλωριούχο νικέλιο (NiCl 2 ) σε ποσότητα g/lt για να βελτιωθεί η διάβρωση της ανόδου και βορικό οξύ (H 3 BO 3, g/lt) για την διατήρηση του δείκτη οξύτητας, ph σε σταθερά χαμηλό επίπεδο που να καθιστά αναλλοίωτο το ρυθμό οξείδωσης της ανόδου και άρα την απόδοση της ηλεκτροεναπόθεσης, καθ όλη την διάρκεια της διαδικασίας. Η απόδοση της Σχήμα 2: Μεμβράνη αλουμίνας (ένθετο) και απεικόνιση των πόρων της με ηλεκτρονικό μικοσκόπιο σάρωσης (SEM) ηλεκτροεναπόθεσης με το διάλυμα Watts φτάνει το 95%. Αν μπροστά από την κάθοδο βρίσκεται κάποια πορώδης, μη αγώγιμη μήτρα τότε η ηλεκτροεναπόθεση θα πραγματοποιηθεί κανονικά μέσα από τους πόρους της μήτρας που συνδέουν το ηλεκτρολυτικό διάλυμα με την αγώγιμη κάθοδο. Σε αυτήν την περίπτωση η εναπόθεση του μετάλλου γίνεται μέσα στους πόρους οπότε η μήτρα παίζει το ρόλο καλουπιού που διαμορφώνει το εναποτιθέμενο υλικό στην ή στις δομές που μας ενδιαφέρουν. Για παράδειγμα μια μήτρα γεμάτη από ευθύγραμμα και παράλληλα κανάλια διαμέτρου νανομέτρων και μήκους μικρών θα οδηγήσει στην εναπόθεση μονοδιάστατων νανοραβδιών ή νανοσυρμάτων αντίστοιχου μήκους. Στο πείραμα μας θα κατασκευάσουμε τα νανοσύρματα νικελίου τοποθετώντας μια τέτοια μήτρα (μεμβράνη) αλουμίνας (Al 2 O 3 ). Αυτή είναι στρογγυλή, διαμέτρου 21 mm και γεμάτη τρύπες κάθε μια εκ των οποίων έχει διάμετρο 200 nm,διάφραγμα 20nm στην μια όψη (Σχήμα 2) και μέσο μήκος 60 μm 4

5 ΙΙΙ. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ 1) Ακολουθεί η διαδικασία σύνθεσης των νανοσυρμάτων. 8 Πριν ξεκινήσετε φροντίστε να φοράτε την φόρμα εργασίας σας, γάντια μιας χρήσης και γυαλιά προστασίας. Η θέση εργασίας σας θα πρέπει να έχει ποτήρια ζέσεως των 100ml και 250 ml, πιπέτες, χάλκινο ηλεκτρόδιο, λαβίδες, καλώδια με ακροδέκτες πρόσδεσης (κροκοδειλάκια), μπατονέτες, γυαλί μικροσκοπίου, λεπτό γυαλί ολίσθησηςπαρατήρησης (cover slip), μονωτική ταινία και ψαλίδι, φιαλίδιο αποθήκευσης 22 ml και ένα σετ μαγνήτες. Επίσης θα πρέπει να έχει τα υλικά: Μεμβράνες πορώδους αλουμίνας (πόροι nm) και λαβίδα χειρισμού αυτής Βάμμα αργύρου Υδατικό διάλυμα ηλεκτρολύτη νικελίου τύπου Watts Σύρμα νικελίου, ακετόνη, πυκνό νιτρικό οξύ, διάλυμα 6Μ ΝαΟΗ και αιθυλενογλυκόλη ΠΡΟΣΟΧΗ: α) Οι μεμβράνες αλουμίνας είναι πολύ εύθραυστες. Αποτελούνται από τον πορώδη δίσκο (λευκού χρώματος) που προστατεύεται από ένα διαφανή δακτύλιο πολυπροπυλενίου. Ποτέ δεν πιάνουμε την μεμβράνη από τον πορώδη δίσκο. Θα ραγίσει αμέσως οπότε είναι πλέον άχρηστη για το πείραμα μας. Πάντα την πιάνουμε από τον δακτύλιο. β) Όταν χειρίζεστε το νιτρικό οξύ θα πρέπει να φοράτε τα γάντια νεοπρενίου (μαύρα ή δίχρωμα) για υψηλότερη προστασία από τυχόν επαφή με το δέρμα (το νιτρικό οξύ είναι καυστικό υλικό) 2) Θα χρειαστείτε μια πηγή συνεχούς τάσης/ρεύματος, ένα πολύμετρο, το υδατόλουτρο υπερήχων και τον φούρνο ξήρανσης (που πρέπει να είναι ρυθμισμένος στους 60 ο C). Ζητήστε τα από τον υπεύθυνο διδάσκοντα και θυμηθείτε με την βοήθεια του τον απλό χειρισμό των οργάνων αυτών. 3) Πάρτε την μεμβράνη αλουμίνας με την ειδική λαβίδα ακουμπήστε την σε μια επίπεδη καθαρή επιφάνεια. Πάρτε το βάμμα αργύρου και ανακινείστε το καλά για 1-2 λεπτά έτσι ώστε να ακούγεται ο χαρακτηριστικός ήχος από τις μπίλιες ανακίνησης του βάμματος καθώς συγκρούονται με τα τοιχώματα της φιάλης του. 4) Πατώντας με την λαβίδα σε μια άκρη του δακτυλίου της μεμβράνης, χρησιμοποιήστε το βουρτσάκι του βάμματος και αφού το στραγγίξετε στο λαιμό της φιάλης του απλώστε ένα λεπτό στρώμα βάμματος επάνω στην μεμβράνη. Προσέξτε ώστε α) να μην φύγει βάμμα έξω από τον δακτύλιο καθώς έτσι μπορεί να περάσει από την κάτω πλευρά της μεμβράνης και να φράξει ενεργές περιοχές των πόρων και β) να μην τρέξει πολύ βάμμα στην μεμβράνη καθώς απομακρύνεται δύσκολα στα τελευταία στάδια του πειράματος. Το αγώγιμο στρώμα του αργύρου θα παίξει το ρόλο της ενεργού καθόδου μη επιτρέποντας στο νικέλιο να κινηθεί εκτός των πόρων της αλουμίνας προς το χάλκινο ηλεκτρόδιο και να απλωθεί σε αυτό δημιουργώντας νησίδες αντί για νανοσύρματα. 5

6 (α) Σχήμα 3: α) Η μεμβράνη στα αρχικά στάδια συγκόλλησης με το ηλεκτρόδιο. β) το ηλεκτρόδιο στην τελική του μορφή μετά την προσκόλληση της μεμβράνης (β) 5) Πάρτε το χάλκινο ηλεκτρόδιο. Δεν είναι τελείως επίπεδο (έχει μια κοίλη και μια κυρτή πλευρά). Απλώστε λίγο βάμμα αργύρου στην κυρτή πλευρά ακριβώς εκεί που πρόκειται να προσδεθεί η μεμβράνη. Εισάγετε μέσα σε κάποιο δοχείο το ηλεκτρόδιο και την μεμβράνη στο φούρνο ξήρανσης με την υγρή επιφάνεια προς τα πάνω και αφήστε τα να ξεραθούν για περίπου 10 λεπτά. 6) Τοποθετήστε την μεμβράνη πάνω στο χάλκινο ηλεκτρόδιο έτσι ώστε να έρχονται σε επαφή μεταξύ τους οι βαμμένες με άργυρο περιοχές. Βγάλτε τα γάντια μιας χρήσης και αρχίστε να κόβετε και να κολλάτε κομμάτια μονωτικής ταινίας επάνω στον δακτύλιο της μεμβράνης έτσι ώστε α) να την στηρίξετε στο ηλεκτρόδιο και β) να μην αφήσετε κανένα τμήμα της εξωτερικής περιφέρειας του δακτυλίου της μεμβράνης ακάλυπτο (Σχήμα 3α). Σκοπός είναι να αποτρέψετε την επαφή του ηλεκτρολύτη με το ηλεκτρόδιο του χαλκού. 7) Καλύψτε μπροστά-πίσω όλη την επιφάνεια του χάλκινου ηλεκτροδίου, που πρόκειται να έρθει σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη, με μονωτική ταινία (Σχήμα 3β). 8) Βάλτε τα γάντια ξανά. Τοποθετήστε το χάλκινο ηλεκτρόδιο στο ποτήρι ζέσεως και γεμίστε το ποτήρι με τον ηλεκτρολύτη Watts μέχρι του σημείου που το υγρό δεν θα έρχεται σε επαφή με την ακάλυπτη επιφάνεια του ηλεκτροδίου 9) Εισάγετε το σύρμα του νικελίου και πραγματοποιήστε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας την πηγή συνεχούς τάσης/ρεύματος, το πολύμετρο και τα καλώδια. Το χάλκινο ηλεκτρόδιο θα είναι η κάθοδος 6

7 και το σύρμα νικελίου η άνοδος. Έχετε προ-ρυθμίσει την πηγή σας να βγάζει στην έξοδο της τάση 1.5 V και ρεύμα έως 30 ma. * 10) Ανοίξτε την τροφοδοσία. Κάθε 5 λεπτά καταγράφετε την τιμή του ρεύματος. Θα παρατηρήσετε ότι κατά την διάρκεια της διαδικασίας η επιφάνεια της μεμβράνης μαυρίζει ως αποτέλεσμα της καθοδικής ηλεκτροεναπόθεσης του νικελίου. Είναι το μαύρισμα αυτό από την αρχή ομοιόμορφο σε όλη την επιφάνεια της μεμβράνης ή όχι; Παράλληλα μπορεί να εμφανιστούν θύλακες αερίου (φούσκες) επάνω στην επιφάνεια της μεμβράνης. Στο τέλος όλη η επιφάνεια θα έχει πάρει ένα βαθύ μαύρο χρώμα. Κλείστε την πηγή μετά το πέρας μισής ώρας καταγράφοντας και την τελευταία τιμή του ρεύματος. Πως πιστεύετε ότι δημιουργούνται οι θύλακες και τι αέριο περιέχουν; Για να απαντήσετε σκεφτείτε τι θα συνέβαινε αν στην διάταξη της ηλεκτρόλυσης και τα δύο ηλεκτρόδια ήταν αδρανή π.χ. από πλατίνα! 11) Βγάλτε το χάλκινο ηλεκτρόδιο και ξεπλύνετε το σε ποτήρι ζέσεως με απιονισμένο νερό. Επιστρέψτε το ηλεκτρολυτικό διάλυμα στη φιάλη του. Στην συνέχεια εισάγετε το ηλεκτρόδιο σε άλλο ποτήρι ζέσεως και αδειάστε σε αυτό ακετόνη μέχρι να καλυφθεί πλήρως η μονωτική ταινία. Αφήστε γι 5-10 λεπτά. Η ακετόνη θα διαλύσει την κόλλα της ταινίας ώστε να μπορέσετε εύκολα να την απομακρύνετε. Πάρτε το ηλεκτρόδιο και ξεπλύνετε το καλά σε απιονισμένο νερό. 12) Αποκολλήστε την μεμβράνη από το ηλεκτρόδιο με την βοήθεια μιας λαβίδας. Τοποθετήστε την επάνω σε μια καθαρή και λεία επιφάνεια (π.χ. ένα γυαλί μικροσκοπίου) με την πλευρά που έχει το βάμμα αργύρου προς τα πάνω. Θα απομακρύνετε το βάμμα σκουπίζοντας το με μπατονέτες εμποτισμένες από νιτρικό οξύ. Ποτίζετε κάθε φορά μια άκρη μιας μπατονέτας στο οξύ, σκουπίζετε τον άργυρο και πετάτε την μπατονέτα μέσα σε ποτήρι με νερό. Επαναλάβετε όσες φορές χρειαστεί έως ότου καθαρίσετε τον άργυρο. 13) Ξεπλένετε την μεμβράνη 2-3 φορές μέσα σε απιονισμένο νερό. Εισάγετε σε ποτήρι ζέσεως 50 ή 100 ml ελάχιστη ποσότητα (5-10 ml) από το διάλυμα 6Μ NaOH και ρίξτε μέσα σε αυτό την μεμβράνη. Το υδροξείδιο του νατρίου διαλύει την αλουμίνα οπότε κάποια στιγμή αποτίθεται στον πάτο του ποτηριού μαύρο ίζημα των νανοσυρμάτων νικελίου και επιπλέει στην επιφάνεια ο αποδεσμευμένος πλέον δακτύλιος πολυπροπυλενίου της μεμβράνης. Πετάξτε τον δακτύλιο. 14) Πάρτε το ποτήρι και εισάγετε το στο λουτρό υπερήχων. Αφήστε για 2-3 λεπτά. Οι υπέρηχοι αποκολλούν τα νανοσύρματα που έχουν συσσωρευτεί σε μεγαλύτερες ενότητες, απελευθερώνοντας τα στο διάλυμα. Πάρτε το μεγάλο μαγνήτη και φέρτε το ποτήρι δίπλα στον ένα πόλο του. Τα μαγνητικά σωματίδια έλκονται από αυτόν και συσσωρεύονται στην μια άκρη του ποτηριού. Εξηγείστε γιατί συμβαίνει αυτό; Περιστρέφοντας το ποτήρι προσπαθήστε να μαζέψετε όλο το υλικό στην μια άκρη και * Για το σκοπό αυτό πατήστε αρχικά το Display Limit της πηγής Agilent E3640A και έπειτα το voltage/current έως ότου αναβοσβήνουν οι αντίστοιχες ενδείξεις τάσης (αριστερά) και ρεύματος (δεξιά) στην οθόνη. Με την βοήθεια των < και > και του περιστροφικού διακόπτη ρυθμίστε την τάση και το ρεύμα στις ζητούμενες τιμές. 7

8 με μια πιπέτα αναρροφήστε το αλκαλικό διάλυμα και αδειάστε το στο νεροχύτη. Επαναλάβετε με την ίδια πιπέτα όσες φορές χρειαστεί. 15) Εισάγετε καθαρό απιονισμένο νερό 5-10 ml επαναλάβετε το προηγούμενο βήμα. Τελειώνοντας επαναλάβετε για μια ακόμη φορά. Με την διαδικασία αυτή ξεπλένονται τα νανοσύρματα από τα μη μαγνητικά υπολείμματα της σύνθεσης. 16) Εισάγετε στο ίζημα ελάχιστη (5-10 ml) ποσότητα αιθυλενογλυκόλης και τοποθετήστε ξανά στους υπερήχους για 2-3 λεπτά. Αδειάστε το διάλυμα σε φιαλίδιο 22 ml. 17) Βάλτε το φιαλίδιο ανάμεσα στους πόλους ενός μόνιμου μαγνήτη. Πάρτε με την διαθέσιμη webκάμερα την εικόνα του φιαλιδίου. 18) Πάρτε ελάχιστο διάλυμα με μια πιπέτα, και αφήστε μια σταγόνα από αυτό σε ένα καθαρό γυαλί μικροσκοπίου. Αφήστε πάνω στην σταγόνα ένα cover slip και πιέστε ελαφρά ώστε να κατανεμηθεί το διάλυμα ομοιογενώς μεταξύ των δύο γυαλιών. Πάρτε το γυαλί και τοποθετήστε το κάτω από ένα οπτικό μικροσκόπιο με αντικειμενικό φακό 40x. Τι παρατηρείτε μέσω του προσοφθάλμιου συστήματος; 19) Πάρτε ένα από τους διατιθέμενους μαγνήτες και φέρτε τον κοντά στο γυαλί μικροσκοπίου από το πλάι του. Τι συμβαίνει; Σε αυτή την κατάσταση πάρτε, με την βοήθεια της κάμερας του μικροσκοπίου, αρκετές φωτογραφίες μονών νανοσυρμάτων (εστιάζοντας στα μικρότερα) για την αναφορά σας. - Πετάξτε το cover slip. Πλύνετε όλα τα ποτήρια ζέσεως, το ηλεκτρόδιο, τις λαβίδες και τα γυαλιά μικροσκοπίου με σπόγκο και υγρό πιάτων και ξεπλύνετε διαδοχικά με νερό βρύσης και απιονισμένο νερό. Πετάξτε τις πιπέτες που χρησιμοποιήσατε στα δοχεία υαλικών και καθαρίστε τον πάγκο σας. Επιστρέψτε τα αντιδραστήρια στο ντουλάπι κάτω από τον πάγκο εργασίας σας. V. ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ - Γράψτε τον τίτλο και τον σκοπό της εργαστηριακής άσκησης - Κάνετε μια σύντομη εισαγωγή στο υλικό, τις ιδιότητες και την χρήση του. - Περιγράψτε την διαδικασία παρασκευής και οπτικού χαρακτηρισμού στο πείραμα σας, αναφέροντας όλες τις παρατηρήσεις σας σε σχέση με το μέγεθος και τις μαγνητικές ιδιότητες των νανοσυρμάτων σας. - Κάνετε γραφική παράσταση του ρεύματος ηλεκτροεναπόθεσης συναρτήσει του χρόνου και σχολιάστε την συμπεριφορά του. Από αυτήν βρείτε το συνολικό φορτίο που κινήθηκε μεταξύ των ηλεκτροδίων. - ΠΡΟΒΛΗΜΑ: Εκτιμείστε με βάση το νόμο του Faraday το μέσο μήκος που θα πρέπει να έχουν τα νανοσύρματα που παρασκευάσατε. Θα χρειαστείτε πληροφορίες από το θεωρητικό μέρος της 8

9 παρούσας άσκησης αλλά και την πραγματική εικόνα της μεμβράνης που χρησιμοποιήσατε. Το σθένος του κατιόντος νικελίου είναι Από τις φωτογραφίες των νανοσυρμάτων μετρήστε δειγματοληπτικά τα μήκη περίπου 10 εξ αυτών και εκτιμήστε το μέσο μήκος τους και την τυπική απόκλιση αυτού. Συγκρίνετε με την πρόβλεψη που κάνατε στο προηγούμενο ερώτημα. - Σχολιάστε την συμπεριφορά των νανοσυρμάτων όταν το δοχείο βρίσκεται ανάμεσα στους πόλους ενός μόνιμου μαγνήτη εξηγώντας γιατί παρατηρείται η εικόνα που είδατε. - Αν άλλαζε η πολικότητα στην διάταξη της ηλεκτροεναπόθεσης τι θα συνέβαινε; Θα υπήρχε εναπόθεση και πού; Με σταθερό ρυθμό ή όχι; ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1 B. Bhushan Springer handbook of Nanotechnology (Springer, Heidelberg, 2010) 2 G.W. Hanson Αρχές Νανοηλεκτρονικής (Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη 2009) 3 R. H. Baughman, A. A. Zakhidov, W. A. de Heer, Carbon Nanotubes. The Route Toward Applications Science 297 (2002) pp IBM Racetrack Memory report, 5 K. Nielsch, R.B. Wehrspohn, S.F. Fischer, H. Kronmüller, J. Barthel, J. Kirschner, and U. Gösele, Magnetic Properties of 100 nm-period Nickel Nanowire Arrays Obtained From Ordered Porous-Alumina Templates Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 636 (2001) pp. D D D. Weller and A. Moser, Thermal Effect Limits in Ultrahigh Density Magnetic Recording, IEEE Trans. Magn. 35 (1999) pp G. Di Bari Nickel Plating in the ASM Handbook, Volume 5: Surface Engineering (ASM International, Ohio, 1994) 8 A. K. Bentley, M. Farhoud, A. B. Ellis, G. C. Lisensky, A. L. Nickel and W. C. Crone Template Synthesis and Magnetic Manipulation of Nickel Nanowires J. Chem. Ed. 82 (2005) pp Συμβουλευτείτε το βοηθητικό υλικό της άσκησης που διατίθεται στην ιστοσελίδα του μαθήματος. 9