Badania powierzchni materiałów – poznaj możliwości współpracy z Wydziałem Chemii UJ

35

Współpraca z Uniwersytetem Jagiellońskim to nie tylko dostęp do doskonale wyposażonych laboratoriów, ale przede wszystkim do wysoko wyspecjalizowanej kadry, otwartej na rozwiązywanie niestandardowych problemów naukowobadawczych.

Wydział Chemii oraz Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego dysponują aparaturą odpowiadającą potrzebom i wyzwaniom dzisiejszej inżynierii materiałowej. Jej istotnym elementem jest charakterystyka powierzchni materiałów, a do podstawnych analiz powierzchni zalicza się metody spektroskopowe i mikroskopowe.

Badania spektroskopowe polegają na oznaczeniu właściwości fizykochemicznych materiału poprzez badanie oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią. Poniżej przedstawiono trzy przykłady spektroskopów:

  • Spektroskopia w podczerwieni (IR). W tej technice wykorzystuje się foton jako źródło promieniowania oraz jako odpowiedź układu, co pozwala na analizę struktury cząsteczek jak i ich oddziaływanie z otoczeniem. Możliwy jest pomiar cieczy, zawiesin, proszków a nawet cienkich filmów. Metodą komplementarną do spektroskopii IR jest spektroskopia Ramana, również szeroko wykorzystywana do analizy struktury i dystrybucji komponentów w różnych preparatach.
  • Rentgenowska Spektrometria Fotoelektronów (XPS). Wykorzystuje miękkie promieniowanie rentgenowskie i pozwala na detekcje zasadniczo wszystkich pierwiastków (za wyjątkiem H i He) oraz ich ilościowego oznaczenia, jak również wykonywanie profili głębokościowych.
  • Spektrometria Mas Jonów Wtórnych (SIMS). Pozwala na rejestrację widm masowych, które dostarczają informacji chemicznych, profili głębokościowych, dwu- i trójwymiarowych map rozkładów pierwiastków – w tym również obrazowania obszarów makroskopowych. Ponadto możliwa jest analiza próbek w szerokich zakresach temperaturowych.

Drugą ważną metodą badań powierzchni materiałów są analizy z wykorzystaniem mikroskopów, czyli urządzeń służących do uzyskiwania powiększonych obrazów próbek. Niektóre z nich pozwalają również na tworzenia map topograficznych, a nawet analizę składu chemicznego. Warto wyszczególnić trzy typy takich urządzeń:

  • Transmisyjny Mikroskop Elektronowy (TEM). W celu wykonania obrazu, wykorzystuje właściwości falowe wiązki elektronów, które skierowane na cienki preparat ulegają częściowemu rozproszeniu i dyfrakcji w obszarze przejścia przez kolejne warstwy atomów oraz w znaczącym udziale przechodzi przez badany obszar. Pozwala to m.in. na obrazowanie mikrostruktury materiałów, ultraszybką analizę lokalnego składu chemicznego i rozmieszczenia pierwiastków z wysoką przestrzenną zdolnością rozdzielczą (w skali atomowej, nano i mikro) jak również na analizę fazową materiałów w oparciu o techniki dyfrakcji elektronowej. W tej technice niezbędne jest jednak przygotowanie próbki w ściśle określony sposób, a proces ten może być czasochłonny i skomplikowany.
  • Skaningowy Mikroskop Elektronowy (SEM). Wytworzona w nim wiązka elektronów bombarduje próbkę skanując linia po linii powierzchnię badanego obiektu po czym następuje rejestracja różnych sygnałów emitowanych przez próbkę za pomocą odpowiednich detektorów. Pojemna komora mikroskopu pozwala na obrazowanie oraz analizę dużych próbek nieorganicznych jak i biologicznych, a dodatkowe wyposażenie umożliwia zamrożenie próbki w trakcie pomiaru (-60°C) oraz pomiar w niskiej próżni. Detektory SE oraz BSE (dodatkowe wyposażenie mikroskopu) pozwalają na analizę topografii próbek oraz rozróżnienie obszarów próbki o bogatym składzie pierwiastkowym. Analizę pierwiastkową badanych materiałów jak i tworzenie map ich dystrybucji zapewnia detektor EDS.
  • Mikroskop Sił Atomowych (AFM). Urządzenie to posiada skanującą sondę (ostrze), a obraz uzyskuje się poprzez wykorzystanie sił oddziaływań międzyatomowych, na zasadzie przemiatania ostrza nad powierzchnią próbki. Sonda skanuje powierzchnię próbki dając jej trójwymiarowy obraz w wysokiej rozdzielczości. Zależnie od jakości i grubości ostrza w płaszczyźnie poziomej można otrzymać rozdzielczość rzędu kilku/kilkunastu nm, a w płaszczyźnie pionowej pomiar pozawala rozpoznawać obiekty różniące się nawet o 0,1 nm. Dużą zaletą tej metody jest łatwe przygotowanie próbki. Mikroskop umożliwia badanie topografii powierzchni próbek stałych w powietrzu oraz w cieczy. Ponadto zakres wykonawcach badań obejmuje: badanie właściwości mechanicznych, wykonywanie map przewodnictwa próbek przewodzących oraz półprzewodnikowych (C-AFM), charakterystykę próbek magnetycznych (MFM) oraz obrazowanie potencjału powierzchniowego za pomocą mikroskopii wykorzystującej sondę Kelvina.

Badaniami uzupełniającymi charakterystykę morfologii, topografii oraz składu chemicznego są między innymi: pomiar kąta zwilżania, wyznaczanie napięcia powierzchniowego, badania nad właściwościami fotoluminescencyjnymi jak i również cała gama badań elektrochemicznych.

Zapraszamy do współpracy!

Materiały i treść do powyższego artykułu zostały dostarczone przez Uniwersytet Jagielloński. Autorem tekstu jest Gabriela Grześ – doktorantka w Zespole Nanotechnologii Polimerów i Biomateriałów na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Broker Technologii w Centrum Transferu Technologii CITTRU. CITTRU jest dedykowaną jednostką UJ do obsługi relacji i zleceń o charakterze komercyjnym.

Poprzedni artykułJak skutecznie docierać do pacjentów? Letnie warsztaty online dla organizacji pacjenckich.
Następny artykułHealthTech Innovation Days – spotkanie innowatorów z sektora opieki zdrowotnej