CHEM-C2230 Pintakemia Prof. Monika Österberg
Yhteystiedot Monika Österberg: monika.osterberg@aalto.fi, Puu I, huone 323, Koko kurssi/luennot/projektityö/tentti Gunilla Fabricius: gunilla.fabricius@aalto.fi, CHEM Laskuharjoitukset/laboratoriotyöt (kemialla tehtävät) Juan José Valle-Delgado: juanjose.valledelgado@aalto.fi, ja Maija-Liisa Mattinen Maija-liisa.mattinen@aalto.fi, Puu I, huone 321, Laboratoriotyöt (Puulla tehtävät)
Kurssin rakenne ja arvostelu Kurssikirja: Barnes & Gentle: Interfacial Science An Introduction MyCourses: https://mycourses.aalto.fi/course/view.php?id=4458 Rakenne: Luentoja + kotitehtäviä 2*Laskuharjoituksia (1p/harjoitus) 2* Laboratoriotyö (valitaan kolmesta työstä) 1* Projektityö 1* tietokoneharjoitus 1* Tentti (kirja, luennot, laskuharjoitukset, projektityö, laboratoriotyöt) Arvostelu: Tentti (50%), projektityö (25%), laboratoriotyöt (15%), laskuharjoitukset (5%), kotitehtävät (5%) 3
Periaatteita ja suosituksia Lue kurssikirjaa jos et käy luennolla. Luentokalvot eivät ole suunniteltu itseopiskelua varten. Jos/kun käyt luennolla tee muistiinpanojaj Laboratoriotyöt (2) ja projektityö ovat pakollisia Kotitehtävistä saa pisteita ainoastaan jos ne ovat ajoissa palautettu 4
Sisältö Pintaenergia Pintojen termodynamiikka Adsorptio kaasu-neste rajapinnalle Langmuir-Blodgett ohutkalvot ja mittausmenetelmiä Neste-neste rajapinnat Kiinteät pinnat Kaasu-kiinteä rajapinta Neste-kiinteä rajapinta Pintavoimat, biologiset pinnat, vesiliukoiset polymeerit ja polyelektrolyytit 5
Kotitehtävät: MyCourses, 4 kpl Laskuharjoitukset: 1. laskuharjoitus: 6.3. tai?? (valitse sopiva ryhmä) 2. laskuharjoitus: 12.4. tai 21.4. Tietokoneharjoitus: 5-7.4 Laboratoriotyöt (ilmoittautumien MyCourses:iin) - Jokainen tekee 2 työtä - Pareittain - Arvioidaan (1-3) - Raportti - Alkaa 6.3 - Lisää infoa+ ilmoittautuminen: MyCourses Projektityö: Seminaari 10.4 tai 11. 4, Ryhmät MyCourses Pakollisia, ilmoittautukaa ajoissa! 6
Viime vuoden palaute Webropol: Kurssin yleisarvosana oli 3.6, opetusmenetelmät (3.6), sisältö vastasi hyvin ilmoitettuja tavoitteita (4.6) ja kuormitus ja vaativuus olivat keskitasoa (2.9 ja 3.0). Kurssi edisti yleisiä valmiuksia (3.7). Opiskelijoiden työpanos (3.5) ja motivaatio (3.7) olivat keskitasoa aavistuksen parempia. Kurssin aikana kerättyä palautetta: Toivotaan laskuesimerkkejä luennoilla Projektityö tuntuu alussa vaikealta, mutta lopuksi hyödyllinen ja kiinnostava 7
Palautteen perusteella tehtävät muutokset: 1) Viime vuonna tehdyt muutokset olivat hyvät. Jatketaan. 2) Lisätään muutama laskuesimerkki luentoihin 3) Aikaistetaan posteriseminaari, jotta siinä opittua voidaan vetää yhteen luennolla. 4) Pientä hienosäätöä. Muista antaa palautetta! Antamalla palautetta vaikutat tuleviin luentoihin, tuleviin kursseihin ja jopa koulussa annettavaan opetukseen yleensä! 8
1. Pinta- ja kolloidikemian perusteet 1. Mikä on kolloidi? a) Kolloidien luokitus b) Missä systeemeissä on kolloideja läsnä? c) Miten niitä karakterisoidaan? (myöhemmin kurssilla) d) Mikä vaikuttaa niiden ominaisuuksiin? 2. Mikä yhdistää/erottaa pintakemian, kolloidikemian ja nanoteknologian? 3. Miksi rajapintailmiöt ovat tärkeitä? Päivän oppimistavoitteet 9
Miksi pintakemia on tärkeä? Biologiset ja tekniset systeemit 10
Esimerkki: Ihmisen keuhkot Pinta-aktiivisten aineiden rooli Kontaktipinta-ala ilman kanssa erittäin iso Mm. pienentää pintajännitystä Pérez-Gil J. Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes 1778 (2008)1676 11
Biolääketiede Lääkeannostus käyttäen nanopartikkeleita Panyam et al Advanced Drug Delivery Reviews 55 (2003) 329 347 Kompatibilisointi ja antibakteerisuus Keinorusto Rusto Stark Nanoparticles in biological systems Angew. Chem. 2011, 50, 1242 12
Tekniset esimerkit Emulsiot Katalyytit (katso kotitehtävä) Prosessit: paperin valmistus, vedenpuhdistus, kaivosteollisuus, Viirojen likaantuminen paperinvalmistuksessa Metso Paper 13
Puumateriaalit Haltia, Nuuksio, Espoo: First public building in Finland built entirely out of wood 2013 Puun käyttö lisääntymässä Motivaatio: Kestävyys, terveys, mukavuus, design Haasteet: Kestävyys, paloturvallisuus, puhdistus, On ymmärrettävä ja kontroloitava pintaominaisuuksia Tarvitaan uusia pintakäsittelyjä, jotka säilyttävät puun hyvät ominaisuudet, kuten kosteuden puskurointi http://www.woodencity.com/ Lozhechnikova, A, et al Energy and Buildings. 105, (2015) 37-42 CHEM-E2150_L1 Introduction 14
Sustainable wood modification Combining: 1. (Super)hydrophobicity 2. Excellent moisture buffering and 3. Some UV protection Via layer-by-layer deposition of zink oxide particles and natural wax particles Helppotajuinen esitys puun hyödyistä ja pintamuokkauksesta https://www.youtube.com/watch?v=jlx7fwejbl8&feature=youtu.be Benefits: Durability, easy to clean, comfort, energy saving, health(?) Lozhechnikova, A, et al Energy and Buildings. 105, (2015) 37-42). Lozhechnikova, A et al Applied Surface Science in press DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.11.132 For more information: monika.osterberg@aalto.fi 15
Selluloosakuidut ja nanoselluloosa (Selluloosa)kuiduilla vahvistetut komposiitit Nanoselluloosa joustavissa näytöissä, barriermateriaalina (pakkaukset), solukasvatusalustana jne UPM Biofore concept car Kemia Kemi 7/2013 Klemm et al Angewandte Chemie 2011 Kalevala 9.9. 2012 16
Kolloidit Materiaalit joissa ainakin yksi dimensio 10nm-1µm. Nanomateriaalit 1-100 nm Puukuidut 30 µm Nanokuidut 30 nm Partikkelit Kuidut Ohutkalvot 17
Laske pinta-ala Partikkelikoon vaikutus kokonaispinta-alaan V = 1 cm 3 l = 1 cm Kokonaispintaala = 0.0006 m 2 a) Jos 1 cm 3 kuutio jaetaan pienempiin kuutioihin joiden sivun pituus on 1 µm niin mikä on kokonaispinta-ala? b) l = 100 nm c) l = 10 nm Vastaus: a) 6 m 2, b) 60 m 2 ja c) 600 m 2 18
Dispersiot (kolloidit ja nanopartikkelit) Partikkelikoko 0.01-2 µm 1 l päällystepastan partikkelien yhteispintaala on n. 2 hehtaaria (4 jalkapallokenttää) Rajapintailmiöt erittäin tärkeitä! 19
Kolloidien luokitus Lyofiilinen kolloidi Polymeerit Hiilihydraatit Proteiinit DNA Synteettiset polymeerit Pinta-aktiiviset aineet misellit Lyofobinen kolloidi Dispersiot Emulsiot Vaahdot Komposiitit Kysymyksiä: 1. Mitkä kolloidit muodostavat termodynaamisesti stabiileja dispersioita? 2. Miten termodynaamisesti epästabiilit dispersiot, kuten maalit, margariinit ovat mahdollisia? 20
Miten kolloidit ja nanopartikkelit muodostuvat? Kondensaatio Dispersio/hajotus Polymerisaatio Spontaani järjestäytyminen Melkein kaikki materiaalit Polymeerit/makromolekyylit Pinta-aktiiviset aineet Kondensaatio Hajotus 21
Hajoitus Esimerkki: Puu -> sellu -> nanosellu 30 µm 200 nm kolloidi nanopartikkeli 22
Nimeämissääntöjä jatkuva faasi (liuoitin) Dispergoitunut faasi monodispersiivinen polydispersiivinen 23
Esimerkkejä kolloideista Pohtikaa ryhmässä Dispergoitunut faasi kiinteä neste kiinteä kaasu neste kiinteä neste tai kaasu Jatkuva faasi Nimi Esimerkki kaasu kaasu neste neste neste kiinteä kiinteä 24
Pinta /rajapinta Noin 5-10 molekyylikerrosta määräävät rajapintaominasuudet. Ajatusleikki: Jos tennispalloa suurentaisi maaapallon kokoiseksi ja molekyylit suurennettaisiin saman verran, pintakerros olisi 10 cm paksu. 25
Miksi pintakerros on niin ohut? Kahden molekyylin välinen vuorovaikutusenergia: U =- A r 6+ B r 12 U/kT 0.8 0.6 r r o U = energia r = etäisyys Energia pienenee nopeasti etäisyyden funktiona. 0.4 0.2 0-0.2-0.4-0.6-0.8 r/r 0 0 1 2 3 4 A = 2.5 10-20, B = 1.5 10-20, T = 298 K 26
Voimia rajapinnalla Molekyylien väliset vuorovaikutukset Kaasu Isotroopinen / homogeeninen rajapinta Anisotrooppinen/ heterogeeninen Neste Isotrooppinen Vaikutukset: pintajännitys, vesipisarat, kapilaarivoimat 27
Tyypillisiä käytännön haasteita kolloidikemiassa Miten valmistetaan stabiili dispersio, emulsio tai vaahto? Miten ph, T, suolakonsentraatio tai leikkausvoimat vaikuttavat dispersion (emulsion, vaahdon) stabiiliuteen? Miten kolloidi flokataan? Mikä on flokatun kolloidin rakenne? Pickering emulsion Huokoinen Järjestäytynyt Tiivis Mikä on dispersion ja liuoksen ero? Mitä tarkoittaa flokkaus?
Kolloidikemian käsitteitä Suspensio: kiinteät partikkelit nesteessä Kolloidaalinen suspensio: partikkelit kolloidaalisessa kokoluokassa (nm-µm) Dispersio: partikkelit ja väliaine voi olla kiinteä, neste tai kaasu Kolloidi/kolloidaalinen dispersio: dispersio, mutta partikkelit ovat kolloidaalista kokoluokkaa Kaksi faasia: jatkuva ja dispergoitunut faasi Liuos: esim NaCl + vesi: yksi faasi
Flokkuointi dispersio flokkulointi sedimentaatio Flokkulointi: reversiibeli aggregoituminen Koagulointi: irreversiibeli aggregoituminen 30
Pintakemian käytännön haasteet Miten puhdistaa pintaa? Miten pitää pintaa puhtaana? Miten kontrolloit miten neste kostuttaa pintaa? Miten saada pinnat tarttumaan toisiinsa? Miten nesteet tunkeutuvat huokoisiin?
Kolloidien stabilisuus Flokkulointi/koagulointi Mikä vaikuttaa flokkulointiin: Kuinka usein partikkelit törmäävät: - Partikkelikoko - Partikkelimuoto - Sekoitus - Sedimentaatio Törmäystehoon vaikuttaa: - Partikkeleiden välinen vuorovaikutus - Tämän vuorovaikutuksen riippuvuus etäisyydestä
Voimia kolloidaalisissa dispersioissa pintavoimia diffuusivoima(brownian motion) kitkavoima Hydrodynaamisia voimia Esim. sekoitus
Brownian motion (Brownin liike) Partikkelit liikkuvat koko ajan kolloidaalisessa dispersiossa. Tämä liike on nopea ja täysin satunnainen. Dx Dx
Miksi kannattaisi tutkia pintakemiaa? Uudet funktionaaliset (kestävät) materiaalit Nanosellu Pintakemia on tärkeä nanoteknologiassa Paljon avoimia kysymyksiä Nanolitografiaa käyttäen lohkopolymeerejä ja kontrolloimalla niiden itsejärjestäytymistä liuotinvaihdolla ACS Nano, 2014, 8 (10), pp 10009 35
Muista ainakin tämä 1. Miksi pintakemia tärkeä a) Pinta-alan riippuvuus partikkelikoosta b) Missä pintakemia tärkeä? 2. Kolloidien luokitus Kotitehtävä MyCourses:ssa: Vastaa ennen 26.2.2016 Keskiviikkona: Pintajännitys 36
Projektityö Teollinen prosessi jossa pintakemia tärkeä Kirjallinen/suullinen ryhmätyö (3-4 hengen ryhmät) Posteri Oppimistavoitteet: Opiskelija ymmärtää miten monessa tavallisessa prosessissa pintakemialla on merkitys. Opiskelija osaa työskennellä tehokkaasti ryhmässä. Opiskelija osaa esittää tuloksia visuaalisesti selkeästi sekä pystyy keskustelemaan niistä vakuuttavasti. Evaluointikriteerit Ymmärrys pintakemian merkityksestä kyseisessä prosessissa (posterin sisältö osoittaa ymmärrystä/pohdintaa) Osallistuminen ja toiminta ryhmän työskentelyssä (vertaisarviointi) Muista ilmoittaa ryhmäsi ja päättää aihe! Tulosten esittäminen (posterin selkeys, tärkeimpien johtopäätösten esille tuominen esittelyssä, kyky keskustella aiheesta ja vastata kysymyksiin) 37