Мысли Химика

Параллельно нашему медицинскому направлению, отстаиваем наши компетенции по части адсорбции на крупнейшем в стране нефтехимическом комбинате, с которым работаем больше 20 лет.
Но и про МГС тоже не забываем.

Добрый день. С Вами Химик!
Как и обещал, сегодня расскажу об измерении удельной поверхности каолина.
При разработке новых материалов большое значение имеет изучение их поверхности. Удельная поверхность характеризует, какая площадь поверхности приходится на один грамм материала. Для порошков, таких как каолин, этот показатель отражает степень дисперсности и количество доступных активных участков поверхности. Чем выше удельная поверхность, тем больше возможностей для взаимодействия материала с окружающей средой и компонентами различных композиций. Значение удельной поверхности позволяет оценить степень дисперсности материала, количество доступных активных участков и сравнить различные образцы между собой. Эти данные используются при выборе каолина с наиболее подходящими характеристиками и при разработке изделий на его основе, и при контроле качества сырья, обеспечивая воспроизводимость свойств разработанных композиций.
В нашей лабе мы используем анализатор SORBI-M, предназначенный для определения удельной поверхности порошкообразных и пористых материалов методом БЭТ (Брунауэра–Эммета–Теллера). Этот метод основан на измерении количества молекул газа, которые адсорбируются на поверхности исследуемого образца. Надо сказать, что это прибор отечественный и это крайне приятно осознавать (он на картинке к посту).
Перед началом анализа образец каолина помещают в измерительную ячейку и подвергают дегазации. Этот этап необходим для удаления с поверхности влаги, воздуха и других веществ, которые могли адсорбироваться во время хранения. Если их не удалить, они будут занимать активные участки поверхности и приведут к искажению результатов.
После подготовки образец охлаждают в сосуде с жидким азотом до температуры около 77 К (-196 °C). Именно при этой температуре азот переходит в условия, при которых его молекулы стабильно адсорбируются на поверхности твердого материала, образуя сначала монослой, а затем последующие слои. Чем больше площадь поверхности образца, тем больше молекул азота может на ней удержаться.
В приборе SORBI-M используется динамический метод газовой адсорбции. Через измерительную ячейку пропускают газовую смесь, содержащую азот и гелий. При прохождении через охлажденный образец часть молекул азота адсорбируется на поверхности частиц, тогда как гелий практически не взаимодействует с материалом и проходит через систему без задержки. Изменение состава газовой смеси регистрируется детектором, а программное обеспечение рассчитывает количество адсорбированного азота.
Особую роль в измерениях играет гелий. Благодаря своим физическим свойствам он практически не адсорбируется на большинстве твердых поверхностей при температуре жидкого азота. Поэтому гелий используют как газ-носитель и для определения свободного объема измерительной системы. Это позволяет точно определить, какая часть азота была действительно поглощена поверхностью образца, а какая просто находилась в свободном объеме измерительной ячейки.
На основании количества адсорбированного азота строится адсорбционная зависимость, после чего по уравнению БЭТ вычисляется площадь поверхности, приходящаяся на единицу массы материала. Именно этот показатель называют удельной поверхностью и выражают в квадратных метрах на грамм (м²/г).
Вот такой важный и полезный метод. Помню, как на одном из мероприятий по такмеду один из разработчиков каолиновых гемостатиков утверждал, что это все муть и проверить каолин можно и без этого. Можно. Но, как я и писал ранее, это работа вслепую, наугад. Материал для таких ответственных задач надо не просто изучить всеми возможными способами, но и разложить его на атомы (что мы, кстати, сделали в прошлом посте). Все тесты, методики и оборудование, которое я так душно описываю не дают четкой картины по отдельности. Раз уж я так люблю слово композиция в рамках наших изделий, то и в рамках таких исследований нужна композиция – несколько проверенных, четких, воспроизводимых тестов, каждый из которых работает в очень узкой задаче, а все вместе они показывают картину целиком.
До новых встреч!
#ЛабаМыслиХимика

Добрый день! С Вами Химик.
Вчера я рассказывал, как СЭМ помогает увидеть микроструктуру каолина. Многие скажут: «А зачем вообще настолько детально изучать такой, вроде бы простой минерал?».
Ну, сам минерал не такой уж и простой. А понимать этот материал с точки зрения такого подробного изучения крайне необходимо, чтобы, во-первых, правильно проводить НИОКР, используя разные марки и структуры, а, во-вторых, чтобы объективно контролировать качество поступающего каолина на производство. Именно глубокое, фундаментальное знание структуры материала дает исследователю возможность точно прогнозировать результаты экспериментов и верным образом подходить к разработке таких важных медицинских изделий.
Вернемся к СЭМу. Работа СЭМ требует высокой инженерной точности. Исследование проводится в глубоком вакууме, чтобы молекулы воздуха не рассеивали электронный пучок. Электромагнитные линзы должны удерживать электроны с точностью до нанометров, а малейшие вибрации, колебания температуры или внешние магнитные поля способны повлиять на качество изображения. Именно поэтому современные электронные микроскопы представляют собой сложные научные комплексы, объединяющие вакуумную технику, высоковольтную электронику, сверхточную механику, магнитную оптику и мощное программное обеспечение.
Итак, если оснастить СЭМ системой энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS), он превращается в полноценный аналитический комплекс. Каждый химический элемент испускает рентгеновские кванты с уникальной энергией — своеобразный «атомный отпечаток». Анализируя этот спектр, можно определить, какие элементы входят в состав материала, оценить их содержание и даже построить карты их распределения по поверхности (что кране важно для гранулированных гемостатиков с широкой композицией как у «Быстроспас»).
Благодаря этой технологии можно не просто получать красивые изображения. СЭМ позволяет понять, как устроен материал, а EDS — из чего он состоит. Именно поэтому сегодня сканирующая электронная микроскопия является одним из основных инструментов материаловедения, нанотехнологий, биомедицины и разработки новых функциональных материалов. Таким образом, исследователь получает возможность определить элементный состав анализируемых частиц. Такой анализ подтверждает присутствие основных компонентов каолина — кремния (Si), алюминия (Al) и кислорода (O), а также позволяет выявить примеси железа, титана, кальция, калия и других элементов, которые могут влиять на цвет, чистоту, биосовместимость и функциональные свойства материала (а это очень важно).
Конкретно мы используем сканирующий электронный микроскоп Supra 40 с приставкой INCAx-act для энергодисперсионного микроанализа (он на фото сверху). А типичный результат анализа представлен на нижней картинке (здесь уже добавлен элементный состав материала). Зная элементный состав и исходный материал можно легко рассчитать (методом обратной реконструкции химической формулы) сколько и каких конкретно веществ (уже именно веществ, а не просто химических элементов) в вашем образце.
А завтра изучим как у каолина измерить удельную поверхность и зачем нам в лаборатории столько жидкого азота.

До новых встреч!🤙

#ЛабаМыслиХимика

Добрый день. С Вами опять Химик.
Сегодня опять изучаем каолин с помощью очень точного девайса.👍
Напомню, что не так давно к моему посту о глицериновой американской штуковине в нашем основном канале прилетело приличное количество комментариев. По результатам таких обсуждений даже кто-то отписался (жаль)🥲. Человек я не просто душный, но при этом еще очень любящий позицию аргументировать (я всегда ссылаюсь на конкретные инструменты измерения и подтвержденные явления из области физики, химии и медицины). Вкратце, оппонент стал писать некую странноватую информацию относительно каолина и его свойств, не подкрепляя свои доводы вменяемыми фактами. Самое главное заблуждение, как мне показалось, что он видел в каолине некую наночастицу, похожую на сферу или комок. Это не верно. Я уже писал ранее, что каолин имеет слоистую структуру. Проверить это не сложно если изучить микроструктуру каолина. И здесь нам поможет СЭМ. Не Дядя Сэм.😄
Для многих, на первый взгляд каолин — это обычный светлый минеральный порошок. Однако при увеличении в десятки тысяч раз с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) становится очевидно, что каждая частица представляет собой сложную систему тонких пластинчатых кристаллов, формирующих развитую поверхность с многочисленными микронеровностями.👆
Но что же такое особенное делает СЭМ?
Представьте прибор, способный различить детали размером всего в несколько нанометров. Это меньше толщины человеческого волоса примерно в 10 000–20 000 раз. Именно так работает СЭМ — один из самых сложных и информативных аналитических инструментов современной науки.
В отличие от обычного микроскопа, СЭМ не использует свет. Вместо него источником информации служит тончайший пучок электронов. Электроны разгоняются в электронной пушке до высоких энергий, проходят через систему электромагнитных линз, которые фокусируют их в пучок диаметром всего несколько нанометров, и затем последовательно «сканируют» поверхность образца.
Когда электроны сталкиваются с атомами материала, возникает целый ряд физических процессов. Поверхность начинает испускать вторичные и обратнорассеянные электроны, а также характеристическое рентгеновское излучение. Специальные высокочувствительные детекторы регистрируют эти сигналы, а компьютер преобразует их в детализированное изображение, на котором можно рассмотреть мельчайшие особенности поверхности. Вот так. Сложно, точно и увлекательно. Сам внешний вид частицы каолина на левой картинке. А для сравнения на правой можете посмотреть, как выглядит совсем другое вещество (гидроксид алюминия), которое мы используем как сырьевой компонент для другого нашего направления (катализаторы нефтепереработки) – здесь частица похожа на сферу.
СЭМ весьма сложный и непростой девайс. Мы его имеем не в своей лабе (в отличии от всего, что я писал ранее) и арендуем его в центре коллективного пользования местного университета.
Примерно так. В следующий раз поговорим о том, что будет если СЭМ оснастить энергодисперсионной рентгеновской приставкой и на сколько возрастут его возможности как исследовательского комплекса.
До новых встреч! 🤙
#ЛабаМыслиХимика

Добрый день. С Вами Химик.
Вчера я рассказывал о случайном визите на фабрику бэттерсайзеров. Давайте познакомимся поближе с этим прибором.
Принцип работы лазерного анализатора размеров частиц BetterSizer S при анализе каолина.

BetterSizer S определяет гранулометрический состав каолина методом лазерной дифракции, который основан на зависимости углового распределения интенсивности рассеянного излучения от линейных размеров частиц.

Перед началом анализа образец диспергируют в жидкой среде с использованием встроенного блока циркуляции и ультразвуковой обработки. Цель пробоподготовки — разрушение мягких агломератов и получение устойчивой дисперсии, в которой каждая частица рассеивает лазерное излучение независимо. Корректная диспергация особенно важна для каолина, поскольку пластинчатая морфология частиц и межчастичные взаимодействия способствуют образованию агрегатов, способных существенно исказить результаты измерений.

Во время анализа суспензия непрерывно циркулирует через измерительную кювету, пересекаемую лазерным пучком. При взаимодействии лазерного излучения с частицами происходит рассеяние света. Крупные частицы формируют интенсивное рассеяние преимущественно в области малых углов, тогда как уменьшение размера частиц сопровождается увеличением угла рассеяния и изменением распределения интенсивности дифрагированного света.

Система фотодетекторов регистрирует пространственное распределение интенсивности рассеянного излучения практически во всем диапазоне углов. Полученный сигнал представляет собой суперпозицию вкладов всех частиц, присутствующих в измерительном объеме.

Для восстановления распределения частиц по размерам программное обеспечение решает обратную задачу светорассеяния. В зависимости от введенных пользователем оптических параметров материала используются теория Ми или приближение Фраунгофера. Для анализа каолина предпочтительно применение теории Ми, поскольку она учитывает комплексный показатель преломления частиц и дисперсионной среды, а также процессы дифракции, преломления и внутреннего отражения света. Это особенно важно при анализе тонкодисперсных частиц размером менее нескольких десятков микрометров.

Результатом измерения является объемное распределение частиц по размерам, из которого рассчитываются стандартные гранулометрические характеристики: D10, D50, D90, средний объемный диаметр (D[4,3]), удельная площадь поверхности (расчетная), а также коэффициенты ширины распределения (Span) и другие статистические параметры.

Следует учитывать, что метод лазерной дифракции определяет эквивалентный сферический диаметр частиц. Для каолина, имеющего пластинчатую морфологию, полученные значения характеризуют не геометрические размеры отдельных кристаллов, а диаметр сферической частицы, обладающей аналогичными оптическими характеристиками рассеяния. Поэтому интерпретацию результатов рекомендуется проводить с учетом морфологии материала и условий пробоподготовки.
Пример результата, который выдает прибор на правой картинке.
#ЛабаМыслиХимика