Nano-Science Center KØBENHAVNS UNIVERSITET Cadmiumsulfid kvanteprikker groet i mikroemulsioner
Indhold Kvanteprikker...2 Bioteknologiske perspektiver med kvanteprikker...2 Kvanteprikker til diagnosticering i levende organismer... 3 Kvanteprikker som biosensorer... 3 Kvanteprikker og individuel medicin... 3 CdS i små og store klumper...4 Atomorbitaler... 4 Molekyleorbitaler... 6 Båndgab, lys og farve... 7 Fældning af CdS...9 Mikroemulsion... 10 Emulgatorer...10 Miceller og emulsioner...11 Fremstilling af CdS kvanteprikkerne... 13 Fældning af storkrystallinsk CdS...13 Fældning af store krystaller...13 Indstilling af basislinie på spektrofotometer...13 Fremstilling af storkrystallinsk CdS til UV VIS måling...14 UV VIS spektrum af storkrystallinsk CdS...14 Fældning af CdS nanoprikker...15 Indstilling af basislinie på spektrofotometer...15 Fremstilling af CdS nanoprikker til UV VIS måling...16 UV VIS spektrum af CdS nanoprikker...17 Efterbehandling... 18 Beregning af energier ud fra bølgelængder...18 Beregning af CdS kvanteprikkernes størrelse...18 Forudsætninger...20 Ekstra spørgsmål...20 Materialer og opløsninger... 21 1
Kvanteprikker Kvanteprikker tager sit udgangspunkt i tværvidenskabelig, nanoteknologisk forskning. Øvelsen er udviklet af Marc Cedinius (Ungdomslaboratoriet, Kemi) i samarbejde med Nano-Science Center på Københavns Universitet. Materialet er særlig målrettet undervisningen i bioteknologi A og kemi, sekundært fysik på de gymnasiale uddannelser Nanoskalaen er skalaen for biologisk funktion dvs. den samme længdeskala som enzymer, DNA og andre biologiske makromolekyler og cellulære komponenter. Kvanteprikker er et af de mange nanoteknologiske værktøjer, som vi kan bruge til at studere nogle af de biologiske fænomener med. Kvanteprikker eller "quantum dots" på engelsk er i sig selv et rigtigt nano-fænomen. Det er fluorescerende (selvlysende) nanokrystaller. Når vi sætter visse atomer sammen i et krystalgitter med et omfang af nano-dimensioner, skaber vi en tilstand i "prikken", som minder meget om et enkelt atom, derfor får "prikkerne" ofte tilnavnet "kunstige atomer". Kvanteprikkerne fluorescerer (lyser) med en helt bestemt bølgelængde (farve) alt efter deres størrelse. Vi kan fremstille kvanteprikker, så de absorberer og udsender lys ved lige præcis den bølgelængde, vi ønsker. Perspektiverne med kvanteprikker er mange. Her vil fokus særlig være på perspektiverne i bioteknologien. I øvelsen fremstiller vi kvanteprikker af krystaller af cadmiumsufid i 3-8 nm størrelse ved at gro dem i mikroemulsioner. Krystallerne er ikke større end ca. 100 atomer for de mindste af slagsen. Vi undersøger deres bølgelængde vha. UV-VIS spektroskopi. Herudfra kan vi bestemme kvanteprikkernes størrelse. Bioteknologiske perspektiver med kvanteprikker Det er de nanoteknologiske metoder, som er udviklet inden for de seneste 20 år, der har gjort det muligt at producere kvanteprikker, så de udsender og absorberer lys ved lige præcis den bølgelængde, forskerne ønsker. Forskerne taler om tre forskellige slags kvanteprikker kolloide, selvsamlende og litografisk kvanteprikker. Det er fremstillingsmåden, der bestemmer, hvilken type kvanteprik, der er tale om. Selvsamlende kvanteprikker fremstiller forskerne ved at gro krystaller fra et halvledermateriale på en tynd film af et andet halvledermateriale. Litografisk fremstillede kvanteprikker bliver fremstillet med nanolitografiske metoder. Litografi er oprindelig en grafisk teknik, hvor man ridser et mønster på en sten eller en plade, så man kan overføre mønsteret til et andet materiale fx papir. I den nanoteknologiske version af litograf laver forskerne et mønster på en siliciumskive, hvor de skiftevis ætser og skærer materiale væk, indtil de har opnået den struktur, de ønsker. Det er mønsteret på silciumskiven, der er målet. Det bliver ikke overført til andre materialer, som i den klassiske litografi. Kolloide kvanteprikker fremstiller forskerne kemisk, og det er denne type kvanteprikker denne øvelse handler om. Vores muligheder for at diagnosticere og helbrede sygdomme afhænger af, at vi på sigt forstår alle proteiners rolle og deres indbyrdes interaktioner i en given organisme. Forskerne kan i dag følge proteiner i levende celler ved brug af forskellige organiske farvestoffer eller fluorescerende molekyler, som de binder til det protein, de ønsker. Det har givet et stort indblik i dynamikken i celler, hvordan signaloverførsel foregår i enkelte celler og hvordan fx nerveceller kommunikerer med hinanden. For at følge processer i levende celler kræver det ofte, at de molekyler, vi bruger til at se proteinerne med, er stabile i lang tid. Her har forskerne med kvanteprikkerne fået en hel ny værktøjskasse. Kvanteprikkerne er meget stabile og de lyser kraftigt. Man kan ved at ændre deres størrelse, ændre på farven af det lys, de 2
udsender. Og der skal ret få kvanteprikker til for at få et signal. Det betyder, at forskerne får mulighed for at se proteiner, der kun er tilstede i små mængder i cellerne. Samtidig påvirker mange sygdomme flere forskellige gener og proteiner på en gang og kvanteprikker kan med deres unikke optiske egenskaber give forskerne mulighed for at se flere forskellige proteiner og gener samtidig. Kvanteprikker til diagnosticering i levende organismer Det er håbet, at kolloide kvanteprikker fremover vil kunne hjælpe lægerne med at finde, hvor i kroppen en kræftsvulst befinder sig, og hvor stor den er. På overfladen af kvanteprikkerne binder man proteiner, der genkender og binder til kræftsvulster. Man sprøjter kvanteprikker dækket med proteiner ind i patienten, og de transporteres rundt i kroppen, indtil de møder en kræftsvulst. Her sætter proteinet og dermed også kvanteprikkerne sig fast. Hvis man lyser på patienten, kan man se, hvor i kroppen og hvor stor kræftknuden er. Figur 0. Mus med prostatakræft (til højre), som har fået injiceret kvanteprikker, der har bundet prostatakræft specifikke proteiner på overfladen. Proteinerne genkender og binder sig til prostatakræft celler. Musen bliver placeret under UV-lys og kvanteprikkerne lyser op (foto fra X. H. Gao et al. Nat. Biotechnol. 22, 969 (2004)) Kvanteprikker som biosensorer Biosensorer kan registrere biomolekyler i komplekse blandinger som fx blod. De kan måle tilstedeværelse af bakterier, vira, forskellige typer kemikalier og proteiner i meget små mængder. Som biosensorer har kvanteprikker også potentiale. Det skyldes deres stabilitet og muligheden for at måle på flere forskellige stoffer på en gang. Lægerne undersøger fx blod, urin og andre kropsvæsker, som en af flere måder at bestemme om en given patient har kræft. Men der mangler stadigvæk markører for de enkelt kræftformer, og de nuværende metoder er ikke særlig følsomme. Det vil fremme vores mulighed for at helbrede kræft, hvis vi endnu tidligere end nu kan opdage kræften. Effektiv kræft diagnosticering baseret på kropsvæsker vil sikkert kun være muligt, hvis vi samtidig kan detektere mange forskellige proteiner og gener. Her kan kvanteprikker være til god gavn fremover. Kvanteprikker er som tidligere nævnt meget følsomme, og man kan måle tilstedeværelsen af meget små mængder af protein. Derudover er det muligt at måle på mange forskellige proteiner på en gang. Kvanteprikker og individuel medicin Mange sygdomme det gælder også kræft kan være forskellige fra patient til patient. Derfor bliver det vigtigere og vigtigere at få muligheden for at personalisere medicin, så lægerne kan behandle hver patient unikt. Lægerne får fremover brug for at kunne identificere kræft ud fra, hvilke gener, der er udtrykt i patienten og dermed hvilke proteiner, der er tilstede i et højre niveau end i raske personer. Det kræver, at vi udvikler værktøjer, som er meget følsomme og kan måle mange forskellige proteiner og gener på en gang. Også her kan kvanteprikker være et bud. 3
N ANO- S CIENCE C ENTER K ØBENHAVNS U NIVERSITET CdS i små og store klumper Et af de spørgsmål som uundgåeligt dukker op, når man taler om kvanteprikker er: Hvorfor er der forskel på CdS i små og store klumper? For at kunne besvare dette spørgsmål må vi først se på, hvad der sker, når vi sætter atomer sammen i gitre eller molekyler. Atomorbitaler Vi har lært fra Bohrs atommodel at elektronerne svæver rundt om atomkernen i cirkelbaner, vi kalder for skaller. I disse skaller kan der være et maksimalt antal elektroner, som er givet ved formlen, hvor n er nummeret på skallen. Dette giver os et antal af elektroner som vist på figur.1. Bohrs atommodel n5 (50)... n4 (32) n3 (18) n2 (8) n1 (2) = Én elektron Figur.1. At elektronerne ikke bevæger sig i sådan nogle planetbaneagtige skaller har man vidst siden introduktionen af kvantemekanikken tilbage i 1920 erne. Hvordan, eller snarere i hvad bevæger elektronerne sig så i? Svaret er, at atomet jo er 3-dimensionelt og skallerne derfor er 3-dimensionelle figurer, hvor sandsynligheden for at finde elektronen inden for er stor. Forestil dig, at vi har en lille kugle og en papkasse. Vi kommer kuglen ind i kassen og ryster. Vi spørger så: Hvor er kuglen? Da vi ikke kan se, hvor i kassen kuglen præcist ligger, kan vores svar kun være, at kuglen med stor sandsynlighed ligger inde i den figur, som kassen udgør. Dette er lige præcis, det en orbital er: En figur, hvori det er ret sandsynligt vi kan finde en bestemt elektron. Orbitaler kan vi betegne som en slags underskaller, hvor hver underskal (orbital) kan indeholde 2 elektroner. De skaller vi kender fra Bohr modellen, kan nu deles op i orbitaler (underskaller) med 2 elektroner i hver. Der findes flere slags orbitaler og skal-nummeret siger noget om hvor mange slags orbitaler, der findes i den enkelte skal. I 1.skal er der en slags, i 2.skal er der 2 slags, i 3.skal er der 3 slags osv. Orbitaltypernes navne angives s, p, d, f, g Så i 1.skal skal er der kun s orbitaler. Dem betegner vi 4
N ANO- S CIENCE C ENTER K ØBENHAVNS U NIVERSITET 1s, hvor 1-tallet står for, at det er s-orbitalen i 1. skal. I 2. skal er der s-orbitalen og p-orbitaler. Dem betegner vi 2s og 2p for at indikere, at det er dem i 2. skal vi mener osv. n5 (50)... n4 (32) 4s( ) 4p( )( )( ) 4d( )( )( )( )( ) 4f( )( )( )( )( )( )( ) n3 (18) 3s( ) 3p( )( )( ) 3d( )( )( )( )( ) n2 (8) 2s( ) 2p( )( )( ) n1 (2) 2s( ) = Én elektron Figur.2. Da hver orbital kun kan indeholde 2 elektroner, må vi lave dubletter (flere) af nogle af orbitalerne for at opnå det rigtige antal elektroner i skallen. Tager vi 2. skal ved vi, at der i alt skal være 8 elektroner. Dem skal vi fordele på i alt 4 orbitaler. s-orbitaler har vi altid kun 1 af i hver skal. Det betyder, at vi bliver nødt til at have 3 stk. 2p for at komme op på de 8 elektroner skallen skal indeholde. Faktisk er det sådan, at p orbitaler altid kommer i sæt af 3 der hedder p x, p y og p z. Hvis man ser på figur.2 vil man opdage, at s-orbitaler kommer enkeltvis, p-orbitaler kommer i sæt af 3, d- orbitaler i sæt af 5 og f-orbitaler i sæt af 7. Faktisk er det sådan, at en ny orbital type altid vil indeholde 2 sæt orbitaler mere end den foregående. Derfor vil g-orbitaler komme i sæt af 7+2=9. Hvordan ser disse orbitaler så ud? Man har naturligvis aldrig set orbitalerne, men man kan ud fra kvantemekanikken komme frem til nogle matematiske formler, som giver nedenstående figurer (figur.3.) Figur.3. 5
N ANO- S CIENCE C ENTER K ØBENHAVNS U NIVERSITET Molekyleorbitaler Når vi i kemien opbygger stoffer, gør vi det ved at sætte atomerne tæt sammen. Så tæt at atomorbitalerne kan få kontakt med hinanden. Når 2 atomorbitaler rører ved hinanden, vil de smelte sammen til fælles orbitaler, til det vi kalder for molekyleorbitaler. Molekyleorbitaler må ligesom atom orbitaler kun indeholde 2 elektroner. Det betyder, at hvis vi sætter 2 atomorbitaler sammen, skal vi have 2 molekyleorbitaler ud af det. Figur.4. De 2 molekyleorbitaler vi får ud af atomorbitalerne vil ligge ved 2 nye energier. Den ene vil ligge ved en meget høj energi - den kalder vi den antibindende orbital (σ*) og den anden vil ligge ved en lavere energi - den kalder vi den bindende orbital(σ). Elektronerne vil altid lægge sig i den molekyleorbital, som har den laveste energi, hvilket vil sige den bindende orbital. Figur.5. Hvis vi sætter flere atomer (atomorbitaler) sammen får vi flere molekyleorbitaler, hvor antallet af molekyleorbitaler bliver lig med det antal atomorbitaler vi startede med (n atomorbitaler = n molekyleorbitaler). 6
N ANO- S CIENCE C ENTER K ØBENHAVNS U NIVERSITET Jo flere orbitaler vi sætter sammen, jo tættere vil energierne i de antibindende og bindende orbitaler komme til at ligge på hinanden. Sætter vi rigtigt mange atomer sammen vil man til sidst få sammensmeltede bånd af energier, både i det antibindende og bindende orbitalområde. På figur.5. ses hvordan udviklingen er når man sætter flere og flere atomer sammen. (a)=1 atom (b)=2 atomer (c)=4 atomer (d)=12 atomer (e)=mange atomer (uendeligt mange). Vi kan også se på figur.5., at jo flere atomer vi sætter sammen, jo mindre bliver mellemrummet mellem de bindende- og de antibindende orbitaler. Dette mellemrum er det vi kalder båndgabet. Det er i størrelsen af båndgabet, vi finder forskellen mellem CdS i små og store klumper. Båndgab, lys og farve Vi ved fra Bohrs atommodel, at når vi exciterer et atom med en foton, så flytter vi en elektron et antal skaller, som svarer til energien i fotonen (excitation). Når elektronen falder tilbage til grundtilstanden, udsendes en foton med en bølgelængde, som svarer til forskellen i energi mellem de skalniveauer, som elektronen flytter sig (emission). Excitation Emission Figur.6. På samme måde forholder det sig for molekyleorbitaler. Hvis vi ser på figur.5, kan vi se, at det eneste store energispring vi har imellem molekyleorbitalerne er det sted vi kalder båndgabet. Vi kan også se, at jo mindre molekylet bliver, jo større bliver båndgabet. Det betyder, at jo mindre molekylet er, jo større energi skal der til at ekscitere elektroner henover båndgabet. På figur.5, er der indtegnet pile med en farve for energien af det lys, der skal til for at excitere elektroner henover båndgabet. Vi kan se, at i de store klumper af et stof, hvor vi har mange atomer, er båndgabet relativt lille, og vi kan excitere elektronerne med blåt lys. Når vi så gør klumpen af stof mindre, vil båndgabet vokse, hvilket vil sige, at vi skal bruge mere energirigt lys, og derfor går vi fra blåt violet ultraviolet lys. Kan vi se på et stof hvilken bølgelængde lys det absorberer? Svaret er: ja, det kan vi inden for det lille energiområde, vi kalder det synlige lys. 7
Det er nemlig sådan, at når et stof absorberer en bestemt bølgelængde, så vil stoffet af os opfattes som om det har den komplementære farve af det lys, det absorberer. For at finde disse farver kan vi bruge en farvecirkel. Figur.7. Figur.7. På figur.7. kan vi se, at hvis stoffet absorberer blåt lys, så vil det for os være orange. Hvis stoffet absorberer violet lys, så vil det for os være gult. Det er vigtigt, at man holder sig i mente, at man ikke kan køre hele vejen rundt i cirklen. Når man kommer til overgangen mellem violet og rød, eller rød og violet, så vil man springe ud af cirklen. Med andre ord så er der ingen komplementær farve til infrarødt og ultraviolet. Stoffer som absorberer ved disse bølgelængder, vil derfor være farveløse. Figur.8. På figur.8, kan vi se farverne af en række kvanteprikker af netop CdS. Yderst til højre ses normalt fældet CdS. Her har vi de største krystaller og derfor det korteste båndgab. Da farven på opløsningen er orange, svarer det til et båndgab med en energi som i blåt lys. Når vi bevæger os mod venstre indeholder kolberne CdS-kvanteprikker af mindre og mindre størrelse (10-2 nm) og vi kan her se, at opløsningens farve går fra gul til farveløs. Dette svarer til, at vi har en båndgabenergi, der går fra energien i violet lys til energien i ultraviolet lys. Vi vil i forsøget fremstille kvanteprikker af CdS og sammenligne absorptionsspektrene med normalt udfældet CdS og prøve at bestemme kvanteprikkernes størrelse ud fra deres båndgabsenergi. 8
Fældning af CdS Når man hælder opløsninger af cadmiumchlorid og natriumsulfid sammen vil der ske en fældningsreaktion, hvorved vi får dannet cadmiumsulfid (figur.9.) CdCl 2 (aq) + Na 2S (aq) 2 NaCl (aq) + CdS (s) Figur.9. Når vi bare hælder opløsninger sammen i reagensglas, bliver den dannede CdS gulorange. Fra det foregående kapitel ved vi, at dette betyder, at vi har store krystaller af CdS og derfor et lille båndgab. De krystaller vi er på jagt efter, er i nanometerstørrelse ca. 5 nm i diameter. Vi kan prøve at beregne hvor mange, atomer det ca. svarer til. Cd 2+ ionen har en diameter på 190 10-12 m (picometer). S 2- ionen har en diameter på 368 10-12 m. Da CdS altid vil eksistere i hele antal formelenheder, så vil gennemsnitsdiameteren for et atom være: (190 10-12 m + 368 10-12 m)/2 = 279 10-12 m Diameteren af nanokrystallen er 5 10-9 m (nanometer), hvilket omregnet giver 5000 10-12 m (picometer). Antallet af atomer i nanokrystallens diameter vil da være: 5000 10-12 m / 279 10-12 m 18 atomer 9 formelenheder af CdS Hvis vi går ud fra, at nanokrystallen er en kugle, så kan antallet af atomer findes ved: V kugle = 4/3 π r 3 = 4/3 π 9 3 3054 atomer 1527 formelenheder af CdS. Denne beregning er en meget grov tilnærmelse, da afstanden mellem atomerne ikke helt vil være det samme som gennemsnittet af deres radier. Der vil også være en pakning af atomerne i det 3- dimensionelle rum, som gør, at de ligger lidt tættere end det, vi har beregnet på. En repræsentation af nanokrystallen er vist på figur.11. Figur.11. = Cd 2+ = S 2-9
N ANO- S CIENCE C ENTER K ØBENHAVNS U NIVERSITET Hvordan laver vi så nanokrystaller, hvis vi ikke kan få dem bare ved at hælde opløsninger af cadmiumchlorid og natriumsulfid sammen? Vi kunne lave en beregning på, hvor mange atomer der er i de 0,012 M opløsninger vi bruger i forsøget og dernæst regne ud, hvor mange ml af hver opsløsning vi skulle hælde sammen for at lave netop 1 nanokrystal med 3000 atomer. Hvis vi laver beregningen, vil vi finde, at vi skal bruge urimeligt lidt, og det vil tage en evighed at lave nok krystaller til at måle på. Svaret på dette problem er, at vi faktisk laver reaktioner på denne meget lille skala, vi laver bare mange af dem samtidigt ved hjælp af et trick. Tricket hedder mikroemulsion. Mikroemulsion Mikroemulsioner er blandinger af polære og upolære væsker, der ved hjælp af en emulgator holdes stabile. Klassisk set er der tale om blandinger af vand og olie, som holdes blandet af en emulgator, der kunne være sæbe. Emulgatorer Emulgatorer er molekyler, som har både en stærkt polær og en stærkt upolær ende. Typisk er den ene en lang carbonhydridkæde og den anden en ionforbindelse. Lecithin, som er emulgatoren vi finder i æggeblommer Natriumlaurylsulfat er sæben i de fleste shampooer Hexadecyltrimethylammoniumbromid (Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB)) som vi bruger i dette forsøg Figur.12. Som vi kan se på figur.12. har CTAB en lang uplolær hale og et hovede, som består af et salt og derfor er meget polært. CTAB vil derfor være i stand til at blande sig med poiære opløsningmidler i den ene ende og upolære i den anden. For rigtigt at forstå, hvordan emulgatoren virker, tager vi udgangspunkt i forsøget. 10
Miceller og emulsioner Først blander vi CTAB med heptan (vist som gul baggrundsfarve). I små koncentrationer vil CTAB molekyler flyde frit rund i heptanen (figur.13a). Men ved højere koncentration vil CTAB molekylerne gå sammen i kugleformede strukturer hvor de polære ender vender ind mod hinanden (figur.13.b). Disse kugleformede strukturer kalder vi for miceller. Den koncentration dette sker ved kalder vi den kritiske micellekoncentration (CMC). I forsøget har vi en koncentration af CTAB, som ligger et stykke over CMC. Figur.13a. Figur.13b. Når vi tilsætter vand (blå baggrundsfarve) til en opløsning af emulgator i heptan, hvor der er dannet miceller, vil vandmolekylerne finde vej til de polære centre af micellerne og blive der. På denne måde dannes nanometer små dråber, som kan flyde rundt i det polære heptan. Denne tilstand er stabil og kaldes en mikroemulsion. Der findes 2 typer af emulsioner Vand-i-olie (figur.14a), som er den, vi har laver i forsøget og som også kendes fra mayonnaise og Olie-i-vand (figur.14b), som er den, vi laver, når vi vasker fedt ud af vores hår med shampoo. Figur.14a. Figur.14b. 11
Micellernes størrelse er afhængig, af hvor meget heptan, vand og CTAB, der er i blandingen. Ydermere har vi tilsat en co-emulgator, som er pentan-1-ol som, også har indflydelse på micellestørrelsen. Vi laver reaktionen ved først at lave et glas med miceller, som indeholder Na 2S (aq), og et glas, som indeholder miceller med CdCl 2 (aq). Derefter blandes de 2 micelleopløsninger. Micellernes størrelse vil stort set være konstant under forsøget. Da fældningreaktionerne sker inde i micellerne, kan krystallerne, som dannes ikke bliver større end micellerne (figur.15.). På denne måde kan vi så fremstille de nanometerstore CdSkrystaller. Micelle med Na 2S (aq) Micelle med CdCl 2 (aq) Når micellerne kommer tæt på hinanden sker der en udveksling af ioner Fældningsreaktionen sker i micellerne Figur.15. 12
Fremstilling af CdS kvanteprikkerne Udstyr 1.stk. Magnetomrører 4.stk. Lave reagensglas 2.stk. små magneter 2 stk. 50 ml bægerglas (eller snapseglas) 1 stk. 100 ml bægerglas i høj form 1.stk. glascuvette 3 stk. 1 ml engangssprøjter 2 stk. 10 ml engangssprøjter Spektrofotometer Engangspipetter Kemikalier 10 ml 0,012 M Na 2S (aq) 10 ml 0,012 M CdCl 2 (aq) 10 ml 0,012 M NaCl (aq) 4 x 0,2 g CTAB 4 x 4 ml heptan 4 x 1 ml pentan-1-ol Ionbyttet vand Fældning af storkrystallinsk CdS Fældning af store krystaller 1. Opsug med en 1 ml engangssprøjte 1ml 0,012 M Na 2S (aq) og kom i et reagensglas. 2. Opsug med en anden 1 ml engangssprøjte 1ml 0,012 M CdCl 2 (aq) og kom i det samme reagensglas. Iagttag farven af det udfældede CdS (s) Indstilling af basislinie på spektrofotometer 1. Åben programmet Logger Pro 2. Fyld en cuvette med ionbyttet vand og placér den i spektrofotometeret. 3. Gå ind i menuen Experiment og vælg Calibrate' og 'Spectrometer: 1 4. Vent 60 sekunder på at lampen varmes op og klik herefter på 'Finish Calibration'. 5. Tryk OK. 13
Fremstilling af storkrystallinsk CdS til UV-VIS måling 1. Opsug med en 10 ml engangssprøjte 10 ml ionbyttet vand og kom i et reagensglas 2. Opsug med en 1 ml engangssprøjte, 0,2 ml 0,012 M Na 2S (aq) og kom i reagensglasset og rør godt rundt med en engangspipette. 3. Opsug med en anden 1 ml engangssprøjte, 0,2 ml 0,012 M CdCl 2 (aq) og kom i det samme reagensglas. Rør godt rundt med engangspipetten og sug så ca. 1 ml op af den nu gule blanding og overfør til en cuvette. 4. Sæt cuvetten i spektrofotometeret. UV-VIS spektrum af storkrystallinsk CdS 1. Tryk 'Collect'. 2. Vent cirka 20 sekunder. 3. Tryk herefter 'Stop'. 4. Markér det lineære stykke af kurven vha. musen. 5. Tryk på knappen "LinReg". 6. Aflæs bølgelængden (eller beregn ud fra ligningen for den rette linie) hvor linien skærer x-aksen nm. Bølgelængden svarer til båndgabenergien for den storkrystallinske form af CdS. 14
Fældning af CdS nanoprikker Indstilling af basislinie på spektrofotometer 1. Afvej 0,2 g CTAB i hvert sit reagensglas 2. Tilsæt en magnet og sæt reagensglassene i et bægerglas på magnetomrøreren 3. Opsug med en 10 ml engangssprøjte 8 ml heptan. Kom 4 ml i hvert reagensglas 4. Opsug med en 1 ml engangssprøjte 2x1 ml pentan-1-ol. Kom 1 ml i hvert reagensglas 5. Lad opløsningerne røre 2-3 minutters tid 6. Opsug med en 1 ml engangssprøjte, 2 x 0,2 ml 0,012 M NaCl (aq). Kom 0,2 ml i hvert reagensglas. Man vil se, at opløsningen bliver klar, fordi der nu dannes de vandfyldte miceller. 7. Bland indholdet af de 2 glas sammen i det ene reagensglas og lad opløsningen røre i 2-3 minutter 8. Overfør noget af opløsningen til en cuvette og placer den i spektrofotometeret 9. Gå ind i menuen Experiment og vælg Calibrate' og 'Spectrometer: 1 10. Vent 60 sekunder på at lampen varmes op og klik herefter på 'Finish Calibration'. Tryk OK. 15
Fremstilling af CdS nanoprikker til UV-VIS måling 1. Afvej 0,2 g CTAB i hvert sit reagensglas 2. Tilsæt en magnet og sæt reagensglassene i et bægerglas på magnetomrøreren 3. Opsug med en 10 ml engangssprøjte 8 ml heptan. Kom 4 ml i hvert reagensglas 4. Opsug med en 1 ml engangssprøjte 2x1 ml pentan-1-ol. Kom 1 ml i hvert reagensglas 5. Lad opløsningerne røre 2-3 minutters tid 6. Opsug med en 1 ml engangssprøjte, 0,2 ml 0,012 M Na 2S (aq) og kom i det ene reagensglas. Man vil se at opløsningen bliver klar da der nu dannes de vandfyldte miceller. 7. Opsug med en anden 1 ml engangssprøjte, 0,2 ml 0,012 M CdCl 2 (aq) og kom i det andet reagensglas 8. Bland indholdet af de 2 glas sammen i det ene reagensglas og lad opløsningen røre i 2-3 minutter 9. Overfør noget af den gule opløsning til en cuvette og placer den i spektrofotometeret 16
UV-VIS spektrum af CdS nanoprikker 1. Tryk 'Collect'. 2. Vent cirka 20 sekunder. 3. Tryk herefter 'Stop'. 4. Markér det lineære stykke af kurven vha. musen. 5. Tryk på knappen "LinReg". 6. Aflæs bølgelængden (eller beregn ud fra ligningen for den rette linie) hvor linien skærer x-aksen nm. Bølgelængden svarer til båndgabenergien for de CdS nanoprikker i har lavet. 17
Efterbehandling Beregning af energier ud fra bølgelængder Vi kan beregne energien af lys vha. = Plancks Konstant, 6.626 10-34 J s = den målte bølgelængde af lyset fra jeres forsøg = lysets hastighed, 2.998 10 8 m/s Beregn båndgabenergien af storkrystallinsk CdS = J Beregn båndgabenergien af CdS kvanteprikkerne = J Beregning af CdS kvanteprikkernes størrelse Vi kan beregne kvanteprikkernes størrelse ved hjælp af nedenstående formel: (1) Mange af symbolerne er konstanter vi kan slå op. og har vi bestem i vores forsøg = båndgabenergien af CdS kvanteprikkerne = båndgabenergien af storkrystallinsk CdS, 3.88 10-19 J h = Plancks Konstant, 6.626 10-34 J s r = Radius af kvanteprikken = Effektiv masse af en electron I ledningsbåndet i CdS, 1.73 10-31 kg = Effektiv masse af et hul I valensbåndet i, 7.29 10-31 kg e = Elemmentarladning, 1.602 10-19 C π = pi, 3.1416 ε = Den relative permittivitet i CdS, 5.7 ε o = permittiviteten af vacuum, 8.854 10-12 C 2 (N m) -1 18
Fordi vi ønsker at regne r ud med ligning (1), må vi isolere r i den. Først rykker vi alle leddene over på den ene side af lighedstegnet: (2) Så ganger vi igennem med (2) Vi reducerer udtrykket mht. (2) Det vi har nu er en 2. gradsliging af typen ax 2 +bx-c=0 Denne kan vi løse på lommeregneren Indsæt jeres værdier for og og beregn radius af jeres kvanteprik. Hvis jeres ligger langt fra tabelværdien, brug da tabelværdien. Kvanteprikkernes størrelse er: nm i diameter 19
Forslag undervisningen Forudsætninger Teorien bag dette forsøg gør, at øvelsen er mest egnet til elever med minimum B niveau i kemi, med et godt kendskab til fysik. Bohrs atommodel Atomorbitaler Molekyleorbitaler Ionforbindelser og iongitre Opløselighed og fældningsreaktioner Kovalente forbindelser Intermolekylærekrafter Excitation og emission Spektrofotometri Orbitalteorien er meget svær at komme udenom i nanoteknologien og vil måske være den største undervisningsmæssige udfordring. Jeg anbefaler, at man laver et ballon show, der illustrerer, hvordan orbitalerne ser ud. Ekstra spørgsmål Beregn antallet af atomer i den kvanteprik, som faktisk kom ud af forsøget. Diskuter, hvorfor CTAB er så uopløseligt i heptan eller vand alene, men går fint i opløsning, når der er tale om en blanding. 20
Materialer og opløsninger 0.012 M NaCl 0,035g NaCl opløses i en 50 ml målekolbe 0.012 M Na ss 0,144g Na 2S 9 H 2O opløses i en 50 ml målekolbe CA S: 1313-84-4 Sigma-Aldrich S2006 0.012 M CdCl 2 0,137g CdCl 2 2.5 H 2O opløses i en 50 ml målekolbe CAS: 7790-78-5 Sigma-Aldrich C3141 Hexadecyltrimethylammoniumbromid (Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB)) CAS: 57-09-0 Sigma-Aldrich H5882 Micro omrøremagneter Buch & Holm 137113 21