Исследование образцов двухфазных и нанопористых стекол методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Исследование образцов двухфазных и нанопористых стекол методом конфокальной лазерной сканирующей микроскопии

И.В. Кухтевич

Получены изображения двухфазных и нанопористых стекол методом конфокальной сканирующей лазерной микроскопии. Изображения свидетельствуют о наличии неоднородной структуры с разными оптическими свойствами. Проведен анализ полученных данных при помощи специальных программных средств. Обсуждаются процессы, происходящие в стеклах при термической обработке.

микроскопия стекло конфокальный оптический

Введение

Перспективность применения нанопористых стекол (НПС) в качестве функциональных элементов микрофлюидных устройств в аналитическом приборостроении [1] и в качестве базовых матриц при синтезе нанокомпозитных материалов [2, 3], вызывает необходимость оптимизации их состава и параметров структуры порового пространства.

В работе исследовались двухфазные стекла (ДФС) на основе стекла 8/70 (состав (мол. %) 7.6 Na2O, 20.4 B2O3, 71.9 SiO2, 0.1 Al2O3), модифицированного путем добавки P2O5 и фторид-ионов, прошедшие тепловую обработку при 550 0С в течение разного времени [4], и изготовленные из них путем последовательного кислотного и щелочного травления НПС (далее будем называть их макропористыми (МАП) стеклами, т.к. это соответствует классификации Жданова [5, стр. 222 - 227], согласно которой макропористыми являются стекла с диаметром пор 10-100 нм).

Для получения информации о характеристиках ДФС и МАП стекол, способствующей созданию стекол с требуемой структурой, применен метод конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (КЛСМ). Этот метод является неразрушающим методом измерений, что дает возможность проводить многократные исследования на одних и тех же образцах МАП стекол, а так же изучать пространственную структуру оптически прозрачных образцов (структуру в приповерхностном объеме) [6, стр. 211-218]. Однако разрешение метода КЛСМ не превышает 0,2 мкм, что не позволяет непосредственно исследовать тонкую структуру стекол, но обеспечивает получение данных об отражении и рассеянии света от структурных неоднородностей [7]. В работе показано, что подобный подход с применением специальных программных средств может быть использован для характеризации структуры образцов и изучения процессов, происходящих в стеклах при термической обработке.

Экспериментальные исследования: получение КСЛМ изображений

На микроскопе Leica TCS SL (Leica, Germany) при длине волны сканирования 488 нм были получены изображения приповерхностного слоя образцов ДФС (рис. 1) и МАП стекол (рис. 2) [8] c разным временем термообработки.

Рис. 1. КЛСМ изображения ДФС с разным временем термообработки при 550 0C (разрешение 512х512 пикселей, размер 15х15 мкм).

Рис. 2. КЛСМ изображения МАП стекол с разным временем термообработки исходных ДФС при 550 0C (разрешение 512х512 пикселей, размер 15х15 мкм).

Из изображений, представленных на рис. 1, следует, что проявление изменений, связанных с рассеиванием и отражением света на структурных неоднородностях, существенно для образцов с длительным временем термообработки, начиная от 198 часов. Этих данных недостаточно для представления об изменениях в структуре образца, поэтому в рамках данного доклада мы не будем рассматривать обработку этих изображений.

При сравнении КЛСМ изображений МАП стекол (рис. 2) с разным временем термической обработки, можно заметить, что увеличение времени термообработки приводит к изменениям в светорассеянии и отражении образцов [8]. Изображения МАП стекол претерпевают изменения от нечетких, размытых изображений до изображений с ярко выраженной пространственно-объемной зернистой структурой. Это свидетельствует о том, что в процессе термообработки происходит образование структурных неоднородностей, размеры которых зависят от длительности температурного воздействия.

Построение гистограмм КСЛМ изображений

Чтобы охарактеризовать полученные изображения МАП стекол (рис. 2), разработаны специализированные программы в среде MatLab, с помощью которых были построены гистограммы распределения пикселей на изображениях по оттенкам серого. Первоначально была проведена фильтрация изображений методом свертки [6, стр. 134-143.] с целью удаления случайных шумов и устранения резких пиков (выбросов) на получаемых гистограммах. В данном случае применялось ядро свертки вида [0 1 0; 1 0 1; 0 1 0]. Затем были построены гистограммы отфильтрованных изображений и произведена их отцентровка по максимумам, т.е. градация серого, обладающая самой большой интенсивностью (числом пикселей), устанавливалась в нуль по оси Х (производилось смещение всей гистограммы на разность между нулевой градацией и градацией с максимальной интенсивностью). Эти процедуры позволили избавиться от случайных шумов и отобразить гистограммы при одних и тех же условия для их корректного сравнения. Полученные результаты представлены на рис. 3.

Рис. 3. Гистограммы КЛСМ изображений МАП стекол для разных времен термообработки исходных ДФС при 550 0С. У всех гистограмм максимум находится в нуле по оси Х (ось в условных единицах, т.к. было произведено смещение гистограммы по градациям серого). По оси Y откладывается интенсивность (количество пикселей).

Отметим, что небольшие пики интенсивности, расположенные справа от максимума (в интервале от 60 до 100 по оси Х) на гистограммах изображений МАП стекол со временем термообработки 198 часов и 344 часа, свидетельствуют о наличии областей засветки, которые, вероятно, были образованы из-за сильного светорассеяния образцов. Из приведенных данных также следует, что форма гистограмм изображений меняется при увеличении времени термообработки образца. При длительном времени термообработки (198 часов, 344 часа) наблюдается не только значительное уширение гистограмм, но и явная асимметрия их формы.

Зависимость интенсивности максимума гистограмм от времени термообработки

При анализе гистограмм отфильтрованных КЛСМ изображений МАП стекол было обнаружено, что с изменением времени термообработки значимо изменяется интенсивность их максимума. На рис. 4 приведена зависимость максимумов интенсивности гистограмм от времени термообработки образцов [8], на которой наблюдаются: максимум в интервале 10-25 часов термообработки, в области 65 часов - минимум, затем в районе 90 часов термообработки - еще одни максимум, а со 198 часов термообработки наблюдается плавный переход на постоянный уровень.

Рис. 4. Зависимость максимумов гистограмм КЛСМ изображений МАП стекол от времени термообработки. По оси Х откладывается время в часах, по оси Y откладывается интенсивность (количество пикселей).

Можно предположить, что максимумы и минимумы на этой зависимости свидетельствуют о трансформациях в структуре, происходящих при термической обработке стекла [4]. Так, по-видимому, в районе 65 часов термообработки исходного ДФС наблюдается переход между двумя процессами: процессом фазового разделения (образование зародышей новой фазы, формирование двухкаркасной структуры) и процессом переконденсации, т.е. укрупнением фаз, что также согласуется с результатами дилатометрических исследований [9].

Обсуждение и выводы

Проведенный анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы и предположения:

Обнаружены изменения КЛСМ изображений, связанные с рассеиванием и отражением света на структурных неоднородностях: а) в образцах ДФС (рис. 1) с длительностью термообработки (свыше 198 часов при 550 0С) и б) в образцах МАП стекол (рис. 2).

Прослеживается зависимость изменения формы гистограмм изображений МАП стекол (рис. 3) от времени термообработки исходных ДФС, что позволяет предположить возможность использования КЛСМ изображений для анализа структурных неоднородностей МАП стекол.

При термообработке ДФС в течение 65 часов, вероятно, наблюдается переход между процессами: фазового разделения и укрупнения фаз, о чем свидетельствует локальный минимум на зависимости максимумов гистограмм изображений (рис. 4). Это заключение согласуется с данными, полученными с помощью методов просвечивающей электронной микроскопии и оптической спектроскопии [4], а также методом дилатометрии [9].

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 08-08-00733а), Отделения химии и наук о материалах РАН (проект ПФИ ОХНМ-02 РАН) и Комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга.

Авторы благодарят научного сотрудника лаборатории физической химии стекла Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН И.Н. Анфимову за изготовление образцов стекол.

Литература

S. Yao, J.G. Santiago. Porous glass electroosmotic pumps: theory // J. Colloid and Interface Science. 2003. V. 268. N 2. P. 133 - 142. // A.A. Evstrapov, N.A. Esikova, G.E. Rudnitskaja, T.V. Antropova. Application of porous glasses in microfluidic devices // Optica Applicata. 2008. V. 38. N 1. P. 31 - 38.

Мешковский И. К. Композиционные оптические материалы на основе пористых матриц. СПб: Изд. СПбГУ ИТМО (ТУ). 1998. 332 с.

Мазурин О.В., Роскова Г.П., Аверьянов В.И., Антропова Т.В. Двухфазные стекла: структура, свойства, применение. - Л.: Наука, 1991. 276 с.

Кларк Эшли Р., Эберхардт Колин Н. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Издательство Техносфера. 2007. 376 с.

Евстрапов A.А., Есикова Н.А., Клоков М. В., Кухтевич И.В., Антропова Т.В. Исследование пористых стекол методами конфокальной лазерной сканирующей микроскопии и оптической микроскопии ближнего поля // Научное приборостроение. 2009. Т. 19. № 2. С. 52-65.

Кухтевич И.В., Евстрапов А.А. Статистический анализ структуры нанопористых стекол по изображениям, полученным методом конфокальной сканирующей лазерной микроскопии // Научно-технический вестник Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики. 2010. № 5. (в печати).

Столяр С.В., Анфимова И.Н. Исследование фазового разделения в натриевоборосиликатном стекле с добавками фосфора и фтора методом дилатометрии // Физика и химия стекла. 2010. (в печати).

Размещено на Allbest.ru