WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ INŻYNIERII

Transkrypt

1 WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ INŻYNIERII dr inż. Grzegorz Raniszewski p. 121 Laboratorium analizy mikroskopowej Laboratorium nanotechnologii Laboratorium napędów pojazdów lekkich 1

2 WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ INŻYNIERII dr inż. Grzegorz Raniszewski Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych p. 121 lub piwnica grzegorz.raniszewski@p.lodz.pl godziny przyjęć: pon wt

3 CZ. 1 Nanotechnologie Metody wytwarzania Prawa skalowania Właściwości Metody mikroskopowe w inżynierii nanomateriałów Zastosowania 3

4 CZ. 2 Co to jest CFD? Do czego służy CFD? Algorytm tworzenia siatki. Algorytm tworzenia symulacji. Przykłady zastosowań. Przykłady oprogramowania. Zaliczenie 4

5 CEL WYKŁADU Przedstawienie w przystępny sposób stanu wiedzy z dziedziny nanotechnologii, jako nauki interdyscyplinarnej.

6 LITERATURA Non-Standard Computation, Gramss,Bornholdt, Gross, Mitchell, Pellizzari, Willey- Vch Nano i kwantowe systemy informatyki, S. Węgrzyn, S.Bugajski, M. Gibas, R.Winiarczyk, L.Znamirowski, J.Miszczak, S.Nowak, Gliwice Systemy informatyki realizujące bezpośrednio procesy wytwarzania produktów, S.Nowak, Rozprawa Doktorska pod kier. Prof. Węgrzyna, IITIS PAN, Springer Handbook of Nanotechnology, B. Bhushan (Ed.), Springer MULTI-AGENT SYSTEM SIMULATION Investigation on Self-organization of Distributed Active Network with focus on service provision, Lam-Ling SHUM, University College London, Nanotechnology Assessment and Perspectives, Springer, Wykłady z algorytmów ewolucyjnych, J. Arabas, WNT, 2004.

7 LITERATURA Feynmana wykłady z fizyki t.1.2, PWN, Genomy, T.A.Brown, PWN, Warszawa Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials ISBN X. Fulereny i nanorurki. Przygodzki W,Włochowicz W. WNT-Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, s.480, ISBN:

8 LITERATURA Nanotechnologia, E.Regis, Prószyński i S-ka, Warszawa NANOTECHNOLOGIA STAN OBECNY I PERSPEKTYWY B. Dręczewski, A. Herman, P. Wroczyński, Gdańsk, Nanotechnologia - Innowacja dla świata przyszłości, wydawnictwo Komisji Europejskiej, Fulereny i nanorurki, Przygocki, A. Włochowicz Nanorurki węglowe A. Huczko Fulereny 20 lat później, A. Huczko, M. Bystrzejewski

9 HISTORIA Nasz świat materialny składa się z atomów. Stwierdził to już około 2400 lat temu grecki myśliciel Demokryt. Kropla deszczu zawiera ich aż , ponieważ atomy są maleńkie, mają rozmiary rzędu jednej dziesiątej nanometra, a nanometr to jedna milionowa milimetra.

10 HISTORIA Lukrecjusz, rzymski literat, kilka wieków później napisał wiersz o atomach: "Kosmos składa się z nieskończonej przestrzeni i nieskończonej liczby nierozkładalnych cząstek, atomów, których różnorodność form też jest nieskończona.... Atomy różnią się tylko kształtem, wielkością i ciężarem, są nieprzenikalnie twarde, niezmienne, są granicą fizycznej podzielności "

11 HISTORIA W siedemnastym wieku słynny astronom Johannes Kepler zastanawiał się nad płatkami śniegu, o których napisał w 1611 roku, że swoją regularną formę mogą zawdzięczać jedynie prostym, jednolitym cegiełkom. Pojęcie atomu odzyskało popularność.

12 HISTORIA Historia nanotechnologii sięga lat 50. Richard P. Feynman wygłosił wykład: There's Plenty Room at the Bottom Rozpoczynając od wyobrażenia sobie, co trzeba zrobić by zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannikę na łebku od szpilki, Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii mogącej operować na poziomie nanometrowym. Na koniec ustanowił dwie nagrody (zwane Nagrodami Feynmana) po tysiąc dolarów każda.

13 HISTORIA Za wykonanie silnika mieszczącego się w sześcianie o boku nie większym niż 1/64 cala. Wypłacenie pierwszej nagrody było dla Feynmana rozczarowaniem, ponieważ wyobrażał sobie, że osiągnięcie postawionych przez niego celów będzie wymagało dokonania się przełomu technologicznego. Nie docenił jednak możliwości współczesnej mikroelektroniki, bo nagroda została zdobyta przez 35-letniego inżyniera Williama H. McLellana już w roku Jego silnik ważył 250 mikrogramów i miał moc 1 mw.

14 HISTORIA The McLellan micromotor photographed under a microscope. The large blob on top is a pinhead. (Image: Caltech Archives) Silnik McLellana ważył 250 mikrogramów i składał się z 13 części. Prędkość rpm; moc 1 mw.

15 HISTORIA Za zmniejszenie strony z książki do rozmiaru w skali 1/ Strona taka mogłaby być przeczytana tylko mikroskopem elektronowym. W 1985 na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman odtworzył pierwszy akapit Opowieści o dwóch miastach Karola Dickensa w zadanej przez Feynmana skali, wykorzystując w tym celu wiązki elektronowe.

16 NAGRODY FEYNMANA OBECNIE Foresight Institute oferuje $250,000 za: 1. Zaprojektowanie, zbudowanie i zademonstrowanie ramienia robota, który mieściłby się w sześcianie o boku 100 nm. Musi być możliwość kontrolowania ramienia do manipulowania i łączenia pojedynczych atomów w większe struktury, z dokładnością na poziomie atomów.

17 NAGRODY FEYNMANA OBECNIE Foresight Institute oferuje $250,000 za: 2. Zaprojektowanie, zbudowanie i zademonstrowanie urządzenia liczącego, który zmieściłby się w sześcianie o boku 50 nm. Nanokomputer powinien potrafić dodawać dwie 8- bitowe liczby zapisane w systemie dwójkowym. Wynik może być przedstawiony w postaci wypukłości o skali nanometrycznej na płaskiej powierzchni.

18 HISTORIA Największe wydarzenia nanotechnologii: Wynalezienie mikroskopu skaningowego Wykonanie napisu IBM używając do tego celu 35 atomów; Odkrycie fulerenów; Odkrycie i badanie właściwości nanorurek

19 NANOTECHNOLOGIA JAKO DZIEDZINA INTERDYSCYPLINARNA Fizyka kwantowa Fizyka materiałowa Nanosystemy i urządzenia funkcjonalne Nanomateriały Informatyka Wytwarzanie Nanobiotechnologia Biologia molekularna Nanotechnologia dla chemii i ochrony środowiska Chemia

20 NANOTECHNOLOGIA JAKO DZIEDZINA INTERDYSCYPLINARNA Chemicy Fizycy R&D Biolodzy Informatycy Centrum Nanotechnologii

21 POMAGAMY WYOBRAŹNI (?) Jeślibyśmy powiększyli piłkę tenisową do rozmiarów Ziemi, to tworzące ją atomy miałyby wielkość winogron.

22 POMAGAMY WYOBRAŹNI (?) Gdyby powiększyć atomy tak, aby miały rozmiar główki od szpilki, atomy z których zbudowane jest jedno ziarenko piasku wypełniłyby sześcian o boku długości jednego kilometra. Jedna kropla wody zawiera około 10 tysięcy miliardów miliardów atomów wodoru i tlenu, tworzących 3333 miliardy miliardów cząsteczek wody (H2O).

23 TECHNOLOGIA (DEFINICJA OGÓLNA) Zestawienie przebiegu operacji (instrukcje, wykresy, rysunki), które należy wykonać, aby otrzymać określony produkt.

24 NANOTECHNOLOGIA (DEFINICJA OGÓLNA) Nanotechnologia to nazwa zbioru technik i sposobów tworzenia struktur o rozmiarach rzędu nanometrów (od 0,1 do 100 nanometrów).

25 NANOTECHNOLOGIA Otrzymywanie i kontrola pojedynczych obiektów o wymiarach rzędu nanometrów

26 NANOTECHNOLOGIA Nanotechnologia molekularna zakłada, że podstawową jednostką technologii jest sama cząsteczka. Dzisiejsza wiedza, oparta na badaniach podstawowych, jest wystarczająca do budowy przedmiotów z pojedynczych cząsteczek.

27 NANOTECHNOLOGIA Nanotechnologia obejmuje obecnie bardzo wiele dziedzin nauki. Można przyjąć, że wszystko co ma rozmiary mniejsze niż 100 nm może być określane terminem nanostruktury. precyzyjne procesy wytrawiania mikromaszyny różne technologie materiałowe MARKETING DZIAŁA!

28 WYTWARZANIE Z GÓRY DO DOŁU Podejście klasyczne: Wymaga dużych maszyn, kosztowne energetycznie i materiałowo, dużo odpadów. W nanotechnologiach są to tzw. technologie proszkowe, techniki litograficzne i wiele innych. Właściwie wszystkie realizowane obecnie.

29 WYTWARZANIE Z DOŁU DO GÓRY Podejście futurystyczne : Potrzeba niewielkich ilości energii, materiałów, bez odpadów, trudne w realizacji, trudne do opanowania Samoorganizacja, samoreplikacja W rzeczywistości stosowane od miliardów lat przez organizmy żywe. Występuje też w niektórych zjawiskach fizycznych (np. tworzenie kryształów)

30 NANORURKI I FULERENY Najważniejsze, najbardziej obiecujące struktury w nanotechnologii

31 FULERENY Fulereny - związki chemiczne składające się z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę lub elipsoidę.

32 NANORURKI Nanorurki węglowe są zbudowanymi z węgla mającymi postać walców. Najcieńsze mają średnicę rzędu jednego nanometra, a ich długość może być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozrywanie i unikalne własności elektryczne, oraz są znakomitymi przewodnikami ciepła.

33 NANOSTRUKTURY

34 NANOSTRUKTURY

35 NANORURKI I FULERENY Być może ludzie otrzymali w postaci nanorurek najbardziej wytrzymały materiał jaki kiedykolwiek będą w stanie wytworzyć. Nanorurki i fulereny wymagają szerszego omówienia...

36 CO OZNACZA NANO? Nano rurki

37 CO OZNACZA NANO? Nano - gr. nanos - karzeł

38 CO OZNACZA NANO? Nano = 0, Bardzo, bardzo, bardzo mały

39 CO OZNACZA NANO? - rurki

40 CO OZNACZA NANO? Nanorurki to bardzo, bardzo małe rurki

41 CO OZNACZA NANO? Rozmiary wszechświata Średnica Ziemi Wysokość człowieka Rozmiary myszy Rozmiary grochu Rozmiary mrówki Rozmiary roztoczy Rozmiary włosa Rozmiary komórek Rozmiary wirusa Rozmiary atomu DNA średnica helisy Promień jądra atomowego m 10 6 m 10 0 m 10-1 m 10-2 m 10-3 m 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-8 m 10-9 m 10-9 m m

42 CNT S CNT s carbon nanotubes nanorurki węglowe

43 WĘGIEL - C grafit

44 RODZAJE CNT S

45 CHIRALNOŚĆ Fotelowa Chiralna Zygzakowata

46 ROZGAŁĘZIONE NANORURKI WĘGLOWE

47 NANOSTRUKTURY Ogólna klasyfikacja na podstawie Wikipeia.org

48 OTRZYMYWANIE NANORUREK energia energia energia

49 PLAZMA

50 PLAZMA energia C + chłodzenie

51 CNT S SWNT (Single Walled NanoTube) MWNT (Multi Walled NanoTube ) Średnica : Od 0.6 do 4 nm dla SWNT od 10 do 240 nm dla MWNT Długość Kilka mikrometrów

52 CNT S

53 CNT S

54 CNT S

55 PRAWA SKALOWANIA Czy możemy skorzystać z doświadczeń w skali makro? Prawa skalowania Siły powierzchniowe Zjawiska kwantowe

56 PRAWA SKALOWANIA Prawa skalowania mówią o tym, jak zmieniają się niektóre parametry wraz z miniaturyzacją.

57 PRAWA SKALOWANIA - PRZYKŁAD Złoto - nie rdzewieje, jest łatwe w obróbce, ma ładny kolor i się błyszczy. Pojedyncze atomy złota nie błyszczą jednak i nie są żółte - wspomniane cechy pojawiają się dopiero w ich kolektywie, w krysztale odpowiednio wielkich wymiarów.

58 PRAWA SKALOWANIA - PRZYKŁAD Kiedy rozmiary grudek złota maleją i osiągają 60 nm ich wodna zawiesina staje się błękitna, a wreszcie, po ich dalszym zmniejszeniu do 30 nm, czerwona. Fenomen ten wyjaśnia mechanika kwantowa, lecz nas bardziej tu interesują jego praktyczne konsekwencje. Wyobraźmy sobie otóż garstkę grudek 30-nm, do których powierzchni przyklejamy cząsteczkę białka rozpoznającą pewien hormon i mającą skłonność do wiązania się z nim.

59 PRAWA SKALOWANIA - PRZYKŁAD Kiedy kropelkę zawiesiny tak spreparowanych złotych grudek zmieszamy z jakimś płynem, na przykład moczem, który może zawierać rzeczone hormony, pojawia się jedna z dwu możliwości: - jeśli hormonów w roztworze nie ma, cząstki złota zbijają się samorzutnie w większe aglomeraty i zmieniają kolor z czerwonego na niebieski; - jeśli hormon jest, cząstki wiążą się z nim i, pozostając od siebie nawzajem odseparowane, zachowują czerwoną barwę.

60 PRAWA SKALOWANIA - PRZYKŁAD Tak właśnie działa prosty w użyciu domowy test ciążowy, wprowadzony na rynek w 1985 r. przez firmę Tambrands.

61 PRAWA SKALOWANIA Prawa skalowania mogą zostać wykorzystane do określenia, jak własności fizyczne zmieniają się ze zmianą rozmiarów. Oparte są zazwyczaj na prostych obliczeniach. Dlaczego pchła może przeskoczyć własną długość dziesiątki razy, a słoń na przykład już nie?

62 PRAWA SKALOWANIA Prawa skalowania mówią ogólnie, iż ze zmianą skali zmienia się jednocześnie: szybkość działania, zapotrzebowanie na energię, gęstość, wydajność, wytrzymałość, szybkość, wpływ grawitacji itp. Zmiany te zachodzą w różnym stopniu.

63 PRAWA SKALOWANIA Zmiana długości o L Zmiana powierzchni proporcjonalna do L*L Zmiana objętości proporcjonalna do L*L*L Na podst.

64 PRAWA SKALOWANIA Dotyczy wszystkich przypadków

65 PRAWA SKALOWANIA Wielkość sił napięcia powierzchniowego jest proporcjonalna do długości obwodu zwilżonego. Owady do ślizgania się po powierzchni sadzawki potrzebują długich a nie wielkich nóg.

66 PRAWA SKALOWANIA Siły lepkości są proporcjonalne do powierzchni kontaktu, gekony potrzebują szerokich, płaskich stóp pokrytych milionami małych haczyków, aby móc chodzić po suficie.

67 PRAWA SKALOWANIA Siły grawitacji i inercji zależą od objętości (zakładając stałą gęstość). Ptak, który uderzy w okno może skręcić kark, tysiące razy mniejsza mucha wychodzi bez szwanku z takiej kolizji.

68 PRAWA SKALOWANIA Siły które mogą być wytworzone przez mięśnie lub wytrzymałość kości są w każdym przypadku proporcjonalne do ich przekroju poprzecznego. Waga zwierząt zależy od objętości.

69 PRAWA SKALOWANIA Podstawowym wyborem przy skalowaniu elementów jest wybór odpowiedniego materiału bazowego, najlepiej o wysokiej odporności na odkształcanie. Jako materiał odpowiedni dla obliczeń często przyjmuje się struktury diamentopodobne takie jak nanorurki. Struktury takie, o duże wytrzymałości i unikalnych własnościach fizycznych są zresztą już osiągane na obecnym poziomie technologicznym.

70 PRAWA SKALOWANIA Przeprowadzenie takich analiz prowadzi do wniosków, że zgodnie z zasadami skalowania systemy elektromechaniczne skalują się w sposób prawie doskonały, systemy termiczne skalują się dobrze, a systemy elektromagnetyczne bardzo źle. Systemy nano-elektro-mechaniczne stanowią wg. wielu naukowców podstawę przyszłych molekularnych systemów wytwarzających. Systemy takie w dużym stopniu mogą zostać oparte na prawach mechaniki klasycznej. NEMS popularny kierunek dla nanotechnologii

71 PRAWA SKALOWANIA Oczywiście prawa skalowania nie rozwiązują wszystkich problemów. W nanoskali dużą rolę grają zjawiska kwantowe oraz atomowe interakcje zachodzące na powierzchniach stykających się nanostruktur oraz ruchy termiczne.

72 PRAWA SKALOWANIA Zjawisko tunelowe zwane też efektem tunelowym - zjawisko kwantowe przejścia cząstki przez barierę potencjału o wysokości (wartości energii potencjalnej) większej niż energia cząstki. To zjawisko, charakterystyczne dla mechaniki kwantowej, jest z punktu widzenia fizyki klasycznej paradoksem łamiącym klasycznie rozumianą zasadę zachowania energii

73 PRAWA SKALOWANIA EFEKT ZJAWISKA TUELOWEGO Pomiędzy miniaturowymi elementami przepływają prądy, których nie powinno być w większych tranzystorach elektroniczna śluza staje się nieszczelna. Wprawdzie są to słabe prądy, ale ich suma z milionów tranzystorów powoduje straty i przegrzewanie się procesora. Ponadto niekontrolowany przepływ ładunków powoduje błędy logiczne, które mogą okazać się fatalne

74 PRAWA INNE ZJAWISKA SKALOWANIA Zjawiska powierzchniowe Przy manipulacjach powoduje sklejanie się struktur Można syntezować elementy poruszające się względem siebie bez tarcia.

75 PODSUMOWANIE Ogólnie mówiąc: startujemy praktycznie od zera. Często jednak wychodzi się z modeli znanych z makroskali i bada, w jaki sposób zjawiska w nanoskali wpływały by na jego zachowanie.

76 WŁAŚCIWOŚCI Parametr SWNT DLA PORÓWNANIA Rozmiar Średnica 0,6 1,8 nm Fotolitografia elektronowa pozwala uzyskać ścieżki o szerokości 50 nm i grubości kilku nanometrów Gęstość 1,33-1,40 g/cm 3 Gęstość aluminium 2,7 g/cm 3 Wytrzymałość na zginanie Wytrzymałość na rozciąganie 45 GP Odporne na rozciąganie gatunki stali pękają przy około 2 GP Można je zginać pod dużym kątem i prostować bez uszkodzenia Metale i włókna węglowe pękają na granicach ziaren

77 WŁAŚCIWOŚCI Parametr SWNT DLA PORÓWNANIA Obciążalność prądem elektrycznym Emisja polowa Przewodność cieplna Szacuje się 1 GA/cm 2 Wystarczająca do pobudzenia luminoforu w odległości 1 μm po przyłożeniu napięcia 1-3V Przewiduje się, że w temperaturze pokojowej sięga 6000 W/mK Odporność na temperaturę Stabilne do 2800 o C w próżni i 750 o C w powietrzu Drut miedziany przepala się przy prądzie o gęstości około 1 MA/cm 2 Ostrza molibdenowe wymagają pola o natężeniu od V/μm, a ich czas życia jest dość krótki. Przewodność cieplna diamentu wynosi W/mK, miedzi 400 W/mK Ścieżki metalowe w układach scalonych topią się w temperaturze o C

78 OTRZYMYWANIE NANORUREK łuk elektryczny metody katalityczne (chemical vapor deposition) CVD inne węgiel w postaci stałej katalizator węgiel w postaci stałej lub gazowej CH4, CO, C2H2 katalizator elektroliza wysokotemperaturowa piroliza termiczna piec słoneczny z plazmą z laserem PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition LCVD Laser-assisted Chemical Vapour Deposition

79 OTRZYMYWANIE ŁUK ELEKTRYCZNY

80 STANOWISKO DO SYNTEZY METODĄ ŁUKOWĄ

81 KATODA I ANODA

82 DEPOZYT KATODOWY I=100A, 1.5mm gap, He 200hPa

83 SYNTEZA CNT S METODĄ ŁUKOWĄ Część anody stanowi depozyt katodowy składajacy się nie tylko z nanorurek ale i z węgla amorficznego, sadzy fulerenów, grafitu

84 CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SYNTEZĘ CNT S Napięcie (15 V 25 V) Prąd (0,05 A/mm 2-15 A/mm 2 ) ciśnienie (0,1 0,6 bar) Średnice anody/katody (średnica anody < 10 mm) Odległość między elektrodami (1 5 mm) Understanding the nucleation and growing processes will improve the efficiency of DC arc synthesis of CNTs

85 VAPOR JET I=100A, 1.5mm gap, He 200hPa

86 DEPOZYT KATODOWY

87 SCHEMAT FRAKTALNEJ MOFROLOGII DEPOZYTU KATODOWEGO

88 METODA ELEKTROŁUKOWA NANORURKI JEDNOŚCIENNE Elektroda grafitowa z pewnymi metalami. Metoda elektrołukowa Nanorurki jednościenne. Odkrycie Iijim i Ichidashi

89 NANORURKI JEDNOŚCIENNE Katalizator Gaz Ciśnienie [Torr] Natężenie [A] Średnica nanorurek [nm] Fe Ar ,7 1,6 Co He ,2 Pt He ,3 1,7 Y, B He ,5

90 METODA KATALITYCZNA Czyli katalityczny rozkład węglowodorów... Gazy zawierające węgiel Gorąca powierzchnia metalu + = Np. katalityczny rozkład acetylenu w temperaturze 970K pod ciśnieniem atmosferycznym. Katalizator: Fe, Ni, Cu lub Co WADY: Czas reakcji 5h, zanieczyszczenia wewnątrz nanorurek

91 METODA CVD

92 ETAPY BUDOWY NANORUREK NA ELASTYCZNYM PODLOŻU IZOLACYJNYM (a)osadzanie katalizatora na tkaninie z (Al2O3), (b)redukcja katalityczna i tworzenie nanoczasteczek prekursora katalitycznego, (c) zarodkowania nanorurek (d) wzrost nanorurek

93 NAPEŁNIANIE NANORUREK Atmosfera z zawartością niektórych metali Nanodruty Hel z dodatkiem Fe(CO) 5 Nanoruka wypełniona żelazem

94 UŻYCIE LASERA Prof. Smalley

95 INNE METODY Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza termiczna Wysokotemperaturowa elektroliza soli

96 WYSOKOTEMPERATUROWA ELEKTROLIZA SOLI

97 PODPATRYWANIE NANO Bez zdolności patrzenia na obiekty w nanoskali, uzyskanie znaczących postępów w nanotechnologii byłoby bardzo trudne. Temu celowi służą różne techniki mikroskopowe, spektroskopowe i dyfrakcyjne, dzieki którym możliwy jest szeroki wgląd w strukturę materii.

98 PODSUMOWANIE

99

100

101 ZASTOSOWANIA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE - materiały smarujące - włókna wysokowytrzymałe - membrany molekularne - cienkie warstwy,diamenty - materiały ścierne - kontenery cząsteczkowe WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE - katalizatory - reagenty organiczne - fotosensybilizatory - preparaty farmaceutyczne - baterie wysokoenergetyczne WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE I OPTYCZNE - czujniki akustyczne - półprzewodniki - nieliniowe urządzenia optyczne - nadprzewodniki - przetworniki elektrooptyczne

102 ZASTOSOWANIA Elektronika Medycyna Przemysł zbrojeniowy Przemysł samochodowy Budownictwo Inżynieria materiałowa Przemysł spożywczy Przemysł kosmetyczny Energetyka Mechatronika..

103 PRAWO MOORE A

104 ZASTOSOWANIA Węglowe nanorurki mogą przewodzić sygnały elektryczne w chipach komputerowych szybciej niż przewody miedziane lub aluminiowe, z częstotliwością do 10 GHz. To zwiększy szybkość pracy komputerów i poprawi pracę sieci bezprzewodowych oraz telefonów komórkowych.

105 PRAWO MOORE A

106 TRANZYSTOR POLOWY Praca w temperaturze pokojowej Parametry zbliżone do osiąganych w elementach krzemowych Mniej zużywanej energii

107 ZASTOSOWANIA Nano chipy komputerowe będą tak małe, że w jednym ziarnku piasku będzie moc obliczeniowa 100 dzisiejszych stacji roboczych.

108 NANOTECHNOLOGICZNY E-PAPIER Obraz o nieosiągalnej dotąd ostrości i jasności można wytworzyć za pomocą nowo opracowanego e-papieru, utworzonego między innymi z nanoporowatego dwutlenku tytanu oraz cząsteczek leukobarwnika. Nowa technologia w przyszłości może również umożliwić wytwarzanie kolorowego obrazu na kartach elektronicznego papieru

109 NANOROBOTY Specjaliści amerykańscy w dziedzinie nanotechnologii stworzyli i zaprogramowali robota wielkości jednej molekuły, mogącego samodzielnie przemieszczać się w dwuwymiarowej przestrzeni.

110 NANOSOCCER Mistrzostwa nanopiłki RoboCup 2009 odbywały się na mikrochipie (kolor złoty) widocznym przez okienko najmniejszego stadionu piłkarskiego. Chip jest podzielony na 16 pól każde wielkości ziarenka ryżu. Sterowanie nanopiłkarzami odbywa się poprzez zmianę pola magnetycznego oraz poprzez przesyłanie sygnałów elektrycznych na mikrochipie. Mikrorobot zastosowany w zawodach piłkarskich na RoboCup 2009 skonstruowany został przez zespół ETH (Szwajcaria) porównany do głowy muchy. Robot ma długość 300 mikrometrów (wielkość pyłków).

111 ZASTOSOWANIE Akumulatory wymagają częstego ładowania i mają małą gęstość energii. Ich struktura żelowa, możliwa do uzyskania z materiałów nanokrystalicznych, jest źródłem daleko lepszych właściwości.

112 ZASTOSOWANIE Fosfor nanokrystaliczny pozwala tworzyć mniejsze i jaśniejsze elementy na ekranach telewizorów i monitorów. Ważne to jest dla telewizji cyfrowej wysokiej rozdzielczości i przemysłu komputerowego.

113 NANOTECHNOLOGIA DLA ZDROWIA I SYSTEMÓW MEDYCZNYCH 11 grup zastosowań nanotechnologii w medycynie: 1) Inżynieria opatrunków / Medycyna regeneracyjna 2) Bio-Nano Struktury 3) Kapsułkowanie leków / Nośniki 4) Obrazowanie molekularne 5) Biofotonika 6) Biokompatybilne implanty 7) Biomembrany 8) Biomolekularne czujniki 9) Bioprocesory 10) Lab-on-Chip 11) Funkcjonalne molekuły: przełączniki, pompy, nośniki farmakologiczne

114 ZASTOSOWANIA Fluorescencyjne proteiny lub toksyczne selenidy kadmu stosowane jako markery podczas długo trwających doświadczeń biologicznych mogą być zastąpione przez nanorurki, bo nie są toksyczne dla żywych komórek.

115 NANOTECHNOLOGIA W MEDYCYNIE Po co narażać pacjenta na ból i stres przy nakłuciu żyły, dlaczego mamy czekać w długich kolejkach do tomografu komputerowego lub rezonansu magnetycznego? Nie lepiej wpuścić do organizmu malutkie nanourządzenia, które same będą mierzyły poziom cukru, cholesterolu, częstość uderzeń serca czy aktywność elektryczną mózgu?

116 NANOTECHNOLOGIA W MEDYCYNIE W jakim celu stosować dalej toksyczne dla całego organizmu napromienianie czy chemoterapię, jeśli można będzie wprowadzić lek zabijający komórki rakowe bezpośrednio do guza nowotworowego, omijając zdrowe tkanki?

117 DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE? ZAGROŻENIA Obok wielu korzyści, które wypływają z zastosowań nanotechnologii takich, jak walka z nowotworami, zwiększenie mocy obliczeniowej komputerów, miniaturyzacja maszyn, zwiększenie trwałości materiałów należy być świadomym zagrożeń pojawiających się przy działaniach w skali nano

118 DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE? ZAGROŻENIA Toksyczność nanomateriałów (i nanocząstek) jest wciąż głównym problemem w powszechnym używaniu wielu technik i wykorzystaniu zastosowań nanoproduktów. Wielkim niebezpieczeństwem może być wykorzystanie nanotechnologii przez organizacje terrorystyczne. Należy już teraz przygotować się na broń zbudowaną z nanomateriałów (np. nanorurek węglowych), która nie będzie możliwa do wykrycia przez urządzenia do wykrywania metali lub środków chemicznych

119 DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE? ZAGROŻENIA Zagrożeniem mogą być nanosensory, które w znaczny sposób ułatwiałyby dotarcie do tajnych informacji oraz zbierania informacji, które byłyby użyteczne do podejmowania działań terrorystycznych Nanosensory umożliwiają określanie średniej liczby osób w danym miejscu, określanie położenia jednostek, identyfikacja broni, jednostki, itd.

120 DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE? ZAGROŻENIA W sektorze wojskowym niebezpieczne są: Tworzenie nowych broni masowego rażenia (np. przenoszenie broni chemicznej i/lub biologicznej w ciele człowieka, zwierzęcia lub w roślinie za pomocą nanokapsułek, Zmniejszenie kosztów produkcji sprzętów wojskowych, nowa broń wywiadowcza

121 DALSZY ROZWÓJ Przewidywany udział nanotechnologii w produkcji przemysłowej w roku 2015: -15% wszystkich produktów będzie wytwarzanych z zastosowaniem nanotechnologii -50% nowych, zaawansowanych technologii będzie opartych na nanotechnologii. To oznacza, że w roku 2015: na całym świecie będzie potrzebnych ok. 2 miliony nowych pracowników specjalistów w zakresie nanotechnologii; dodatkowo ok. 5 milinów miejsc pracy powstanie w sektorach wspierających nanotechnologię. Mihail C Roco, Nature Biotechnology Vol. 21, No. 10, Oct. 2003

122 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ! Grzegorz Raniszewski Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych grzegorz.raniszewski@p.lodz.pl