Cz. 1. Cz. 2. literatura. Cel wykładu

Transkrypt

1 Wprowadzenie do współczesnej inżynierii dr inż. Grzegorz Raniszewski p. 121c + LSN (piwnica) grzegorz.raniszewski@p.lodz.pl Wprowadzenie do współczesnej inżynierii dr inż. Grzegorz Raniszewski p. 121c + LSN (piwnica) wtorek godz czwartek godz Cz. 1 Nanotechnologie Metody wytwarzania Właściwości Metody mikroskopowe w inżynierii nanomateriałów Zastosowania Cz. 2 Co to jest CFD? Do czego służy CFD? Algorytm tworzenia siatki. Algorytm tworzenia symulacji. Przykłady zastosowań. Przykłady oprogramowania. Zaliczenie 3 4 Cel wykładu literatura Przedstawienie w przystępny sposób stanu wiedzy z dziedziny nanotechnologii, jako nauki interdyscyplinarnej. 1

2 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, E. Drexler: Nanosystems, Molecular Machinery, Manufacturing and Computation" E. Drexler: Engines of Creation, 1986 E. Drexler MolecularEnginieering: An Approachto thedevelopment of General Capabilitiesfor MolecularManipulation. Proc. Of thenational Academyof Science, literatura 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: 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 Lżejsze i bardziej wytrzymałe opony z dodatkami nanocząstek Zenovo ST1 Zenovo ST1 2

3 Katalizatory i nanomembranydla zwiększenia wydajności spalania i wydłużenia czasu życia silnika Ceramika z ulepszonymi katalizatorami dla redukcji emisji zanieczyszczeń Zenovo ST1 Zenovo ST1 Nanododatkidla zwiększenia odporności lakieru na zarysowania Warstwa uniemożliwiająca zaparowanie szyby. Zenovo ST1 Zenovo ST1 Warstwa uniemożliwiająca osadzanie się wody podczas deszczu. Nanokompozytyw konstrukcji wzmacniają ramę szkieletu. Zenovo ST1 Zenovo ST1 3

4 Nanokompozytyw konstrukcji odchudzają zbędne kilogramy w samochodzie Dzięki ogniwom fotowoltaicznym można uzyskać dodatkową energię Zenovo ST1 Zenovo ST1 Energooszczędne wyświetlacze o dużym kontraście wykorzystują nanotechnologie. Dziesiątki nanoczujników m.in. temperatury, powietrza, ciśnienia, przyspieszenia, działających sił Zenovo ST1 Zenovo ST1 Szybko ładowalne baterie w przypadku samochodu o napędzie hybrydowym Superkondensatory wykorzystujące nanorurki w systemach bezpieczeństwa Zenovo ST1 Zenovo ST1 4

5 Niebrudząca się tapicerka 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 nanometrto jedna milionowa milimetra. Zenovo ST1 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 " 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. 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. 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. 5

6 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. 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. historia Największe wydarzenia nanotechnologii: Nanotechnologia jako dziedzina interdyscyplinarna Fizyka kwantowa Fizyka materiałowa Wynalezienie mikroskopu skaningowego Wykonanie napisu IBM używając do tego celu 35 atomów; Odkrycie fulerenów; Odkrycie i badanie właściwości nanorurek Informatyka Nanosystemy i urządzenia funkcjonalne Nanobiotechnologia Wytwarzanie Nanomateriały Nanotechnologia dla chemii i ochrony środowiska Biologia molekularna Chemia Nanotechnologia jako dziedzina interdyscyplinarna Pomagamy wyobraźni (?) Chemicy Fizycy Jeślibyśmy powiększyli piłkę tenisową dorozmiarów Ziemi, totworzące ją atomy miałyby wielkość winogron. R&D Biolodzy Informatycy Centrum Nanotechnologii 6

7 Pomagamy wyobraźni (?) Gdyby powiększyć atomy tak, aby miały rozmiar główki od szpilki, atomy zktórych zbudowane jest jedno ziarenko piasku wypełniłyby sześcian oboku długości jednego kilometra. Jedna kropla wody zawiera około 10 tysięcy miliardów miliardów atomów wodoru itlenu, tworzących 3333miliardy miliardów cząsteczek wody (H2O). Technologia (definicja ogólna) Zestawienie przebiegu operacji (instrukcje, wykresy, rysunki), które należy wykonać, aby otrzymać określony produkt. Nanotechnologia (definicja ogólna) Nanotechnologia to nazwa zbioru technik i sposobów tworzenia struktur o rozmiarach rzędu nanometrów (od 0,1 do 100 nanometrów). Nanotechnologia Otrzymywanie i kontrola pojedynczych obiektów o wymiarach rzędu nanometrów 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. 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 Nanotechnologia różne technologie materiałowe MARKETING DZIAŁA! 7

8 Nanotechnologia Nanotechnologia Nanorurki węglowe Biotechnologia Nanotechnologia Nanotechnologia NEMS Medycyna Nanotechnologia Nanotechnologia MEMS Pigmenty, proszki 8

9 Nanotechnologia Nanotechnologia ipod nano NANO kosmetyki? Nanotechnologia Nanotechnologia NANO toaleta? NANO? 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. Wytwarzanie z dołu do góry Podejście futurystyczne : Potrzeba niewielkich ilości energii, materiałów, bez odpadów, trudne w realizacji, trudne do opanowania Samoorganizacja, samorelikacja W rzeczywistości stosowane od miliardów lat przez organizmy żywe. Występuje też w niektórych zjawiskach fizycznych (np. tworzenie kryształów) 9

10 Nanorurki i fulereny fulereny Najważniejsze, najbardziej obiecujące struktury w nanotechnologii Fulereny-związki chemiczne składające się z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę lub elipsoidę. nanorurki nanostruktury Nanorurki węglowesą 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. nanostruktury 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... 10

11 Co oznacza NANO? Co oznacza NANO? Nano rurki Nano -gr. nanos -karzeł Co oznacza NANO? Co oznacza NANO? Nano = 0, Bardzo, bardzo, bardzo mały - rurki Co oznacza NANO? Nanorurki to bardzo, bardzomałe rurki Co oznacza NANO? Rozmiary wszechświata m Średnica Ziemi 10 6 m Wysokość człowieka 10 0 m Rozmiary myszy 10-1 m Rozmiary grochu 10-2 m Rozmiary mrówki 10-3 m Rozmiary roztoczy 10-4 m Rozmiary włosa 10-5 m Rozmiary komórek 10-6 m Rozmiary wirusa 10-8 m Rozmiary atomu 10-9 m DNA średnica helisy 10-9 m Promień jądra atomowego m 11

12 Rozmiar ma znaczenie Rozmiar ma znaczenie włos 10-5 m wirus 10-8 m CNT s CNT 10-9 m hair 10-5 m CNT 10-9 m virus 10-8 m CNT S CNT s carbon nanotubes nanorurki węglowe grafit Węgiel -C Węgiel -C Rodzaje CNT s grafit 12

13 Chiralność INNE PRODUKTY Fotelowa Chiralna Zygzakowata Fulereny egzohedralne C 60 (OSO 4 )(4-tert-butylopirydyna) 2 Inne produkty - Fluorowcopochodne Fulereny endohedralne C 60 Cl 6 C 70 Cl 10 Heterofulereny Fulereny giganty C 620 C 636 Hipotetyczna stuktura B 30 N 30 oraz C 12 B 24 N 24 13

14 Nanocebulki węglowe Modele nanorurek C Rozgałęzione nanorurki węglowe nanostruktury Ogólna klasyfikacja na podstawie Wikipeia.org Nanorurki Otrzymywanie energia energia energia 14

15 PLAZMA PLAZMA energia C + chłodzenie CNT s 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 CNT s CNT s 15

16 Czy możemy skorzystać z doświadczeń w skali makro? mówią o tym, jak zmieniają się niektóre parametry wraz z miniaturyzacją. Siły powierzchniowe Zjawiska kwantowe - 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. - 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. - 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. - przykład Tak właśnie działa prosty w użyciu domowy test ciążowy, wprowadzony na rynek w 1985 r. przez firmę Tambrands. 16

17 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? mówią ogólnie: Ze zmianą skali zmienia się jednocześnie: szybkość działania, zapotrzebowanie na energię, gęstość funkcjonalna, wydajność, wytrzymałość, szybkość, wpływ grawitacji itp. Zmiany te zachodzą w różnym stopniu. Zmiana długości o L Zmiana powierzchni proporcjonalna do L*L Zmiana objętości proporcjonalna do L*L*L Dotyczy wszystkich przypadków Na podst. Wielkość sił napięcia powierzchniowego jest proporcjonalna do długości obwodu zwilżonego. Owady do ślizgania się po powierzchni sadzawki potrzebują długich a nie wielkich nóg. Siły lepkości są proporcjonalne do powierzchni kontaktu, gekony potrzebują szerokich, płaskich stóp pokrytych milionami małych haczyków, aby móc chodzić po suficie. 17

18 a propos Gekona a propos Gekona 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. Siły które mogą być wytworzone przez mięśnie lub wytrzymałość kości są w każdym przypadku proporcjonalne do ich przekroju poprzecznego. Waga zwierząt zależy od objętości. Prędkość z jaką tlen może być przyswajany z powietrza jest proporcjonalna do powierzchni płuc. Prędkość przyswajania pokarmu zależy od powierzchni jelit. Prędkość z jaką ciepło jest odprowadzane z ciała zależy od powierzchni skóry. Ilość tlenu lub pożywienia dostarczanego w czasie musi być proporcjonalna do masy (objętości) zwierzęcia. The Incredible Shrinking Man (1957) Jeśli zwierze zmienia swoją wielkość, jej zmiana wiąże się ze zmianą innych współczynników w różny sposób. 18

19 Po zakończeniu zmniejszania mężczyzna miał ok. 1 cala (2,5cm) wysokości. Był więc 70 razy mniejszy niż normalnie. Powierzchnia jego ciała zmniejsyła się 70*70, czyli około 5000 razy. Pierwszym problemem dla bohatera jest utrzymanie temperatury ciała (nawet w ubraniu) w sytuacji, gdy proporcja powierzchni skóry do objętości ciała wzrosła 70 razy. Masa jego ciała zmniejszyła się 70*70*70 = razy Na szczęście powierzchnia jego płuc zmniejszyła się tylko około 5000 razy, tak więc zaopatrzenie w tlen jest na bardzo dobrym poziomie. Ze względu jednak na konieczność utrzymania temperatury ciała i zapewnienie odpowiedniej ilości energii, musiałby zjeść dziennie pokarmu na poziomie swojej wagi. Miałby kłopoty ze spaniem, bo przy normalnym śnie mógłby w tym czasie umrzeć z głodu. Ze względu na relatywnie dużą powierzchnię ciała traciłby wodę z organizmu również proporcjonalnie szybciej. Musiałby więc także dużo pić. W filmie pije tylko raz, więc musi być baaaardzospragniony. Najlepiej by zrobił, gdyby jadł przez całe 24 godziny. Chyba, że udało by mu się obniżyć temperaturę swojego ciała. a propos picia 19

20 Podczas picia zanurza ręce w małym, wydrążonym naczyniu i pije. Niestety, siły napięcia powierzchniowego spowodowały by, że po zanurzeniu wyjąłby ręce powleczone wodą o objętości porównywalnej do jego głowy. Jeśli przyłożyłby usta do tej kropli, napięcie powierzchniowe spowodowało by połknięcie kropli, nawet jeśli by tego nie chciał! Ale byłby bardzo silny! Mężczyzna rozgrywa podczas filmu krwawą walkę z pająkiem. Walka jest jednak nierzeczywista. Ze względu na zmniejszenie jego siła wzrosła by około 70 razy. Siła mięśni jest proporcjonalna do ich przekroju, a masa do objętości. Przekrój zmniejszył się 70*70 a masa 70*70*70 razy. Stąd większa siła. Zdolność zwierząt do generowania siły z własnego ciała skaluje się mniej więcej jak 1/długość, co tłumaczy dlaczego mrówka bez trudu podnosicprzedmioty o wadze 50 razy większej niż jej własna waga. Tak więc w rzeczywistości biedny pająk W innym filmie o zmniejszaniu mali ludzie męczą się aby dostać się na meble. A przecież mogliby po prostu wskoczyć. Jeśli obiekt spada, przyspiesza dzięki temu, że na ciało działa siła grawitacji. W drugą stronę działa opór. W pewnym momencie się zrównają. Od tego momentu prędkość jest stała. Jest to tzw. prędkość graniczna. Dla ludzi jest to około 120km/h. Za dużo!!! A co ze schodzeniem? Opór jest proporcjonalny do przekroju poprzecznego, siła grawitacji oddziałuje na masę, czyli wynikająca z tego siła jest proporcjonalna do masy. Zmniejszanie skali zmniejsza więc prędkość graniczną. Jak to jednak mówią, to nie spadanie rani, ale upadek. Spadający obiekt nabiera energii kinetycznej E k =1/2mv 2. Energia ta uwalnia się po upadku. Tak więc ze względu na prędkość graniczną uwolniona energia po zmniejszeniu jest także mniejsza. W rzeczywistości małe zwierzęta są narażone relatywnie mniejsze uszkodzenia bez względu na wysokość z której spadną: małpa jest za duża, wiewiórka jest na granicy, ale mysz jest raczej zawsze bezpieczna. 20

21 W innym filmie ekipa lekarzy zostaje zmniejszona i umieszczona w organizmie chorego. Oglądają oni bajeczne krajobrazy wewnątrz ludzkiego organizmu. Jednak po zmniejszeniu do takiej skali soczewki ich oczu nie byłyby zdolne do oglądania obrazów, ze względu na długość fali świetlnej. Nawet światło ulrtafiloletoweposiada zbyt długą falę. Chyba, że promieniowanie Rentgenowskie? Wykorzystywane ostrożnie, klasyczne modele ciągłe mogą być częściowo wykorzystane przy projektowaniu i analizie nanosystemów. Można wyprowadzić zasady skalowania dla różnych własności fizycznych struktur systemów: elektromechanicznych elektromagnetycznych termicznych. 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. 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-mechanicznestanowią 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 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. 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 21

22 efekt zjawiska tuelowego Pomiędzy miniaturowymi elementami przepływają prądy, których nie powinno być w większych tranzystorach elektroniczna śluza staje się nieszczelna. PRAWA SKALOWANIA Inne zjawiska Zjawiska powierzchniowe Przy manipulacjach powoduje sklejanie się struktur Można syntezować elementy poruszające się względem siebie bez tarcia. 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 nanomaszyny 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. 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 Właściwości 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 Parametr Obciążalność prądem elektrycznym Emisja polowa Przewodność cieplna Właściwości SWNT 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 DLA PORÓWNANIA 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 niemal czystego diamentu wynosi 3320 W/mK Ścieżki metalowe w układach scalonych topią się w temperaturze o C 22

23 Otrzymywanie fulerenów: Aktywacja laserem Aktywacja laserem Metoda elektrołukowa Metoda płomieniowa Inne Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów Schemat otrzymywania fulerenów: Metoda grzania oporowego Sublimacja substancji węglowej Kratschmer-Huffman Kondensacja gazu węglowego Ekstrakcja He 13,3kPa Metoda elektrołukowa Wady i zalety metody elektrołukowej + prostota + wydajność - wysoka energochłonność - brak ciągłości w procesie Optymalne warunki (wg Wydziału -zasilanie prądem zmiennym Chemi UW) -45% fulerenów w tym 85% C60 Gaz buforowy Hel 13,3 kpa -odległość między elektrodami 1mm średnica elektrod 6mm 23

24 Niskie ciśnienie (10kPa) Stosunek C/O = Rozcieńczenie reagentów helem Metoda płomieniowa Proces typowego spalania w specyficznych warunkach Odkrycie Howarda Podczas spalania acetylenu lub benzenu w tlenie, w sadzy znaleziono fulereny. Sadza z zawartością fulerenów (20%) Inne metody otrzymywania Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów Plazma węglowa (z wyłączeniem łuku) - odparowywanie próbek różnych węgli w plaźmie indukcyjnej (30kW, 400Hz) w helu po ciśnieniem 15 hpa, temperatura 2800K - plazma węglowa z par naftalenu pod ciśnieniem atomosferycznym w atmosferze azotowej w temperaturze 4500K Piec słoneczny Gęstość energii: 2000 W/cm 2 Argon 500 Torr Piroliza węglowodorów otrzymywanie Węglowodory zawierające pierścienie pentai heksagonalne + = Wysoka temperatura Różne produkty, w tym fulereny łuk elektryczny węgiel w postaci stałej katalizator metody katalityczne (chemical vapor deposition) CVD węgiel w postaci stałej lub gazowej CH4, CO, C2H2 katalizator inne elektroliza wysokotemperaturowa piroliza termiczna piec słoneczny Naftalen i koranulen 1000ºC 1% w sadzy z plazmą z laserem PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition LCVD Laser-assisted Chemical Vapour Deposition 24

25 Otrzymywanie łuk elektryczny Stanowisko do syntezy metodą łukową Katoda i anoda Depozyt katodowy I=100A, 1.5mm gap, He 200hPa Synteza cnt s metodą łukową Część anody stanowi depozyt katodowy składajacy się nie tylko z nanorurek ale i z węgla amorficznego, sadzy fulerenów, grafitu Czynniki wpływające na syntezę cnt s Napięcie (15 V 25 V) Prąd (0,05 A/mm2-15 A/mm2) 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 25

26 Vapor Jet Depozyt katodowy I=100A, 1.5mm gap, He 200hPa Schemat fraktalnej mofrologii depozytu katodowego Modyfikacje metody elektrołukowej o 500 Torr Hel 100A o 20 Torr Metan 30A o 100 Torr Wodór 90A 25% anody przemienia się więcej nanorurek w depozycie wysoka jakość nanorurek w nanorurki Ale dlaczego powstają tylko nanorurki wieloscienne? Metoda elektrołukowa nanorurki jednościenne Nanorurki jednościenne Katalizator Gaz Ciśnienie [Torr] Natężenie [A] Średnica nanorurek [nm] Elektroda grafitowa z pewnymi metalami. Metoda elektrołukowa Nanorurki jednościenne. Fe Co Ar He ,7 1,6 1,2 Pt He ,3 1,7 Odkrycie Iijim i Ichidashi Y, B He ,5 26

27 Metoda katalityczna Metoda CVD 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 Etapy budowy nanorurek na elastycznym podlożu izolacyjnym Napełnianie nanorurek Atmosfera z zawartością niektórych metali Nanodruty (a)osadzanie katalizatora na tkaninie z (Al2O3), (b)redukcja katalityczna i tworzenie nanoczasteczek prekursora katalitycznego, (c) zarodkowania nanorurek (d) wzrost nanorurek Hel z dodatkiem Fe(CO) 5 Nanoruka wypełniona żelazem Użycie lasera Inne metody Prof. Smalley Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza termiczna Wysokotemperaturowa elektroliza soli 27

28 Wysokotemperaturowa elektroliza soli Podpatrywanie nano Bez zdolności patrzenia na obiekty w nanoskali, uzyskanie znaczących postępów w nanotechnologii byłoby bardzo trudne. Temu celowi służą różne techniki mikroskopowe, spektroskopowei dyfrakcyjne, dzieki którym możliwy jest szeroki wgląd w strukturę materii. podsumowanie 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 28

29 Zastosowania Prawo Moore a Elektronika Medycyna Przemysł zbrojeniowy Przemysł samochodowy Budownictwo Inżynieria materiałowa Przemysł spożywczy Przemysł kosmetyczny Energetyka Mechatronika.. Zastosowania Prawo moore a 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. TRANZYSTOR POLOWY Praca w temperaturze pokojowej Parametry zbliżone do osiąganych w elementach krzemowych Mniej zużywanej energii Zastosowania Nano chipy komputerowe będą tak małe, że w jednym ziarnku piasku będzie moc obliczeniowa 100 dzisiejszych stacji roboczych. 29

30 Nanotechnologiczny e-papier nanoroboty 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 Specjaliści amerykańscy w dziedzinie nanotechnologii stworzyli i zaprogramowali robota wielkości jednej molekuły, mogącego samodzielnie przemieszczać się w dwuwymiarowej przestrzeni. 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). Zastosowanie Akumulatory wymagają częstego ładowania i mają małą gęstość energii. Ich struktura żelowa, możliwa do uzyskania z materiałów nanokrystalicznych, jest źródłem daleko lepszych właściwości. 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. Nanotechnologia dla zdrowia i systemów medycznych 11 grup zastosowań nanotechnologii w medycynie: 1) Inżynieria opatrunków / Medycyna regeneracyjna 2) Bio-NanoStruktury 3) Kapsułkowanie leków / Nośniki 4) Obrazowanie molekularne 5) Biofotonika 6) Biokompatybilneimplanty 7) Biomembrany 8) Biomolekularne czujniki 9) Bioprocesory 10) Lab-on-Chip 11) Funkcjonalne molekuły: przełączniki, pompy, nośniki farmakologiczne 30

31 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. 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? Nanotechnologia w medycynie 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? Wyobraźmy sobie malutkie nanoroboty, które umieszczone wewnątrz organizmu naprawiają zniszczone komórki czy wręcz je zastępują, czyszczą tętnice z blaszki miażdżycowej, walczą z wirusami i bakteriami, reperują wadliwe DNA Polytec s Micro System Analyzer Proteus (Australia) Wizja replikatora DNA Zastosowania w medycynie wchłanianie i neutralizacja wolnych rodników blokowanie centrów aktywnych enzymów leczenie HIV destrukcyjne działanie na komórki rakowe nanometryczne kapsułki Zastosowania w medycynie czynniki kontrastujące w rezonansie magnetycznym radionuklidy -nośniki promienitwórcze przydatne w diagnostyce (Tc@C 60 ) 31

32 Zastosowanie Nanopianka węglowa jest widoczna w badaniu NMR (rezonans magnetyczny), może znaleźć zastosowanie jako środek kontrastującyprzy badaniach obrazowych mózgu. Jej właściwości termiczne powodują, że po naświetleniu promieniowaniem podczerwonym komórki nowotworu ulegałyby przegrzaniu. Zastosowanie Metalowe implanty (np. sztuczne stawy) wstawiane do ciała człowieka nie asymilują się łatwo, dając zarówno mniejszą wytrzymałość od naturalnych stawów jak i szkodliwe odczyny biochemiczne. Zastosowanie Obciążenie dynamiczne stawu kolanowego podczas biegu człowieka dochodzi do 2 ton. Chrząstki izolujące kości stawu potrafią skutecznie przenosić i częściowo amortyzować te uderzenia. Dotychczas nie umiemy tego uzyskać w implantach. Jest więc wiele do zrobienia. Zastosowanie Nanoceramiczne implanty przez swą strukturę żelową są łatwiej adoptowane przez tkankę, dając mało odczynów i zapewniając znacznie większą wytrzymałość. Zastosowanie Nanoceramikajest bardziej wytrzymała mechanicznie, elektrycznie, itd., lecz również bardziej ciągliwa od zwykłej, ułatwiając obróbkę i kształtowanie elementów, a nawet uzyskanie właściwości superplastycznych. Zastosowania Eksplozja prochu daje prędkości rzędu 900 m/s, natomiast wyrzutnia elektromagnetyczna na szynach daje prędkość rzędu kilku km/s. Niestety jej szyny ze stopów miedzi są mało odporne na zużycie,w przeciwieństwie do materiałów nanokrystalicznych. 32

33 Zastosowania Można zastąpić przeciwpancerne pociski z rdzeniem z ubogiego uranu pociskami z nanokrystalicznego wolframu. Mają one podobne właściwości takie jak samowyostrzanie i poślizg na granicach ziaren, co ułatwia penetrację pancerza wozu bojowego. Zastosowanie Materiały nanokrystaliczne mają bardziej korzystny stosunek powierzchni czynnej do objętości. Dlatego zastosowane ich do katalizatorów silników spalinowych i innych konwerterów zmniejszy zanieczyszczenie środowiska i będą trwalsze. Zastosowanie Aby ograniczyć wypalanie końcówek świec w silnikach spalinowych można je zrobić, np. z fulerenów. Wtedy dają one energię wyładowania o gęstości rzędu 1kJ/mm2. Zastosowania w budownictwie Nanopianki Mają unikalne właściwości termoizolacyjne. Nanopianka węglowa odkryta w 2004r. jest krystaliczną odmianą węgla otrzymaną poprzez naświetlanie laserem w temp C. Uważa się ją za jedną z postaci alotropowych węgla. W przeciwieństwie do pozostałych odmian jest przyciągana przez magnes. Zastosowania w budownictwie Samoczyszczący beton Fotochemiczna aktywacja 30nm cząsteczek domieszki TiO2 w wyniku działania na powierzchnie betonu promieniowania UV uruchamia łańcuch reakcji chemicznych, co prowadzi do utleniania zanieczyszczeń. Zastosowania w budownictwie Nanometric Painting System - system w którym powłokę skomponowano z nanocząsteczek kształtujących powierzchnię i właściwości elewacji. Po nałożeniu farby na ścianę nanocząsteczki migrują na powierzchnię farby. Dzięki temujest ona twardsza na zewnątrz, a wewnątrz bardziej elastyczna. Zastosowania farby fasadowej pozwala na uzyskaniegładkiej powierzchni (podobnie jak np. powierzchnia szyby) nie zatrzymującej brudu. Występują w niej mikroskopijne pory umożliwijające swobodną dyfuzję pary wodnej (oddychanie ścian)

34 nanomaszyny nanowaga mechatronika filtry czujniki czujniki podczerwieni czujniki nano dragań detektory gazu nano penceta nano termometry superkondensatory Zasobniki energii w polu elektrycznym zamiast reakcji chemicznych - baterie Elektrody z węgla aktywnego (carbon aerogel) powierzchnia m2/g Elektrody z nanorurek CNTs wielokrotny wzrost powierzchni czynnej Polimer jako izolator (wysoki redox) superkondensatory Zalety: -zdolność do gromadzenia dużych wartości energii, -krótki czas ładowania -rozładowania, -trwałość nawet cykli lub 20 lat, -szeroki zakres temperatury pracy -40 C do 65 C -brak składników szkodliwych dla środowiska (ołowiu, kadmu, itp.), - małe wymiary i objętości w stosunku do gromadzonej energii. -duże pojemności (>1 F) Wady: -małe napięcie jednego elementu, -wysoka cena. Zalety: Przechowywanie Wodoru Łatwa produkcja Łatwy transport Wszechstronność stosowania Przyjazność dla środowiska Spala się do wody Łatwa regenerowalność