Embed Size (px)
Citation preview
2013-11-28
1
Wprowadzenie do współczesnej inżynierii
dr inż. Grzegorz Raniszewskip. 121c + LSN (piwnica)
1
Wprowadzenie do współczesnej inżynierii
dr inż. Grzegorz Raniszewskip. 121c + LSN (piwnica)
wtorek – godz. 10.00-11.00czwartek– godz. 11.00-12.00
2
Cz. 1
�Nanotechnologie
�Metody wytwarzania
� Prawa skalowania
�Właściwości
�Metody mikroskopowe w inżynierii nanomateriałów
� Zastosowania
3
Cz. 2
� Co to jest CFD?
�Do czego służy CFD?
� Algorytm tworzenia siatki.
� Algorytm tworzenia symulacji.
� Przykłady zastosowań.
� Przykłady oprogramowania.
� Zaliczenie
4
Cel wykładu
Przedstawienie w przystępny sposób stanu wiedzy z dziedziny nanotechnologii, jako nauki interdyscyplinarnej.
literatura
2013-11-28
2
Non-Standard Computation, Gramss,Bornholdt, Gross, Mitchell, Pellizzari, Willey-Vch 1998.
Nano i kwantowe systemy informatyki, S. Węgrzyn, S.Bugajski, M. Gibas, R.Winiarczyk, L.Znamirowski, J.Miszczak, S.Nowak, Gliwice 2003.
Systemy informatyki realizujące bezpośrednio procesy wytwarzania produktów, S.Nowak, Rozprawa Doktorska pod kier. Prof. Węgrzyna, IITIS PAN, 2005.
Springer Handbook of Nanotechnology, B. Bhushan (Ed.), Springer 2004.
MULTI-AGENT SYSTEM SIMULATION Investigation on Self-organization of
Distributed Active Network – with focus on service provision, Lam-Ling SHUM, University College London, 2000 – 2001
Nanotechnology – Assessment and Perspectives , Springer, 2006.
Wykłady z algorytmów ewolucyjnych, J. Arabas, WNT, 2004.
LITERATURA
E. Drexler: „Nanosystems, Molecular Machinery, Manufacturing and Computation" 1991
http://www.e-drexler.com/d/06/00/Nanosystems/toc.html#c1
E. Drexler: Engines of Creation, 1986
E. Drexler – Molecular Enginieering: An Approach to the Development of
General Capabilities for Molecular Manipulation. Proc. Of the National
Academy of Science, 1981.
Feynmana wykłady z fizyki t.1.2, PWN, 2005.
Genomy, T.A.Brown, PWN, Warszawa 2001.
Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials ISBN 0 85404 664 X.
Fulereny i nanorurki. Przygodzki W,Włochowicz W.
WNT-Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, s.480,
ISBN: 83-204-2645-6
literatura
Nanotechnologia, E.Regis, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001.
NANOTECHNOLOGIA STAN OBECNY I PERSPEKTYWY
B. Dręczewski, A. Herman, P. Wroczyński, Gdańsk, 1997.
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
LITERATURA
Zenovo ST1 Zenovo ST1
Lżejsze i bardziej wytrzymałe opony z dodatkami nanocząstek
2013-11-28
3
Zenovo ST1
Katalizatory i nanomembrany dla zwiększenia wydajności spalania i
wydłużenia czasu życia silnika
Zenovo ST1
Ceramika z ulepszonymi katalizatorami dla redukcji emisji
zanieczyszczeń
Zenovo ST1
Nanododatki dla zwiększenia odporności lakieru na zarysowania
Zenovo ST1
Warstwa uniemożliwiająca
zaparowanie szyby.
Zenovo ST1
Warstwa uniemożliwiająca
osadzanie się wody podczas deszczu.
Zenovo ST1
Nanokompozyty w konstrukcji wzmacniają
ramę szkieletu.
2013-11-28
4
Zenovo ST1
Nanokompozyty w konstrukcji „odchudzają”
zbędne kilogramy w samochodzie
Zenovo ST1
Dzięki ogniwom fotowoltaicznym można
uzyskać dodatkową energię
Zenovo ST1
Energooszczędne wyświetlacze o dużym kontraście
wykorzystują nanotechnologie.
Zenovo ST1
Dziesiątki nanoczujników –m.in. temperatury, powietrza,
ciśnienia, przyspieszenia, działających sił
Zenovo ST1
Szybko ładowalne baterie w przypadku samochodu o napędzie hybrydowym
Zenovo ST1
Superkondensatorywykorzystujące nanorurki w systemach bezpieczeństwa
2013-11-28
5
Zenovo ST1
Niebrudząca się tapicerka
Nasz świat materialny składa się z atomów. Stwierdził to już około 2400 lat temu grecki myśliciel Demokryt.
Kropla deszczu zawiera ich aż 1.000.000.000.000.000.000.000, ponieważ atomy są maleńkie, – mają rozmiary rzędu jednej dziesiątej nanometra, a nanometr to jedna milionowa milimetra.
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.
historiaZa wykonanie silnika mieszczącego się w sześcianie oboku 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 1960. Jego silnik ważył 250 mikrogramów i miał moc 1 mW.
historia
2013-11-28
6
historia
• Silnik McLellana ważył 250 mikrogramów i składał się z 13 części.
• Prędkość - 2000 rpm; moc 1 mW.
The McLellan micromotor photographed under a microscope. The large blob on top is a pinhead. (Image: Caltech Archives)
Za zmniejszenie strony z książki do rozmiaru w skali 1/25 000. 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:
�Wynalezienie mikroskopu skaningowego
�Wykonanie napisu IBM używając do tego celu 35 atomów;
�Odkrycie fulerenów;
�Odkrycie i badanie właściwości nanorurek
historia
Fizyka kwantowaFizyka materiałowa
Biologia molekularna Chemia
Nanobiotechnologia Nanotechnologia dla chemii i ochrony środowiska
NanomateriałyNanosystemyi urządzenia funkcjonalne
WytwarzanieInformatyka
Nanotechnologia jakodziedzina interdyscyplinarna
Chemicy Fizycy
Biolodzy Informatycy
R&D
Centrum Nanotechnologii
Nanotechnologia jakodziedzina interdyscyplinarna Pomagamy wyobraźni… (?)
Jeślibyśmy powiększyli piłkę tenisową do rozmiarów Ziemi, to tworzące ją atomy miałyby wielkość winogron.
2013-11-28
7
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).
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).
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
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!
Nanotechnologia
2013-11-28
8
Nanorurki węglowe
Nanotechnologia
Biotechnologia
Nanotechnologia
Medycyna
Nanotechnologia
NEMS
Nanotechnologia
MEMS
Nanotechnologia
Pigmenty, „proszki”
Nanotechnologia
2013-11-28
9
iPOD nano
Nanotechnologia
NANO kosmetyki?
Nanotechnologia
NANO?
Nanotechnologia
NANO toaleta?
Nanotechnologia
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 góry do dołu”
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)
Wytwarzanie „z dołu do góry”
2013-11-28
10
Najważniejsze, najbardziej obiecujące struktury w nanotechnologii
Nanorurki i fulereny
Fulereny - związki chemiczne składające się z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę lub elipsoidę.
fulereny
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.
nanorurki nanostruktury
nanostruktury
Być może ludzie otrzymali w postaci nanorurek
najbardziej wytrzymały materiał jaki kiedykolwiek b ędą w stanie
wytworzy ć.
Nanorurki i fulereny wymagają szerszego omówienia...
Nanorurki i fulereny
2013-11-28
11
Co oznacza NANO?
Nano|rurki
Co oznacza NANO?
Nano| - gr. nanos - karzeł
Co oznacza NANO?
Nano| = 0,000000001
Bardzo, bardzo, bardzo mały
Co oznacza NANO?
-|rurki
Co oznacza NANO?
Nanorurkito bardzo, bardzo małe rurki
Co oznacza NANO?Rozmiary wszechświata 1026 mŚrednica Ziemi 106 mWysokość człowieka 100 mRozmiary myszy 10-1 mRozmiary grochu 10-2 mRozmiary mrówki 10-3 mRozmiary roztoczy 10-4 mRozmiary włosa 10-5 mRozmiary komórek 10-6 mRozmiary wirusa 10-8 mRozmiary atomu 10-9 mDNA – średnica helisy 10-9 mPromień jądra atomowego 10-12 m
2013-11-28
12
Rozmiar ma znaczenie
włos 10-5 m wirus 10-8 m
CNT 10-9 m
Rozmiar ma znaczenie
hair 10-5 m virus 10-8 mCNT 10-9 m
10 000 CNT’s
CNT’S
CNT’s – carbon nanotubes
nanorurki węglowe
Węgiel - C
grafit
Węgiel - C
grafit
Rodzaje CNT’s
2013-11-28
13
Chiralność
FotelowaChiralnaZygzakowata
C60(OSO4)(4-tert-butylopirydyna)2
INNE PRODUKTY
Fulerenyegzohedralne
Inne produkty - Fluorowcopochodne
C60Cl6 C70Cl10
Fulereny endohedralne
Heterofulereny
Hipotetyczna stuktura B30N30 oraz C12B24N24
Fulereny giganty
C620 C636
2013-11-28
14
Nanocebulki węglowe
C960@C1500@C2160@C2940
Modele nanorurek
Rozgałęzione nanorurki węglowe nanostruktury
Ogólna klasyfikacja na podstawie Wikipeia.org
Nanorurki Otrzymywanie
energia
energia
energia
2013-11-28
15
PLAZMA PLAZMA
C+
energia
chłodzenie
CNT’s
Średnica : Od 0.6 do 4 nm dla SWNTod 10 do 240 nm dla MWNT
Długość Kilka mikrometrów
SWNT (Single Walled NanoTube)
MWNT (Multi Walled NanoTube )
CNT’s
CNT’s CNT’s
2013-11-28
16
Prawa skalowania
Czy możemy skorzystać z doświadczeń w skali makro?
�Prawa skalowania�Siły powierzchniowe�Zjawiska kwantowe
Prawa skalowania
Prawa skalowania mówią o tym, jak zmieniają się niektóre parametry wraz z miniaturyzacją.
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.
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.
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 czerwonąbarwę.
Prawa skalowania - przykład
Tak właśnie działa prosty w użyciu domowy test ciążowy, wprowadzony na rynek w 1985 r. przez firmę Tambrands.
2013-11-28
17
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?
Prawa skalowania
Prawa skalowania 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
Na podst. http://fathom.lib.uchicago.edu/2/21701757/
Prawa skalowania
• Dotyczy wszystkich przypadków
Prawa skalowania
Prawa skalowaniaWielkość sił napięcia powierzchniowego jest proporcjonalna do długości obwodu „zwilżonego”. Owady do ślizgania się po powierzchni sadzawki potrzebują długich a nie wielkich nóg.
Prawa skalowania
Siły lepkości są proporcjonalne do powierzchni kontaktu, gekony potrzebują szerokich, płaskich stóp pokrytych milionami małych haczyków, aby móc chodzić po suficie.
2013-11-28
18
…a’ propos Gekona …a’ propos Gekona
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.
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.
The Incredible Shrinking Man (1957)
Prawa skalowania Prawa skalowania
� 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.
� Jeśli zwierze zmienia swoją wielkość, jej zmiana wiąże się ze zmianą innych współczynników w różny sposób.
2013-11-28
19
Prawa skalowania
� 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.
� Masa jego ciała zmniejszyła się 70*70*70 = 350000 razy
Prawa skalowania
Pierwszym problemem dla bohatera jest utrzymanie temperatury ciała (nawet w ubraniu) w sytuacji, gdy proporcja powierzchni skóry do objętości ciała wzrosła 70 razy.
Prawa skalowania
Na szczęście powierzchnia jego płuc zmniejszyła się tylko około 5000 razy, tak więc zaopatrzenie w tlen jest na bardzo dobrym poziomie.
Prawa skalowania
Ze względu jednak na konieczność utrzymania temperatury ciała i zapewnienie odpowiedniej ilości energii, musiałby zjeść dziennie pokarmu na poziomie swojej wagi.
Prawa skalowaniaMiałby kłopoty ze spaniem, bo przy normalnym śnie mógłby w tym czasie umrzeć z głodu.
Najlepiej by zrobił, gdyby jadł przez całe 24 godziny. Chyba, że udało by mu się obniżyć temperaturę swojego ciała.
Prawa skalowania
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 baaaardzo spragniony.
…a’ propos picia
2013-11-28
20
Prawa skalowania
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!
Prawa skalowania
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 podnosic przedmioty o wadze 50 razy większej niż jej własna waga.
Tak więc w rzeczywistości… biedny pająk… �
A co ze schodzeniem?
Prawa skalowaniaW innym filmie o zmniejszaniu mali ludzie męczą się aby dostać się na meble. A przecież mogliby po prostu … wskoczyć.
Prawa skalowania
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!!!
Prawa skalowania
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.
Prawa skalowania
Jak to jednak mówią, to nie spadanie rani, ale upadek. Spadający obiekt nabiera energii kinetycznej Ek=1/2mv2. 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.
2013-11-28
21
Prawa skalowania
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 ulrtafiloletowe posiada 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.
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.
Prawa skalowania 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
Prawa skalowania
Oczywiście prawa skalowania nie rozwiązują wszystkich problemów.
W nanoskali dużą rolę grają zjawiska kwantoweoraz atomowe interakcje zachodzące na powierzchniach stykających się nanostruktur oraz ruchy termiczne.
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
2013-11-28
22
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
Inne zjawiskaPRAWA SKALOWANIA
Zjawiska powierzchniowePrzy manipulacjach powoduje „sklejanie się” strukturMożna syntezować elementy poruszające się względem siebie bez tarcia.
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 elektronowapozwala uzyskać ścieżki o szerokości 50 nm i grubości kilku nanometrów
Gęstość 1,33-1,40 g/cm3 Gęstość aluminium 2,7 g/cm3
Wytrzymałość nazginanie
45 GP Odporne na rozciąganie gatunki stali pękają przy około 2 GP
Wytrzymałość na rozciąganie
Można je zginać pod dużym kątem i prostować bez uszkodzenia
Metale i włókna węglowe pękają na granicach ziaren
WłaściwościParametrParametrParametrParametr SWNTSWNTSWNTSWNT DLA PORÓWNANIADLA PORÓWNANIADLA PORÓWNANIADLA PORÓWNANIA
Obciążalność prądem elektrycznym
Szacuje się 1 GA/cm2 Drut miedziany przepala się przy prądzie o gęstości około 1 MA/cm2
Emisja polowa Wystarczająca do pobudzenia luminoforu w odległości 1 µm po przyłożeniu napięcia 1-3V
Ostrza molibdenowe wymagają pola o natężeniu od 50-100 V/µm, a ich czas życia jest dość krótki.
Przewodność cieplna Przewiduje się, że w temperaturze pokojowej sięga 6000 W/mK
Przewodność cieplna niemal czystego diamentu wynosi 3320 W/mK
Odporność na temperaturę Stabilne do 2800oC w próżni i 750oC w powietrzu
Ścieżki metalowe w układach scalonych topią się w temperaturze 600-1000oC
Właściwości
2013-11-28
23
Otrzymywanie fulerenów:
Aktywacjalaserem
Metodaelektrołukowa
Metodapłomieniowa
Inne
Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów
Aktywacja laserem
Schemat otrzymywania fulerenów:
Sublimacjasubstancji„węglowej”
Kondensacjagazu
węglowego
Ekstrakcja
Metoda grzania oporowego
Kratschmer-Huffman
He 13,3kPa
Metoda elektrołukowa
-zasilanie prądem zmiennym-45% fulerenów w tym 85% C60-odległość między elektrodami 1mm
Optymalne warunki (wg Wydziału Chemi UW)Gaz buforowy – Hel 13,3 kPa średnica elektrod 6mm
Wady i zalety metody elektrołukowej
+ prostota+ wydajność
- wysoka energochłonność- brak ciągłości w procesie
2013-11-28
24
Metoda płomieniowa
Odkrycie HowardaPodczas spalania acetylenu lub
benzenu w tlenie,w sadzy znaleziono fulereny.
Proces typowego spalania
w specyficznychwarunkach
Sadza z zawarto ścią
fulerenów (20%)
Niskie ciśnienie (10kPa)Stosunek C/O = 0.989
Rozcieńczenie reagentów helem
Inne metody otrzymywania
Plazma węglowaPiec słonecznyPiroliza 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/cm2
Argon 500 Torr
Piroliza węglowodorów
Węglowodoryzawierającepierścienie
penta-i heksagonalne
Wysokatemperatura
Różneprodukty,
w tym fulereny
+ =
Naftaleni koranulen
1000ºC 1% w sadzy
otrzymywanie
łuk elektrycznymetody katalityczne
(chemical vapor deposition)CVD
inne
•węgiel w postaci stałej •katalizator
•węgiel w postaci stałej lubgazowej CH4, CO, C2H2•katalizator
•elektroliza wysokotemperaturowa•piroliza termiczna•piec słoneczny
z plazmą z laserem
PECVDPlasma Enhanced
Chemical Vapour Deposition
LCVDLaser-assisted
Chemical Vapour Deposition
2013-11-28
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
2013-11-28
26
Vapor Jet
I=100A, 1.5mm gap, He 200hPa
Depozyt katodowy
Schemat fraktalnej mofrologii depozytu katodowego Modyfikacje metody elektrołukowej
o 500 Torr Hel 100A � 25% anody przemienia się w nanorurki
o 20 Torr Metan 30A � więcej nanorurek w depozycie
o 100 Torr Wodór 90A � wysoka jakość nanorurek
Ale dlaczego powstaj ą tylko nanorurki wieloscienne ?
Metoda elektrołukowa – nanorurki jednościenne
Elektrodagrafitowa
z pewnymimetalami.
Nanorurkijednościenne.Metoda
elektrołukowa
Odkrycie Iijim i Ichidashi
Nanorurki jednościenne
2,5100660HeY, B
1,3 – 1,770600HePt
1,295-105100-500HeCo
0,7 – 1,620010-40ArFe
Średnica nanorurek [nm]
Natężenie[A]
Ciśnienie[Torr]
GazKatali-zator
2013-11-28
27
Metoda katalityczna
Czyli katalityczny rozkład węglowodorów...
Gazy zawieraj ące
węgiel
Gorącapowierzchnia
metalu+ =
Np. katalityczny rozkład acetylenu w temperaturze 970K pod ciśnieniem atmosferycznym. Katalizator: Fe, Ni, Cu lub Co
WADY: Czas reakcji 5h, zanieczyszczenia wewnątrz nanorurek
Metoda CVD
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
Napełnianie nanorurek
Atmosferaz zawartością
niektórych metaliNanodruty
Hel z dodatkiemFe(CO)5
Nanoruka wypełnionażelazem
Użycie lasera
Prof. Smalley
Inne metody
Plazma węglowaPiec słonecznyPiroliza termicznaWysokotemperaturowa elektroliza soli
2013-11-28
28
Wysokotemperaturowa elektroliza soli
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.
Podpatrywanie nano
podsumowanie
WŁA ŚCIWOŚCIFIZYCZNE
- materiały smarujące- włókna
wysokowytrzymałe- membrany
molekularne- cienkie
warstwy,diamenty- materiały ścierne- kontenery
cząsteczkowe
WŁA ŚCIWO ŚCICHEMICZNE
- katalizatory- reagenty organiczne- fotosensybilizatory- preparaty
farmaceutyczne- baterie
wysokoenergetyczne
WŁA ŚCIWO ŚCIELEKTRYCZNE IOPTYCZNE- czujniki akustyczne- półprzewodniki- nieliniowe urządzenia
optyczne- nadprzewodniki- przetworniki
elektrooptyczne
ZASTOSOWANIA
2013-11-28
29
Zastosowania
• Elektronika
• Medycyna
• Przemysł zbrojeniowy
• Przemysł samochodowy
• Budownictwo
• Inżynieria materiałowa
• Przemysł spożywczy
• Przemysł kosmetyczny
• Energetyka
• Mechatronika
• …..
Prawo Moore’a
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.
Prawo moore’a
• Praca w temperaturze pokojowej
• Parametry zbliżone do osiąganych w elementach krzemowych
• Mniej zużywanej energii
TRANZYSTOR POLOWY Zastosowania
• Nano chipy komputerowe będą tak małe, że w jednym ziarnku piasku będzie moc obliczeniowa 100 dzisiejszych stacji roboczych.
2013-11-28
30
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
Nanotechnologiczny e-papier
Specjaliści amerykańscy w dziedzinie nanotechnologii stworzyli i zaprogramowali robota wielkości jednej molekuły, mogącego samodzielnie przemieszczać się w dwuwymiarowej przestrzeni.
nanoroboty
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).
nanosoccer
http://www.nist.gov/pml/semiconductor/soccer_111208.cfm
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-Nano Struktury 3) Kapsułkowanie leków / Nośniki 4) Obrazowanie molekularne 5) Biofotonika6) Biokompatybilne implanty 7) Biomembrany 8) Biomolekularne czujniki 9) Bioprocesory10) Lab-on-Chip11) Funkcjonalne molekuły: przełączniki, pompy, nośniki farmakologiczne
2013-11-28
31
Zastosowania
• Fluorescencyjne proteiny lub toksyczne selenidy kadmu stosowane jako markerypodczas 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 nanourz ądzenia , które same będą mierzyły poziom cukru, cholesterolu, częstość uderzeń serca czy aktywność elektryczną mózgu?
http://urodaizdrowie.pl/nanorewolucja-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?
Nanotechnologia w medycynie
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
http://www.youtube.com/watch?v=VRMEtCCDR_Ehttp://www.polytec.com/us/applications/life-sciences-biomedical/medical-technology/
Polytec’s Micro System Analyzer –
Proteus (Australia)Wizja replikatora DNA
http://refurbishednanolaser.com/dna-repair-nanorobot
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@C60)
Zastosowania w medycynie
2013-11-28
32
Zastosowanie
Nanopianka węglowa jest widoczna w badaniu NMR (rezonans magnetyczny), może znaleźć zastosowanie jako środek kontrastujący przy 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.
http://www.nanoker-society.org/index.aspx?ID_Page=225
Zastosowanie
Nanoceramika jest bardziej wytrzymała mechanicznie, elektrycznie, itd., lecz również bardziej ciągliwa od zwykłej, ułatwiając obróbkę i kształtowanie elementów, a nawet uzyskanie właściwości superplastycznych.
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.
Zastosowania
2013-11-28
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.
http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/172669
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. 10 000°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.
http://www.goldenline.pl/forum/160855/beton-architektoniczny-scc
Zastosowania w budownictwieNanometric 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 temu jest ona twardsza na zewnątrz, a wewnątrz bardziej elastyczna.Zastosowania farby fasadowej pozwala na uzyskanie gładkiej powierzchni (podobnie jak np. powierzchnia szyby) nie zatrzymującej brudu. Występują w niej mikroskopijne pory umożliwijające swobodną dyfuzję pary wodnej (oddychanie ścian).
http://www.budownictwo.org/artykuly,2339,1,Nanotechnologia_na_swieciewww.dekoralprofessional.pl
2013-11-28
34
nanomaszyny nanowaga
mechatronika
filtry czujniki
nano termometry
czujniki nano dragań
detektory gazu
czujniki podczerwieni
nano penceta
superkondensatory
Zasobniki energii w polu elektrycznym
zamiast reakcji chemicznych - baterie
Elektrody z węgla aktywnego (carbon aerogel)
– powierzchnia 400-1000 m2/g
Elektrody z nanorurek CNTs wielokrotny wzrost powierzchni czynnej
Polimer jako izolator (wysoki redox)
superkondensatoryZalety: - zdolność do gromadzenia dużych wartości energii, - krótki czas ładowania - rozładowania, - trwałość nawet 1 000 000 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.
http://maintenance.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=164
Przechowywanie Wodoru
Zalety:
� Łatwa produkcja
� Łatwy transport
� Wszechstronność stosowania
� Przyjazność dla środowiska
� Spala się do wody
� Łatwa regenerowalność
http://www.greener-industry.org.uk/pages/greener_cars/5_greener_cars_PM2.htm
