Cz. 1 Cz. 2 Cel wykładu literatura
advertisement
2013-11-28 Wprowadzenie do współczesnej inżynierii Wprowadzenie do współczesnej inżynierii dr inż. Grzegorz Raniszewski p. 121c + LSN (piwnica) [email protected] www.raniszewski.imsi.pl dr inż. Grzegorz Raniszewski p. 121c + LSN (piwnica) wtorek – godz. 10.00-11.00 czwartek– godz. 11.00-12.00 1 Cz. 1 2 Cz. 2 Nanotechnologie Metody wytwarzania Prawa skalowania Właściwości Metody mikroskopowe w inżynierii nanomateriałów Zastosowania Co to jest CFD? Do czego służy CFD? Algorytm tworzenia siatki. Algorytm tworzenia symulacji. Przykłady zastosowań. Przykłady oprogramowania. Zaliczenie 3 Cel wykładu 4 literatura Przedstawienie w przystępny sposób stanu wiedzy z dziedziny nanotechnologii, jako nauki interdyscyplinarnej. 1 2013-11-28 LITERATURA 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 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 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. 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 Lżejsze i bardziej wytrzymałe opony z dodatkami nanocząstek Zenovo ST1 Zenovo ST1 2 2013-11-28 Katalizatory i nanomembrany dla zwiększenia wydajności spalania i wydłużenia czasu życia silnika Zenovo ST1 Ceramika z ulepszonymi katalizatorami dla redukcji emisji zanieczyszczeń Zenovo ST1 Warstwa uniemożliwiająca zaparowanie szyby. Nanododatki dla zwiększenia odporności lakieru na zarysowania Zenovo ST1 Zenovo ST1 Warstwa uniemożliwiająca osadzanie się wody podczas deszczu. Nanokompozyty w konstrukcji wzmacniają ramę szkieletu. Zenovo ST1 Zenovo ST1 3 2013-11-28 Dzięki ogniwom fotowoltaicznym można uzyskać dodatkową energię Nanokompozyty w konstrukcji „odchudzają” zbędne kilogramy w samochodzie Zenovo ST1 Zenovo ST1 Energooszczędne wyświetlacze o dużym kontraście wykorzystują nanotechnologie. Zenovo ST1 Zenovo ST1 Szybko ładowalne baterie w przypadku samochodu o napędzie hybrydowym Zenovo ST1 Dziesiątki nanoczujników – m.in. temperatury, powietrza, ciśnienia, przyspieszenia, działających sił Superkondensatory wykorzystujące nanorurki w systemach bezpieczeństwa Zenovo ST1 4 2013-11-28 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 1.000.000.000.000.000.000.000, ponieważ atomy są maleńkie, – mają rozmiary rzędu jednej dziesiątej nanometra, a nanometr to 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 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. 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 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 1960. Jego silnik ważył 250 mikrogramów i miał moc 1 mW. Na koniec ustanowił dwie nagrody (zwane Nagrodami Feynmana) po tysiąc dolarów każda. 5 2013-11-28 historia historia Za zmniejszenie strony z książki do rozmiaru w skali 1/25 000. Strona taka mogłaby być przeczytana tylko mikroskopem elektronowym. 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 - 2000 rpm; moc 1 mW. 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. Nanotechnologia jako dziedzina interdyscyplinarna historia Największe wydarzenia nanotechnologii: Nanosystemy i urządzenia funkcjonalne Wynalezienie mikroskopu skaningowego Wykonanie napisu IBM używając do tego celu 35 atomów; Fizyka materiałowa Fizyka kwantowa Informatyka Nanomateriały Wytwarzanie Odkrycie fulerenów; Odkrycie i badanie właściwości nanorurek Nanobiotechnologia Biologia molekularna Nanotechnologia jako dziedzina interdyscyplinarna Nanotechnologia dla chemii i ochrony środowiska Chemia Pomagamy wyobraźni… (?) Jeślibyśmy powiększyli piłkę tenisową do rozmiarów Ziemi, to tworzące ją atomy miałyby wielkość winogron. Chemicy Fizycy R&D Biolodzy Informatycy Centrum Nanotechnologii 6 2013-11-28 Technologia 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. (definicja ogólna) Zestawienie przebiegu operacji (instrukcje, wykresy, rysunki), które należy wykonać, aby otrzymać określony produkt. Jedna kropla wody zawiera około 10 tysięcy miliardów miliardów atomów wodoru i tlenu, tworzących 3333 miliardy miliardów cząsteczek wody (H2O). Nanotechnologia Nanotechnologia (definicja ogólna) Otrzymywanie i kontrola Nanotechnologia – to nazwa zbioru technik i sposobów tworzenia struktur o rozmiarach rzędu nanometrów (od 0,1 do 100 nanometrów). 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! 7 2013-11-28 Nanotechnologia Nanotechnologia Nanorurki węglowe Biotechnologia Nanotechnologia Nanotechnologia NEMS Medycyna Nanotechnologia Nanotechnologia MEMS Pigmenty, „proszki” 8 2013-11-28 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 2013-11-28 Nanorurki i fulereny Najważniejsze, najbardziej obiecujące struktury w nanotechnologii nanorurki fulereny Fulereny - związki chemiczne składające się z kilkudziesięciu, kilkuset a nawet ponad tysiąca atomów węgla, tworzące zamkniętą, regularną, pustą w środku kulę lub elipsoidę. nanostruktury 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. 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 2013-11-28 Co oznacza NANO? Co oznacza NANO? Nano|rurki Nano| - gr. nanos - karzeł Co oznacza NANO? Co oznacza NANO? Nano| = 0,000000001 -|rurki Bardzo, bardzo, bardzo mały Co oznacza NANO? Nanorurki to bardzo, bardzo małe rurki 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 1026 m 106 m 100 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 10-12 m 11 2013-11-28 Rozmiar ma znaczenie włos 10-5 m Rozmiar ma znaczenie wirus 10-8 m CNT 10-9 m 10 000 CNT’s hair CNT’S CNT’s – carbon nanotubes nanorurki węglowe Węgiel - C 10-5 m CNT 10-9 m virus 10-8 m Węgiel - C grafit Rodzaje CNT’s grafit 12 2013-11-28 INNE PRODUKTY Chiralność Fulereny egzohedralne Fotelowa Chiralna Zygzakowata C60(OSO4)(4-tert-butylopirydyna)2 Inne produkty - Fluorowcopochodne Fulereny endohedralne C70Cl10 C60Cl6 Heterofulereny Fulereny giganty C620 C636 Hipotetyczna stuktura B30N30 oraz C12B24N24 13 2013-11-28 Nanocebulki węglowe Modele nanorurek C960@C1500@C2160@C2940 Rozgałęzione nanorurki węglowe nanostruktury Ogólna klasyfikacja na podstawie Wikipeia.org Nanorurki Otrzymywanie energia energia energia 14 2013-11-28 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 2013-11-28 Prawa skalowania Czy możemy skorzystać z doświadczeń w skali makro? Prawa skalowania Prawa skalowania mówią o tym, jak zmieniają się niektóre parametry wraz z miniaturyzacją. Prawa skalowania Siły powierzchniowe Zjawiska kwantowe Prawa skalowania - przykład 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. 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. Prawa skalowania - przykład 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. 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. Tak właśnie działa prosty w użyciu domowy test ciążowy, wprowadzony na rynek w 1985 r. przez firmę Tambrands. 16 2013-11-28 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. Prawa skalowania Prawa skalowania • Zmiana długości o L • Zmiana powierzchni proporcjonalna do L*L • Zmiana objętości proporcjonalna do L*L*L • Dotyczy wszystkich przypadków Na podst. http://fathom.lib.uchicago.edu/2/21701757/ 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. Prawa skalowania Siły lepkości są proporcjonalne do powierzchni kontaktu, gekony potrzebują szerokich, płaskich stóp pokrytych milionami małych haczyków, aby móc chodzić po suficie. 17 2013-11-28 …a’ propos Gekona …a’ propos Gekona Prawa skalowania 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. Siły które mogą być wytworzone przez mięśnie lub wytrzymałość kości są w każdym przypadku proporcjonalne do ich przekroju poprzecznego. Waga zwierząt zależy od objętości. 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. The Incredible Shrinking Man (1957) Jeśli zwierze zmienia swoją wielkość, jej zmiana wiąże się ze zmianą innych współczynników w różny sposób. 18 2013-11-28 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. 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. Masa jego ciała zmniejszyła się 70*70*70 = 350000 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 Miałby 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 jednak na konieczność utrzymania temperatury ciała i zapewnienie odpowiedniej ilości energii, musiałby zjeść dziennie pokarmu na poziomie swojej wagi. 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 19 2013-11-28 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… Prawa skalowania W 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!!! A co ze schodzeniem? 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. 20 2013-11-28 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? 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 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. Prawa skalowania 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 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 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 2013-11-28 Prawa skalowania – 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. Właściwości Właściwości Parametr SWNT DLA PORÓWNANIA Parametr SWNT DLA PORÓWNANIA Obciążalność prądem elektrycznym Szacuje się 1 GA/cm2 Rozmiar Średnica 0,6 – 1,8 nm Fotolitografia elektronowa pozwala uzyskać ścieżki o szerokości 50 nm i grubości kilku nanometrów 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 13V 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 Gęstość 1,33-1,40 g/cm3 Gęstość aluminium 2,7 g/cm3 Wytrzymałość na zginanie 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 Odporność na temperaturę Stabilne do 2800oC w próżni i 750oC w powietrzu Ścieżki metalowe w układach scalonych topią się w temperaturze 600-1000oC 22 2013-11-28 Otrzymywanie fulerenów: Aktywacja laserem Metoda elektrołukowa Plazma węglowa Metoda płomieniowa Piec słoneczny Aktywacja laserem Inne Piroliza węglowodorów Schemat otrzymywania fulerenów: Metoda grzania oporowego Kratschmer-Huffman Sublimacja substancji „węglowej” 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 2013-11-28 Metoda płomieniowa Inne metody otrzymywania Odkrycie Howarda Podczas spalania acetylenu lub benzenu w tlenie, w sadzy znaleziono fulereny. Niskie ciśnienie (10kPa) Stosunek C/O = 0.989 Rozcieńczenie reagentów helem Proces typowego spalania w specyficznych warunkach Sadza z zawartością fulerenów (20%) Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza węglowodorów Plazma węglowa Piec słoneczny (z wyłączeniem łuku) - odparowywanie próbek różnych węgli w plaźmie indukcyjnej (30kW, 400Hz) w helu po ciśnieniem 15 hPa, temperatura 2800K Gęstość energii: 2000 W/cm2 - plazma węglowa z par naftalenu pod ciśnieniem atomosferycznym w atmosferze azotowej w temperaturze 4500K Argon 500 Torr otrzymywanie Piroliza węglowodorów łuk elektryczny Węglowodory zawierające pierścienie pentai heksagonalne Naftalen i koranulen + Wysoka temperatura 1000ºC = Różne produkty, w tym fulereny metody katalityczne (chemical vapor deposition) CVD inne •węgiel w postaci stałej •węgiel w postaci stałej lub •elektroliza •katalizator gazowej CH4, CO, C2H2 wysokotemperaturowa •katalizator •piroliza termiczna •piec słoneczny 1% w sadzy z plazmą PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition z laserem LCVD Laser-assisted Chemical Vapour Deposition 24 2013-11-28 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 2013-11-28 Vapor Jet Depozyt katodowy I=100A, 1.5mm gap, He 200hPa Schemat fraktalnej mofrologii depozytu katodowego Modyfikacje metody elektrołukowej o 500 Torr Hel 100A 25% anody przemienia się o 20 Torr Metan 30A więcej nanorurek w depozycie o 100 Torr Wodór 90A wysoka jakość nanorurek w nanorurki Ale dlaczego powstają tylko nanorurki wieloscienne ? Metoda elektrołukowa – nanorurki jednościenne Elektroda grafitowa z pewnymi metalami. Metoda elektrołukowa Nanorurki jednościenne. Nanorurki jednościenne Ciśnienie Natężenie [Torr] [A] Katalizator Gaz Fe Ar 10-40 200 0,7 – 1,6 Co He 100-500 95-105 1,2 Pt He 600 70 1,3 – 1,7 Y, B He 660 100 2,5 Średnica nanorurek [nm] Odkrycie Iijim i Ichidashi 26 2013-11-28 Metoda CVD 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 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 Użycie lasera Napełnianie nanorurek Atmosfera z zawartością niektórych metali Nanodruty Hel z dodatkiem Fe(CO)5 Nanoruka wypełniona żelazem Inne metody Prof. Smalley Plazma węglowa Piec słoneczny Piroliza termiczna Wysokotemperaturowa elektroliza soli 27 2013-11-28 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, spektroskopowe i dyfrakcyjne, dzieki którym możliwy jest szeroki wgląd w strukturę materii. podsumowanie ZASTOSOWANIA WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI CHEMICZNE - materiały smarujące - włókna wysokowytrzymałe - membrany molekularne - cienkie warstwy,diamenty - materiały ścierne - kontenery cząsteczkowe - katalizatory reagenty organiczne fotosensybilizatory preparaty farmaceutyczne - baterie wysokoenergetyczne WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE I OPTYCZNE - czujniki akustyczne - półprzewodniki - nieliniowe urządzenia optyczne - nadprzewodniki - przetworniki elektrooptyczne 28 2013-11-28 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 Zastosowania • Praca w temperaturze pokojowej • Parametry zbliżone do osiąganych w elementach krzemowych • Mniej zużywanej energii • Nano chipy komputerowe będą tak małe, że w jednym ziarnku piasku będzie moc obliczeniowa 100 dzisiejszych stacji roboczych. 29 2013-11-28 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 nanoroboty 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. http://www.nist.gov/pml/semiconductor/soccer_111208.cfm 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) Biofotonika 6) Biokompatybilne implanty 7) Biomembrany 8) Biomolekularne czujniki 9) Bioprocesory 10) Lab-on-Chip 11) Funkcjonalne molekuły: przełączniki, pompy, nośniki farmakologiczne 30 2013-11-28 Zastosowania Nanotechnologia w medycynie • 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. 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? 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 Polytec’s Micro System Analyzer – Proteus (Australia) http://www.youtube.com/watch?v=VRMEtCCDR_E http://www.polytec.com/us/applications/life-sciences-biomedical/medicaltechnology/ Zastosowania w medycynie wchłanianie i neutralizacja wolnych rodników blokowanie centrów aktywnych enzymów leczenie HIV destrukcyjne działanie na komórki rakowe nanometryczne kapsułki Wizja replikatora DNA http://refurbishednanolaser.com/dna-repair-nanorobot Zastosowania w medycynie czynniki kontrastujące w rezonansie magnetycznym radionuklidy - nośniki promienitwórcze przydatne w diagnostyce (Tc@C60) 31 2013-11-28 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 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 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 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. 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 2013-11-28 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. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/172669 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 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 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 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 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_swiecie www.dekoralprofessional.pl 33 2013-11-28 nanomaszyny nanowaga mechatronika filtry czujniki superkondensatory Zasobniki energii w polu elektrycznym zamiast reakcji chemicznych - baterie czujniki podczerwieni czujniki nano dragań detektory gazu nano penceta nano termometry Elektrody z węgla aktywnego (carbon aerogel) – powierzchnia 400-1000 m2/g Elektrody z nanorurek CNTs wielokrotny wzrost powierzchni czynnej Polimer jako izolator (wysoki redox) Przechowywanie Wodoru superkondensatory Zalety: - 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. 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 http://maintenance.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=164 34
