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
[email protected]@[email protected]
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 ([email protected])
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
Download