SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ

Transkript

SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE
VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ - 1
doc. Dr. Ing. Miroslav Černík, CSc.
Podpora přednášky kurzu Vyspělé technologie
Nanomateriály a
jejich aplikace
Miroslav Černík
13.12.2012
funkcionalizace nano
1
Technická univerzita v Liberci
Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace
13.12.2012
2
13.12.2012
3
13.12.2012
4
Definice nano
Můžeme nalézt různé definice nano (i velikostně).
„nejpovolanější“ je (samozřejmě) EK z 18.10.2010:
A natural, incidental or manufactured material containing
particles, in an unbound state or as an aggregate or as an
agglomerate and where, for 50 % or more of the particles in
the number size distribution, one or more external
dimensions is in the size range 1 nm - 100 nm.
Přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší produkt
nebo materiál vyrobený obsahující částice v nesloučeném
stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je 50 %
nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více
vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1 nm - 100 nm.

13.12.2012
5
Size matters
Menší rozměry:
• molekuly 0,5 – 1 nm
• pory zeolitů 1 nm
Větší rozměry:
• živé buňky (kvasinky 10 um)
• lidský vlas 50 um
• červená krvinka 2-5 um
Srovnatelné:
• Viry, makromolekuly (DNA,
bílkoviny), elektronika?
13.12.2012
6
Podrobnosti



Definice pro zdravotní opatření podle Scientific
Committee on Emerging and Newly Identified Health
Risks (SCENIHR)
Horní limit – obecně přijímán (nemá racionální základ)
Dolní limit – obecně nepřijímám – fullereny, grafeny,
nanotrubičky mají 1 rozměr menší – jsou nanomateriály
Zdroj: wikipedia.org
13.12.2012
7
Podrobnosti



50% - obecně neplatí (zdravotní posouzení 1-50%)
Alternativní pohled na 50% (v definici): pokud má nějaký
materiál specifický povrch > 60 m2/cm3 je to
nanomateriál.
V prosinci 2014 provede EK revizi definice!!
zdroj.: Pechoušek UPOL
13.12.2012
8
Richard Feynman





„nano“- z řečtiny malost, trpaslictví
příroda pracuje na úrovni atomů
a molekul a je prostor
pro manipulaci s nimi
Encyklopedie Britanica
(24sv.  hlavička špendlíku,
písmena 1/25000)
Feynmanova cena
za nanotechnologie
Size matters!
Richard Feynman (1959):
„There is plenty of room
at the bottom“
Tam dole je spousta místa!
13.12.2012
9
13.12.2012
10
Nano Nobelovy ceny
• Physics: A. Geim and Konstantin (2010) Graphene sheet
• Chemistry: O. Shimomura, M. Chalfie, and R. Tsien (2008) GFP
• Physics: A. Fert, P. Grünberg (2007)
• Chemistry: G. Ertl (2007)
• Physics: Alferov, Kroemer, Kilbey (2000) integrated circuit
• Physics: Laughlin, Störmer, Tsui (1998)
• Chemistry: Kroto, Smalley, Curl (1996) fullerenes
• Medicine: Neher, Sakmann (1991) ion channels in cells
• Physics: Ruska, Binnig, Rohrer (1986) SEM and STM
• Physics: von Klitzing (1985) Hall effect
• Physics: Anderson, Mott, van Vleck (1977)
• Physics: Esaki, Giaever, Josephson (1973) Tunnel effect
• Medicine: Crick, Watson and Wilkins (1962) DNA
•Physics: Shockley, Bardeen, Brattain (1956) Transistor
•Chemistry, R. Zsigmondy (1925), colloids
13.12.2012
11
13.12.2012
12
13.12.2012
13
13.12.2012
14
Současné a budoucí aplikace

Nanoelektronika – dnes 32 22 nm technologie



Automobily – dnes barvy na karosérie




Nanotrubičky v karosériích pro vyšší pevnost
Nanokovové keramické katalyzátory – emise
Palivové články H2 a baterie (elektromobily?)
Spotření zboží – kosmetika (krémy na opalování)


Spínače, optické prvky, kondenzátory, odpory, gyroskopy…..
Detektory látek – chem, bio
Samočistící oděvy, oděvy vyrábějící proud,
Medicína, farmacie – sekvenování genů (nanotechnologie)



13.12.2012
In vitro nano manipulátory k opravě poškozených tkání
Cílená aplikace léčiv – nanočástice
Povrchová úprava umělých orgánů – životnost, akceptace
15
Nejstarší: Fullereny





Grafit – 2D struktury
Diamant – 3D struktura
Fullereny objeveny 1985
Nobelova cena 1996
C-60 struktura
13.12.2012
16
poznámka



Richard Buckminster Fuller
Buckyballs,
Fullereny
13.12.2012
17
Vlastnosti fullerenů






C-60 až C-70
Velikost ~1 nm
Příprava pyrolýzou (laserem)
Pevnost: měkké jak graphite 
pod tlakem roste pevnost (↑diamand) a
Zdroj:wikipedia.org
kompresibilita (↑diamand) – nejpevnější známy
material (nanodiamand)
Polovodič  v dutině atomy kovů (Metalofullereny) 
alkalické kovy  vodič až supravodič
Rozpustné v aromat. rozpouštědlech (toluen)
13.12.2012
18
Chemické vlastnosti fullerenů


Každý atom C má 4 elektrony 
konjugované dvojné vazby a
nízkoenergetický neobsazený orbital 
snadný záchyt elektronů z volných
radikálů
(radikály? molekuly, ionty, atomy s
neparovým elektronem Cl·)
Zdroj:wikipedia.org
• Snadná hydrogenace (redukce)  C60H18, C60H36 – ztráta
stability, úplná hydrogenace není možná
• Obtížná oxidace
• Možná halogenace, rekord C60F48 (teoreticky možná a
vypočtená plná fluorizace!)
13.12.2012
19
Aplikace







Příklad: antioxidanty (zachytávají radikály 100x účinnější
než vitamín E)
– buňky, konzervace potravin, křehnutí plastů,
protikorozní ochrana kovů
Medicína: Alzheimerova choroba (radikálové poškození
nervových buněk) , podobně proti HIV
Transport látek v těle (např. LaC2) uvnitř C60 neoxiduje
vodou a kyslíkem
Alkalické metalofullereny  katalytické vlastnosti Pt
Palivové články – ukládání H2
fotovoltaika
13.12.2012
20
C-nanotrubičky (nanotubes)









Tvořeny miliony atomů
Kovové vlastnosti > Cu
Polovodiče ~ Si
Vodiči tepla ~ diamant
Stálé do 1000 K
C-vazby
100x pevnější > Fe vlákna, 6x lekčí
Kvantové dráty (vodivé, lehké, nulová
tep. vodivost)
Obecně: Cena = 300 $/g  10$/kg
13.12.2012
21
příprava


Teplota (1000 – 6000 K)
C z grafitu (sublimace)



13.12.2012
Laserová ablace
Elektrický oblouk
solární energie
22
Výsledek laserové ablace



Bez katalyzátoru: MWNT nanotrubičky, 300 nm dlouhé
Množství a vlastnosti ~ T, příměsích  Ni, Co  SWNT
Tyčovité útvary – 5-20 nm x n.10-n.100 nm dlouhé
13.12.2012
23
Příprava v elektrickém oblouku





Vypařování C v inertní atmosféře
(Ar,He)
Katalyzátory (Fe, Ni, Co, Y, B, Gd)
Oblouk  plasma (C, Ar, Metal)
SWNT na katodě
 SWNT, MWNT, C60, PA, amorf.
Vlákna,
13.12.2012
24
Solární příprava






Původně k C60
Stejný princip- Ar, Me, C
400 K
Produkce 0.1-0.5 g/h
100 g/h (bud.)
Mix SWNT, MWNT
13.12.2012
25
Chemické vlastnosti NT





Zajímavé – struktura stálá na bázi atomů! (norm.
podmínek!)
Měrný povrch až 2700 m2/g (prakticky vazby
400 m2/g) !
Jedinečné sorpční vlastnosti: plyny v porech,
povrchu, mezi paralelními trubičkami a na
kontaktu trubiček (groove = rýha)
Modifikované trubičky: C subst. B, N  izolátor
Plněné SWNT: Pb, Bi, TiC,
YC2 (prvky),
Bi, B, Al, Te (nanočástice)
13.12.2012
26
Funkcionalizace NT

Chemická oxidace: C-OH (hydroxyl), C=0 (karbonyl),
COOH (karboxylic)




Plyn: Vyšší teplota + vzduch, O2, CO2 – TGA analýza
Aq: kys. Dusičná, dvojchroman, peroxid, hypermangan
 Zvýšení rozpustnosti (chloroform, aromatická rozp.)
Vazba jiných látek (např. Fluorinace)
13.12.2012
27
Aplikace NT






Carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs) –
dig. přepínač 1 elektronu (IBM 2001); paměti, obvody…
Drobné vodiče > Cu,Al
Baterie šířky listu papíru – NT elektrody
H2 storage – levnější než chlazení a zkapalnění
Medicína - umístění v blízkosti nádorů a vlnové ohřátí
katalyzátory
13.12.2012
28
Aplikace NT




Chem. vlastnosti NT, C60, grafitu jsou si podobné
Odlišnost od PAH – tvar, struktura, rozměry
Mikroskopie – SPM, CPM
plošné zářice –TV, monitory (Samsung 1999)
13.12.2012
29
Aplikace NT -adsorpce


Chemické senzory – detekce plynů (NO2, NH2, O2, CO2)
Skladování a separace plynů – hlavně H2






13.12.2012
NT jsou schopny vázat 6,5 w% H2 (63 kg /m3) alternativa k
skladování v kapalném stavu (při -252°C)
Předpokládá se, že deskovitá nanovlákna mohou pojmout až 75%
H2 (pok. teplotě)
Řízená adsorpce/desorpce
(T,p,morfologie)  separace plynů
Elektronika
Matriční materiály
Kompozitní materiály
30
Nanodráty (nanowires)



Útvary které mají jeden makroskopický
rozměr
Vedou dobře el proud
Různé optické, magentické a elektrické
vlastnosti oproti 3-D útvarům
13.12.2012
31
Syntéza - membrány

Syntéza do forem – forma s velmi malými cylindrickými
otvory  vyplní se materiálem a vytvoří nanodráty



Výroba anodickou oxidací Al filmů
Velikost porů 10 -200 nm, 109 – 1011 porů/cm2
Bombardování polykarbovátových membrán ionty
13.12.2012
32
Tlakové vstřikování





Do mechanicky pevných membrán (T,p, chem – stálých)
Nanodráty o vysoké krystalinitě
Tlakové vstřikování při teplotě nad bodem tání
Kovy: Bi, In, Sn, Al; polovodiče: Se, Te, GaSb
30 -150 MPa tlak
13.12.2012
33
VLS metoda




Polovodičové nanodráty
pára-kapalina-pevná látka (Vapor-liquid-solid)
mechanismus anisotropického růstu krystalů
Mechanismus růstu drátů: absorpce materiálu z parní
fáze na kapalném krystalizačním jádře (Au, Si) a
následné tuhnutí
Anisotropický růst
13.12.2012
34
Elektrodepozice




Hrany vysoce orientovaného
pyrolitického grafitu (katoda)
Elektrochemická depozice MoO2
Redukce na kovový Mo
Zalití a přenos na PS
13.12.2012
35
Ukázky nanodrátů
13.12.2012
36
aplikace







Mikroelektronika – dnes technologie pod 100 nm (32 nm
litografie 2009)
FET- field –effect transistors
Ploché displaye – snižování napětí
Thermoelektrické součástky – zatím jen lab.
Optické přepínače – nižší energie, vyšší rychlost
LED diody (elektroluminescence,
fotoluminiscence)
Fotodetektory (vodivost ⁭ 4x při
UV osvitu  optoelek. switche
13.12.2012
37
Laser aplikace





ZnO nanodráty
Nižší energie na excitaci (o řád)
Nižší závislost λ na teplotě
λ ~ vlastnostech nanodrátu (tuning)
Např. λ = 385 nm >> průměr drátu
13.12.2012
38
Fotovoltaické články








12 kč/kWh (nepatří sem)
Princip: organická látka [poly (3-ethylthiofenol)] a
anorganická [CdSe]  hybridní fotovoltaická cela
Světlo způsobuje tvorbu volných elektronů a děr jak v
anorg. krystalech tak okolních org. látce
Anorg. látka je má vyšší afinitu k elektronům  e; org.
polymery mají nízkou mobilitu pro elektrony  díry
Elektrony a díry se pohybují k externím elektrodám
Musejí dojít k elektrodám než rekombinují
Účinnost 1.5 % !!!
Nanodráty – velký povrch, vysokou vodivost, vazbu na
polymery
13.12.2012
39
Chemické a biologické senzory







Princip –změna vodivosti absorpcí látek
Si-nanodrát povrchově modifikovaný určitou chemikálii
Např. amine (-NH2) obsahující silan (-SiOH) detekuje pH
Protonace a deprotonace
Hustota povrchové náboje  vodivost
Lineárně pH =2-9
Biosenzory – jedna látka
a vazba s druhou
13.12.2012
40
Micro & nanoelektromechanické
systémy




Mechatronika
MEMS – micro electro mechanické systémy
NEMS – nano electro mechanické systémy
Materiály založeny na Si
13.12.2012
41

SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ

Transkript

Podobné dokumenty

Návod k obsluze - Tig Clinox Eco

Fullereny - Ústav organické chemie

Untitled

Výkon 5 – 92 kW zplyňovací a ekologické kotle

Od světlušek ke svítícím tyčinkám

Biochemici - Asie

Časopis výzkumu a aplikací v profesionální bezpečnosti

Fyzika - vyskov.cz

Analýza proliferace