Anyagismeret
Az anyagtudomány szerepe
Az anyagtudomány szerepe a XX-XXI. század fordulóján
Stratégia: anyag- és energiatakarékos rendszerek
•
Reciklizálható rendszerek !
Kritikus tudományok: • • • •
energetika, számítástechnika, anyagtudomány, környezeti stb. -technika (logisztika)
Anyagtudomány és technológia
Anyagtudomány: • a fizikai, kémiai törvények anyagalakításra alkalmazása, "szerszámok" (akár atomi szinten) Technológia: • szabályrendszer, amely reprodukálhatóan rögzíti a "szerszámok" működési tartományát A technológiák jellege • építkező – (élővilág – kristálynövesztés) • lebontó – (hagyományos megmunkálás)
Szerkezeti anyagok, funkcionális anyagok. I
Szerkezeti anyagok:
•
alapvetően a mechanikai, a szilárdságtani tulajdonságok, pl. szakító szilárdság, ill. kopás-, és/vagy korrózióállóság, de lehet fontos a biokompatibilitás, hőállóság, sugárzásállóság, stb.
•
Legtöbbször az anyag tömbi tulajdonságai dominálnak a kiválasztáskor
Szerkezeti anyagok, funkcionális anyagok. II
Funkcionális: Bármilyen külső hatásra (elektromos, optikai, mágneses, gravitációs, stb.) adott - elektromos válasz
• • • •
A „funkció” lehet: fizikai, kémiai, biológiai elvű tulajdonság technológiai műveletek sorával kialakított • számítás-, híradástechnikai, optikai stb. alkalmazás, mágneses, mechanikai, gravitációs stb. érzékelés. az "érzékelés" (jeladás) és/vagy a "beavatkozás" képessége
Trendek 2001 Infotechnol. Si, A+B5, széncső ?
Energetika Közlekedés Teljesítményelektronika, SiC
Gépipar, építőipar Napelemek
Szerkezeti kerámiák Funkcionális kerámiák Optikai, fotonikai anyagok Polimerek
átlátszó kerámiák Szenzorok, Szupravezetők Hullámvezető, chip
Turbinák, Motorok ("1-2 lcsapágyak es") Tüz.ag cella, magas hőm. szenzorok, akku, szupravezetők? Kisfogyasztás LED, lézer (GaN), ú elektronika kisüléses
motorok, szerszám, kemény bevonatok, gépek Szenzor, Szenzorok, nanomegmunkálás beavatk. Monitorok Távirányítás
Fémkutatás
Tiszta fémek, Cu, Au, W, Ta, stb.)
Félvezetők
Nanoszerk. anyagok, nanotechnoló gia
low, high k, CD, memóriák
1-elektron tranzisztor, kvantumkomputer, lézer, memória Többfunkciós Adaptív optika
szigetelők
Agro-, bioOrganikus félvezetők
járműipari igények szerint
hőálló és terhelhető polimérek (300-500 km önhordóképesség!), "smart" aktív anyagok Könnyű fémötvözetek, kompozitok, "smart" aktív Korrózióálló anyagok, acélok ötvözetek
Turbinák, vasmagok
Mágneses elemek,
Genetikailag módositott fajok Teherbíró és korrózióálló szerkezeti anyagok, bevonatok
Önoptimáló anyagok
Intelligens ütközők
Intelligens szersz., Intelligens házak
Intelligens gépek
Gyógyászat Aktív implantok Protézisek Idegstimulátorok Mesterséges érzékszervek biokompatibilis, terhelhető, "smart" aktív anyagok Kompozitok, Protézis elemek, "smart" aktív anyagok Protézisek, beültetett elemek génsebészet
Intelligens implantok, "smart" aktív anyagok bekapcsolásával, mesterséges érzékszervek
Frontvonalak
Közlekedés, energiafaló • Hibrid motorok, elektromos autó anyagai • Akkumulátorok, tüzelőanyagcellák + fényelem
Építőipar - a városi lét energia-krízise • energiatakarékos építkezés mint minimum, • „intelligens ház" mint cél • a világítás forradalma – félvezetők, kisülések
Villamos technológiák – több ág • elektronikai, – kémiai, – bio- és biomimetikus, – orvosi rendszerek
Közlekedési eszközök anyagai
hibrid motorok • 2-3 literes (széria)
elektromos autó - automatizálási kérdés • akkumulátorral nem az igazi • üzemanyag napelemmel akkumulátorok - kicsi a tartalék, metastabil állapot
tüzelőanyagcellák - hidrogén tárolás megoldandó • ma, kőolaj bontással, még "10 literes" a kocsi
Építőipar
Energiatakarékos építkezés
•
előllítás: alu-acél-cement-beton-homok-hamu-talaj
•
hőszigetelés, 75% megtakarítás
•
„intelligens ház" mint cél (naptelepek, tetőcserépbe integrálva, sugárzásfüggő árnyékolás, stb.)
Egyéb területeken – pl. sporteszközök
Csúcsteljesítmény szinte valamennyi területen
Főleg a műanyagipar tekintetében: teniszütő, hajók, síléc, textiliák, stb.
Fémek: golf-ütők, kard-tőr, korcsolya,
Komplex: versenyautók
Miniatürizálás
Nem csak a kis méret, hordozhatóság, a kis fogyasztás miatt is fontos.
A megbízhatóság is fontos elem: minél több intelligenciát kell belezsúfolni a tokba,
A hibák főleg az emberrel való kommunikáláskor lépnek fel.
Elérhető 1010 lépésre egyetlen tévesztés, (redundáns szervezéssel)
"Soft" hiba
Az öregedés
Nemkívánatos atomi mozgásokkal függ össze.
Főleg helyi melegedések okozzák. Jól tervezett áramkörnél ennek az esélye minimális.
A mikroelektronika anyagai olyan tökéletesek, hogy pl. egy vékony, szigetelő oxidrétegben elhelyezett kis szilíciumszigetre helyezett, akár egy-két elektron évtizedig ott marad!
MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) tranzisztor
Kapu elektród
"Vékony" SiO2
Forrás
Csatorna
Si
Nyelő
A kapuelektródra adott feszültség nyitja/zárja a f-ból a ny-be az áramot – attól függően, hogy milyen a Si vezetési típusa, ill. hogy az ún. többségi vagy kisebbségi "töltéshordozók" viszik az áramot.
Nanotechnológiák
Informatika, hírközlés, optoelektronika
Minden fizikai mennyiség, aminek két stabil állapota van, pl. spin • egyelektron tranzisztor, • kvantumpötty,
"mesterséges atom"
Nanotechnológiák, II.
Nagyfrekvenciás eszközök
Lézerek
Fizikai határok...
A fizika, kémia átalakítja a biotudományokat
A nanotechnológia nem-informatikai ágai
A pásztázó szondás módszerek – mint preparatív technika
Kémiai: katalízis, a fullerén-, szén nanocső, bio-rendszerek
Önszerveződéssel nanostrukturált tömbi anyagok, fémek, kompozitok, kerámiák, dielektrikumok
Végső cél: az élővilág napenergiára alapozott "preparatív technikáját" a szervetlen világban alkalmazni, a kódoláskiválogatódás ottani elveit megkeresni
Pórusos Si kvantumos fényemitter, elektrokémiai marással
E.Coli baktérium forgó zászlója 100000/perc, nanomotor
