Aplikace nanokompozitů
Nanodisperze – kvantové tečky
Matrice – polovodivý polymer Disperze - PbS částice 5 nm D.S. Burgers, 2003, University Toronto
Matrice - p – typ GaAs Disperze - 10 řad nanočástic InAs Infralaser 1,3 μm Fujitsu a University Tokio 2004
Antireflexní vrstvy
Vrstvy kovů tloušťky několika nm – jednotlivé ostrůvky rozptylují světlo
Elektronická kůže Obdoba citlivosti lidské kůže na tlak a teplotu. Nanočástice disperze BaTiO3 v matrici z feroelektrického polymeru. Orientace disperze i matrice je ovládána nezávisle. Je-li polarizace matrice i disperze rovnoběžná, ruší se piezoelektrické vlastnosti matrice a disperze a kompozit je citlivý na teplotu (pyroefekt). Je-li polarizace matrice a disperze opačná, jeví kompozit jen piezoelektrický efekt – reakce na tlak.
Supersilné magnety
Kombinace nanočástic vysoce anizotropních magneticky tvrdých látek (Nd – Fe – B) a magneticky měkkých látek (Fe).
Supertvrdý plast V plastové matrici je okolo 1 % dvou disperzí : - nanodiamant a uhlíkové nanotrubičky - nanodiamant a grafen - novinka Synergický efekt obou disperzí – pětinásobné zvýšení tuhosti a tvrdosti proti jedné disperzi
C/C kompozity Dosavadní výroba je velmi drahá, používány v letectví, raketové technice, kosmonautice. Levnější náhrada : prefabrikát z C nanotrubiček je nasycen suspenzí C nanočástic na bázi vody a pak penetrován částicemi fosfátové keramiky.
Lodě z nanokompozitů
Otěruvzdorné nanokompozity
Vrstva nanočástic Ni – Co v SiC SEM, a … povrch, b … uvnitř
Výsledky – suché tření FG – gradientní vrstvy, u substrátu (hliník) více kovových nanočástic.
Nové biomateriály ●
●
●
●
Webster, 2007 – Brown University, USA Povrchově upravené implantáty z titanu – na povrchu narostla vrstva C nanotrubiček. Titan anodizován (hrubý povrch), na výstupcích vypěstovány C nanotrubičky s pomocí Co katalyzy. Bioaktivní – dobře srůstá s kostí.
Řízená tepelná roztažnost ●
●
●
Matrice s velkou teplotní roztažností. Ta je kompenzována disperzí (nebo lépe nanodisperzí) částic s negativním koeficientem roztažnosti. ZrW2O8v mědi nebo hliníku - MMC ZrW2O8 ve fenolplastu nebo polyimidu - PMC
Příklad experimentu Matrice Různé modely Experiment Disperze
Podle K. Takanaka : Sci. Technol. Adv. Mater. 13 (2012)
Superkapacity ●
●
Mohly by nahradit akumulátory v elektroautomobilech Speciální polymery s nanopory. Část polymeru (monomer)
HR – TEM nanopóry Pod 2 nm Základní mikropór
Laureáti Nobelovy ceny z fyziky 2007 Francouz Albert Fert, Pařížská univerzita
Němec (rodák z Plzně) Peter Gruenberg, KFA výzkumný ústav, Julich, SRN
Podstata Nobelovy ceny Objev GMR – Giant Magnetoresistance (obrovský magnetoelektrický efekt) Nezávisle objeven oběma vědci v roce 1988 Kvantově mechanický jev na nanokompozitu z feromagnetických a neferomagnetických kovů Aplikace se ujala a patenty drží IBM 1997 první pevné disky s hlavičkami GMR Nobelova cena 2007
Základní princip GMR obrovská změna odporu v magnetickém poli
Základní schema Musí jít o nanokompozit nebo nanostrukturu – aby byla jednoduchá doménová struktura a rozhodující rozptyl elektronů na stěnách vrstev zde schema pouze tří vrstev
av s opačnou magnetizací vrstev – základní Stav se stejnou magnetizací vrstev – Nízký elektrický odpor soký elektrický odpor
Základní názorné vysvětlení Feromagnetické vrstvy tak tenké, že nemohou být dvě domény vedle sebe Směr magnetizace přednostně v rovině vrstvy – kolmá magnetizace by vyžadovala mnoho energie při průchodu diamagnetickou vrstvou Magnetizaci lze ovlivnit vnějším magnetickým polem – srovnat domény do jednoho směru Odpor kompozitu je ovlivněn rozptylem elektronů na hranicích vrstev – kvantově mechanický efekt. Pro spin elektronu ve směru magnetizace není rozptyl na hranici fero – neferomagnetikum Pro spin elektronu proti směru magnetizace rozptyl na hranici fero – neferomagnetikum Čím je větší rozptyl elektronů, tím je vyšší elektrický odpor kompozitu.
Základní charakteristiky GMR
Jednoduchý trojvrstvý systém podle předchozích obrázků
Kompozitní systém. Číslo je počet vrstev 10 Å = 1 μm ,
Dnešní harddisky a perspektivy
Dnešní konstrukce GMR hlavy
Nové – částicový nanokompozit – rok 2001, Rusko, Voroněž
Nanokompozit – solární článek
10 nm tlustá vrstva n- TiO2. Absorber PbS apod. CuI jako p – polovodič. TiO2 i CuI jsou transparentní.
Solární článek – C nanokompozit ●
●
●
Léto 2012, University of Cansas Solární článek – aktivní vrstva z kompozitu : 95 % derivát fullerenu C70 2 % redukovaný oxid grafenu 3 % C nanotrubiček průměru 1,2 až 1,7 nm. Dosažena účinnost 1,3 %.
Superčerný povrch ●
●
●
●
Vývoj NASA od roku 2007 N křemíkovém sibstrátu katalytická vrstva Fe, pak při 750 oC v uhlovodíku růst dobře ulpívající vrstvičky z C nanotrubiček. Pracují i na Ti substrátu. Vrstvička má desetinásobnou absorpci záření proti běžné uhlíkové vrstvě (pohltí 99,5 % záření). Účel – maximálně omezit rozptýlené záření na přístrojích v kosmu.
Fluorescenční nanokompozit ●
●
●
Sokolov, Clarkson University, 2011 : Nanočástice křemene průměru 20 až 50nm (matrice) nasyceny větším množství organických fluorescenčních molekul (disperze). Užití – stopování v medicině.
Orientace kapalných krystalů ●
●
●
V kompozitech z kapalných krystalů (LC) a nanočástic Ni závisí orientace LC na tvaru částic Ni – vliv magnetického pole. Miskovité nanočástice – LC zaujmou rovinnou orientaci. Kulovité nanočástice – LC jsou všechny rovnoběžné.
Nové metamateriály ●
Březen 2012 – Harvard School of Engineering and Applied Science (SEAS) : užití femtosekundového lasetu k výrobě nanokompozitů – disperze Ag nebo Au nanočástic v přesném 3D uspořádání v polymerové matrici
Jiný typ metamateriálu ●
Duben 2012 – Purdue University, USA : vyvíjen nový metamateriál – deskový nanokompozit s nanočásticovou disperzí
Bit pattern media
●
●
Oddělení magnetických částic v harddiscích nemagnetickou matricí – lepší rozlišitelnost. Pro nové HD – 2010 Toshiba 2,5 TB/palec (dnes 0,7 TB/palec)
Nanokompozit pro elektrody ultralehkých akumulátorů ●
●
●
●
Berkeley Lab. USA, 2011 Zhotoven deskový nanokompozit z vrstev grafenu a cínu.
cín grafen
Podroben tepelnému zpracování 300 oC v atmosféře Ar + H2. Cín ve vrstvičkách se sbalí ve sloupky, současně odtlačí grafenové vrstvy dále od sebe.
Cínové nanosloupky
Zásobník vodíku
Berkeley Lab, USA, 2011 : Hořčík je velmi vhodný pro skladování vodíku jako hydridu, dva problémy : - nutné zabránit oxidaci – průniku O2 a H2O, proto matrice z polymetylmetakrylátu (obdoba plexiskla) - hořčík musí být ve formě nanokrystalů, to sníží teplotu rozkladu hydridu, která je v masivním hořčíku 300 oC.
Nový způsob uspořádávání disperze Destičky nebo tyčinky (vlákna) vhodných rozměrů jsou uspořádávána magnetickým polem. Na povrch disperze z nemagnetického materiálu jsou nanešeny magnetické nanočástice (0,1 až 1 % Fe2O3 průměru 12 nm). Základní disperze při experimentech byla Al2O3. R. M. Erb a kol., ETH Zurich, Švýcarsko, publ. Science leden 2012
Ukázky výsledků 20 % destiček Al2O3 ∅ 7,5 μm, tl. 0,2 μm v polyuretanové matrici, konstantní magnetické pole 20 % destiček Al2O3 ∅ 7,5 μm, tl. 0,2 μm v polyuretanové matrici, rotující magnetické pole (pro těsné uspořádání)
Ukázka výsledků
Různé lamináty
Výsledky při trojbodém ohybu silou svrchu Kopírována struktura mořských škeblí
Dynamické zpevňování
Většina materiálů při dynamickém namáhání postupně snižuje svou tuhost – vliv hromadících se defektů. Nanokompozit disperze svisle orientovaných C nanotrubiček v matrici polydimethysiloxanu (silikon – podstata inteligentní plasteliny) se chová opačně – při dynamickém namáhání roste jeho tuhost.
Průhledné bariérové vrstvy Deskový nanokompozit, střídavě polymer a uměle vytvořený čistý silikát – uspořádáné destičky. J. Breu, Universitaet Bayreuth, červen 2012 Průhledná a deformovatelná bariera proti průniku O2 a H2O na citlivé elektronické součásti.
Inteligentní materiál Nastavitelná pevnost a tvárnost elektrickým polem. Nízké napětí – materiál je velmi tvárný, ale má nižší pevnost Vysoké napětí – materiál má vysokou pevnost, ale je málo tvárný. Nanokompozit – matrice je zlato, v něm jsou vytvořeny nanopóry. Ty jsou vyplněny elektrolytem. Při vysokém napětí se na povrchu nanopórů tvoří jednoatomová vrstvička kyslíku – ta zvýší pevnost. J. Wessmueller, Technische Universitaet Hamburg, 2011
Úprava struktury elastomerů
Notio – vlastně nanokompozit s matricí z amorfního elastomeru, zpevněného 3D disperzí z nanokrystalických vláken stejného elastomeru. Průhledný, lehčí než voda. Mitsui Chemicals America, Inc., od r. 1999
Transparentní dřevo ●
●
●
●
Příprava speciálního kompozitu z normálního dřeva (balsy) – Švédsko 2016. Ze dřeva je po vysušení vyextrahován speciální chemickou směsí lignin, který způsobuje hnědé zabarvení dřeva. Na jeho místě zůstanou nanopóry. Dřevo je nyní bílé, protože rozptyluje světlo. Nanopóry a kapiláry dřeva jsou nyní vyplněny monomerem metylmetykrylátu s inhibitorem polymerace. Následuje polymerace po 4 hod při 70 oC na polymetylmetakrylát – vznikne průhledné dřevo.
Póry ve dřevě
Průhlednost transparentního dřeva
Ukázka výsledků
Průhledné dřevo
Normální dřevo
Delignifikované dřevo
Mechanické vlastnosti (jasně patrný synergetický efekt)
