SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ - 1

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 funkcionalizace nano

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 - 1

Recommend Documents