1. Definicje nanonauki i nanotechnologii

a) Nanonauka to badanie zjawisk i manipulacja elementami materii na poziomie

atomowym, molekularnym i makromolekularnym (zakres od jednego do stu

nanometrów), gdzie właściwości materii różnią się w istotny sposób od właściwości w większych skalach wymiarowych.

b) Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, których

przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nm i które posiadają nowe własności wynikające

z nanorozmiaru.

1. Właściwości ciał stałych w skali nanometrowej (strukturalne, mechaniczne, termiczne, elektronowe, magnetyczne)

1. zmiany strukturalne:

- zmiany wielkości:

- stosunku powierzchni do objętości

- powierzchni właściwej

Defekty:

• Wakanse (nieobsadzony atomem już jonem węzeł sieci) - ze wzrostem temperatury zwiększenie
  o 12 rzędów wielkości

• Dyslokacje - Energia swobodna dyslokacji E=E1+E2+E3 gdzie E1,2,3- poszczególne energie dyslokacji, odkształceń, wkładów entropowych

• Symetria Kształtów – czasami nanokryształy przestają być kryształami a stają się układami

quasikrystalicznymi, np. złoto i inne metale

Właściwości:

• właściwości termiczne: temp. Topnienia np. złota zmniejsza się

• właściwości mechaniczne: duża wytrzymałość i sprężystość, superplastyczność;
  czynniki: mniej defektów, wpływ granic ziaren

• właściwości magnetyczne: możliwy supermagnetyzm; czynniki: inne właściwości magnetyczne, zjawiska megnetooporu, pojedyncza domena dla nanocząstki

• właściwości elektronowe: dyskretna natura stanów elektronowych – pojawiają się przerwy energetyczne, materiał staje się izolatorem

1. Materiały nanometryczne i cząstki nanometryczne wykazują właściwości, które w tych samych materiałach,

ale w skali makro nie występują. Te unikalne cechy stanowią o właściwości użytkowych produktów wytwarzanych przez nanotechnologie, które nie można by uzyskać przy zastosowaniu tradycyjnych materiałów. Stąd też tak duże zainteresowanie świata technicznego nanoobiektami, intensywny rozwój nanotechnologii oraz duże środki przeznaczane na badania.

Nanocząstki i nanomateriały zachowują właściwości fizykochemiczne charakterystyczne dla skali makro,
a dodatkowo posiadają zespół oryginalnych cech, co związane jest z rozmiarem cząstek. Z jednej strony z racji wielkości podlegają one już nie tylko prawom fizyki klasycznej, ale są dla nich właściwe także zachowania opisywane przez fizykę kwantową. Wykazują cechy, zwłaszcza te elektryczne i optyczne, znacznie różne od materiałów w rozmiarach makrometrycznych. Dualizm charakteru nanocząstek stanowi jedną z największych zalet tego rodzaju obiektów. Dodatkowo nanocząstki posiadają rozmiary, które pozwalają im na między innymi przenikanie przez większość barier, również tych na poziomie bioorganicznym. Powstanie narzędzi sterowania nanoobiektami (między innymi mikroskopów nanoskali) pozwala na wykorzystanie niewielkich wymiarów nanocząstek jako ich charakterystycznej cechy w wielu dziedzinach, szczególnie zaś istotne jest ich wykorzystanie w medycynie precyzyjnej.

Właściwością charakterystyczną nanocząstek jest także znacznie bardziej rozwinięta powierzchnia właściwa w porównaniu do tradycyjnych materiałów. Na przykład powierzchnia właściwa cząsteczek nanopochodnych krzemu zawartych w objętości równej objętości kropli deszczu jest w przybliżeniu równa powierzchni dużego boiska piłkarskiego. Silnie rozwinięta powierzchnia właściwa niektórych nanocząstek i materiałów z nich zbudowanych decyduje między innymi o ich bardzo dobrych właściwościach adsorpcyjnych i przekłada się dalej na ich specjalne zachowanie podczas użytkowania, różne od tradycyjnie obserwowanych.

Nanomateriały w porównaniu do konwencjonalnych wykazują właściwości między innymi takie jak:

• większa twardość (nanokrystaliczny nikiel jest równie twardy co utwardzana stal),

• większa wytrzymałość (np. nanokrystaliczny krzem jest znaczenie bardziej wytrzymały na rozciąganie niż stal) i występujący jednocześnie wzrost plastyczności, odwrotnie niż ma to miejsce w materiałach tradycyjnych; w przypadku niektórych nanomateriałów ceramicznych ma się do czynienia ze zjawiskiem tzw. superplastyczności, materiały te mogą ulegać odkształceniom plastycznym nawet do 250%,

• większa odporność na pełzanie, co pozwala na wytwarzanie materiałów do stosowania w najwyższych temperaturach (np. nanometryczny węglik krzemu),

• właściwości ślizgowe (np. materiały polimerowo-nanometryczne stosowane jako części maszyn nie wymagające stosowania smarów),

• większa biokompatybilność biomateriałów nanometrycznych,

• oryginalne bądź wzmocnione zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne (między innymi w stosunku do wodoru), a także unikalne właściwości magnetyczne wykorzystywane do gromadzenia informacji w elektronice i informatyce,

• większa odporność chemiczna (np. azotki metali przejściowych);

• większa hydrofilowość niektórych nanomateriałów, zwana superhydrofilowością, polegająca na obniżeniu kąta zwilżania powierzchni materiału przez wodę do około 1o (nanometryczny ditlenek tytanu).

Właściwości danego materiału w zależności od rozmiaru jego cząstek da się porównać na przykładzie ditlenku tytanu TiO2. Ditlenek tytanu w formie makrometrycznej jest stosowany w technice od początku XX w. jako biały pigment. Obecnie nadal jest najlepszym znanym białym pigmentem i jego produkcja stanowi 70% wielkości produkowanych pigmentów nieorganicznych na świecie. Nanometryczny ditlenek tytanu należy nanoproduktów już skomercjalizowanych i produkowanych w skali przemysłowej. Główne zastosowania nanoTiO2 to kataliza zanieczyszczeń wody i powietrza.

1. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM)

1. Sonda składa się z igły umieszczonej na elementach piezoelektrycznych, umożliwiających jej ruch w pionie

i w poziomie (zjawisko odwrotne piezoelektryczne).

STM wykorzystuje zjawisko tunelowania elektronów by zobrazować powierzchnię próbki, dlatego zarówno sonda jak i badany materiał muszą być półprzewodnikami lub przewodnikami.

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne polega na deformacji materiału pod wpływem pola elektrycznego. Efekt tunelowy to zjawisko które pokazuje, że elektron o zadanej energii może pokonać barierę potencjału z pewnym prawdopodobieństwem. System rejestruje zmiany prądu tunelowego w funkcji odległości ostrze-próbka, tworzy zbiór danych, który po odpowiednich przeliczeniach daje obraz próbki.

1. Tryb stałej wysokości - igła porusza się na stałej wysokości nad próbką a aparatura rejestruje wyłącznie zmiany prądu tunelowego. Rozwiązanie to można stosować tylko w przypadku próbek o równej powierzchni. Szybsze skanowanie.

Tryb stałego prądu - wykorzystuje się tu sprzężenie zwrotne zapewniające stałą wartość prądu tunelowego. Uzyskuje się to przez dostosowanie wysokości skanera. Sonda przekazuje systemowi informacje
o wartości prądu tunelowego, jeśli wartość jest zgodna z zadaną nic się nie dzieje, jeśli jest za wysoka lub za niska, wysyłany jest impuls, który zmienia wartość napięcia doprowadzanego do elementu piezoelektrycznego skanera, który zwiększ/zmniejsza odległość między próbką a ostrzem. Tryb stosowany do skanowania dużych obszarów.

1. Zalety:
   - bardzo czułe urządzenie, zdolność rozdzielcza w pionie Z - 0.003nm, a w poziomie XY – 0.015nm,

- można badać właściwości elektronowe materiału z atomową rozdzielczością

Wady:

- stały prąd nie jest dobry gdy odwzorowujemy topografię,

- niezwykła czułość na zakłócenia, nieliniowość.

1. Błędy odwzorowania:

- splot z kształtem sondy, pomiar wysokości jest dobry dopóki sonda ma kontakt z próbką,

- sonda jest ograniczona kątem nachylenia, wielokrotne obrazowanie (dwa atomy na końcu ostrza), - topografia splata się z obrazem przewodności,

- sprzężenie zwrotne: za duże-powoduje że system może zacząć oscylować, za małe-wzmacnia sprzężenie zwrotne więc sonda niedokładnie odwzorowuje

1. Ograniczenia skanera:

- nie może badać próbki powyżej 150 st. C nie będąc od niej izolowany cieplnie

1. Mikroskopia sił atomowych (AFM)

a. AFM składa się z: detektora położenia dźwigni, piezoskanera, dźwigni z sondą. Sonda jest umieszczona na swobodnym końcu dźwigni, jej długość rzędu nanometrów. Długość dźwigni 100 - 200 mikrometrów. Zasada działania mikroskopu AFM polega na skanowaniu powierzchni próbki za pomocą cienkiego ostrza zamontowanego na sprężystym ramieniu i mierzenia ugięcia ramienia proporcjonalnego do zmian topografii powierzchni próbki, a) potencjał oddziaływania b) charakterystyka siła przemieszczenie rejestrowana przez AFM

b. Tryby pracy

tryb stałej siły - układ ujemnego sprzężenia zwrotnego wbudowany w urządzenie sterujące zapewnia bardzo dużą szybkość działania bez dodatkowej ingerencji sterującego pomiarem komputera i oprogramowania - informacja uzyskana układu sterowania pozwala na zrekonstruowanie obrazu

tryb stałej wysokości - pomiar dokonywany jest przez skanowanie bez zmiany wysokości, a obraz jest konstruowany dzięki interpretacji zmiennego sygnału

c. Zalety AFM

• Bardzo duża (atomowa) rozdzielczość (podobnie jak STM)

• Do pracy nie jest potrzebna próżnia (jak w mikroskopach elektronowych)

• Pomiar próbek bez specjalnego przygotowania (jak w SEM/TEM)

• Różnego rodzaju próbki, w tym izolatory (przewaga nad STM)

• Praca również w cieczach, w tym próbki biologiczne (przewaga nad STM)

Ograniczenia:

• Płaska powierzchnia ciał stałych o niewielkiej chropowatości (podobnie jak STM)

• Mały obszar skanowania, rzędu pm, zależnie od skanera (podobnie jak STM)

d. metody dynamiczne AFM

W trybach dynamicznych dźwigienka skanująca wykonuje

oscylacje (drga) z częstotliwością bliską swojego rezonansu mechanicznego (zwykle od kilku do kilkuset kHz). W czasie drgań ostrze dźwigienki styka się z próbką raz na okres, wówczas taką metodę skanowania określa się trybem z przerywanym kontaktem (ang. intermittent contact). Istnieje również możliwość, że ostrze raz na okres zbliża się w pole bliskich oddziaływań próbki, bez jej dotykania, wówczas taką metodę określa się mianem trybu bez- kontaktowego

1. Mikroskopia elektronowa

a. Podobieństwa i różnice do mikroskopii optycznej

Mikroskop optyczny wykorzystuje światło przechodzące przez układ optyczny z kilku-kilkunastu soczewek optycznych

Mikroskop elektronowy w miejsce promieni świetlnych używa się wiązki elektronów.

b. Efekty oddziaływania elektronów z ciałem stałym

Elektrony, zderzając się z atomami materii tracą energię kinetyczną i mogą:

- spowodować emisję (zaznaczono na rysunku powyżej preparatu),

- zostać całkowicie zaabsorbowane (środek preparatu),

- ulec odbiciu,

- przeniknąć przez materiał (proste strzałki poniżej preparatu).

Każdy z rodzajów promieniowania jest emitowany z innej głębokości materiału i z różnej jego objętości.

Z najmniejszej głębokości ok. 1nm. można badać skład chemiczny cienkiej warstwy. Głębokości od 5 do 50nm umożliwia obserwację powiększonego obrazu tej powierzchni.

c. Spektroskopia elektronów Augera (AES)

Odmiana spektroskopii elektronowej, polegająca na analizie rozkładu energetycznego elektronów Augera. Metoda bazuje na efekcie Augera, czyli bezpromienistym przejściu elektronu na niższą powłokę.

Efekt Augera, zwany również samojonizacją, polega na emisji elektronów przez atom, zachodzącej dzięki energii uwolnionej na skutek wypełniania luk w niskich powłokach elektronowych przez elektrony z wyższych powłok. Elektron emitowany przez atom podczas tego procesu nosi nazwę elektronu Augera. Pochodzi on
z powłoki walencyjnej lub zbliżonej dc niej. Energia elektronu Augera zależy tylko od energii powłok, między którymi przechodzi elektron:

gdzie E₁ - energia wiązania elektronu na poziomie 1 (wybitego na początku procesu), E_z - energia elektronu, który przechodzi na poziom 1, E₃ - energia wiązania elektronu opuszczającego atom.

Uzyskiwane informacje:

• informacja o pierwiastkach obecnych na powierzchni

• wyznaczanie rodzaju wiązań chemicznych

• intensywność linii spektralnych pozwala wyliczyć stężenie pierwiastków

• dzięki wykorzystaniu wiązki elektronów, którą można łatwo skupić, otrzymujemy możliwość pomiaru punktowego;

skanowanie wiązki elektronów na powierzchni pozwala otrzymywać mapy rozkładu powierzchniowego pierwiastków i związków chemicznych.

d. Mikroanaliza rentgenowska

Jest oparta na emisji charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Podstawą interpretacji wyników mikroanalizy jest zależność energii (długości fali) i natężenia promieniowania od składu chemicznego badanej mikroobiętości próbki. W zależności od sposobu detekcji promieniowania rentgenowskiego rozróżnia się:

• spektrometr mierzący długość fal promieniowania rentgenowskiego (WDS),

• spektrometr mierzący energię promieniowania (EOS lub EDX).

Wzbudzenie charakterystycznego polega na wybiciu elektronu z dolnej powłoki elektronowej i zajęciu zwolnionego miejsca przez elektron z wyższej energetycznie powłoki.

Energia określonej linii promieniowania charakterystycznego zmienia się z liczbą atomową pierwiastka.

Metodą mikroanalizy rentgenowskiej można ustalić rodzaj pierwiastków i ich powierzchniowe oraz liniowe rozmieszczenie oraz precyzyjną informację o ilości poszczególnych pierwiastków.

e. Elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM)

Elektronowy mikroskop transmisyjny jest urządzeniem, w którym wytwarza się i formuje wiązkę elektronów w celu prześwietlenia preparatu i utworzenia obrazu jego struktury wewnętrznej. Obraz w elektronowym mikroskopie transmisyjnym powstaje w wyniku oddziaływania preparatu z padającą wiązką elektronów, dzięki czemu powstaje kontrast.

Rodzaj uzyskiwanej informacji: morfologia powierzchni próbki (repliki), b. małe pomiary

f. Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

Istotą mikroskopii skaningowej jest skanowanie próbki nanometrową wiązką elektronów uformowaną przez układ elektronooptyczny mikroskopu. Wiązkę taką formuje układ soczewek elektronowych. Powiększenie mikroskopu skaningowego wynika z relacji wielkości obszarów skanowanych na próbce i na monitorze.

Uzyskiwane informacje:

• topografia powierzchni (właściwości mechanicznych metali i stopów)

• analiza stanu powierzchni materiałów (metalografia ).

g. Dyfrakcja elektronów

Dyfrakcja, czyli ugięcie wiązki elektronów wnikających w materiał o strukturze krystalicznej, wynika z falowej natury tej wiązki. Część elektronów przechodząc przez ciało o budowie krystalicznej, ulega zjawisku dyfrakcji
i tworzy pewną liczbę wiązek ugiętych. Elektrony, które nie uległy dyfrakcji, tworzą wiązkę nieugiętą. Dyfrakcja nie tylko odgrywa istotną rolę w tworzeniu obrazu mikroskopowego, ale pozwala także na utworzenie obrazu dyfrakcyjnego, który można oglądać i rejestrować.

Badania dyfrakcyjne umożliwiają identyfikację obserwowanych składników preparatu.

1. Skaningowa mikroskopia optyczna bliskiego pola (SNOM)

Mikroskop optyczny bliskiego zasięgu (NSOM: Near-Field Scanning Optical Microscope). W NSOM wiązką skanującą (sondą) jest stożek świetlny. Wiązka światła widzialnego emitowana na wąskim końcu stożka ma kilkadziesiąt nanometrów średnicy i albo ulega odbiciu od powierzchni próbki albo przez nią przechodzi trafiając do detektora. Intensywność sygnału optycznego zebranego przez detektor we wszystkich punktach pomiarowych tworzy zbiór danych, dających obraz NSOM

NSOM pozwala oglądać powierzchnię z rozdzielczością rzędu 15 nm, przy czym odległość pomiędzy źródłem światła, a próbką musi być bardzo mała - około 5 nm (stąd bliskiego zasięgu).

1. Technologie wytwarzania nanostruktur „top-down”

Top down – redukowanie wymiarów, rozdrobnienie cząstek.

1. Techniki mikro- i nanolitografii

Jedną z wielu używanych w tym celu technik, są techniki litograficzne. Ich wspólną cechą jest wykorzystanie selektywności trawienia różnych substancji w celu otrzymywania powtarzalnych wzorów na zadanej powierzchni. W tym celu tworzone są maski, które służą osłanianiu wybranego fragmentu powierzchni podczas naświetlania promieniowaniem zmieniającym właściwości materiału. Następnie płytka poddawana jest trawieniu, w wyniku czego usuwany jest fragment materiału i odsłonięty zostaje wzór na powierzchni, będący obrazem maski zastosowanej przy naświetlaniu.

Jedną z ciekawszych technik litograficznych jest nanolitografia.

Polega ona na bezpośredniej modyfikacji powierzchni przez ostrze mikroskopu sił atomowych (AFM). Ostrze to jest wykorzystywane w celu ułożenia cząsteczek na zadanej powierzchni przez skondensowaną na czubku ostrza miniaturową kropelkę wody. Metoda ta umożliwia tworzenie nanostruktur o wymiarach poniżej 100 nm.

Wadami metody „top-down” opartej na technikach fotolitograficznych są wysokie koszty tej techniki oraz bariera możliwej do uzyskania precyzji, jaka pojawia się przy schodzeniu poniżej granicy 100 nm. Przykładowo przy wytwarzaniu ścieżek dla połączeń wewnątrz mikroprocesora mogą pojawić się przebicia czy zwarcia pomiędzy blisko leżącymi ścieżkami.

1. Fotolitografia

Fotolitografia – jest to proces pochodzący z technologii półprzewodnikowej polegający na odtworzeniu wzorów fotomasek na podłożu np. półprzewodnikowym. Celem wykonywania fotolitografii jest uzyskanie pożądanego kształtu powierzchni. Zasada działania fotolitografii jest podobna do litografii w poligrafii.

Proces fotolitografii jest zazwyczaj wieloetapowy i składa się kolejno z:

- przygotowania powierzchni (odtłuszczenie i wygrzanie),

- nałożenia emulsji światłoczułej (najczęściej polega to na pokryciu całej powierzchni nierównomierną warstwą emulsji a następnie poprzez odwirowanie następuje wyrównanie grubości emulsji na całej powierzchni płytki),

- wygrzewania emulsji (płytkę z nałożoną emulsją wygrzewa się przez pewien czas w suszarce lub na płycie grzewczej),

- naświetlenia (do płytki z emulsją przykładana jest fotomaska przez którą naświetla się promieniowaniem ultrafioletowym emulsję światłoczułą. Jako źródła światłą używa się zazwyczaj lampy rtęciowej,

- wywołania (w tym etapie następuje usunięcie części emulsji, w przypadku emulsji pozytywowej następuje usuniecie naświetlonej emulsji w przypadku emulsji negatywowej - nienaświetlonej części),

- trawienie podłoża lub tworzenie dodatkowych warstw np. metalicznych czy tlenkowych (w miejscach gdzie nie ma emulsji podłoże zostaje wytrawione, lub powstaje dodatkowa warstwa),

- usunięcie pozostałej emulsji z powierzchni płytki.

Miękka litografia

Miękka litografia – warstwa ochronna deformowana formą lub skalpelem, do gotowych form wlewa się prepolimer, który jest utwardzany, stemple mogą zostać łatwo oddzielone od formy.

Pozwala pokonać ograniczenie rozdzielczości.

Tańszy proces.

Płynięcie plastyczne polimeru, z którego zbudowany jest stempel.

Fotolitografia wykorzystuje polidimetylosiloksan (PDMS) -

- gumowaty polimer używany do uszczelniania. Do wytwarzania kopii za pomocą miękkiej litografii trzeba wykonać formę (pieczątkę). Używa się do tego najczęściej fotolitografii lub elektrono litografii, w celu narysowania żądanego

wzoru układu w warstwie fotorezystu na powierzchni płytki krzemowej. Tworzona jest wówczas płaskorzeźba, negatywu struktury, w której „wysepki” fotorezystu wystają z powierzchni krzemu (rys.3). Na taki negatyw wylewa się

chemiczny prekursor PDMS - łatwo rozpływającą się ciecz, która gęstnieje w gumowaty polimer. W ten sposób otrzymuje się pieczątkę z PDMS, która z dokładnością do kilku nanometrów odtwarza szczegóły wyjściowego negatywu. Rys.3. Proces wytwarzania miękkiej pieczątki z PDMS [5]. Metoda ta pozwala na tanią reprodukcję wzorów wytworzonych przy użyciu elektrono- litografii lub innych podobnych technik. Miękka litografia nie wymaga specjalistycznego wyposażenia, można z niej korzystać w zwykłym laboratorium. Metoda ta nie nadaje się do wytwarzania wielowarstwowych struktur współczesnych układów mikroelektronicznych.

Trawienie

1. Technologie wytwarzania nanostruktur „bottom-up”

1. Osadzanie z fazy gazowej

Metody osadzania z fazy gazowej – do tworzenia cienkich filmów, układów wielowarstwowych, nanorurek, nanoprętów lub cząstek o wielkości nanometrycznej.

Osadzanie fizyczne (PVD) – materiał stały przechodzi w gaz, następuje jego chłodzenie i zachodzi osadzanie na podłożu.

Metody PVD:

• Termiczne odparowywanie

• Ablacja laserowa lub osadzanie za pomocą impulsów laserowych

• Obróbka elektroiskrowa

• Rozpylanie

Osadzanie chemiczne (CVD) – osadzanie na podłożu produktów reakcji w temperaturze od 500-1000oC substancji będących w fazie gazowej; sposobem tego osadzania jest piroliza aerozoli w reaktorze przepływowym.

Procesy osadzania wspomagane plazmą – wprowadzanie plazmy (zjonizowanego gazu) do środowiska, w którym prowadzi się osadzanie z fazy gazowej, zachodzą procesy niemożliwe do uzyskania metodami PVD i CVD. Otrzymuje się czystsze materiały.

1. Epitaksja z wiązki molekularnej (MBE)

MBE – epitaksja z wiązki molekularnej w reaktorze z komorą próżniową o bardzo wysokiej próżni, otrzymuje się warstwy rzędu 0,3nm, używa się pierwiastków o dużej czystości, otrzymuje się tą metodą półprzewodnikowe studnie kwantowe, nadstruktury, druty kwantowe, metaliczne i magnetyczne materiały wielowarstwowe. Niezbyt duża szybkość osadzania (1µm/h).

Epitaksja (gr. epi + taxis = na uporządkowanym) – technika półprzewodnikowa wzrostu nowych warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża. Opracowano ją w 1957 roku. Epitaksja pozwala kontrolować domieszkowanie warstwy epitaksjalnej, zarówno typu p jak i n, i jest to niezależne od domieszkowania podłoża.

Odmianą epitaksji jest epitaksja z wiązek molekularnych – technika ta pozwala na nanoszenie warstw krystalicznych o grubości pojedynczej warstwy atomowej. Technika ta jest wykorzystywana w produkcji kropek kwantowych oraz tzw. cienkich warstw.

1. Metody wykorzystujące fazę ciekłą

Metody wykorzystujące fazę ciekłą – termiczne natryskiwane strugą rozpylonej cieczy składającą się ze stopionych cząstek nakładanego materiału, po osadzeniu cieczy na podłożu dochodzi do szybkiej krystalizacji.

• Natryskiwanie plazmowe

• Natryskiwanie z płomienia

• Natryskiwanie HOVF

Wykorzystywana do produkcji powłok nanokrystalicznych z nanokrystalicznych proszków, pręcików lub innych nanomateriałów z mielenia lub wytrącania.

1. Samoorganizacja molekularna:

Łączenie się cząstek w agregaty o określonej strukturze.

Kule lub pręty łączą się w struktury o najciaśniejszym upakowaniu.

Osadzanie materiałów na strukturze, która przeszła samoorganizację.

Samoorganizacja monowarstw przez reakcje z odczynnikami i działanie promieniowania.

Samoorganizacja kropek kwantowych dzięki 3D epitaksji z wiązki molekularnej na podłożu niedopasowanym sieciowo, osadzany materiał wzrasta w postaci wysp.

1. Modelowanie i symulacje molekularne

1. Mechanika molekularna (klasyczna) – pola siłowe, rodzaje obliczeń, zalety i ograniczenia

Pola siłowe:

-rozciąganie wiązań, zginanie wiązań, obroty torsyjne, oddziaływania Van der Waalsa, wiązania wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne

Rodzaje obliczeń:

-Singel Point

-Geometry optymalization(Optymalizacja geometrii) Systematyczne przesuwanie wszystkich atomów cząsteczki (nanostruktury) dopóki siła wypadkowa działająca na każdy atom nie wynosi zero.

-Molecular Dynamics

1. Mechanika kwantowa – przybliżenia, rodzaje obliczeń, zalety i ograniczenia

Przybliżenie Borna-Oppenheimera: Jądra poruszają się znacznie wolniej niż elektrony; Elektrony poruszają się znacznie szybciej niż jądra i w związku z tym

szczegółowy opis ich ruchu można zastąpić opisem ich średnich położeń

1. Formy alotropowe węgla, zastosowanie, charakterystyka.

Nanorurki węglowe – charakterystyka, zastosowania

Charakterystyka:

Nanorurki możemy sobie wyobrazić jako zwinięte w cylinder płaszczyzny grafitu. Zwijając pojedynczą płaszczyznę, otrzymamy tzw. nanorurkę jednościenną (ang. single-wall nanotube). W zależności od sposobu zwinięcia płaszczyzny grafitowej rozróżnia się dwa typy nanorurek –chiralne i niechiralne. Nanorurki niechiralne w zależności od kształtu ich krawędzi dzielą się ponadto na fotelikowe (ang. armchair) i zygzakowate (ang. zigzag)

Nanorurki mogą być zakończone półsferami fulerenów. Średnice najmniejszych nanorurek są rzędu 1 nm. Ponieważ stosunek długości nanorurki do jej średnicy może być rzędu 102–103, nanorurki można traktować w dobrym przybliżeniu jako struktury jednowymiarowe. Wkładając nanorurki o różnych średnicach jedną w drugą, otrzymamy nanorurkę wielościenną (ang. multiwall nanotube)

Nanorurki mają wiele ciekawych właściwości:

• W zależności od średnicy i stopnia skręcenia mogą się zachowywać jak metal lub półprzewodnik; co więcej, przyłożenie pola magnetycznego równoległego do osi nanorurki zmienia nanorurkę metaliczną w półprzewodnikową i na odwrót. Przyczyna tego niezwykłego zachowania leży w strukturze pasmowej.

• Bardzo silne wiązania między atomami węgla w płaszczyźnie grafitowej (wiązania te są przyczyną twardości diamentu) dają nanorurkom ogromną trwałość.

• Nanorurki mają bardzo duży moduł Younga, rzędu10-12N/m2 (pięć razy większy niż żelazo). Wskutek tego ich deformacje są sprężyste i nanorurki są bardzo wytrzymałe na rozciąganie oraz zginanie. Trwają prace badawcze nad wyprodukowaniem przy użyciu nanorurek nowych materiałów o bardzo dużej trwałości i sprężystości. Będzie ich można używać m.in. do budowy domów w obszarach aktywności sejsmicznej i do wytwarzania karoserii samochodów.

• Nanorurki mogą przewodzić prąd o tak dużej gęstości (rzędu 109A/cm2), że spowodowałby on wyparowanie przewodnika ze złota lub miedzi; dzieje się tak dlatego, że nanorurki obecnie wytwarzane są strukturami bardzo czystymi i mają bardzo mały opór właściwy.

• Nanorurki mają bardzo dużą przewodność cieplną właściwą, sięgającą 6000 W/(K* m) w temperaturze T = 300 K, co może być przydatne w odprowadzaniu ciepła z elementów elektronicznych, których przegrzewanie się jest wciąż dużym problemem.

Zastosowanie:

• Wykorzystując zdolność nanorurek do emisji elektronów przy stosunkowo niskim napięciu, zbudowano kolorowe płaskie wyświetlacze graficzne

• Umieszczenie nanorurek na końcu ostrza pomiarowego mikroskopu sił atomowych może zwiększyć jego zdolność rozdzielczą w poziomie ponad 10 razy, dzięki czemu można nim badać różne makroobiekty, m.in. białka i DNA

• Zbudowano już pamięć mechaniczną z nanorurek. Pod wpływem napięcia niektóre nanorurki zamykają obwód (stan „1”), a inne go otwierają (stan „0”).

• Powstały pierwsze nanopęsety o długości 5 m, których używa się do manipulowania obiektami o średnicy kilkuset nanometrów

• Puste wnętrza nanorurek mogą służyć do przechowywania jonów, np. litu, umożliwiając budowę akumulatorów o bardzo długim czasie działania. Przewodnictwo nanorurek jest bardzo czułe na różne gazy (amoniak, tlen), mogą więc one służyć jako superczułe czujniki chemiczne

• Naukowcy chińscy wyprodukowali już żarówki, w których tradycyjne druciki wolframowe zastąpiono nanorurkami. Te nowe źródła światła mają kilka zalet w stosunku do zwykłych żarówek (dłuższy czas świecenia, niższe napięcie progowe, stały opór w szerokim zakresie temperatury); przewiduje się, że za 3–4 lata będą one dostępne komercyjnie

• Badania wskazują na możliwość wykorzystania nanorurek do transportu cieczy i magazynowania gazów (wodoru)

• Nanorurki są odporne na uderzenia i mogą być używane do produkcji kamizelek kuloodpornych.

Wykład:

Nanorurki węglowe – nanometrowej (10-9 m) średnicy rurki powstające na elektrodach węglowych w wyniku wyładowania łukowego. Technika ta umożliwia otrzymywanie makroskopowych (wystarczających do badań) ilości rurek, także o pojedynczych ścianach.

1. Zastosowania nanotechnologii w medycynie, stomatologii, kosmetyce, rolnictwie i przemyśle spożywczym.

Medycyna (fulereny):

Są to antyoksydanty i czynniki chroniące komórki nerwowe (zapobieganie: choroba Parkinsona, Alzheimera) .

czynniki wychwytujące wolne rodniki, neutralizują je, obniżają toksyczność wolnych rodników w tkance nerwowej, wykazują skuteczne przeciwdziałanie degradacji komórek neuronowych.

Terapia celowana, Lek na osteoporozę, Nosniki genów, białek i substancji leczniczych, Środek kontrastowy (dłuższy czas działania, mniej alergenny), Nadzieja na znalezienie skutecznego leku przeciwko AIDS.

Rolnictwo:

- przekształcenie DNA nasion w sposób, który pozwoli uzyskiwać rośliny o zupełnie innych własnościach

- poddane atomowej inżynierii bardzo silnie działające nawozy i pestycydy

- Nanosensory umożliwią wzrost roślin, zapewnią odpowiedni poziom pH, właściwe składniki odżywcze, wilgotność oraz ochronę przed szkodnikami lub chorobami

- zapobieganie epidemiom i chorobom w hodowlach zwierząt

- sterylizacja narzędzi, sprzętów i wyposażenia raz opakowań i miejsc składowania

- odkażanie zwierząt, kopyt, racic, ochrona instalacji do dojenia i pojemników na mleko

- odkażanie i ochrona powierzchni podłoża, ścian, przegród, budynków stajni i obiektów hodowlanych

- odkażanie i ochrona szklarni, pojemników do przechowywania paszy i ściółki

- impregnacja ubrań roboczych, materiałów opakowań

Przemysł spożywczy:

- sterylizacja narzędzi, sprzętów i wyposażenia raz opakowań i miejsc składowania

1. Zastosowania nanotechnologii w farbach i pokryciach, środkach smarnych, przemyśle maszynowym, przemyśle samochodowym i w innych przemysłach (meblarski, włókienniczy, skórzany, etc.).

Powłoki

Nanocząsteczki srebra znajdują zastosowanie zwłaszcza w tych pomieszczeniach, gdzie w wyniku wilgoci i podwyższonej temperatury łatwo rozwijają się bakterie, grzyby i pleśnie, a więc w łazienkach i kuchniach. Stosowane są nie tylko w farbach i tynkach, ale również fugach, w celu zabezpieczenia powierzchni przed drobnoustrojami.

Fotokataliza (filtr UV)

Fotokataliza to termin oznaczający przyśpieszenie reakcji chemicznej pod wpływem światła. Dwutlenek tytanu (TiO2), odpowiednio rozdrobniony do wielkości nanocząstek, ma wspaniałe właściwości fotokatalityczne.

Właściwości samoczyszczące

Zaawansowane technologicznie powłoki fotokatalityczne z użyciem TiO2 mają mocne właściwości samoczyszczące, superhydrofilowe, bakteriobójcze, antystatyczne, dezodoryzujące, czyszczące powietrze, i są mocnym filtrem UV.

Nanocząsteczki srebra zmieniają normalny przebieg procesów komórkowych, co powoduje śmierć drobnoustrojów.

Lakiery samochodowe

Lakier samochodowy może posiadać strukturę liści lotosu, dzięki której brud nie będzie przywierał.

Tapicerki

Nano powłoka do tapicerki- niewidoczna powłoka grubości kilku nanometrów wokół włókien. Chroni ona włókna przed kontaktem z wodą, brudem, sokami, kawą, winem czerwonym, tłuszczami itp.

Easy to clean

NanoPowłoka powoduje, że wysuszony brud nie zatrzymuje się na powierzchni i nie powoduje plam, a mokry brud nie zostaje wchłaniany przez włókna. Nawet uciążliwe zanieczyszczenia dają się łatwo i dokładnie usunąć.
Efekt "easy-to-clean" pozwala na skuteczne czyszczenie materiałów przy użyciu samej wody i ściereczki.

1. Zastosowania nanotechnologii w elektronice, optyce, lotnictwie i technice wojskowej.

Elektronika:

Produkowanie bardzo tanich urządzeń elektronicznych, które naniesione zostaną na elastyczne podłoże o dużej powierzchni. Najczęściej wspomina się o giętkich wyświetlaczach, inteligentnych tablicach informacyjnych czy znacznikach radiowych. Produkcja bramek logicznymi, oscylatoratorów i innych nanopodzespołów elektronicznych.

Fotooptyka i fotoprzewodnictwo:

Cienkie warstwy fulerenu C60 na krzemie emitują intensywne białe światło, gdy puścić na nie wiązkę zielonego promieniowania laserowego.

Można wykorzystać tę właściwość do budowy ograniczników optycznych, chroniących np. przed silnym światłem lasera.

Polepszenie fotoprzewodnictwa substacji wykazujących taką zdolność.

Np. Dodanie 1% fulerenu C60 do używanych w kopiarkach czy drukarkach fotoprzewodzących polimerów organicznych polepsza w znacznym stopniu trwałość i rozdzielczość.

Technika wojskowa i lotnictwo:

- niewykrywalne powłoki dlaradarów

- kamery szpiegowskie