Pytania retoryczne:

1. Długość, czas, częstotliwość + atrybuty/ilustracje.

Częstotliwość (częstość) – wielkość fizyczna określająca liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasuW układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali. W mikroskopach światło widzialne ma długość 380-780 nm oraz 7,5 * 10 ¹⁴ Hz do 3,75*10 ¹⁴ Hz.

Czas – skalarna (w klasycznym ujęciu) wielkość fizyczna określająca kolejność zdarzeń oraz odstępy między zdarzeniami zachodzącymi w tym samym miejscu. Pojęcie to było również przedmiotem rozważań filozoficznych.

Długość fizyczna — to miara fizyczna odległości pomiędzy dwoma punktami, liczona zgodnie z metryką euklidesową (zwykłym sposobem mierzenia odległości), albo w linii prostej (np. długość fali — odległość między jej dwoma węzłami) albo po krzywej (np. długość drogi przebytej przez ciało). Długość widma fali w badaniach spektroskopowych.

1. Efekt piezoelektryczny: kryształy, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne, polegające na pojawieniu się pod naprężeń mechanicznych ładunków elektrycznych na ich powierzchni.

Odwrotny efekt piezoelektryczny to zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego oraz na powstawaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku deformacji kryształu.
Piezoelektryki charakteryzują się brakiem środka symetrii (np. kryształ kwarcu).

Materiały: Kwarc, turmalin, sół rochelle, fosforan amonu, siarczan litu oraz niobian litu.

Efekt piezoelektryczny prosty: Odbiorniki dźwięku, mikrofony, hydrofony, generatory energii elektrycznej, generatory iskry, sensory (ciśnienia akustycznego, drgań)

Efekt piezoelektryczny odwrotny: Nadajniki dźwięku, silniki piezoelektryczne, piezoelektryczne transformatory, serwomechanizmy, aktuatory, wykorzystanie w SMT do poruszania głowicą.

nanorurki węglowe CNT – carbon nano tubes. to obiekty od ułamka do kilkudziesięciu nm i długości nawet kilku μm. CNT zbudowane są ze współosiowo zwiniętych weglowych plaszczyz grafenowych. Wegiel w postaci grafitu sklada się z plaskich warstw utworzonych przez sześcioczłonowe pierścienie. Pojedynczą warstwe (lub kilka warstw) zwija się w rurke tak, aby sześciokąty znajdujące się na jej brzegach przylepiały się do siebie.
CNT mogą być:
chiralne/zygzakowate/fotelowe. Posiadają unikatowe właściwości mechaniczne elektroniczne chemiczne magnetyczne i optyczne. Zastosowania: wzmacnianie kompozytów.

1. Równanie Halla-Petch’a:

-granica plastyczności

- „odporność sieci” na ruch dyslokacji (bardzo wiele czynników)

ky- wspolczynnik względnego umocnienia materialu spowodowanego granicami ziaren

d – średnia wielkość ziarna

struktura ultradrobnoziarnista – charakteryzująca się średnicą ziaren rzędu mikrometrów, powstająca w wyniku procesów obróbki cieplnej lub cieplno–mechanicznej stopów dwufazowych, prowadzonych w celu uzyskania metalu o wysokiej wytrzymałości w temperaturach niskich i plastycznych w temperaturach wysokich
nanostal - Z uwagi na wysoką odporność na pękanie, nanostale będą zapewniały wyższy poziom niezawodności konstrukcji, co ma zasadnicze znaczenie w konstrukcjach wymagających dużych współczynników bezpieczeństwa (produkcja lotnicza, motoryzacyjna, zbrojeniowa). Obecnie ni chuja się nie da tego wytworzyć.

W skali nano wielkość ziarna ma największy wpływ na własności mechaniczne.

• SPD – Severe Plastic Deformation – bardzo silne odkształcenie

• ECAP - Equal Channel Angular Pressing – przeciskanie materiału przez kanał kontowy

• wyciskanie hydrostatyczne
  Nanometale - Cecha charakterystyczną jest nanometryczny rozmiar ziaren. Podobnie jak konwencjonalne materiały metaliczne są one polikryształami, z tą różnicą, że przynajmniej w jednym kierunku rozmiar ziaren nie przekracza 100 nm.

Mniejszy rozmiar ziaren powoduje zwiększenie powierzchni właściwej granic ziaren w jednostce objętości. Taka gęstość granic ziaren nadaje nanometrom unikatowe właściwości, których nie mają ich odpowiedniki w skali mikrometrycznej, np. w niskiej temperaturze Nanometale charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością, co związane jest z efektem umocnienia granicami ziaren. Ponadto nanometale można umacniać również cząstkami innej fazy.

1. Zasada działania AFM: bada powierzchnię próbki za pomocą ostrej sondy (dł. Kilka mikrometrów, średnica 10 nm) umieszczonej na dźwigience (100 – 200 mikrometrów), czuły detektor mierzy wychylenia dźwigienki podczas przesuwania próbki ruchem skanującym, dzięki temu powstaje topograficzny obraz powierzchni próbki.

Wyróżniamy trzy tryby:

• Kontaktowy CR

• Bezkontaktowy NCR

• Tryb przerywanego kontaktu ICM

1. Dyfuzja materii jest zjawiskiem aktywowanym termicznie - zwiększenie temperatury zwykle prowadzi do zwiększenia tempa dyfuzji. W przypadku większości ciał stałych zależność tę opisuje równanie Arhheniusa:

• - częstość relaksacji

• - częstość drgań cieplnych

• - energia aktywacji procesu relaksacyjnego (J/cząsteczkę)

• - stała Boltzmana

• - temperatura

Zmiana sieci może odbywać się dzięki aktywowanemu cieplnie ruchowi atomów żelaza na odległości porównywalne z parametrem sieci krystalicznej. We wszystkich układach oprócz jednoskładnikowego potrzebny jest jeszcze drugi mechanizm.W takich przypadkach oprócz przebudowy sieci musi zaistnieć aktywowany cieplnie ruch atomów domieszki na odległości wielokrotnie większe od paraetru sieci. Wzrost ferrytu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie i ruchliwością powierzchni międzyfazowej, Pierwiastkami ferrytotwórczymi są przede wszystkim:krzem fosfor glin chrom molibden wolfram wanad tytan.

• Ferryt α jest to roztwór stały graniczny węgla w żelazie Fe _α o maksymalnej rozpuszczalności węgla 0,0218 w temperaturze 727 ºC. Twardość ferrytu waha się w granicach od 70 do 90 HB.

• Austenit γ jest to roztwór stały graniczny węgla w żelazie Fe _γ o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11 w temperaturze 1148 ºC. Faza miękka
  i plastyczna. Występuje w temperaturze powyżej 727 ºC.

• Cementyt Fe₃C jest to faza międzymetaliczna (węglik żelaza)
  o wzorze stechiometrycznym Fe₃C. Zawartość węgla w cementycie wynosi 6,67%. Jest twardy i kruchy (twardość 750 HB). Wydziela się z cieczy przy chłodzeniu i wtedy oznaczamy go jako pierwszorzędowy I lub wydziela się podczas chłodzenia z austenitu i wtedy oznaczamy go jako II lub wydziela się z ferrytu podczas chłodzenia i wtedy oznaczamy go jako III.

• Ledeburyt jest to mieszanina eutektyczna austenitu i Fe₃C powstały z cieczy o składzie chemicznym 4,3%C w stałej temperaturze 1148 ºC.

• Perlit jest to mieszanina eutektoidalna (powstaje z fazy stałej) ferrytu i cementytu powstaje z austenitu o zawartości 0,77 %C w stałej temperaturze 727 ºC.

1. Przesunięcie fazowe jest to różnica pomiędzy dwiema wartościami fazy fali (lub przebiegu czasowego). Z uwagi na fakt, że faza fali zazwyczaj podawana jest w radianach lub w stopniach kątowych również i przesunięcie fazowe wyrażone jest w tych samych jednostkach. Przesunięcie fazowe jest istotną wartością w wielu dziedzinach fizyki i techniki. Przykładowo wpływ przesunięcia fazowego pozwala na obliczenie wartości mocy czynnej pobieranej przez dany odbiornik energii elektrycznej. Ma to zastosowanie w AFM/STM w celu przetworzenia sygnałów el. Na obraz.

Pytania na egzamin:
2) materiały piezoelektryczne – w STM zwiększenie U o 1V powoduje wydłużenie piezoelektryka o 1nm, nanodruty- mają średnicę poniżej 50 nanometrów i długość ok. 1000 nm,

nanorurki węglowe- R_m63 GPa. Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2 GPa (CNT), nanogeneratory- nanogeneratory są zdolne do wytworzenia energii o napięciu trzech woltów i natężeniu 300 nanoamperów

nanowłókna- chłoną wilgoć, izolują termicznie, średnica 50- 500nm.

11) Sposób wykorzystania efektu piezoelektrycznego w STM i AFM - wykorzystywany do poruszania głowicą lub próbką.

12)metale ziem rzadkich: 15 lantanowców oraz skand i itr.

• cer do produkcji szkła i stali

• lantan - do produkcji klisz rentgenowskich i katalizatorów do redukcji spalin

• europ - do produkcji czerwonego fosforu w ekranach CRT

• gadolin- do produkcji zielonego fosforu w ekranach CRT i scyntylatorów w obrazowaniu rentgenowskim

• samar i neodym - do produkcji wysokoenergetycznych materiałów magnetycznych

• erb - do budowy laserów i wzmacniaczy optycznych

• promet - do produkcji baterii jądrowych
  14) Metody produkcji nanometali i nanostopów

metody wywarzania nanometali można podzielić na dwie grupy:
Metody bottom up polegają na budowaniu struktury nanometrycznej z pojedynczych atomów lub cząstek. Do metod tych zalicza się m.in. osadzanie z fazy gazowej lub ciekłej, nanokrystalizację z fazy amorficznej oraz konsolidację nanoproszków.
Metody top - down polegają na rozdrobnieniu struktury mikrometrycznej do skali nanometrycznej. W przypadku nanometali największą rolę wśród tych metod odgrywają metody dużego odkształcenia plastycznego.

otrzymywanie nanostopów metodą skręcania pod ciśnieniem hydrostatycznym – obejmuje wyciskanie hydrostatyczne oraz ECAP.

18) Nanowłóknami nazywamy włókna o bardzo małych średnicach, wynoszących około 50- 500nm. Charakteryzują się one znaczną długością oraz niewielkim przekrojem poprzecznym, którego średnica jest około 100 razy mniejsza od długości. Nanowłókna występują zarówno w materiałach naturalnych (np. włókna kolagenowe w tkankach) jak i w materiałach wytwarzanych przez człowieka. Mogą pełnić rolę materiału umacniającego osnowę w kompozytach albo stanowić główny składnik materiału (tkanina, włóknina). Nanowłókna mają właściwości znacznie różniące się od właściwości włókien standardowych. Ze względu na duży stosunek powierzchni do masy, mają dużą powierzchnię właściwą, co daje wysokie właściwości wytrzymałościowe. Inna jest też zwilżalność nanowłókien i reakcja na nie komórek biologicznych.

(19) Przykłady dla skrajnie dużych i małych wielkości:
T- 120 000 Tba pojemność najw.dysku twardego
G – 15 – 30 GPa przy dynamicznym otrzymywaniu syntetycznego diamentu
1p s -zmiany struktury wiazan w białkach
1 fs zmiany dotyczące stanu wewnątrz atomu
1 a s światło przebywa drogę porownywalna z rozmiarami atomu

21) Radon - ok. 2,4 Å Żelazo - 4 Å , wodór 1 Å , węgiel ok. 2 Å

25)materiały funkcjonalne: To takie materiały, które pod wpływem działania zewnętrznego pola F (np. mechanicznego, magnetycznego, elektromagnetycznego) uzyskują nowe własności (zdefiniowane w ramach różnych pól: pola mechanicznego, magnetycznego, elektromagnetycznego) lub takie własności materiału, które w istotny sposób różnią się od własności tego materiału w skali makro (tzn wyprodukowanego metodami klasycznymi) 5 rodzajów funkcjonalnych materiałów,
- piezoelektryki,
- materiały z pamięcią kształtu
- magnetostrykcyjne
- elektroreologiczne
- magnetoreologiczne

26)Przykłady nanomateriałów metalicznych: to kompozyty o osnowie metalicznej i zbrojeniu w postaci nanocząstek lub nanorurek. Wykazują lepsze właściwości fizyczne, mechaniczne i ścierne w porównaniu do kompozytów o strukturze mikrometrycznej. Nanocząstkami fazy zbrojącej są najczęściej proszki ceramiczne (Al₂O₃, ZrO₂, SiC, Si₃N₄, AlN, MgO, SiO₂).

28)Akronimy:

Jasne pole widzenia – BF – Bright Field

Ciemne pole widzenia – DF – Dark Field

Badanie w świetle spolaryzowanym – POL – Polarized Light

kontrast Nomarskiego – DIC – Differential Interference Contrast

SPM – Skanning probe microscope (i te chyba należą pod tą grupe)

STM – skanning tunneling microscope – skaningowy mikroskop tunelowy

AFM – Atomic Force Microscope – mikroskop sił atomowych.

SPD – Severe Plastic Deformation – bardzo silne odkształcenie

ECAP- Equal Channel Angular Pressing – przeciskanie materiału przez kanał kątowy

(30) Materiał, kształt i wymiary sondy (igły) w SPM. ostra sonda (dł. Kilka mikrometrów, średnica 10 nm) umieszczonej na dźwigience (100 – 200 mikrometrów), nanowłókno/nanorurka.

(32) Przykładowe atrybuty pm.
Długość fali promieniowania gamma 1pm, atom siarki 100 pm, helisa białka 500 pm, 1ps zmiany struktury wiazan w białkach

(34) Najbardziej zaawansowany „nowy materiał” produkowany na masową skalę w okresie 3-4 tys. lat temu (podstawowe informacje). Brąz cynowy na pancerze, miecze, pomniki.
35)
Ferryt α jest to roztwór stały graniczny węgla w żelazie Fe _α o maksymalnej rozpuszczalności węgla 0,0218 w temperaturze 727 ºC. Twardość ferrytu waha się w granicach od 70 do 90 HB, węgiel rozmieszoczny na krawędziach luk oktaedrycznych.

36/37) nanodruty – 1nm – 20nm
39) Zdolność rozdzielcza - w optyce przydatność określonego przyrządu optycznego do obserwacji obiektów o określonej odległości kątowej. Im większa jest zdolność rozdzielcza, tym bliższe sobie punkty są obserwowane jako odrębne, a nie jako pojedyncza plama
ATM?/STM – 1 nm w poziomie i pionie, TEM – 0,5 nm , LM – 0,5 mikrometra.

Zasada działania STM –Nad powierzchnią próbki, która może być wykonana tylko z materiału przewodzącego prąd elektryczny lub być pokryta atomami metalu (tzw. napylanie), umieszczona jest sonda (igła), którą można poruszać w sposób kontrolowany. Ramię trzymające igłę mocowane jest do aparatury poprzez skaner piezoelektryczny, który pod wpływem napięcia elektrycznego, w wyniku zjawiska piezoelektrycznego zmienia w niewielkim stopniu swe wymiary, a tym samym zmienia położenie igły przesuwając ją nad próbką. W innych rozwiązaniach układ piezoelektryczny, porusza próbką, a sama sonda pozostaje nieruchoma. Przemiatanie (skanowanie) kolejnych linii i punktów obrazu próbki odbywa się według z góry zadanego programu. Najlepiej jak odl między igła a pow wynosi ok. 1nm. Jak mniejsze to git obrazy ale możliwość uszkodzenia igły. Zwiększenie napięcia o 1 V powoduje przesuniecie igły o 1nm. Komputer analizuje i zapamiętuje mapę prądów tunelowych dla każdego punktu próbki i na tej podstawie tworzony jest później obraz próbki.

Napiecia sterujące piezoelektrykiem – element piezoelektr – steruje odl i od probki i skanowaniem – wzmacniacz pradu tun – system kontroli odleglości i skanowania – opracowanie danych i wyswietlenei wyniku

Tryby: stałoprądowy – staly prad tunelowania czyli stali prad miedzy atomem pow i at igły.

Stałonapięciowy – stale V kierujące igla. Dokładniejszy ale ryzyko uszkodzenia igły.

Efekt tunelowania – istnieje niezerowe prawdop. Że wiązka elektronów przejdzie na 2 str bariery. Elektron może przejść przez sciane mimo ze jego energia z pozoru na to nie pozwala.tunelowania może zachodzic miedzy ostrzem a pow próbki.

Prąd tunelowania – przepływa przez przestrzeń między pow. A igłą. To bariera potencjału. 90% pradu tun zawiera się w obszarze 1 at. Przepływ oznacza istnienie oddziaływania miedzy probka a ostrzem. Może być ona odpychające i przyciągające.