1. Nanotechnologia – określa sposoby wytwarzania materiałów i urządzeń w skali manometrycznej, tj. na poziomie atomowym czy cząsteczkowym.

2. Nanonauka – studiowanie fundamentalnych własności molekuł i struktur molekularnych, które posiadają w co najmniej jednym wymiarze od 1 do 100 nm. Wspomniane struktury są znane jako nanostruktury.

3. Nanomateriał- wszystkie materiały, w których występują regularne struktury na poziomie molekularnym, tj. nie przekraczającym 100 nm.

Grupy nanomateriałów:

1. Nanomateriały zerowo – wymiarowe (punktowe), zbudowane z osnowy, w której rozmieszczone są cząstki o wymiarach nanometrów (materiały nanowarstwowe, nanopłytki aluminiowe, warstwy magnetyczne)

2. Nanomateriały jedno – lub dwuwymiarowe, np. warstwy o grubości nanometrów typu jednofazowego lub dwufazowego (nanorurki węglowe, nanowłókno, nanopręty półprzewodnikowe)

3. Nanomateriały trójwymiarowe (nanokrystaliczne) złożone z krystalicznych domen i klasterów o wymiarach kilku nanometrów. (fulereny, cząstki koloidalne, kwazikryształy)

1. Top down – czyli redukowanie wymiarów, rozdrabnianie cząstek

• mielenie

• litografia

• obróbka

1. Bottom up – budowanie od podstaw (atom po atomie) – budulcem mogą być atomy, molekuły, nanocząstki – w zależności jakie własności ma mieć końcowy produkt.

Procesy bottom up:

• Osadzanie z fazy gazowej,

• Procesy osadzania wspomagane plazmą,

• Epitaksja z wiązki molekularnej,

• Metody wykorzystujące fazę ciekłą,

• Metody koloidalne,

• Metoda zol żel

• Osadzanie elektrolityczne,

• Metoda kontrolowanego wzrostu monostruktur,

• Uporządkowanie monoukładów.

1. Fulereny – jedna z alotropowych odmian węgla, charakteryzująca się unikalną budową przestrzenną. Wszystkie ich wiązania nasycone są atomami węgla

• Ścięty dwudziestościan,

• 12 pierścieni pentagolanych,

• 20 pierścieni heksagonalnych,

• 30 wiązań podwójnych,

• Średnica cząsteczki 0,71 nm,

• Długość wiązań 0,1404 nm i 0,1448 nm

Otrzymywanie:

• Aktywacja laserem,

• Metoda elektrołukowa,

• Metoda promieniowa,

• Plazma węglowa,

• Piec słoneczny,

• Piroliza węglowodorów.

1. Diament

• Struktura kubiczna przestrzennie centrowana,

• Każdy atom otoczony tetraedrycznie,

• Wiązania o charakterze kowalencyjnym,

• Hybrydyzacja Sp2

1. Grafit

• Układ heksagonalny,

• Płaszczyźnie hybrydazja sp2,

• Odległość pomiędzy płaszczyznami około 0,3nm

• Oddziaływanie pomiędzy płaszczyznami słabe

1. Nanorurki

Jednościenne lub wielościenne rurki węglowe o średnicy nawet 1nm. Przypominają pojedyncze warstwy grafitu (lub kilka warstw) umieszczonych jedna na drugiej, zawinięte, pozbawione denek.

1. Szkło amorficzne

Szkło metaliczne jest materiałem posiadającym strukturę amorficzną uzyskaną w wyniku bardzo szybkiego chłodzenia ciekłego stopu metalicznego, jest ciałem stałym, lecz reprezentuje strukturę zamrożonej cieczy.

Wśród najczęściej stosowanych metod wytwarzania klasycznych szkieł metalicznych można wymienić:

• Metodę natryskiwania- polega na wprowadzeniu kropli ciekłego stopu na odprowadzające ciepło podłoże za pomocą sprężonego gazu, masa topionego wsadu nie przekracza jednego grama,

• Metoda młota i kowadła- polega na topieniu łukiem elektrycznym oraz następnym rozbijaniu kropli ciekłego stopu miedzianym młotkiem, krople ciekłego metalu po rozbiciu pomiędzy dwiema płytami ulegają zeszkleniu między ich zaciśniętymi powierzchniami,

• Metoda ciągłego odlewania strugi- polega na odlewaniu strugi ciekłego stopu otrzymanego w wyniku ciągłego topienia wsadu w tyglu kwarcowym pomiędzy dwa obracające się z dużą prędkością walce lub na powierzchnię zewnętrzną szybko obracającego się bębna miedzianego.

Konwencjonalne szkła metaliczne

Aktualnie wytwarzane szkła metaliczne są zawsze stopami dwóch lub Więcek komponentów i można je sklasyfikować w trzech grupach:

• Szkła typu T₅₀M₂₀, gdzie T jest metalem przejściowym jak Fe, Co, Ni, Pd, a M jest metaloidem B, C, Si, P.

• Typu T^[1]T^[2], gdzie T^[1] i T^[2] jest metalem z grupy lantanowców.

• Szkła typu AB pomiędzy Mg, Ca, Al, Zr, Cu, składnikiem może być również Be, Hf oraz Ti.

Szybkość chłodzenia stopu odlewanego na powierzchnię walca odprowadzającego ciepło wynosi zazwyczaj około 10⁵ do 10⁶ K/s, otrzymane taśmy osiągają grubość około 80μm (zazwyczaj 25-40µm).

Masywne szkła metaliczne

Systematycznie poszukiwane są nowe wieloskładnikowe stopy na bazie Mg, Ln, Zr, Fe, Pd-Cu, Ti, Ni, o jeszcze mniejszej krystalicznej szybkości chłodzenia V, rządu 1-100K/s. Stopy te tworzą nową klasę wieloskładnikowych stopów zwanych masywnymi stopami amorficznymi i nanokrystalicznymi, ich zastosowanie w praktyce bazuje na ich odpowiednich szczególnych własnościach i większych możliwościach wytworzenia odpowiedniej postaci geometrycznej, szczególnie materiałów o dużo większych grubościach niż klasyczne szkła metaliczne.

Masywne amorficzne i nanokrystaliczne stopy posiadają dużą zdolność do zeszklenia tzw. OFA (Glass- forming ability). Ta duża zdolność do szklenia pozwala uzyskać stopy o strukturze amorficznej nanokrystalicznej przy małych szybkościach chłodzenia, nawet do około…, przy grubościach produktu dochodzących do 100mm.

Masywne szkła metaliczne (BMGs) stanowią nową grupę materiałów inżynierskich, które odznaczają się dużą zdolnością do zeszklenia, co pozwala uzyskać strukturę amorficzną przy jednoczesnym zmniejszeniu szybkości chłodzenia oraz zwiększeniu wymiarów geometrycznych odlewu.

Materiały te charakteryzują się dobrymi własnościami mechanicznymi, cieplnymi, magnetycznymi i korozyjnymi, przez co stanowią źródło potencjalnych aplikacji.

1. Mechaniczna synteza, mechaniczne mielenie

1. Mechaniczna synteza jest procesem, w którym na początku miesza się ze sobą proszki różnych metali, stopów lub mieszanin. W procesie tym zachodzi transfer materiału. Proces umożliwiający wytworzenie jednorodnych materiałów dzięki technice wysokoenergetycznego mielenia proszkowych składników wyjściowych. Dzięki temu, że reakcje pomiędzy składnikami mielonej mieszaniny zachodzą w stanie stałym i w temperaturze pokojowej, metodę też można stosować do wytwarzania stopów i mieszanin, które są trudne do otrzymywania konwencjonalnymi metodami.

2. Mechaniczna mielenie – wykonywane jest głównie do rozdrobnienia proszków materiału wyjściowego, ale także do zmiany uporządkowanej mikrostruktury faz międzymetalicznych lub amorfizacji stopu. W obecności atmosfery gazowej (tlen, azot, wodór) może spowodować zainicjowanie reakcji chemicznych przy niższych temperaturach. Metodę tę nazywa się Reactive Ball-Milling i wykorzystuje się m.in. do wytwarzania TiN, BN, ZrN, FeN.

1. Parametry procesu mielenia:

• Rodzaje młynów,

• Czas mielenia,

• Rodzaj atmosfery,

• Stosunek masy kul do masy wsadu,

• Rodzaj materiału kul i pojemnika,

• Środowiska mielenia,

• Temperatura mielenia.

1. Mechanizmy mechanicznego stopowania

Mechanizmy dzielmy na:

1. Kruche,

2. Plastyczne,

3. Plastyczne z kruchymi

1.8 Mechanizm mechanicznego stopowania

Podczas wysokoenergetycznego mielenia, cząstki sproszkowanych materiałów wyjściowych są poddane mechanicznym deformacjom, w wyniku zderzeń:

kula- materiał mielony-kula; kula- materiał mielony- ściana pojemnika, ulegają powtarzalnym odkształceniom, spajaniu oraz rozdrabnianiu na mniejsze części.

W początkowym okresie mechanicznej syntezy cząstki proszku ulegają głownie spajaniu w wyniku czego przeciętna cząstka mielonego proszku zwiększa swoje rozmiary- tworzą się tzw. aglomeraty. Ich rozmiar w zależności od własności proszków wyjściowych jest bardzo różny (do trzech razy większy niż w stanie wyjściowym).

1.8 Mechanizm mechanicznego stopowania

Przeciętna cząstka w początkowym etapie mechanicznej syntezy posiada strukturę warstwową, utworzoną przez złączone ze sobą, odkształcone cząstki składników wyjściowych.

Z przedłużającym się czasem mielenia cząstki zwiększają swoje rozmiary i jednocześnie ich struktura ulega umocnieniu wskutek zwiększającej się liczby defektów takich jak np.: dyslokacje, wakanse. Ze wzrostem liczby defektów, cząstki te stają się mniej plastyczne i bardziej podatne na pękanie. Po przekroczeniu granicznej wytrzymałości zmęczeniowej cząstki z przedłużającym się czasem ielenia ulegają rozdrobnieniu.

1.8 Mechanizmy mechanicznego stopowania

We wczesnym okresie mechanicznej syntezy składniki plastyczne w wyniku oddziaływania z medium mielącym ulegają spłaszczeniu.

W kolejnym etapie spłaszczone cząstki zostają zespolone pod wpływem sił adhezji i formują cząstki kompozytowe o strukturze wielowarstwowej. W wyniku tego obserwuje się wzrost wielkości przeciętnych cząstek. Z upływem czasu liczba warstw w przeciętej cząstce wzrasta, rośnie również gęstość defektów struktury i cząstka ulega umocnieniu. Po przekroczeniu granicznych naprężeń cząstka ulega przełamaniu tworząc jednocześnie dwie lub więcej nowych cząstek o mniejszych rozmiarach zewnętrznych.

1.8 Mechanizmy mechanicznego stopowania

Po pewnym czasie wymiary zewnętrzne cząstek nie zmniejszają się już wyraźnie. W etapie tym wewnętrzna struktura przeciętnej cząstki ulega rozdrobnieniu, zwiększa się liczba warstw tworzących cząstkę, zmniejszają się mogące występować pomiędzy warstwami przerwy, lecz nie zmienia się zewnętrzna wielkość cząstki mielonego proszku.

Brak wyraźnych zmian w zewnętrznych wymiarach cząstek oznacza, że osiągnięto równowagę pomiędzy liczbą cząstek spajanych a liczbą cząstek dzielonych w jednostce czasu. Spajanie sprzyja zwiększaniu rozmiarów cząstek, natomiast kruszenie sprzyja ich zmniejszaniu.

8. Mechanizmy mechanicznego stopowania

Proszki składników wyjściowych poddanych mechanicznej syntezie w zależności od właściwości mechanicznych i różnic w tych własnościach pomiędzy tymi składnikami, podczas trwania procesu mogą wykazywać zróżnicowaną morfologię. W ogólności można pogrupować kombinacje proszków dwóch różnych materiałów wyjściowych na następujące warianty: plastyczny/plastyczny, plastyczny/kruchy oraz kruchy/kruchy.

W przypadku, kiedy oba składniki wyjściowe charakteryzują się plastycznymi własnościami np. Ag- Cu, mechanizm mechanicznej syntezy w takim układzie składa się z kilku podstawowych etapów.

W przypadku, kiedy jeden ze składników wyjściowych posiada własności plastyczne, a drugi kruche, mechanizm mechanicznej syntezy różni się od wymienionego poprzednio.

Niektóre stopy utwardzane dyspersyjne (np. plastyczne cząstki stopu aluminium utwardzane wydzieleniami twardych i kruchych cząstek Si3N4 lub AlN) otrzymywane drogą mechanicznej syntezy, są przykładem, w którym składnikami wyjściowymi są plastyczne i kruche cząstki.

Mechanizmy mechanicznego stopowania

Po pewnym czasie stopień spajania i fragmentacji ulega zrównaniu. Na tym etapie wielowarstwowe utwardzone dyspersyjnie cząstki łączą się pod zupełnie losową orientacją względem siebie. Kontynuując mielenie struktura cząstki ulega dalszemu rozdrobnieniu i zwiększa się jednorodność kompozytu.

Jeżeli składnik kruchy jest rozpuszczalny w plastycznej osnowie, drobne cząstki utworzą stop z cząstkami plastycznymi i zostanie osiągnięta jednorodność chemiczna. Jeżeli składnik kruchy jest słabo rozpuszczany w stanie stałym w sieci składnika plastycznego, wtedy nie dojdzie do powstania stopu.

• Melt spinning (przędzenia)- strumień ciekłego stopu formowany w szczelinie tygla jest kierowany na podłoże chłodzące; rolę podłoża chłodzącego spełnia walec wykonany z materiału o wysokim współczynniku odprowadzania ciepła wprawiony w szybki ruch obrotowy, na którego zewnętrzną powierzchnię poddawany jest strumień ciekłego stopu.

1. Metody badania struktury amorficznej;

-badania rentgenowskie – odbijamy się od płaszczyzn, powinniśmy dostać refleksy

Badanie metalograficzne z wykonanie mikroskopii elektronowej. Mamy obraz o charakterystycznym obrazie, nie ma na nim widocznych zmian. Mikroskopia elektronowa przedstawia rozmyte prążki widoczne dla dyfrakcji elektronowej. Widać tzw. projekcje elektronów, która może być odzwierciedleniem struktury atomowej tego materiału. Za pomocą obrazów możemy po usunięciu szumów spodziewać się specyficznych konfiguracji atomów w strukturze (klastrów atomowych) , które można opisać na figurach płaskich.

STM pozwala na obserwacje struktury w trybie skaningowo transmisyjnym, gdzie wiązka elektronów, której pole ma dany obszar próbki jest bardziej zogniskowana, co umożliwia uzyskanie obrazów o wyraźnym kontraście, ale przy pogorszeniu jego rozdzielczości.

Badania faktograficzne – obserwacja przełomów, stosujemy skaningową mikroskopię, przy mniejszych powiększeniach obserwujemy przełomy szkieł metalicznych. Odznaczają się występowaniem przynajmniej dwóch stref o zmiennej morfologii obrazu (gładka, łuskowa). Gładka w środku odlewu, a ta druga na brzegach, w miejscu bezpośredniego kontaktu metalu ciekłego z formą odlewniczą.

DTA – różnicowa analiza termiczna

Szkła metaliczne w stanie po odlaniu znajdują się w stanie metastabilnym i dążą do zmiany struktury z amorficznej na krystaliczną, czyli do przejścia ze stanu metastabilnego do równowagowego.

Własności: magnetyczne: korecja. Można stosować promienie gamma i MOSSBAVEROWSKI, oszacowanie obliczeń innych atomów wokół atomów żelaza.

II. Proces relaksacji i krystalizacji

Wzrasta dyfrakcyjność linii (pod wpływem temperatury), następnie zmienia ich szerokość połówkowych – zawężanie ( + relaksacja ) występuje widoczna zmiaa na kontrastach mikrosktruktury.

Wygrzewanie powoduje pozostawienie linii dyfrakcyjnych pochodzących od faz krystalicznych (od żelaza alfa) i borków żelaza FeB, Fe2B,Fe3B.

Obróbka cieplna powoduje optymalizację własności magnetycznych szkieł metalicznych, czego rezultatem jest wzrost początkowej przenikalności magnetycznej w temperaturze gwarantującej uzyskanie struktury nanokrystalicznej, czyli kryształów o wielkościach poniżej 100nm, występujących w amorficznej osnowie.

III. modelowanie struktury szkieł metalicznych

W strukturze amorficznej możemy znaleźć specyficzne ułożenia atomów zwane klastrami atomowymi, które tworzą figury przestrzenne, takie jak dwudziestościany , pryzmy. W celu modelowania struktury konieczne jest wyznaczenie czynnika struktury, który daje informacje o rozmieszczeniu atomów w danym materiale.

W celu dopasowania do czynnika struktury eksperymentalnego do czynnika obliczeniowego wykorzystujemy metodę z Monte Carlo, która polega na losowym ułożeniu atomów w tzw. boksie symulacyjnym.

Metoda Reversa Monte Carlo umożliwia prawdopodobne ułożenie atomów w danym materiale na podstawie dopasowania wyników obliczeniowych do eksperymentalnych. Mimo zgodności wyników, wynik nie zawsze może być fizyczny.