ODPOWIEDZI DO PYTAŃ Z NANOTECHNOLOGII 2013

1.Co oznacza termin nanotechnologia?

Nanotechnologia- nauka i inżynieria dotycząca wytwarzania: materiałów, struktur funkcjonalnych, urządzeń uporządkowanych w skali manometrycznej; Nano 10^-9=0,000.000.001m=0,000.001mm; (gr)nanos-karzeł, techno-umiejętność obróbki dzieła lub wyrobu, logos-nauka, Richard P. Feynman- początek nanotechnologii po jego słynnym wykładzie w 1959

Nanocząstki- stan rozproszenia materii obejmujący rozmiar cząstek od 1m do 1000 m

Klasyfikacja nanomateriałów, źródło pochodzenia nanocząstek: naturalne(wytwarzane bez udziału człowieka, np. nanocząstki soli morskiej w powietrzu, pyły gleby,kurz), antropogeniczne(w wyniku działalności człowieka niezaplanowanej, np. produkty spalania paliw, mgły przemysłowe), inżynierskie(działalność człowieka zaplanowana np. struktury zerwymiarowe-kropki kwantowe, jednowymiarowe-nanodruty, dwuwymiarowe- nanowarstwy, nanopłytki; trójwymiarowe- nanosfery, nanorurki)

*Metody otrzymywania nanocząstek

przez obniżanie rozpuszczalności, metody redukcyjne, metody oksydacyjne, metody hydrolityczne, reakcje podwójnej wymiany

2.Jak zmiana rozmiaru cząstek substancji wpływa na jej temperaturę topnienia ?

Temp topnienia — temperatura w której kryształ zamienia się w ciecz

Nanocząstki wykazują inne właściwości niż cząstki zbudowane z tych samych atomów ale o rozmiarach mikrometrów i większych; np. nanokryształy mogą mieć temp top o kilkaset °C niższe od temp top większych kryształów.; także ich struktura krystaliczna może być inna. Te efekty są związane z bardzo dużym stosunkiem liczby atomów na powierzchni do liczby atomów w objętości w nanokryształach, w związku z czym energia powierzchniowa może mieć dominujący wpływ na stabilność kryształu. Wraz ze zmniejszeniem cząsteczek substancji spada temp top.

3.Jakie wielkości fizyczne przestają mieć znaczenie w zakresie nanometrów ?

Moment bezwładności, energia kinetyczna ruchu obrotowego, siły grawitacji (ciężkości) [wielkości obiektu o średnicy 6,7 mm (równowaga sił grawitacji i powierzchniowych): <siły grawitacji(ciężkości) nie maja znaczenia, >nie mają znaczenia siły powierzchniowe]

4.Jakie rodzaje sił są dominujące dla nanoobiektów ?

Siły powierzchniowe, Siły tarcia ,siły adhezji, gładkość powierzchni, strykcja (adhezja + tarcie); siły wytrzymałościowe,

5.Jakie są ogólne metody otrzymywania nanoobiektów ?

Synteza przez spalanie synteza w stanie plazmy, wytwarzanie na mokro, strącanie na mokro, strącanie chemiczne, metody mechanochemiczne(np. ucieranie), wysokoenergetyczne młyny kulowe, chemiczna depozycja par (np. pokrycie kwarcu złotem), aklacja laserowa

Rodzaje metod wytwarzania:

- produkcja konwencjonalna

- mikrotechnologia

-metoda chemii roztworów

-metody biochemiczne

-metody molekularne

6.Właściwości fizyczne i chemiczne nanorurek

Nanorurka-struktury nadcząsteczkowe, mające postać pustych w środku walców, najlepiej poznane są nanorurki węglowe, których ścianki zbudowane są ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu).

-wysoka wytrzymałość i sztywność

- mała gęstość

-wysoka elastyczność i pusta struktura umożliwia łatwe wyginanie i odkształcanie

- w nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrzne warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska

-W zależności od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo w poprzek nanorurki, nanorurki mogą być dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami, nanorurki mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe o analogicznej masie->2001 tranzystor zmiana stanu 1 elektron

-znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury, natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w poprzek

-wytrzymują bardzo wysokie temp 750C w powietrzu

7.Co określa tzw. „samozryw” nanomateriałów i do czego może być wykorzystany ?

Samozryw- zerwanie pod wpływem własnego ciężaru materiału, wyrażone w długości np. stal- kilka kilometrów, nanorurka- 380 km-> wykorzystanie: można by ją wykorzystać do uwiąznia satelity wykorzystanie: badanie wytrzymałości nanomateriałów

8.Co to są ciecze magnetyczne i jakie jest ich zastosowanie ?

Ferrofluidy (ciecz magnetyczna) to substancja o właściwościach możliwie zbliżonych do cieczy, która w odróżnieniu od typowych cieczy jest w warunkach pokojowych dobrym paramagnetykiem i ulega silnej polaryzacji magnetycznej w obecności zewnętrznych pól magnetycznych.

Uzyskiwane są przez utworzenie zawiesiny mikroskopijnych cząsteczek substancji ferromagnetycznej, takiej jak magnetyt lub hematyt, w cieczy nośnej. Typowe wymiary drobinek ferromagnetyku nie przekraczają 10 nm, co pozwala na zachowanie większości charakterystyk nośnika. Jako nośniki drobin używane są zwykle rozpuszczalniki organiczne lub woda, a dodatek surfaktanta (kwasu oleinowego lub cytrynowego, lecytyny, TMAH) zapobiega łączeniu się i sedymentacji drobin.

Stosowane są między innymi w nowoczesnych głośnikach, układach chłodzących, pomiarowych, a także w przemyśle zbrojeniowym.

9.Podaj przykłady zjawisk optoelektronicznych i do czego mogą być wykorzystane?

elektrooptyczne zjawiska-, grupa zjawisk fiz., w których zarówno uwidacznia się wpływ pola elektr. na własności opt. substancji (zjawisko elektrooptyczne Kerra, zjawisko Starka), jak i odwrotnie — występują zmiany własności elektr. substancji pod wpływem padającego światła (fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne, emisja fotoelektronowa).

Zjawisko Kerra - pojawianie się podwójnego załamania światła po umieszczeniu substancji (izotropowej w normalnych warunkach) w polu elektrycznym prostopadłym do kierunku padania światła, przykład: elementy optoelektroniczne, np. komórka Kerra (modulacja światła, wytwarzanie krótkich impulsów świetlnych;

zjawisko Starka- polegająca na rozszczepieniu oraz przesunięciu linii spektralnych atomu lub cząsteczki wysyłających lub absorbujących kwanty świetlne wywołane oddziaływaniem pola elektrycznego, wykorzystuje się do pomiaru elektrycznego momentu dipolowego cząsteczek.

fotoelektryczne zjawisko wewnętrzne - światło wnika do wnętrza materiału ( przede wszystkim chodzi o półprzewodniki ) i uwalnia tam kolejne elektrony. Zmienia się przez to przewodność elektryczna właściwa materiału. Zastosowanie : w ogniwie fotoelektrycznym Zjawisko to zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego.

-zastosowanie: w fotokomórkach, bateriach słonecznych, fotopowielaczach, noktowizorach, Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego i generowania ładunku, którego ilość można zmierzyć.

emisja fotoelektronowa (fotoelektryczne zjawisko zewnętrzne) - fiz. emisja elektronów przez ciało wywołana absorpcją przez nie promieniowania elektromagnetycznego; e.f. (wywołaną działaniem światła) odkryli niezależnie od siebie fizycy niem. H.R. Hertz (1887) i W. Hallwachs (1888), a jej wyjaśnienie podał 1905 A. Einstein.

10.Na czym polegają metody modyfikacji powierzchni w nanotechnologiach ?

Do podlegających modyfikacjom właściwości zalicza się, m.in. właściwości antyadhezyjne, hydrofilowe, hydrofobowe, antybakteryjne, odporność na zarysowania oraz smarowanie własne. Ze względu na niewielką grubość warstwy i łatwą obróbkę cząsteczki zolowo - żelowe są pod względem ekonomicznym bardzo korzystnym rozwiązaniem, które pozwala na uzyskanie wybranych właściwości.

11.Co to są fulereny i jakie są ich rodzaje?

Cząstki mieszczęce się w skali Nano, złożone z układów 6 członowych i łączników 5 członowych. Węgla C-60- piłka fudbolowa70- piłka do rugby . Pochodne fulerenów węglowo tytanowe. Są to cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Cząsteczki fulerenów zawierają od 28 do ok. 1500 atomów węgla. Właściwości chemiczne fulerenów są zbliżone pod wieloma względami do węglowodorów aromatycznych.

Do rodziny fulerenów zaliczamy:

fulereny właściwe (C₆₀, C₇₀),

nanocebulki (fulereny wielowarstwowe),

fulereny olbrzymie (ilość atomów węgla powyżej 500),

nanorurki (walec z warstw grafenowych).

Modyfikowane fulereny dzieli się na:

Rodzaje: homogenne(normalne) zbudowane z jednego pierwiastka poniżej 60 at.-piłka będzie kanciata;egzohedralne- egzohedralne - fulereny modyfikowane powierzchniowo - do których powierzchni są przyłączone rozmaite grupy funkcyjne, np.: po przyłączeniu grupy hydroksylowej otrzymuje się fulerenole;endohedralne -piłka z dowolnego pierwiastka, hetero atom umiejscowiony w środku, zamknięty, niepołączony żadnym wiązaniem, ciecz przechodzi przez fulereny reaguje na katalizatorze i wychodzi po reakcji.heterogulereny-przynajmniej jeden z atomów samej struktury jest inny niż reszta, np. azotu

Metody syntezy fulerenów: mechanizm pentagonalny, fulerenowy ,przylegania pierścieni,

Rodzaje modyfikacji fulerenów: uwodornienie +H2->fulerany;chlorowcowanie +X2->fluorocofulereny;cykloaddycja;eliminacja;łączenie z metalami,polimeryzacja

12.Co to są nanorurki i jakie są rodzaje

Nanorurki - Nanorurki (ang. "nanotubes") to struktury o kształcie wydrążonego walca i bardzo małych wymiarach, rzędu nanometrów, przy czym długość takich tworów może być o kilka rzędów wielkości większa niż średnica ich przekroju poprzecznego.Nanorurki charakteryzują się właściwościami niezwykłymi w porównaniu z klasycznymi materiałami. Są niezwykle wytrzymałe na rozciąganie (200 razy bardziej niż stal), mają niezwykle wysoką przewodność cieplną (dzięki przenoszeniu energii przez bardzo szybkie fale podłużne)

Zastosowanie Ze względu na swoją wytrzymałość i elastyczność, nanorurki węglowe są dobrymi kandydatami zarówno na elementy planowanych nanomaszyn i metameteriałów jak i do zastosowań w dużej skali.

• Mechaniczne - Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 GPa^[9]. Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1,3-1,4 g/cm³^[10], daje to najlepszy rezultat spośród znanych ludzkości materiałów. Nanorurki nie są natomiast wytrzymałe na zgniatanie. Z powodu elastyczności i pustej struktury łatwo wyginają się i odkształcają pod wpływem sił ściskających lub zginających.

• Kinetyczne - W nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrzne warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz zewnętrznych, tworząc idealne atomowe łożyska^[11][12]. Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów^[13] i nanopotencjometrów^[14].

• Elektryczne W zależności od ułożenia linii wiązań wzdłuż albo w poprzek nanorurki, nanorurki mogą być dobrymi przewodnikami lub półprzewodnikami. W teorii nanorurki mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe o analogicznej masie^[15].Drut miedziany przepalenie 1MA/cm2 Dzięki zastosowaniu nanorurek w 2001 udało się stworzenie tranzystora, który do zmiany stanu (włączony/wyłączony) potrzebuje zaledwie jednego elektronu! Naukowcy przewidują, że zastosowanie nanotechnologii w elektronice cyfrowej pozwoli na konstruowanie coraz szybszych i coraz mniejszych komputerów i układów scalonych.

• Termiczne Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą ciepło wzdłuż swojej struktury (dzięki przewodnictwu balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w poprzek. Przewiduje się że nanorurki węglowe mogą przewodzić do 6000 W/m•K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m•K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2800 stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu^[

13.Zagrożenia wynikające z nanotechnologii:

a. wpływ nanotechnologii na człowieka:

-niewłaściwe funkcjonowanie nanorobotów, nanoproduktów umieszczanych w ludzkim organizmie lub w środowisku naturalnym- niebezpieczeństwem jest zepsucie się maszyny i jej złe funkcjonowanie, które może objawiać się nadmiernym samoreplikowaniem, zmianą wykonywanej funkcji (zamiast regenerowania- uszkadzanie), czy gromadzenie się w jednym miejscu, czyli działanie na kształt Komorek nowotworowych- nanonowotwory.

-toksyczność nanomateriałów- wciąż nie jest do końca pewne, jaki wpływ na środowisko mają istniejące nanocząsteczki (drobinki węgla, zanieczyszczenia)

b. wykorzystanie nanotechnologii przez człowieka:

-zagrożenia natury wojskowej: nanoterroryzm (wykorzystywanie nanotechnologii przez terrorystów, użycie broni zbudowanej z nanorurek węglowych, nanosensory, które ułatwiają dotarcie do tajnych inf.), działania wojskowe (niebezpieczne są: tworzenie nowych broni masowego rażenia np. przenoszenie broni chemicznej i/lub biologicznej w ciele człowieka, zwierzęcia lub w roślinie za pomocą nanokapsułek, nowe rodzaje broni),

-problem natury społeczno- etycznej: stan wiedzy na temat nanotechnologii jest ubogi, uzależnienie człowieka od nanotechnologii (używanie sprzętów zamiast mięśni, co spowoduje ułomność naturalnych partii ciała człowieka, zastępowanie działań człowieka przez maszyny- problem wolnego czasu i braku zajęcia).

14.Metody wytwarzania i kierunki zastosowania nanorurek?

Sposoby wytwarzania nanorurek
Atomy węgla występujące pojedynczo w wysokich temperaturach rekombinują, tworząc sadzę, formy bezkształtne, formy kuliste - fullereny i cylindryczne - nanorurki. Generalnie opracowano trzy metody otrzymywania nanorurek. Wszystkie metody, niestety, dają mieszaninę nanorurek o różnych rozmiarach, typach skręcenia i licznych defektach.

Nanorurki nieorganiczne

Nanorurki udało się również otrzymać na bazie związków nieorganicznych. Możliwość taką przewidział już w 1930 r. Linus Pauling[28], jednak po raz pierwszy udało się dowieść istnienia takiej struktury dopiero zespołowi Reshefa Tenne w 1992, który otrzymał je z siarczku wolframu[1].

W kolejnych latach opracowano metody otrzymywania nanorurek z wielu innych związków nieorganicznych, m.in z tlenku wanadu, tlenku magnezu, tlenku tytanu, krzemionki, pochodnych borazolu[29] a także czystej miedzi i bizmutu[30], które można stosować jako materiały przewodzące prąd elektryczny, suche elektrolity oraz katalizatory reakcji redoks.

Nanorurki nieorganiczne mają zwykle większą gęstość od węglowych i mają mniejszą odporność na rozciąganie ale za to większą na ściskanie, dzięki czemu można je potencjalnie stosować do produkcji materiałów o wysokiej odporności na przebicie i rozerwanie, np: do produkcji kamizelek kuloodpornych[29].

Zastosowania

Ze względu na swoją wytrzymałość i elastyczność, nanorurki węglowe są dobrymi kandydatami zarówno na elementy planowanych nanomaszyn i metameteriałów jak i do zastosowań w dużej skali.

Zastosowanie nanorurek węglowych

• dzięki dobrym zdolnościom sorpcyjnym są wykorzystywane do wychwytu różnych związków występujących w śladowych ilościach w fazie ciekłej i gazowej. Znalazły zastosowanie jako czujniki (sensory) gazów i śladowych ilości zanieczyszczeń.

• nośniki katalizatorów (przemysł chemiczny) i elektrokatalizatorów (ogniwa paliwowe), fotokataliza torów (samoczyszczące się powierzchnie)

• fotoogniwa (dotyczy ogniw słonecznych)

• membrany filtracyjne (ochrona środowiska)

• materiały elektrodowe (baterie litowe)

• markery (w biomedycynie)

• wypełniacze materiałów kompozytowych

• ekrany pola elektromagnetycznego

• emitery emisji polowej

• nanowłókniny, nanoprzędza

• sztuczne muskuły

• nośniki leków i genów

Obecnie można spotkać już pewne wyroby zawierające nanorurki węglowe, np. rakiety tenisowe, narty, kije hokejowe, ramy rowerowe, elementy karoserii samochodów. Szerokie stosowanie nanorurek węglowych w codziennym życiu związane jest z ich ceną oraz dobrą znajomością technologii ich wytwarzania.

15.Co to jest analiza wymiarowa i jakie może mieć znaczenie w nanotechnologii ?

---