UNIVERZITET U TUZLI Rudarsko-geološko-građevinski fakultet, Tuzla
SEMINARSKI RAD Nanomaterijali
Mentor: Dr.sc. Aldina Kesić, docent
Student: Amel Mujagic
Tuzla, decembar, 2015.g. Sadržaj
Sažetak................................................................................................3 Ključne riječi.........................................................................................3 Uvod.....................................................................................................4 1.Nanotehnologija................................................................................5 1.1. Od velikog, prema malom: pogled na materijale..........................6 1.2.Pojmovi u nanotehnologiji.............................................................7 1.3.Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji...............................8 2. Nanomaterijali................................................................................9 2.1. Mehanometrijska metoda ..........................................................10 2.2. Sintetizovanje iz parne faze........................................................10 2.3. Sinteza iz tečne faze...................................................................12 2.4. Nanomaterijali u našem okruženju..............................................12 2.5. Opšta primena nanomaterijala....................................................14 2.5.1. Nano-roboti..............................................................................14 2.5.2. Svemirski lift............................................................................15 2.5.3. Sol-gel.....................................................................................16 3. Zaključak.......................................................................................17 4. Literatura.......................................................................................17
2
SAŽETAK: U ovom seminarskom radi obrađena je tema: nanomaterijali. Nanostrukturirani materijali vrlo su živo područje istraživanja u svijetu, prije svega zahvaljujući svojim jedinstvenim svojstvima.
KLJUČNE RIJEČI: -nanočestice -nanomaterijali -nanotehnika
KEY WORDS: -nanomaterials - nanoparticles -nanotechnology
3
UVOD:
Polje izučavanja nanomaterijala ima naučni pristup njihovom izučavanju u odnosu na nanotehnologiju. Ona proučava materijale sa morfološkim osobinama na nano skali, i naročito one, koji imaju posebne osobine proizašle iz njihovih nano-dimenzija. [1] Nanoskala se obično definiše kao jedna desetina mikrometra, kao najmanje jedna dimenzija, međutim, ovaj izraz se ponekad koristi također za materijale manje od jednog mikrometra.
4
1.NANOTEHNOLOGIJA
Nanotehnologija je bilo koja tehnologija čije su polje djelovanja veličine reda milijarditog dijela metra. To su tehnologije koje manipulišu sa pojedinačnim atomima. To je primijenjena nauka i odnosi se na proizvodnju uređaja čije su dimenzije 100 nanometara ili manje. Nanotehnologija je vještina pravljenja ili rada sa stvarima tako malim da ih je moguće posmatrati samo pomoću najjačih mikroskopa. To je takođerr i sposobnost pravljenja veoma malih mašina uz pomoć računarske tehnologije, atom po atom. Da se naglasi ovaj smisao, često se nanotehnologija naziva i molekularna nanotehnologija. Može se reći da je nanotehnologija polje primijenjene nauke bazirana na dizajnu, sintezi i primjeni materijala i uređaja reda veličine nano Jedan nanometar je milijarditi dio metra. Za usporedbu, tipična dužina veze dva atoma ugljika je 0,12-0,15 nm, i prečnik dvostruke spirale DNK je oko 2 nm. Najmanje ćelijske životne forme, bakterija iz roda Mycoplasma, su oko 200 nm dužine.
Nano-sastavljanje ili pristup 'odozdo prema gore', je sinteza nanostrukturiranog materijala sastavljanjem njegovih prethodno pripremljenih nanometarskih sastavnih elemenata koje čine nanometarske čestice ili čak i pojedinačni atomi ili molekule.
5
1.1.Od velikog, prema malom: pogled na materijale Brojni fizički fenomeni počinju da se ističu, kako se veličina sistema smanjuje. Ovo uključuje statističke mehaničke efekte, kao i kvantne mehaničke efekte, naprimjer "efekt kvantne veličine", gdje su elektroničke osobine čvrstih tijela drugačije u slučaju znatnog smanjenja veličine djelića. Ovi efekti se ne primjećuju kod smanjenja sa makro, na mikro dimenzije. Štaviše, kvantni efekti počinju dominirati kada se dostignu nanometarske veličine, tipično na rastojanjima od 100 nanometara i manje, u takozvanom kvantnom carstvu. Dodatno, mnoge fizičke (mehaničke, električne, optičke, i druge) osobine se mijenjaju u poređenju sa makroskopskim sistemima. Jedan primjer je povećanje odnosa između površine i zapremine, mijenjajući termičke i katalitičke osobine materijala.
6
Poređenje veličina nanomaterijala 1.2.Pojmovi u nanotehnologiji
Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetaka hiljada atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu. Nanobot je imaginarna mašina (robot) na skali od nekoliko do nekoliko desetaka nanometara, dizajniran da obavlja specifične poslove. Buckminsterfullerene C60, također poznat i kao buckylopta "buckyball", je reprezentativni član ugljikovih struktura, poznatih kao fulereni. Članovi porodice fulerena su glavni subjekti istraživanja pod nanotehnološkim kišobranom.
7
Alotrop ugljika "buckminsterfullerene" C60 1.3.Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji Mihail Roco, jedan od arhitekata Nacionalne nanotehnološke inicijative Sjedinjenih Američkih Država, je predložio četiri faze nanotehnologije koje imaju svoju paralelu u tehničkom progresu tokom Industrijske revolucije. 1. Pasivne nanostrukture - nanodjelići i nanocijevi koji osiguravaju dodatnu snagu, električnu i toplotnu provodljivost, otpornost, hidrofiliju/hidrofobiju i/ili druge osobine koje se pojavljuju iz njihovih struktura na nano skali mjera. 2. Aktivni nanouređaji - to su nanostrukture koje mijenjaju stanje u cilju transformacije energije, informacije i/ili da izvode korisne funkcije. Postoji izvjesna debata da li na neki način vrhunska integrisana kola spadaju u ovu grupu, s obzirom da ona funkcionišu uprkos osobinama koje se javljaju na nanoskali, a ne zahvaljujući njima. Štaviše, argument se razvija, ona se ne kvalifikuju kao "nove" osobine na nanoskali, čak iako su sami uređaji između jednog i stotinu nanometara. 3. Kompleksne nanomašine - sklapanje različitih nanouređaja u nanosistem da bi se ostvarile složene funkcije. Ima tvrdnji da Zettl mašine ulaze u ovu skupinu; drugi tvrde da moderni mikroprocesori i FPGA također odgovaraju. 4. Sistem sačinjeni od nanosistema/Produktivni nanosistemi - oni će biti kompleksni nanosistemi koji proizvode atomski precizne dijelove drugih nanosistema, ne sa nužno novim pojavama nanodimenzionalnih osobina, nego sa odlično shvaćenim osnovama proizvodnje. Zbog atomske prirode materije i mogućnosti eksponencijalnog rasta, ova faza u razvoju nanotehnologije se vidi kao temelj slijedeće industrijske revolucije. Trenutno ima mnogo različitih pristupa za izgradnju prozvodnih nanosistema: uključujući pristupe "odozgo prema dole", i to: "Patterned Atomic Layer Epitaxy" (epitaksija: rast kristala jednog minerala na faceti drugog minerala)[1] i "diamondoidna mehanosinteza" ("Diamondoid Mechanosynthesis") [2]. Tu su 8
također i pristupi "odozdo prema gore", kao što su "DNA Origami" i "Bis-peptide Synthesis". 5. Info/bio/nano konvergencija - S obzirom da je svaki živi organizam sačinjen od atoma i informacija, Roco je dodao peti korak, koji je konvergencija tri najrevolucionarnije tehnologije.
2. Nanomaterijali
Nanomaterijali su materijali sa strukturnim jedinicama velicine 0.000000001m. Nanotehnologija je istrazivanje materijala sa morfoloskim znacajem na nano skali, a posebno onih koji imaju posebna svojstva, koja proizlaze iz njihovih nano dimenzija. Nano level se obicno definise kao manji od desetine mikrometra u barem jednoj dimenziji, iako se taj termin ponekad koristi za materijale manjih od jednog mikrometra. Važan aspekt nanotehnologija je znatno povecanje razmera površine do volumena prisutan u mnogim nano materijalima, koji omogucava novo kvantno mehanicko dejstvo. Jedan primer je "kvantna velicina dejstva", gde se elektronska svojstava cvrste materije menjaju sa velikim smanjenjem veličine čestica. Ovaj efekat nije u igri ako odete iz makro u mikro dimenzije. Međutim, to postaje izraženije kada se postigne veličina u nm. Odredjen broj fizičkih osobina takodje se menja sa promenom iz makroskopske dimenzije. Novitet mehaničkih svojstava nanomaterijala je predmet nano-mehaničkih istraživanja. Nanomaterijali imaju puno veću povrsinu po jedinici mase u poredjenju s većim cesticama, tako oni sa novim karakteristikama koje bi mogle uključivati povećane snage, hemijsku reaktivnost, vodljivost i elektricne osobine. Porozan materijala kao što su npr. zeoliti imaju velike unutrasnje površine i igraju ulogu u mnogim primenam, npr. u katalizi. Međutim, oni se obično ne zovu nanomaterijalima, jer njihove fizičke spoljne dimenzije obično prelazi 100 nm I vise. Rasuti materijal mogu pokazati nova svojstava kad postanu nanocesticni i ne postojipovecanje koriscenje tih novih svojstava. Dva glavna sastojka uzrokuju svojstva nanomaterijala razlikujuci ih značajno od rasutog materijala: povecana relativna povrsina,i kvantni efekti. Uz konstantne mase smanjenje veličine čestica rezultuju promenu ukupne povrsine. Rezultanta veće površine uzrokuje površinska hemija koja postaje sve 9
važnija, stoga manje čestice mogu pokazivati veću biološku aktivnost podatoj masi u poredjenju sa vecim cesticama. Drugim recima, ogromna kolicina reaktivnih molekulskih vrsta nalazi se samo na povrsini nerastvornih cestica i cestica jezgra (preostale nakon raspada rastvorne komponente) moze biti konacano metricko određivanje nepovoljnih ishoda, iako ovim molekulima mogu dodti samo mali deo cesticne mase.
2.1. Mehanometrijska metoda U ove metode spadaju drobljenje, mlevenje i tehnike mehanickog legiranja. Mlevenje je vazan postupak u tehnologiji prerade metalnih i keramickih prahova. Njegova osnovna namena je promena velicine i oblika cestica, kao i homogenizacija praskastih slozenih smesa koje mogu biti naknadno kompaktirane presovanjem ili sinterovanjem. Mlevenje moze dovesti i do razlicitih fizickohemijskih i hemijskih promena materijala. U tom slucaju mlevenje se moze opisati kao mehanohemijski tretman, promena reaktivnosti praskastog materijala kao mehanicka aktivacija, a reakcije izazvane unosenjem mehanicke energije. Tokom mlevenja odigravaju se brojni procesi na makroskopskom, mikroskopskom I atomskom nivou: obrazovanje i kretanje jednodimenzionih defekata u strukturi, plasticna deformacija, smicanje i lom cestica, lokalno zagrevanje i emisija elektrona. Za mehanohe mijski tretman prahova koriste se razliciti tipovi mlinova kao sto su: vibracioni, atricioni, planetarni i horizontalni kuglicni mlinovi. Prednost mehanohemijskih metoda je u njihovoj jednostavnosti, niskoj ceni opreme dok se u nedostatke ubrajaju pojava aglomeracije praha, siroka raspodela velicine dobijenih cestica, kontaminacija od strane opreme, kao i otezano dobijanje cestica veoma male velicine. Ove metode se najcesce koriste za dobijanje neorganskih materijala i metala, ali ne i organskih materijala.
2.2. Sintetizovanje iz parne faze
10
Metode sinteze keramičkih prahova iz gasne faze se mogu podeliti na: • metode koje uključuju isparavanje i kondenzaciju―osnova ovih metoda je prevodenje polaznog materijala u gasnu fazu isparavanjem i to bez ukljucivanja hemijskih reakcija. Nakon isparavanja sledi kondenzacija, pri kojoj se stvaraju cestice koje se zatim izdvajaju iz gasne faze primenom uredaja za separaciju; • metode kod kojih je sinteza praćena hemijskim reakcijama u gasnoj fazi―u ovom slucaju keramicki prahovi se sintetisu hemijskim reakcijama izmedu polaznog materijala i odgovarajućih komponenata u gasnoj fazi. Ove tehnike sinteze su se razvile iz metoda nanosenja filmova i prevlaka. Podecavanjem uslova sinteze tako da spreci rast filma, a poveća brzinu homogenog rasta cestica mogu se dobiti veoma ciste nanocestice. Pri sintezi iz parne faze mogu se koristiti razliciti izvori energije za aktiviranje procesa (prevodenje u gasno stanje), kao sto su otporno zagrevanje, laseri, mikrotalasi, plazma, elektronski snop ili sagorevanje u plamenu. Ove metode karakterise mogucnost dobijanja veoma finih, neaglomerisanih, oksidnih i neoksidnih cestica, velike homogenosti i cistoce, kao i mogu nost minimalizovanja kontaminacije same povrsine cestice (problem tecne faze).
11
Sinteza keramičkih prahova iza gasne faze
2.3. Sinteza iz tečne faze U ovu grupu metoda spadaju hidrotermalne metode, sol-gel metoda i drugi procesi sinteze iz tecne faze metodom taloženja. U osnovi ovih metoda lezi mesanje rastvora razlicitih jona u tacno definisanim odnosima pod kontrolisanom temperaturom I pritiskom. Razmenom toplote se podstice formiranje nerastvorljivih kompleksa koji su dobijeni talozenjem iz rastvora. Ovakav materijal se onda skuplja putem filtriranja i/ili susenja, čime se dobija prah. Prednost ovih hemijskih procesa je u tome sto se ovim putem mogu dobiti značajne količine neorganskih i organskih materijala, kao i pojedinih metala, uz koriscenje relativno pristupacne opreme. Drugi vazan faktor je mogućnost preciznog kontrolisanja raspodele velicina cestica. Medutim, postoje i odredena ograničenja, pre svega u dobijanju sintetisanog materijala cija stehiometrija, po pravilu, odstupa od željene.
2.4. Nanomaterijali u našem okruženju
Proizvodnja nanomaterijala je konstantno u porastu u oblasti medicine, 12
industrije i nauke. Ovi materijali su projektovani tako da imaju dimenzije manje od 100 nm (nanometara) i veoma jedinstvena svojstva koja su rezultat tako male veličine. Kada se govori o nanomaterijalima, pored svih njihovih pogodnosti, kvaliteta ikorisnosti, ne može a da se ne pomene problem uticaja na životnu sredinu. Nanomaterijali, obzirom da su napravljeni veštačkim putem, imaju svojstvo da nekeod štetnih materija ispuštaju u okolinu. Pod štetnim materijama uglavnom se misli na ispuštanje jona.
Studija koju su sproveli istraživači iz Kentakija (SAD), donekle je dala odgovor na na tu dilemu. U studiji ispitivanja tima sa Univerziteta Kentacky, koju je finansirala U.S. Environmental Protection Agency, utvrđeno je da kišne gliste apsorbuju nanočestice bakra prisutne u zemljištu. Jedan od ključnih koraka u prihvatanju nanomaterijala jeste otkrivanje da li se metalni joni propuštaju kroz nanomaterijale ili ih sami nanomaterijali oslobađaju. Upotrebom rengen analize, istraživači su uspeli da naprave razliku između nanočestica bakra i bakarnih jona, ispitivanjem stanja oksidacije bakra u tkivima kišnih glista. Mnogi proizvodi koji su napravljeni od nanomaterijala, nakon upotrebe oslobodiće nanočestice ili kao posledicu redovnog korišćenja ili kroz bacanje upotrebljenog proizvoda. Odbačeni nanodelovi mogu da se vrate u prirodu ili putemvode ili putem zemljišta. Nakon toga, svi ti sastojci ulaze u redovni ciklus, jer voće i povrće raste iz zemlje, a vodu pijemo i tako te čestice unosimo u svoj organizam. Prema istraživačima, još uvek nije jasno kako nanomaterijali deluju u okruženju, zbog nedostatka naučnih istraživanja. U svakom slučaju, polemika je da takvi materijali, nastali veštačkim putem, mogu štetiti ljudima i životinjama. Istraživači sada tvrde da studije, koje su u toku, imaju za zadatak da sprovode transformaciju, bioraspoloživost, trofički transfer i neželjena dejstva napravljenih nanomaterijala na kopnene ekosisteme. Nanomaterijali se uveliko koriste u raznim isntrumentima i robi široke 13
potrošnje. Presvlake za solarne ćelije uglavnom su napravljene od nanomaterijala. Njihova uloga je svakako bitna u daljem razvoju tehnologija i samog čovečansta, ali je bitno i očuvati okolinu od potencijalnog štetnog uticaja ovih materijala. Dalja istraživanja pronaćiće rešenje za taj problem.
2.5. Opšta primena nanomaterijala
2.5.1. Nano-roboti
Nano roboti velicine 0.000000001 metara do sada najvise korisceni u medicini, pronalaze, unistavaju kancerogene celijie, toksicne materije, prate i kontrolisu njihvu brojnost. Mogucnost ovih robota je velika, kako je sada moguce i kontrolisati njihovo kretanje unutar organizma pomocu polyphyletic-nih bakterija aktivnih na magnetno polje. Pomocu 6 ovakvih bakterija koje bi nosile 1 nano robota bilo bi moguce kontrolisano kretanje kroz organizam i prikupljanje potrebnih podatka.
14
Slika 5. Skica nano robota
2.5.2. Svemirski lift
Glavni problem slanja bilo kakvog objekta van zemlje je bilo kako pobediti gravitaciju zemlje, jer najveca energija se trosila na borbu sa silom zemljine teze. Medjutim pronalazenje nano vlakan ugljenika smatra se da je moguce da se izgradi lift koj bi nosio platformu van gravitacionog polja. Gradjenje takvog lifta omogucile su nano cevi ugljenika sirine 4 a duzine 16 atoma, dovoljno cvrste da izdrze rotacionu silu zemlje, svoju tezinu. Naime ove cevi izgradjene od dva sloja, u poprecnom preseku izgledali bi kao koncentricni krugovi, dovoljno su jake da izgrade konstrukciju visoku 5000-6000 kilometara, kao dobri provodnici omogucili bi odlican prenos struje do krajnje jedinice u van gravitacionom polju.
15
Svemirski lift-skica
2.5.3. Sol-gel Sol-gel je proces mokro-hemijske tehnike (takođe poznat kao hemijski rastvor depozicije) nedavno je u širokoj upotrebi u području nauke o materijalima i inženjerstvu. Takve metode koriste prvenstveno za izradu materijala (obično metalnih oksida), počevši od hemijskih rastvora (Sol), koji deluje kao preteča za integrirane mreže (ili gel) bilo diskretnih čestica ili mrežu polimera. Tipični su prekursori metala i metalnih alkokides hlorida, koji prolaze hidroliza i polikondenzacijom reakcije na formu ili mrežu "elastične čvrste" ili koloidne suspenzije (ili disperzija) - sistem se sastoji od diskretne (često amorfne) submicrometer čestice dispergirani u različitoj meri u okolnom rastvoru. formiranje metalnih oksida uključuje povezivanje metalnih centara sa okso (MAMA) ili hidroko (M-OH-M) mostova, te stvaranje metal ili metal-okso hidroko polimera u rastvoru. Dakle, Sol evoluira ka formiranju gela poput difuznog sistema koji sadrži i tečne faze i čvrste faze čije su morfologije u rasponu diskretne česitce neprekidnog mrežnog polimera.
16
Sol-gel skica
3. Zaključak
Opšti zaključak koji proizilazi iz svih pogodnosti koje pružaju opisani materijali, je da je primena ovih materijala u stalnom porastu. Ovi materijali nalaze svoju primenu u skoro svim oblastima industrije i generalno života, jer poseduju određene osobine koje su veoma pogodne za pojedine oblasti i samim tim zamenjuju materijale koji su se ranije koristili u te svrhe.
17
4. Literatura 1. Google.com 2. Wikipedia.org
18
