inž.materijali dobijeni nano teh

SEMINARSKI RAD

INŽENJERSKI MATERIJALI DOBIJENI VISOKIMI NANOTEHNOLOGIJAMA

Student: Ivan GvozdenovićStojadinović dr Slobodan Br.indeksa: 21/10M-29

Industrijsko inženjerstvo

Zrenjanin, 2011

Univerzitet u Novom SaduTehnički fakultet,,Mihajlo Pupin’’

Zrenjanin

SEMINARSKI RAD




Zrenjanin, 2011


Zrenjanin

SEMINARSKI RAD




Zrenjanin, 2011


Zrenjanin

SADRŽAJ

Uvod………………………………………………………………………3Specifična površina nanočestica…………………………………………..4Spinelni feriti……………………………………………………………...8Struktura spinelnih ferita………………………………………………….9Superparamagnetizam…………………………………………………….9Uticaj veličine čestica na strukturu i magnetne osobine ZnFe2O4……….11Primena nanotehnologije…………………………………………………12Napredni materijali……………………………………………………….13Poluprovodnici…………………………………………………………...13Pametni materijali………………………………………………………...13Nanoinženjerski materijali………………………………………………..14Primeri primena nanomaterijala…………………………………………..14Nano radio………………………………………………………………..15Nevidljivi ogrtač u laboratoriji...................................................................15Primena nanotehnologije u budućnosti…………………………………..16Sintetička realnost………………………………………………………..16Projekti…………………………………………………………………...17Zaključak………………………………………………………………....18Literatura………………………………………………………………....19

Uvod

Keramika koja pripada materijalima visoke tehnologije, zauzima posebno mesto utehnološkoj revoluciji. Razvoj mnogobrojnih novih keramičkih materijala za veomarazličite oblasti primene, uslovio je i razvoj mnogih metoda za njihovo dobijanje.Osnovni cilj savremenih procesa dobijanja materijala je dobijanje materijala tačnodefinisane strukture i unapred zadatih osobina, ali i dobijanje keramike potpuno novihosobina za adekvatnu primenu dobijenog keramičkog proizvoda. Veliki napredak udobijanju keramičkih materijala novih, ponekad i neočekivanih osobina, postignut jerazvojem nanostrukturih materijala i nanotehnologija. Nanostrukturni materijalipredstavljaju čvrste materijale koji se sastoje iz strukturnih jedinica čija je bar jednadimenzija u intervalu 1 – 100 nm. Ovo je najednostavnija i opšte prihvaćena definicijananostrukturnih materijala koju je dalo američko udruženje The U.S. NationalNanotechnology Initiative. Od kraja osamdesetih godina prošlog veka ogroman naučnipotencijal, kao i ogromna sredstva širom sveta su angažovani u istraživanjenanostrukturnih materijala, zahvaljujući pre svega izuzetno dobrim mehaničkim,električnim, optičkim, termičkim i magnetnim osobinama koje pokazuju. Osobinenanostrukturnih materijala su posledica njihove jedinstvene i specifične strukture. Uokviru ove grupe materijala posebno mesto zauzimaju nanočestični sistemi. Termin„nanočestica” (ili kako ih često zovu i „mala čestica”) se prvi put javlja osamdesetihgodina i od tada interesovanje za ovu grupu materijala eksponencijalno raste. Dovoljnoje reći da je tih osamdesetih godina publikovano oko 20 radova na temu nanočestičnihsistema, dok se u 2008. godini, cifra popela na čak 16000 publikacija. Razlog ovakovelike ekspanzije interesovanja za nanočestične sisteme je pre svega u drastičnodrugačijim osobinama koje pokazuju u poređenju sa odgovarajućim balk materijalimaistog sastava (balk potiče od engleske reči „bulk“ i predstavlja komad materijala sazrnima (česticama) veličine na mikro skali). Takvo ponašanje je posledica pre sveganjihove male veličine, ali i izuzetno velikog odnosa površine prema zapremini, te velikespecifične površine. Efekat povećanja specifične površine sa smanjenjem veličinečestica je ilustrovan na slici 1.1. Reč nano potiče od grče reči nanos, što znači patuljak.Dakle, radi se o vrlo malim veličinama. Nanometar predstavlja veličinu od jednogmilijarditog dela metra, a raspon u nanosvetu beleži se na skali od 1 do 100 nanometara.

1.0.Specifična površina nanočestica

Slika 1.1. Specifična površina nanočestica

Dužina ivice kuba Broj kubova/cm3 Zapremina kuba Specifičnapovršina

1 cm 1 1 cm3 0,0006 m210 · 1 mm 103 1 cm3 0,006 m2104 · 1 μm 1012 1 cm3 6 m2107 · 1 nm 1021 1 cm3 6000 m2

Uzmimo, na primer, kub dužine ivice 1 cm (što je približno veličina šećerne kocke) idelimo ga korak po korak na sve manje i manje jedinice sve dok ne dođemo do kubovadužine ivice od 1 nm. Dok je zapremina ovakvog jednog tela ostala ista (bez obzira nakoliko jediničnih delova je podeljeno), broj jediničnih ćelija kao i njihova površina su sedrastično povećali. Vidimo da 1021 „nanokubova” ima specifičnu površinu od 6000 m2,što je približno jednako površini fudbalskog terena. Prema tome, u poređenju sa balkmaterijalima, osobine nanočestica su u velikoj meri pored veličine, određene i njihovompovršinom. Veliki broj prekinutih (nezasićenih) veza na površini čestica, kao ineokupirana koordinaciona mesta i narušena simetrija će imati presudnu ulogu unjihovom ponašanju koje je značajno drugačije u poređenju sa uređenim kristalnimsistemima makroskopskih dimenzija. Sinteza izuzetno čistih, ultra finih,neaglomerisanih čestica sa kontrolisanom stehiometrijom, veličinom čestica imorfologijom je prvi, a možda i najvažniji korak u procesiranju nanostrukturnihmaterijala. Stoga je u ovom radu, akcenat stavljen na dobijanje ultra finih magnetnihnanočestica na bazi cink-ferita kao i supstituisanih cink-ferita, tehnikama sinteze iztečne faze, značajno poboljšanih magnetnih osobina u poređenju sa odgovarajućimmikrostrukturnim materijalima istog sastava. Magnetne nanočestice, koje posedujujedinstvene i drastično drugačije osobine u poređenju sa svojim balk materijalima.obzirom na mogućnosti njihove primene od memorijskih jedinica, ferofluida,katalizatora pa sve do biomedicine, slika 1.2. Osnovne magnetne karakteristike ovihčestica poput temperature blokiranja (TB), vremena relaksacije (τ), koercitivnog polja(Hc) i susceptibilnosti (χ) su u velikoj meri modifikovane prelaskom na nanoskalu, pa

se rezultat ovih saznanja danas već koristi za kreiranje i kontrolu određenih osobinananomagnetnih čestica prelazeći iz feromagnetnog u superparamagnetni režim. U istovreme, zakonitosti koje vladaju na nanoskali mogu biti iskorišćene u cilju modifikacijeveličina kao što su koercitivno polje (Hc), remanencija (Mr) i saturaciona magnetizacija(Ms), koje predstavljaju osnovne histerezisne veličine, prikazane na slici 1.3.

Slika 1.2. Različiti oblici primene magnetnih nanočestica

Slika 1.3. Veza struktura – osobine kod magnetnih nanočestica

Od velikog broja magnetnih nanočestica sposobnih da se modifikuju u cilju dobijanjaželjenih osobina, spinelne feritne čestice predstavljaju jedan od izuzetno atraktivnihsistema. Spinelna struktura se može predstaviti opštom formulom (A)[B2]O4, gde Apredstavljaju katjone na tetraedarskim pozicijama, dok su B katjoni na oktaedarskimpozicijama. Spinelna struktura je veoma složena i promenljiva, te se stoga možemodifikovati na različite načine, što rezultuje novim ili poboljšanim fizičkimosobinama. U okviru ove grupe spinelnih jedinjenja, postoji izuzetno velikointeresovanje za cink-ferite, nedopirane i dopirane, posebno u vidu nanostrukturnihelemenata, kod kojih redukovanje dimenzionalnosti dovodi do strukturnih iodgovarajućih elektronskih promena. Kada se govori o prahovima na nanoskali,svakako se mora uzeti u obzir i značajan udeo površinskih atoma, te efekat maleveličine, što sve zajedno u izuzetno velikoj meri utiče na njihovu magnetnu strukturu imagnetne osobine. Sickafus i saradnici su 1999. godine dali vrlo detaljno tumačenjespinelne strukture uključujući vezu između 3 osnovna stepena slobode: parametrarešetke – a, anjonskog parametra – u, stepena inverzije – δ. Zavisno od vrednostistepena inverzije, razlikuju se 3 vrste spinelne strukture i to normalni spinel (δ = 0),inverzni spinel (δ = 1) i mešoviti spinel (0 ≤ δ ≤ 1). Po svojoj strukturi cink-ferit jenormalni spinel, što znači da su svi joni A (Zn2+) tetraedarski koordinisani, dok su Bjoni [Fe3+] oktaedarski koordinirani kiseonikovim jonima. Zahvaljujući ovako širokomrasponu magnetnog uređenja, uslovljeno pre svega njihovom nanostrukturom, cink feritisu predmet velikog interesovanja u različitim oblastima nauke i tehnologije. Ovimaterijali pružaju izvanrednu osnovu za ispitivanje veze struktura-osobine-primena, tenjihovog složenog međusobnog uticaja. Poznato je da su magnetne osobine cink feritaodređene u velikoj meri veličinom čestica, sastavom kao i distribucijom katjona u samojspinelnoj strukturi. Ispitivanjem uticaja veličine čestica na magnetne osobine ovihmaterijala, pokazalo se da magnetizacija raste sa opadanjem veličine čestica. Ovo jeusko povezano pre svega sa raspodelom katjona između tetraedarskih i oktaedarskihmesta. Pored toga, pokazano je da i primenjena metoda sinteze feritnih nanoprahovaima veliki uticaj na veličinu i oblik čestica, njihovu raspodelu, ali i na katjonskuinverziju, što sve zajedno utiče na osobine materijala koje konačno određuju i njihovuprimenu. Osnovni cilj je bio da se utvrdi veza između sinteze, uticaja različitih katjona,strukture i osobina čistih cink-feritnih nanočestica, kao i cink-ferita sa dodatkomindijuma i itrijuma, slika 1.4. Nanoprahovi na bazi cink-ferita su sintetisani koristećinisko temperaturnu metodu sinteze iz tečne faze – metodu koprecipitacije. Ova metodase pokazala kao jedna od direktnih tehnika za dobijanje prahova spinelne strukture. Radipraćenja uticaja veličine čestica dobijenog praha na strukturu i osobine ovih materijala,sintetisani čist cink ferit je zagrevan na različitim temperaturama. Pored toga, radiispitivanja uticaja različitih vrsta jona i njihove preraspodele u katjonskim mestimaspinela cink ferita na strukturne i magnetne osobine, sintetisani su i cink feritni prahovisa različitim udelom jona indijuma i itrijuma.

Slika 1.4. Međusobni uticaj strukture, sastava, tehnike sinteze i osobina cink feritnihnanočestica

Naime, cink feriti sintetisani u ovom radu pokazuju znatno veće vrednosti magnetizacijeu odnosu na mikrostrukturni ZnFe2O4. Takođe, specifična površina sintetisanogZnFe2O4 praha je izuzetno velika, znatno veća od vrednosti saopštenih u literaturi.Zagrevanjem sintetisanih cink ferita na visokim temperaturama, pokazano je dakalcinacija dovodi do očekivanog rasta čestica, ali i da obezbeđuje dovoljnu energiju zapreraspodelu jona Zn u tetraedarska mesta. Prema tome, sa porastom temperature dolazido smanjivanja stepena inverzije, jer struktura normalnog spinela postaje stabilnija.Ovaj proces preraspodele katjona između intersticijalnih mesta spinelne rešetkerezultuje smanjivanjem magnetizacije posmatranog cink ferita. Kod indijum i itrijumsupstituisanih cink ferita, pokazano je da korišćeni joni indijum i itrijum, imaju suprotanefekat na strukturne karakteristike nanočestičnih ferita.

1.1.Spinelni feriti

Spinelni feriti su ferimagnetni materijali, opšte formule MFe2O4. To su metalni oksidičiji su osnovni kiseonik, gvožđe i na mestu M elementi poput Mn, Ni, Mg ili Zn.Takođe, zavisno od primene ferita, u strukturi se mogu naći i neki drugi elementi kaošto su Co, Ti, Si itd. Prema tome, izborom katjona koji ulaze u strukturu spinela,moguće je kreirati ferite sa širokim spektrom magnetnih i električnih osobina.Magnetit, Fe3O4, koji je prirodni mineral, je tipičan predstavnik ove grupe materijala.Još su drevni ljudi, prepoznali njegove specifične magnetne osobine i koristili ga ukompasima, pre više od dve hiljade godina. Ipak, prvi pokušaji komercijalneproizvodnje ferita dogodili su se tek početkom prošlog veka. Zapravo je novoelektronsko doba koje je nastupilo 60-tih godina prošlog veka, označilo pravuekspanziju interesovanja za ovu vrstu materijala, zahvaljujući razvoju novih medijapoput radija, televizije, mobilnih telefona, kompjutera, mikrotalasnih uređaja, gde suferiti našli veliku primenu. Razvoj savremenih načina komunikacije i elektronskihmedija uticao je naročito na razvoj ferita. Elektronski i magnetni uređaji koji zahtevajuveliku preciznost i tačnost stvorile su potrebu i za dobijanjem materijala jasnodefinisane i uniformne strukture i specifičnih osobina, poput izuzetnih magnetihosobina, visoke otpornosti kao i malih gubitaka. Prvu sistematsku studiju, čiji je glavnicilj bio ispitivanje veze između strukture i magnetnih osobina različitih feritapublikovao je Hilpert još 1909. godine. U to vreme on je uspeo da sintetiše mangan,bakar, kobalt i cink ferit, a potom i barijum, kalcijum i olovo ferit i što je još bitnije daiznese ideju o vezi strukture i osobina feritnih jezgara. Tu ideju su jasnije objasnili Katoi Takei, 1932. godine, što predstavlja i početak industrije feritnih magneta i feritnihjezgara. Verway i Heilmann su ispitivajući uticaj raspodele jona između tetraedarskih ioktaedarskih mesta u strukturi spinela na njegove osobine, veoma doprinelirazumevanju osnovnih fizičkih i hemijskih fenomena koji se kriju u ovim strukturama.Tu je svakako neophodno pomenuti i studiju Anderson-a o interakcijama super-izmenekoje se sreću kod ferita, ali i Néel-a koji je zapravo privukao veliku pažnju naučnikatime što je pokazao da su makroskopske magnetne i električne osobine spinelnih feritauslovljene pre svega distribucijom katjona između tetraedarskih i oktaedarskih mestauslovljavajući na taj način strukturu normalnog ili inverznog spinela.

1.2.Struktura spinelnih ferita

Feriti pripadaju klasi izostrukturnih jedinjenja sa karakterističnom, spinelnomstrukturom, opšte formule AB2O4. Mineral spinel MgAl2O4, je osnovni predstavnik oveklase materijala i po njemu je i nazvana ova grupa materijala.

Slika 1. 2.1. Šematski prikaz spinelne strukture

Važno je naglasiti da u složenoj strukturi spinela AB2O4 (slika 1. 2.1) postoje dve vrstekatjona A i B, kao i dva načina njihovog rasporeda, gde:A – predstavlja dvovalentne katjone koji se nalaze u tetraedarskim položajima,B – predstavlja trovalentne katjone koji se nalaze u oktaedarskim položajima,O – predstavlja dvovalentne anjone kiseonika koji se nalaze u temenima tetraedara, tj.oktaedara.

1.3.Superparamagnetizam

Jedna od interesantnih posledica uticaja veličine čestica na osobine posmatranih magnetnihmaterijala jeste pojava superparamagnetizma. Energetska barijera magnetne anizotropijekoju je potrebno savladati pri prelasku iz položaja spin-gore u položaj spin-dole (odnosnopri promeni orijentacije spinskog magnetnog momenta) je proporcionalna proizvodukonstante magnetne anizotropije (K) i zapremine (V) posmatranog materijala. Dok je kodbalk materijala anizotropna energija veća od termičke energije (kBT), slika 1.3.1 plavalinija, pa je moguće održati odgovarajući preferentni položaj spinova, kod nanočesticatermička energija je dovoljno velika da lako obrne spin, ali nedovoljna da savlada spin-spininterakciju izmene, slika 1.3.1 crvena linija. Stoga, usled ovih magnetnih fluktuacijaspinova, te nasumičnih orijentacija spinova, rezultujuća ukupna magnetizacija kristala jenula, a ovakvo ponašanje je označeno kao superparamagnetizam. Superparamagnetni sistemse ponaša kao paramagnet, ali umesto atomskog magnetnog momenta sada postoji„džinovski“ ili supermomenat unutar svake čestice, otuda i naziv superparamagnetizam.

Slika 1.3.1. Prelaz nanočestica iz feromagnetnog u superparamagnetno stanje: a)dijagram energija feromagnetnih (veće) i superparamagnetnih (manje) čestica, b) i c)

uticaj veličine čestica gvožđe oksida na prelazu iz feromagnetnog (b) usuperparamagnetno stanje (c) i promena vrednosti koercitivnog polja sa 52 Oe na 0 Oe,

respektivno

1.4.Uticaj veličine čestica na strukturu i magnetne osobine ZnFe2O4

Rentgenostrukturna analiza ZnFe2O4 praha, pokazala je da je niskotemperaturna metodakoprecipitacije rezultovala dobijanjem vrlo finih čestica spinelne strukture, veličine d =4,1 nm. Povećanje konstante rešetke za ispitivani uzorak ZnFe2O4 u odnosu na normalnibalk materijal, u kome se svi joni Zn nalaze na tetraedarskim pozicijama, a svi joni Fena oktaedarskim, ukazuje ne samo na nanočestičnu prirodu sintetisanog praha nego i namoguću preraspodelu katjona između tetraedarskih i oktaedarskih mesta, te obrazovanjemešovitog spinela. Rezultati Raman spektroskopije, koji pokazuju da dolazi doudvajanja moda A1g na dve trake pri vrednostima talasnih brojeva 647 cm-1 i 695cm-1, akoji se mogu pripisati tetraedarski koordiniranim Zn2+ i Fe3+ jona, respektivno, ide uprilog tvrdnji da je kod nanočestičnog cink ferita došlo do katjonske inverzije. U stvari,vrednosti inverzije procenjene na osnovu Raman spektroskopije se odlično slažu saonima dobijenim i Mössbauer spektroskopije i impliciraju da se kod nanočestičnogZnFe2O4 pripremljenog metodom koprecipitacije (d = 4,1 nm) može očekivati inverzijaod čak 70%, tj. da se oko 70% Fe3+ jona nalazi u tetraedarskim pozicijama.Ova inverzija katjona ima veliki uticaj na magnetne osobine cink ferita, s obzirom damagnetne osobine spinelnih feritnih materijala potiču od spin magnetnih momenatanesparenih 3d elektrona koji su međusobno povezani preko atoma kiseonika uinterakcijama super izmene. Magnetni momenti jona su paralelni jedan u odnosu nadrugi unutar posmatrane podrešetke, dok su same podrešetke (A i B) međusobnoantiparalelno orijentisane. S obzirom da je podrešetka A (tetraedarska mesta)zaposednuta isključivo nemagnetnim jonima cinka, cink feriti u obliku komadamaterijala su paramagnetni na sobnoj temperaturi, a antiferomagnetni na temperaturamaispod Néel-ove, koja je za dati materijal TN = 10 K. Međutim, stepen inverzije iposledično magnetne osobine se značajno menjaju kada je cink ferit pripremljen u forminanočestica . Za sisteme u kojima su u jednoj ili u obe podrešetke nasumičnoraspoređeni magnetni joni, različitivi vidovi interakcije između njih se moguregistrovati. Među mogućim interakcijama, Fe3+(A)-O-Fe3+[B] se smatraju najjačim i tosu tzv. A-B interakcije.

2.0.Primena nanotehnologije

Danas je nanotehnologija saveznik mnogih nauka i samo u SAD trenutno postoji više od13 hiljada patenata koji u sebi nose reč nano.Period Hladnog rata iznedrio je mnoge tehnološke ideje. Neke od njih oblikovale sunašu sadašnjost na takav način da je nemoguće zamisliti život bez najvećeg broja izumakoji su u to vreme bili naučno-fantastične priče. Godine 1959. fizičar Ričard Fajnman(Richard Feynman) održao je istorijsko predavanje američkom Udruženju fizičara, anjegovu osnovu činila je ideja o minijaturizaciji tehničkih proizvoda i snažna vera umanje ali i moćnije naprave koje će u budućnosti čovek praviti. Deceniju i po kasnije,japanski profesor sa Univerziteta u Tokiju Norio Taniguči (Taniguchi) prvi je upotrebiotermin nanotehnologija u smislu konstrukcije materijala sa nanometarskom tačnošću.Naredne decenije, tačnije 1986. godine, američki inženjer Kim Erik Dreksler (K. EricDrexler) u svojoj knjizi „Engines of Creation” definisao je pojmove molekularnenanotehnologije. Danas je nanotehnologija saveznik mnogih nauka i samo u SADtrenutno postoji više od 13 hiljada patenata koji u sebi nose reč „nano”.Struktura koja predstavlja zamajac nanotehnologije nosi ime nanocev (eng. nanotube), anajpoznatija je izgrađena od atoma ugljenika. Ugljenična nanocev (eng. carbonnanotube, CNT) najlakše se može zamisliti kao mreža atoma u obliku pravougaonikasavijena u oblik cevi. U zavisnosti od ose po kojoj je savijena mreža, razlikujemo tipovenanocevi.Svojstva koja CNT imaju čine ih izuzetnim u izradi budućih materijala zakonstrukciju aviona ili automobila. Smanjenje težine i povećanje čvrstine povoljno ćeuticati na sigurnost putnika i smanjenje potrošnje. Upotreba ovih materijala dobro ćedoći i u građevinarstvu, gde će ojačanja ugljeničnim nanocevima doprineti ukupnojstabilnosti spojeva velikih delova budućih građevina.Upotreba ovih cevi u elektronskojindustriji takođe je veoma isplativa. CNT predstavljaju takozvane balističke provodnike,što znači da prenose energiju gotovo bez gubitaka. Kako postoje i dvoslojne, troslojne ivišeslojne cevi (više nanocevi postavljenih koncentrično), jasno je da se ova svojstvamogu iskoristiti na takav način da nanocevi zamene silicijumske poluprovodnike isamim tim poboljšaju elektroprovodna svojstva elektronskih komponenti.

Upotreba ugljenikovih nanocevi česta je i u izradi LED monitora. Samsung je dugoistraživao na koji način efikasno da zameni elektronske topove konvencionalnih TVuređaja i namesto njih implementira ugljenične nanocevi, koje su se pokazale kaoidealne strukture za ovu namenu. Godine 2005. Motorola je najavila NED (NanoEmissive Display) tehnologiju, koja bi trebalo da omogući još tanje monitore.Nanokompozitni materijali su u upotrebi već nekoliko godina. Fantastična toplotno-provodna svojstva omogućavaju ugljeničnim vlaknima da se hlade sporije iravnomernije, što omogućava kvalitetniji dizajn novih materijala. Ovakvi materijali činese idealnim za savremene gorivne ćelije. Njihova sposobnost da zadrže vodonik ugasnom stanju na siguran, efikasan i ekonomski isplativ način stavlja ih na prvo mesto uizboru materijala za izradu ovih ćelija. Zanimljiva primena ugljeničnih nanocevi usvakodnevnom životu jeste ona koja ih ugrađuje u obične majice, praveći na taj načinsuperlaku i superotpornu odeću koja bi trebalo da zameni dosadašnje oklope specijalacaili vojnika na ratištima. Svojstva koja ovakav oklop poseduje jesu i mogućnost odbijanjaskoro svih vrsta ultraljubičastih zraka, kao i to što zahvaljujući odličnim termalnimsvojstvima duže zadržava toplotu tela.

2.1. Napredni materijali

Materijali koji se koriste u savremenoj tzv. visokoj tehnologiji (eng. high-tech) seponekad nazivaju naprednim materijalima. Ovde se pod uređajima visoke tehnologijepodrazumevaju oni uređaji koji rade koristeći relativno složene ili napredne principe ielektronsku opremu (kamkorderi, CD/DVD plejeri, kompjuteri, sistemi sa optičkimvlaknima, vasionski brodovi, avioni i vojne rakete). Napredni materijali supredstavnici tipičnih tradicionalnih materijala čija su svojstva unapređena ili su izklase novo razvijenih materijala sa visokim performansama. Oni mogu bitinapravljeni od predstavnika svih osnovnih grupa materijala (metala, keramičkihmaterijala i polimera) i najčešće su vrlo skupi. Napredni materijali podrazumevajupoluprovodnike, biomaterijale i ono što bi se moglo nazvati „materijalimabudućnosti” (to su „pametni materijali“ i nanoinženjerski materijali). O svojstvima iprimeni naprednih materijala – na primer, materijala koji se koriste za izradu lasera,integrisanih kola, elektronske opreme za memorisanje podataka (hard diskova),displeja sa tečnim kristalima (LCD) i optičkih vlakana.

2.1.1.Poluprovodnici

Poluprovodnici imaju električna svojstava koja predstavljaju sredinu između klasičnihelektričnih provodnika (od metala i metalnih legura) i izolatora (npr. keramičkihmaterijala i polimera).Električna svojstva ovih materijala su ekstremnoosetljiva na prisustvo neznatnih koncentracija nečistoća, čak na atomskom nivou,zbog čega se prisustvo i koncetracija ovih elemenata i nečistoća mora regulisati ikontrolisati u vrlo uskim granicama. Poluprovodnici su omogućili nastanakintegrisanih kola koji su dovela do revolucije u elektronici i kompjuterskoj industriji(moramo li pomenuti naše živote) u poslednje tri decenije.

2.1.2.Pametni materijali

Pametni (inteligentni) materijali su grupa novih, savremenih materijala koji sutrenutno u razvoju i od kojih se očekuje značajan uticaj na savremene tehnologije.Pridev „pametni” označava njihovu sposobnost da osete promenu u okruženju i na tajstimulus odgovore na unapred definisan način, što predstavlja svojstvo kojekarakeriše žive organizme. Sem toga, ova osobenost - „pametni” se može proširiti nasofisticirane sisteme koji se sastoje istovremeno od pametnih i tradicionalnihmaterijala.Komponente koje su načinjene od inteligentnih materijala (sistema) uključujuu svoju strukturu neki tip senzora i aktuatora. Senzori u komponentama imaju zadatakda detektuju ulazne signale, a aktuatori imaju odzivnu i adaptivnu funkciju. Po svojojfunkciji aktuatori mogu menjati oblik predmeta, njegovu poziciju, prirodnufrekvenciju ili neku mehaničku karakteristiku kao odziv na signal koji je dostaviosenzor (promenu temperature, električnog ili magntenog polja). Kao aktuatori senajčešće koriste četri tipa materijala: legure sa pamćenjem oblika, piezoelektričnakeramika, magnetnostriktivni materijali i elektroreološki/magnetnoreološki fluidi.Legure za pamćenje oblika su u stvari metali koji se nakon deformisanja vraćaju usvoj prvobitni oblik posle promene temperature. Piezoelektrična keramika dilatira ikontrahuje kao odgovor na delovanje električnog polja (ili napona) a sa druge strane

ona generiše električno polje pri promeni dimenzija. Ponašanje magnetostriktivnihmaterijala je analogno onim kod piezoelektričnih, sa tom razlikom što se njihovoponašanje javlja kao odgovor na delovanje magnetnog polja. Takođe, elektroreološki imagnetnoreološki fluidi su tečnosti koje doživljavaju dramatične promene u svojojviskoznosti nakon što budu izložene dejstvu električnog ili magnetnog polja.Materijali – uređaji koji se koriste za izradu senzora uključuju optička vlakna,piezoelektrične materijale (uključujući neke polimere) i mikroelektromehaničkeuređaje (MEMS).Jedan tip pametnih materijala se koristi kod helikoptera kako bi se smanjila buka kojanastaje kao posledica rotiranja elise. Piezoelektrični senzori su implantirani u elisekako bi pratili napon i deformaciju; odzivni signali iz ovih senzora se šalju nazad kakompjuterskim kontrolisanim adaptivnim uređajima, koji generišu buku kojaponištava buku generisanu elisom.

2.1.3.Nanoinženjerski materijali

Do skora su naučnici za razumevanje hemijskih i fizičkih svojstava materijala,započinjali istraživanje analizom velikih i kompleksnih struktura, a tek nakon toga seusmeravali na istraživanje fundamentalnih sastavnih delova strukture. Ovaj pristup senaziva „top-down“ pristupom. Međutim, sa otkrićem savremenih mikroskopa,omogućeno je osmatranje individualnih atoma i molekula pa je tako postalo mogućemanipulisati položajem i vezama atoma i molekula a samim tim formiranje novihstruktura i projektovanje novih materijala. Ova mogućnost da se vrlo pažljivo grupišuili postavljaju atomi otvara perspektive za razvoj mehaničkih, električnih, magnetnih idrugih svojstava materijala koje nije moguće pronaći u prirodnom obliku. To sesavremenim stručnim rečnikom naziva „bottom-up“ pristupom a studija svojstavaovih materijala „nanotehnologijom“. Prefiks „nano“ ukazuje na to da su dimenzijestrukturalnih entiteta veličine nanometra (veličine 10/9 m).U budućnosti ćemo bez svake sumnje ovu oblast smatrati izuzetno važnom, jer se zasigurno može računati na nanomaterijale u budućnosti.

2.1.4.Primeri primena nanomaterijala

Optički materijali.Nanokristalni hidridi i nanocevčice kao rezervoari vodonika.Goriva i eksplozivi.Fosforescenti za zaslone visoke rezolucije.Eliminacija štetnih emisija .Baterije visoke gustine energije.Snažni magneti.Visokoosetljivi senzori .Delovi avionskih konstrukcija.Trajniji implantati u medicini .Elektrohromna stakla.

2.2.Nano radio

U Centru za integrisane nanosisteme, američke Nacionalne naučne fondacije, timnaučnika pre dvođen Aleksom Zetijem, sa Kalifornijskog univerziteta, napravio je radio

prijemnik od jedne ugljene nanocevčice, odnosno od jednog ugljenog vlakna, širokogsvega nekoliko molekula i dugog nekoliko stotina nanometara. Jedan kraj tog vlakna jezalepljen za katodu od tungstena. Oko jednog milionitog dela metra od nje postavljenaje anoda od bakra. Kada su elektrode priključene na bateriju, mlaz elektrona počeo je dapreskače mali jaz između vrha nanocevčice i anode, ali u ritmu radiosignala iz obližnjegradiopredajnika. Promenom dužine nanocevčice naučnici su menjali njenu rezonantnufrekvenciju dok nije počela da vibrira u ritmu melodije koja je emitovana. Drugimrečima, cevčica je istovremeno funkcionisala kao antena, antensko kolo, demodulatorsignala i pojačavač. Njene vibracije menjale su se u istom ritmu struju elektrona koji sustizali na anodu. Taj signal mogao je dodatno da se pojača i da se čuje u zvučniku.Nema sumnje da de ovaj uređaj udi u istoriju elektronike kao prvi radioprijemnik 10hiljada puta manji od debljine dlake čovekove kose.Najvedu revoluciju u toj oblasti nanotehnologije izazvala su dva dostignuda: razvojnovih tranzistora uz pomod kristalnih materijala lantan aluminata i stroncijum titanijata.To je omogudilo proizvodnju do sada najstabilnijih tranzistora, promera svega nekolikoatoma. Drugo naučno dostignude odnosi se na razvoj tankog poluprovodljivog filma zakoji naučnici tvrde da bi mogao značajno promeniti pohranu digitalnih podataka.Načinjena je poluprovodnička mreža oko 15 puta gušda od postignutih mreža zaskladištenje digitalnih podataka. Prema tvrdnjama naučnika na površinu novčidapresvučenog takvom mrežom moglo bi se uskladištiti podataka za koje bi trebalo 250DVD-medija. Ved samo ta dva nano-pronalaska daje stručnjacima osnovu darazmišljaju o eliminisanju problema komunikacije u vojsci i stvaranju sistema koji deomogudavati neprekidnu i stabilnu vezu između svih nivoa komandovanja, odnosno odvrha do najnižeg taktičkog nosioca u jedinici. Veličina tih sistema za vezu, u nano-dimenzijama, bide beznačajna u odnosu na nekadašnje radio-uređaje, koji su bili teški ipreko desetak kilograma. A mogudnosti održavanja veze preko releja i satelita sudodatak više za one koji de ih koristiti. I svi podaci koji se budu skladištili više nedezauzimati velik prostor.

2.2.1.Nevidljivi ogrtač u laboratoriji

Materijali od kojih de se praviti nevidljivi ogrtač, napravljeni su već u laboratorijama.Koristedi nanotehnologiju i osobine svetlosti, naučnici su izumeli materijale kojimenjaju sliku stvarnosti. Reč je dva nova tipa materijala koji utiču na to da se svetlostprelama drugačije. Jedno rešenje je vrsta ribarske mreže koja pomodu više metalnihslojeva menja pravac svetlosti, dok se drugi materijal sastoji od srebrnih žica. Obamaterijala napravljena su korišdenjem nano tehnologije i veštačkim inženjeringom. Tosu takozvani metamaterijali sa osobinama kje se ne sredu u prirodi i poseduju negativnirefraktivni indeks. Na tom projektu radila su dva tima nezavisno jedan od drugog, podrukovodstvomstvom Ksijanga Zanga iz Centra za nauku i inženjering nanotehnologijapri Univerzitetu Kalifornije i svoje rezultate objavili su u časopisima Sajens (Science) iNejčer (Nature). Proizvedeni metamaterijali menjaju pravac svetlosti u okviruograničenih talasnih dužina, odnosno utiču na svetlost oko vidljivog spektra, u oblastikoja se koristi i kod optičkih vlakana. Oni poseduju sposobnost negativne refrakcije.Za to su iskoristili mnoštvo malih komada srebra i metalnih, neprovodnih slojevapoređanih jedan preko drugog, koji su zatim izbušeni, formirajudi materijal nalik namrežu. Drugi tim je koristedi kalup oksidnog jedinjenja konstruisao materijal odsrebrnih nanožica koje su raspoređene sa veoma malim razmakom-manjim od talasnedužine vidljive svetlosti, po unutrašnjem delu poroznog aluminijumskog oksida.

Materijali bi ved sada mogli da se primene kao nevidljivi plašt. Koristi se tako što se umaterijal uvije to što hodemo da učinimo nevidljivim i obasja svetlošdu. Time sepostiže da predmet postane nevidljiv, tvrde naučnici koji su učestvovali u izradi pretečenevidljivog plašta. Razne varijante predviđaju korišdenje ovakve tehnologije i uurbanim dejstvima.

2.3.Primena nanotehnologije u budućnosti

2.3.1.Sintetička realnost

Ono što je najopasnije kod primene nano-oružja je nešto što se počelo od nedavno(2002. godine) definisati kao „sintetička realnost”, po uzoru na termin „virtuelnarealnost”. Za ilustraciju iskoristimo reči stručnjaka za tu oblast nauke sa KernedžiMelon Univerziteta u SAD. Pretpostavimo da masa sićušnih robota, milijarde njihposeduje veštačku inteligenciju i sposobnost da, poput plastelina ili gline, poprime bilokoji oblik, i da se po potrebi pretvore u čekić, mobilni telefon ili kompjuter, ili čak učoveka. Ove robote moguće bi bilo poslati na bilo koju stranu sveta, radi virtuelnogzadatka. Primera radi: lekar bi mogao svom pacijentu da pošalje svog sintetičkog 3Ddvojnika, koji bi ga pregledao, izmerio mu puls i pritisak, prepisao lek i po okončanjupregleda on bi se raspao na katome, koji bi se istim putem vratili lekaru, ili pak sklopilipo želji u nešto drugo. A šta bi mogli generali koji bi imali u svojim rukama takvemogućnosti? Iako ovo za sada nije izvodljivo, možda de jednog dana pretvaranje jednihobjekata (stvari) u druge biti moguće. Američki naučnici Goldštajn i Mouri smatraju daova mogućnost može postati realnost. Ta dva naučnika tvorci su klejtronike (clay eng.glina prim. aut.). Ova naučna disciplina, odnosno oblast, poznata je i pod nazivom„programmable mater” tj. materija podložna programiranju i usko je povezana sananotehnologijom. Goldštajn i Mouri počeli su se baviti klejtronikom 2002. godine.Nacionalni fond za razvoj nauke SAD-a, NASA, brojne naučne ustanove i instituti usvetu, kao i Pentagon, podržali su njihov rad. To je omogudilo okupljanje dvadesetakrenomiranih stručnjaka iz oblasti nanotehnologije i programiranja, kao i molekularnehemije i fizike. Naučnici smatraju da de po konstruisanju dovoljne količine 2D katomauspeti da ostvare transformaciju materije. Oni nameravaju da za prvi eksperimentkonstruišu stotinak robota čiji bi prvi zadatak bilo formiranje teniske loptice ipomeranje iste u trodimenzionom prostoru.Ljudska klej/katom/3D kopija morala bi da sadrži milijarde katoma, odnosnopredstavlja bi sistem sa približno milijardu međusobno povezanih kompjuterskihčipova. Ovaj sistem bi bio potpuno autonoman, mogao bi da se krede i po potrebi menjasvoj oblik i funkciju. Stručnjak za molekularnu elektroniku, Filip Kukes, kaže da je upotpunosti svestan da u ovom trenutku ne postoji tehnologija koja bi omogudilarealizaciju ideje o proizvodnji minijaturnih robota od kojih bi se po želji mogle stvaratiproizvoljni oblici. Ali on uprkos tome ved vrši eksperimente sa elektronskim uređajimaveličine molekula.

2.3.2.Projekti

Više od 60 zemalja sveta pokrenulo je nacionalne nanotehnološke programe.U teprojekte uključena je i Srbija, a jedan od vodećih i svetski poznatih stručnjaka iz teoblasti je profesor dr Milan Damnjanović sa Fakulteta za fiziku u Beogradu. SrpskaAkademija nauka i umetnosti ima Centar za nove materijale i nanotehnologije, iistraživanjima u toj oblasti bavi se od 1974. godine.Danas se više od 200 nanoproizvoda prodaje u svetu, najviše u oblasti elektrotehnike itelekomunikacija, medicine, farmacije, a u vojnoj industriji proizvode se i mogu sekupiti nanokamere, nanoletilice i nano-roboti.Istraživanja u nanotehnologiji spadaju u jedno od pet najskupljih naučnih programa usvetu (Međunarodna svemirska stanica, Istraživanja u Cernu sa velikim hardonskimakceleratorom, Termonuklearni reaktor, konfigurisanje mape ljudskog genoma inanotehnologija i njena primena). Posebna oblast istraživanja jesu novi nanoalati, međukojima se danas ističe „atomski brzi mikroskop” (AFM – Atomic force microscope)koji se koristi za otkrivanje nečistoda od hroma na površini gvožđa (u industriji metala).Taj alat je konstruisan u IBM.

Zaključak

Nanotehnologija je vrsta savremene tehnologije čije polje delovanja su veličine redamilijarditog dijela metra. To su tehnologije koje manipulišu molekulama i sapojedinačnim atomima. Reč je o primenjenoj nauci koja se odnosi na proizvodnjuuređaja čije su dimenzije 100 nanometara ili manje.Stručnjaci definišu nanotehnologijukao veštinu pravljenja ili izrade malih stvari koje je moguće posmatrati samo pomoćunajjačih mikroskopa. To je, takođe, i sposobnost pravljenja veoma malih mašina uzpomoć kompjuterske tehnologije, atom po atom. Da se naglasi taj smisao, često senanotehnologija naziva i molekularna nanotehnologija. Može se reći da jenanotehnologija polje primenjene nauke zasnovane na sintezi i primeni materijala iuređaja reda nano veličine. Nanotehnologija se može definisati i kao način rešavanjaproblema u modernoj nauci. Takav pristup je našao primenu u svim oblastimaprimenjene i fundamentalne nauke. Najveća istraživanja u oblasti nanotehnologijeobavljaju se u SAD, Tajvanu, Južnoj Koreji, Japanu, Nemačkoj, Finskoj, Izraelu, Rusijii Kini. Na fundamentalnom nivou, materija se sastoji od atoma. To, naravno, nijepotpuno tačna definicija, pogotovo ne za fizičare visokih energija (elementarnih čestica)koji bi rekli da se materija na fundamentalnom nivou sastoji od kvarkova i leptona.

Literatura

[1] e-RAF Journal an Computing

[2] www.nanotehnologija.info

[3] Ž. Cvejić, Strukturne, magnetne i električne osobine nanočestičnih ferita tipa Fe3-xMexO4, Fe2ZnyMe1-yO4 (Me: Y; In) Prirodno-matematički fakultet, Novi Sad, 2008

[4] V.V. Srdić, Procesiranje novih keramičkih materijala, Tehnološki fakultet, NoviSad,2004

[5] D. Makovec, A. Košak, M. Drofenik, Nanotechnology 15 (2004) S160

inž.materijali dobijeni nano teh

Documents