Fizika nanomaterijala

Damir Pajić

dpajic@phy.hr

Svijet oko nas

● Svijet oko nas je materijalni.● Svaki mjesec:

– proizvedene milijarde tona materijala– uvedene stotine novih materijala

● Nove tehnologije. (jedna tvrtka u 1995. uvela 5000 novih proizvoda)

● Zasnovano na znanju (i strategiji).● Novi materijali:

– moda ?– preduvjet napretka ?– razvoj ?– alternative ?

Intermezzo o proizvodnji i cijeni

Annual World Production of various industrial materials (From Ashby, Materials and the Environment: Eco-Informed Material Choice, 2012)

Intermezzo o proizvodnji i cijeni

Intermezzo o proizvodnji i cijeni

Materijali i civilizacija

● Kroz povijest su predominantni materijali definirali ne samo tehnološki stupanj razvoja, već i političko- socijalne prilike● kameno doba (do 4 ili 3.000 god. pr. Kr.): sakupljanje

materijala (kamen, drvo, kosti, ...) i primitivna obrada – jednakost

● brončano doba (bronca je slitina Cu-Sn): proizvodnja - diferencijacija u društvu – početak civilizacije (Egipat, Mezopotamija)

● željezno doba (od 1.000 ili 1.500 g. pr. Kr.): početak razvijenog društva; Fe je demokratski materijal, dostupan mnogima; razvoj obrtništva i trgovine; osvajački ratovi; ...

● današnje doba?

Materijali i civilizacija

● usavršavanje proizvodnje čelika (~1830.): željeznica, parobrodi, industrijska revolucija, kolonijalni sustavi, ...

● doba kemije (prijelaz 19.-20. st.): eksplozivi, bojni otrovi, prve plastike, ...

● poluvodiči (2. pol. 20. st.): informacijska revolucija● supravodiči (2. pol. 20. st.): jaka magnetska polja,

rješenje problema energije u budućnosti ?(!)

Materijali i civilizacija

● napredni magnetski materijali (kraj 20. st.: "druga informatička revolucija" (giant magnetoresistance filmovi MnFe-Co-Cu-FeNi spojevi)

● biotehnologija● (bio)medicina● nanoznanosti (21.st.): kvalitativno novi načini

korištenja materijala– budućnost ?

Znanost i inženjerstvo materijala

● (material science MS and engineering E)

temeljne znanosti

strukturasvojstva

procesiranje

ponašanje u primjeni (performance)

primjena

potrebe i društvo

MS E

?

Znanost i inženjerstvo materijala

● Prepreke/barijere! ● Upomoć!

● elektrane– 400ºC, 450ºC, 540ºC

● supravodiči– 20K, 78K, keramike

● magneti

– Nd2Fe

14B

● zamjenski materijali i zamjenske tvornice

● Interdisciplinarnost: kemija, matematika, fizika, metalurgija, medicina, ...

Znanost i inženjerstvo materijala

● MSE se u modernom smislu riječi razvija nakon drugog svjetskog rata. Naime, da bi se svojstva materijala RAZUMJELA, pa se potom svojstva novih materijala mogla planirati, potrebna je KVANTNA MEHANIKA.

● Uzročno posljedični slijed:

● Svrha: stvaranje novog znanja koje omogućuje dublje razumijevanje materijala i učinkovitu primjenu tog materijala u službi čovječanstva.

struktura

svojstvaperformanse ili:

Nano-znanost i -tehnologija

● Javno investiranje u projekte 6 milijardi $ u 2008.

● 2007-2013: FP7@EU : 3.5 milijarde €

● Trenutno godišnje financiranje u svijetu: 13-14 milijardi $

Nano-znanost i -tehnologija

Number of nanotechnology patents published by the US Patent and Trademark Office (USPTO), European Patent Office (EPO) and Japan Patent Office (JPO) according to publication date. The drop in the number of USPTO patents in 2005 is due to the USPTO enforcing a stricter definition of nanotechnology. The decline in the number of JPO patents for 2005 and 2006 is due to the delay between the publication and granting of patents at the JPO. Source: (Trends in nanotechnology patents)

Nano-znanost i -tehnologija

Nanotechnology publications in the Science Citation Index (SCI) (*China includes Taiwan). Source: The National Nanotechnology Initiative: Second Assessment and Recommendations of the National Nanotechnology Advisory Panel. April 2008

? Nano ?● nanometar: nanos = patuljak [grč.]● 3-4 nanizane molekule vode● Nokat raste brzinom 1nm/s● 1nm : lopta = lopta : Zemlja● Nanoznanost: proučavanje pojava i manipulacija materijalom

na nano-skali, proširenje postojeće znanosti na nano-područje

● Nanotehnologije: dizajn, karakterizacija, proizvodnja i primjena struktura, uređaja i sustava kontrolom oblika i veličine na razini nanometara

● Svojstva i procesi: nova fizika● Proizvodnja i karakterizacija: znanost o materijalima

Nano

● As a matter of fact, though, the person attributed with coining the term nanotechnology in 1974, Norio Taniguchi, didn’t use it for sci-fi type machinery but to describe semiconductor processes such as thin film deposition and ion beam milling exhibiting characteristic control on the order of a nanometer. (nanowerk.com)

Naš plan @ Fizika nanomaterijala

● Uvod● Struktura materijala i nanomaterijala● Priprema nanomaterijala● Metode istraživanja svojstava nanomaterijala● Fizička svojstva● Primjena i svojstva● Od fizike prema drugim disciplinama● Nano-uređaji● ....

Literatura● C. Kittel, Introduction to solid state physics, Wiley, 2005.

● C. Dupas, P. Houdy, M. Lahmani (urednici), Nanoscience: nanotechnologies and nanophysics, Springer, 2006.

● V.V. Mitin, D.I. Sementsov, N.Z. Vagidov, Quantum mechanics for Nanostructures, Cambridge University Press, 2010.

● J.I. Gersten i F.W. Smith, The physiscs and chemistry of materials, Wiley, 2001

● Časopisi: Nano Today (Elsevier), Nanotechnology (IoP), Nature Nanotechnology, Nanoscale (RSC), Small (Wiley), ... i stotine drugih ...

● Antonio Šiber, Svemir kao slagalica, Školska knjiga, 2005

Povijest materijala

● Primjena bakra prije 10000 g.: kovanje i grijanje

● Peći u Europi: 4500. g.pr.Kr.

● Arsenova bronca

● Bronca i mjed: Kina 2000.g.pr.Kr.

● Zlato + srebro: 640.g.pr.Kr.

● Željezo: dobro željezo 1200.g.pr.Kr., visoka tehnologija, kaljenje i popuštanje.

● Aristotel (384-322.pr.Kr.) pisao očvršćivanju u vatri, no 1774. Rinman utvrdio ulogu ugljika

● Sablje iz Damaska

● Željezni stupovi u Indiji

Povijest materijala

● Gibbs, 2. pol. 19.st.: fazni dijagrami

● Roberts-Austin 1896.: difuzija zlata

● Hume-Rothery 1926. i Jones 1934.: valentni elektroni i stabilnost slitina

● Wilm, poč. 20. st.: očvršćivanje starenjem, avionski aluminij

● Kovanje metala i slitina, nejasno; precipitati 1919. ; Polanyi, Orowan i Talyor 1934. tek objasnili svojstva postojanjem defekata/dislokacija; Guinier i Preston 1938. preprecipitati sprečavaju gibanje dislokacija

● Praznine u kristalu 1948.-1960.

Povijest nanomaterijala

● Demokrit: atom, Boyle 1661: korpuskule čine sve materijale

● Brown 1827.: gibanje peludi u suspenziji

● Eastman 1884.: foto-film s AgBr nanočesticama

● Feynman 1959.: I can hardly doubt that when we have some control of the arrangement of things on a small scale we will get an enormously greaterrange of possible properties that substance can have. (slab odziv, zašto?)

● Taniguchi 1974. : nanotehnologija: procesi s objektima manjim od mikrometra

● Gleiter 1981.: kristaliti od 1 do 10nm