Kratak osvrt na materijale

Materijali za našu energetsku budućnost

Od davnina, napredak u razvoju materijala i energija su definisali i ograničavali ljudske društvene, tehnološke i političke aspiracije. Savremeno doba, sa instant globalnom komunikacijom i porastom očekivanja u razvoju nacije, nameće energetske izazove veće nego ikada ranije. Pristup energiji je od ključnog značaja za blagostanje, način života i samu sliku o svakoj zemlji.

Globalna upotreba električne energije beleži trijumf i izazov energije. U periodu od 130 godina od Edisona, Tesle i Vestinghausa kada je instalirana prva primitivna električna mreža, električna tehnologija je prošla mnoge revolucije. Od njene inicijalne upotrebe isključivo za osvetljenje, struja sada simbolizuje savremeni život, komunikaciju, zabavu itd. U prošlom veku, 75% sveta je dobilo pristup ovom najsvestranijem nosaču energije.

...

Takve promene u našim životima ne dolaze iz inkrementalnih poboljšanja, već iz istraživanja i revolucionarnog razvoja vezanih za materijale kojiotvaraju nove horizonte.

Ogromne mogućnosti trenutno postoje za prelazak sa fosilnih izvora energije na obnovljive izvore. Taj proces zahteva novu generaciju naprednih materijala, uključujući• Materijale za baterije za masovno skladištenje električne energije• Solarne ćelije visoke efikasnost i niske cene• Legure otporne na koroziju za visoko-temperaturnu konverziju snage• Jake, lagane kompozite za lopatice turbina• Superprovodljive elektrodistributivne kablove• Napredne elektronske komponente i još mnogo toga

...

Moderni transport kopnom, morem i vazduhom, takođe je suštinski deo naših života. Revolucionarni napredak u materijalima, uključujući lagane legure za avione, materijali za visoko-temperaturne motore i napredni kompoziti su kritičan deo poboljšanja mogućnosti, sigurnosti i energetske efikasnosti naših transportnih sredstava. Kako smo u potrazi za transportnim opcijama koje treba da dalje poboljšaju energetsku efikasnost i bezbednosti da bi prevazišli ograničenja paradigme fosilinih goriva, potrebno je preduzeti istraživanja materijala povezana sa • Poboljšanjem efikasnosti sagorevanja• Baterije za elektro i hibridna vozila• Gorivne ćelije• Skladištenje vodonika• Nova jedinjenja i proizvodne procese za gume• Proizvodnjom biogoriva itd.

...

Unapređenje nauke i tehnologije,

posebno u oblasti materijala i hemije

u cilju poboljšanja proizvodnih procesa,

od ključnog je značaja za našu energetsku budućnost i uspostavljanje novih poslova koji usmeravaju ekonomski prosperitet.

Lista kritičnih sirovina na EU nivou

EU je visoko zavisna od uvoza važnih sirovina (metala i industrijskih minerala), koji su sve više pogođeni tržišnim poremećajima

TungstenGraphite

TantalumGermanium

Rare earths (Scandium, Cerium, …)Gallium

PGMs (Platinum Group Metals)Fluorspar

NiobiumCobalt

MagnesiumBeryllium

IndiumAntimony

...Raw material Emerging technologies

Antimony Antimony-Tin-Oxide (~ In-Sn-O), micro capacitors

Cobalt Li-ion batteries, synthetic fuels

Gallium Semi-conductors, thin layer photovoltaics, IC, WLED

Germanium Fibre optic cable, IR optical technology

Indium Displays, thin layer photovoltaics

Platinum (PGM) Fuel cells, catalysts

Palladium (PGM) Catalysts, seawater desalination

Niobium Micro capacitors, ferroalloys

Neodymium (REE) Permanent magnets, laser technology

Tantalum Micro capacitors, medical technology

…

Inženjeri projektuju i proizvode različite predmete sa odgovarajućim upotrebnim vrednostima od tzv. tehničkih materijala.

Zavisno od namene predmetakorišćeni tehnički materijali moraju da imaju odgovarajuću čvrstoću, izolaciona svojstva ili svojstva dobre provodnosti toplote i elektriciteta, da generišu magnetno polje ili ne prihvate magnetni fluks, da apsorbuju ili reflektuju svetlost, spreče prodor nuklearnog zračenja, da egzistiraju u neprirodnom okruženju u uslovima eksploatacije, a da pri tome ne ugrožavaju prirodnu sredinu ili koštaju previše.

...

transparent

absorbent

malleable

flexibleopaque

strong

smooth

rough

shiny

dull

hard

suitable

cost

Materials used

Properties

transparent

strong

flexible

soft

keeps heat in

malleable

strong

wool forjumpers

steel forcars

glass forwindows

Characteristics of materials

...

Očigledno je život čoveka neminovno povezan sa upotrebom raznih predmeta u vidu inženjerskih proizvoda, pa se tako dolazi do saznanja o velikoj važnosti tehničkih materijala, o kojoj rečito govori izreka A. G. Öttingera:

„…bez materijala ništa ne postoji, bez energije se ništa ne zbiva ibez informacija ništa nema smisla”

…

Materijali su suštinski ugrađeni u kulturu čovečanstva - toliko da su prisutni u sveukupnim čovekovim delatnostima: transportu, građevinarstvu, mašinogradnji, proizvodnji odeće, komunikacijama, rekreaciji, proizvodnji hrane …

Istorijski posmatrano, razvoj i prosperitet ljudskog društva bio je blisko povezan sa sposobnošću čoveka da proizvede i preradi materijale kako bi zadovoljio svoje potrebe.

Tako su čitavi istorijski periodi u razvoju čovečanstva dobili imena prema tehničkom materijalu koji je bio dominantan u upotrebi u tom periodu(kameno, bakarno, bronzano i gvozdeno doba).

...

stone age (100000 B.C.)

bronze age (3000 B.C.)tools, weapons

stonewood

copperbronze

iron age (1500 B.C.) ironmiddle ages (1500 AD) cast iron

groundtransportation/industrialization

ceramics

glass

informationtechnology

modern times (20th century)

modern times (21th century)

Al alloys (1930)polymers (1940)semiconductors(1955)

aerospace

natural materials

empirical development

quantitative development

nanoengineered materials

…

Struktura materijala je pojam koji se najčešće koristi u vezi sa uređenjem internih komponenata materijala koje ga čine.

Razlikuju sesubatomska, mikroskopska i makroskopska struktura.

…

Subatomska struktura uključuje razmatranje elektrona kod individualnih atoma i njihovu interakciju sa jezgrima. Na atomskom nivou strukture se razmatra i organizacija atoma u okviru molekula.

Sledeći nivo u razmatranju struktura se naziva mikroskopska struktura.

Ovaj tip strukture analizira velike grupe atoma koje su aglomerisane zajedno. To znači da se ova struktura može posmatrati korišćenjem odgovarajućeg tipa mikroskopa.

Konačno, strukturalni elementi koji se mogu videti golim okom nazivaju se „makroskopski”.

…

Tokom upotrebe, svi materijali su izloženi određenim ekstremnim stimulansima koji izazivaju određeni tip reakcija.

Npr. uzorak koji je izložen sili verovatno će se deformisati, a osvetljena uglačana metalna površina će reflektovati svetlost.

Svojstvo je u stvari obeležje materijala u smislu tipa i veličine reakcije na specifični zadati stimulans.

…

Generalno, svojstva su nezavisna od oblika materijala i njegove veličine.

Svojstva tehničkih materijala su odlučujuća kada je reč o mogućnostima primene nekog tehničkog materijala za izradu odgovarajućeg predmeta. Ona se mogu podeliti na sledeći način:

Fizička,Hemijska,Tehnološka.

…

Fizičke osobine materijala karakterišu neku osobenost njegovog fizičkog stanja (npr. zapreminsku masu, specifičnu masu, poroznost), ali isto tako određuju odnos materijala prema različitim fizičkim procesima (npr. prodiranju vode, prolazu toplote, električne struje).

Glavna fizička svojstva materijala mogu se svrstati u sledećih pet kategorija:

Mehanička svojstva,Termička svojstva,Električna svojstva,Magnetna svojstva iOptička svojstva.

…

Mehanička svojstva su u vezi sa deformacijom koja nastaje kao posledica delujuće sile ili opterećenja (uključuju elastične module i čvrstoću).

Za električna svojstva poput električne provodljivosti ili dielektrične konstante, stimulans je električno polje.

Termičko ponašanje čvrstih tela može se prikazati u smislu toplotnog kapaciteta ili termičke provodljivosti.

Magnetna svojstva se definišu kao reakcija materijala na delovanje magnetnog polja.

Optička svojstva dolaze do izražaja kada postoji dejstvo elektromagnetnog ili svetlosnog zračenja; indeks prelamanja i refleksijekarakterišu optička svojstva materijala.

…

Hemijske osobine obuhvataju hemijski sastav materijala i njegovu sposobnost stupanja u hemijske reakcije s drugim materijalima sa kojima dolazi u dodir. Drugim rečima to su osobine koje se menjaju sa promenom hemijskog sastava.

Hemijske osobine materijala utiču na njegovu strukturu, izgled, boju, postojanost i ponašanje u različitim sredinama i pri delovanju različitih faktora.

…

Tehnološka svojstva materijala utvrđuju se različitim tehnološkimispitivanjima, čiji je osnovni cilj da definišu ona svojstva materijala kojasu važna s obzirom na njihovu preradu, ili sa gledišta njihove neposredne primene

Tehnološke osobine, na primer, metala obuhvataju:Livljivost,Kovljivost,Lemljivost,Zavarivost,...

…

Pored strukture i svojstava postoje dve druge važne komponente koje su u vezi sa naukom o materijalima i inženjeringom materijala – to su izrada i performanse.

Odnos između ove četri komponente se može objasniti na sledeći način: struktura materijala će zavisiti od načina kako je on izrađen dok će performanse materijala biti u funkciji od njegovih svojstava.

Podela materijala

KeramikeMetali Polimeri Kompoziti

Materijali

Elastomeri

Duromeri

Termoplasti

Ne-feritni

Feritni

podfamilije

…

Ko se i zašto bavi materijalima?

To su naučnici i inženjeri iz različitih oblasti: mašinski,građevinski, hemijski, elektro inženjeri i inženjeri zaštite životne sredine.

I svi su oni bar jednom ili čak svakodnevno tokom svoje karijere suočeni sa problemom koji ima na neki način veze sa materijalima.

Višestruki su razlozi zbog kojih je neophodno proučavati nauku o materijalima i inženjerstvo materijala.

…

To su pre svega:

Potreba preorijentacije sa proizvodnje materijala iz neobnovljivih resursa, na obnovljive zbog iscrpljivosti neobnovljivih;

Uticaj eksploatacije i odlaganja materijala na životno okruženje;

Enormni porast broja tehničkih materijala i potrebe da se nađe način za pravi izbor i selekciju;

Izbor pravog procesa proizvodnje i prerade zbog značajnog energetskog i ekonomskog aspekta njegove proizvodnje.

…

Nemoguće je zaobići energiju koja je nerazdvojivo povezana sa proizvodnjom i preradom tehničkih materijala, njihovom upotrebom i kasnijim odlaganjem.

Izdvajanje metala iz njihovih ruda je skopčano sa procesom energetske konverzije usled prestruktuiranja atomskih vezaunutar rude i dobijenog proizvoda.

…

Utrošena energija za proizvodnju jedinice mase materijala iz njihovih ruda i sirovina se naziva sadržanom energijom.

Ovaj termin je po malo zavaravajući; jer je samo jedan deoenergije zaista „sadržan” u smislu da ga je moguće reverzibilnim postupkom ponovo dobiti.

Deo energije koja učestvuje u sadržanoj energiji predstavlja takozvanu slobodnu energijukoja predstavlja razlikusadržane energije u prečišćenom metalu i materijalu rude iz koje se on dobija.

…

Na primeru metala - gvožđa koje se dobija redukcijom iz oksidne rude hematita Fe2O3, u visokim pećima to izgleda ovako:

Hemijska termodinamika zahteva da se za redukciju kiseonika O3 iz hematita Fe2O3 i dobijanje čistog gvožđa Fe utroši minimalna količina energije u iznosu od 6,1 MJ/kg.

To znači da ova vrednost (6,1 MJ/kg) predstavlja u stvari slobodnu energiju oksidacije gvožđa u odgovarajući oksid.

Ta energija bi teoretski mogla da bude povraćena, drugim rečima regenerisana reoksidacijom gvožđa pod kontrolisanim uslovima (ona je zaista “sadržana”).

…

Međutim, izmerena energija za dobijanje gvožđa- količina koja se naziva sadržanom energijom - je tri puta veća i ona iznosi 18 MJ/kg.

To znači da je efikasnost konverzije samo 33 %.

Gde je otišao ostatak energije?

Većina te energije se izgubi kao toplotni gubitak u gasovima u visokoj peći. Slični gubici redukuju efikasnost sinteze i prečišćavanja gotovo svih materijala.

Novi izvori, novi zahtevi

Pretpostavke jednog dela naučnika (koji se bave energetikom) su da će upotreba nuklearne energije u budućnosti biti u ekspanziji ali je za njenu primenu potrebančitav set rešenja kao odgovor na niz otvorenih pitanja.

Ona tretiraju materijale sa više aspekata; počevši od goriva, preko struktura koje su direktno u kontaktu sa radiogenim

elementima pa do postrojenja za odlaganje radioaktivnog otpada.

…

Velike količine energije se troše u transportu.

Smanjenje težine transportnih vozila (automobila, aviona, vozova itd.) kao i rastuće temperature u motorima će svakako zahtevati povećanu efikasnost iskorišćenja goriva. Za to je neophodno projektovati nove materijale izuzetno jake strukture i male gustine koji će izdržavati velike temperature i imati značajnu primenu u izradi motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

Lexus LFA – carbon fibre composite cabin

…

Sem toga već sada postoji potreba za pronalaženjem novih ekonomičnih izvora energije, naravno uz efikasnije iskorišćenje postojećih resursa. U ovoj oblasti materijali će igrati nesumnjivo značajnu ulogu.

Na primer direktna konverzija solarne energije u električnu je već prisutna u praksi. Solarne ćelije još uvek koriste kompleksne i vrlo skupe materijale. Kako bi ova tehnologija dobila stimulans za veću primenu u praksi potrebni su materijali koji će biti visoko efikasni u procesu konverzije a istovremeno biti cenovno pristupačni.

…

Vodonične gorive ćelije predstavljaju vrlo primamljivu i istovremeno izvodljivu energetsku tehnologiju koja ima osnovnu prednost u tome da nema nikakvo zagađenje. One već imaju inicijalnu primenu i predstavljajuobećavajuće rešenje za pogon automobila.

Nove materijale tek treba projektovati za efikasnije gorive ćelije kao i bolje katalizatore u procesima za dobijanje vodonika.

…

Mnogi danas korišćeni materijali proizilaze iz neobnovljivih resursa pa to znači da ne postoji mogućnost njihove regeneracije.

Tu spadaju npr. polimeri za čiju se proizvodnju kao sirovinski materijal koristi nafta i neki metali.

Evolucija materijala korišćenog kod gasnih turbina

* www.azom.com/article.aspx?ArticleID=109

Uvod u nano materijale

Materija i energija su manifestacije univerzuma koje postoje u različitim oblicima i komuniciraju jedna sa drugom na mnogo načina.

Nano znači 10-9 (nanometar je milijarditi deo metra)

Da biste razumeli kako je mali nm napravimo nekoliko poređenja

1. Crveno krvno zrnce je veliko oko 7000 nm.2. Molekul vode je prečnika gotovo 0.3 nm.3. Ljudska kosa je debela oko 80.000 nm

Prefiks „nano” potiče od grčke reči „nannos” što označava nešto sićušno, patuljak, kepec, a pod „nanotehnologijom” se podrazumeva istraživanje i manipulacija materijom u sferi ispod 100 nanometara (nm), što znači da je reč o redu veličine molekula i virusa.

…

1. Nano materijali bi se mogli definisati kao materijali sa najmanje jednom od svojih dimenzija u rasponu od jednog nanometra.

2. Takav materijal ne mora biti toliko mali da se ne može videti, to može da bude velika površina ili duga žica čija debljina je u razmeri nanometra.

3. Materijali koji su nano razmera u jednoj dimenziji su slojevi, kao što su tanki filmovi ili površinski premazi.

4. Materijali koji su nano skale u dve dimenzije uključuju nano žice i nano cevi (nano tube).

5. Materijali koji su nano razmera u tri dimenzije su čestice na primer taloga, koloida i kvantne tačke (male čestice poluprovodničkih materijala)

…

Nano nauka se može definisati kao proučavanje fenomena i manipulacija materijalima na atomskoj, molekularnoj i makromolekulskoj skali gde se svojstva razlikuju značajno od onih na većoj skali.

Nano nauka je proučavanje i razumevanje osobina nano čestica.

Nanotehnologija se može definisati kao dizajn, karakterizacija, proizvodnja i primena struktura uređaja i sistema kontrolisanjem oblika i veličine na nanometarskoj skali.

…

Zašto su svojstva nano materijala različita?

Osobine nano materijala se značajno razlikuju od onih veće skale.

Dva glavna faktora utiču da se svojstva nano materijala značajno razlikuju od drugih materijala.

1. Povećana relativna površina.2. Efekat kvantne zabrane.

Ovi faktori mogu promeniti ili poboljšati svojstva kao što su reaktivnost, jačina i električne karakteristike.

…

Povećanje odnosa površine prema zapremini

Nano materijali imaju relativno veću površinu u odnosu na istu zapreminu ili masu materijala proizvedenih u većoj skali.

Razmotrimo sferu radijusa "r".

Njena površina = 4πr2.Njena zapremina = 4/3πr3

Odnos površine prema zapremini = 3 / r.

Tako, kada se poluprečnik sfere smanjuje, odnos njegove površine prema zapremini se povećava.

…

Razmotrimo jednu kocku, prikazanu na slici, površine 6m2

P = 6*1m2

…

Kada se podeli na osam delova njena površina postaje 12m2, na sličan način kada se ista kocka podeli na 27 delova njena površina postaje 18m2.

6*(1/2)2*8 = 12m2

…

Tako smo saznali da, kada da se neka zapremina podeli na manje komade površina se povećava.

Otuda kako se veličina čestice smanjuje veći procenat atoma se nalazi na površini u odnosu na one unutra.

Nano čestice imaju mnogo veću površinu po datoj zapremini u poređenju sa većim česticama. To čini materijal više hemijski reaktivnim.

…

Kod nano kristala, elektronski energetski nivoi nisu kontinuirani kao u makrosvetu već su diskretni (konačna gustina stanja), zbog ograničenog važenja elektronske talasne funkcije od fizičke dimenzije čestica.

Ovaj fenomen se naziva kvantna zabrana i stoga nano kristali se takođe pominju kao kvantne tačke.

Kod slojeva debljina većih od mikrometra ne dolazi do pojave kvantizacije, odnosno efekti kvantizacije su zanemarivi u odnosu na postojeća svojstva karakteristična za materijale „normalnih“ dimenzija.

Činjenica da energije kvantnih stanja zavise od dimenzija sistema su fizikalna osnova nanotehnologija

...

Možemo zaključiti da je fizikalna osnova nanotehnologija pojava kvantizacije elektronskih sistema materijala što dovodi do niza novih, često sasvim neočekivanih svojstava.

U najširem smislu definicija nanotehnologije obuhvata svu upotrebu materijala na nano-skali. Naravno da sa takvom definicijom u nanotehnologije ulaze i procesi koji nisu direktno vezani uz kvantizaciju.

Značajan primer toga je katalizacija hemijskih reakcija. U mnogim se reakcijama koriste vrlo skupi katalizatori (platina, rodijum, srebro,...).Ako se prirede u obliku nanočestica, onda s malom količinom materijala dobijamo veliku površinu čestica, a u katalizaciji bitna je upravo površina katalizatora.

Nanocevi

Struktura koja predstavlja zamajac nanotehnologije nosi ime nanocev(eng. nanotube), a najpoznatija je izgrađena od atoma ugljenika. Ugljenična nanocev (eng. carbon nanotube, CNT) najlakše se može zamisliti kao mreža atoma u obliku pravougaonika savijena u oblik cevi. U zavisnosti od ose po kojoj je savijena mreža, razlikujemo tipove nanocevi.

...

Svojstva koja CNT imaju čine ih izuzetnim u izradi budućih materijala za konstrukciju aviona ili automobila. Smanjenje težine i povećanje čvrstinepovoljno će uticati na sigurnost putnika i smanjenje potrošnje.

Upotreba ovih materijala dobro će doći i u građevinarstvu, gde će ojačanja ugljeničnim nanocevima doprineti ukupnoj stabilnosti spojeva velikih delova budućih građevina.

Upotreba ovih cevi u elektronskoj industriji takođe je veoma isplativa. CNT predstavljaju takozvane balističke provodnike, što znači da prenose energiju gotovo bez gubitaka. Kako postoje i dvoslojne, troslojne i višeslojne cevi (više nanocevi postavljenih koncentrično), jasno je da se ova svojstva mogu iskoristiti na takav način da nanocevi zamene silicijumske poluprovodnike i samim tim poboljšaju elektroprovodna svojstva elektronskih komponenti.

...

Naučnici su ustanovili da ugljenična forma grafen (zapravo ista forma ugljeničnih struktura od koje je izgrađena ugljenična nanocev) ima vrlo solidnu sposobnost apsorpcije solarne energije, a njegova proizvodnja mnogo je jeftinija od konkurencije.

Na Univerzitetu u Indijani naučnici su dizajnirali fotoreceptore na bazi titanijum-dioksida prevučene slojem jednoslojnih nanocevi, dobivši tako solarne ćelije koje dvostruko bolje konvertuju ultraljubičastu svetlost u elektrone nego što je to do sada bio slučaj. Ugljenične nanocevi ovde imaju važnu ulogu u „sakupljanju”elektrona, koji bi inače pobegli iz sistema, i na taj način povećavaju efikasnost ćelija.

Trodimenzionalne solarne ćelije

Moguće buduće primene nanotehnologije u energetskom sektoru

Korišćena literatura:

Dr. D. Mitić, Tehnički materijali, http://www.znrfak.ni.ac.rs - /srb/10-studije/10-01-oas/predmeti/TEHNICKI MATERIJALI/KOLOKVIJUMI/Materijal za I kolokvijum TM/

Advanced Materials for Our Energy Future, http://www.mrs.org/advanced-online/adv-matls-pdf

M. Milun, Fizikalne osnove nanotehnologije, http://eskola.hfd.hr/susreti/Fizikalne_osnove_nanotehnologije_M_Milun.pdf

M. Đekić, Autoput u budućnost, http://www.sk.co.rs/2010/05/sknt01.html

Application of Nano-technologies in the Energy Sector, http://www.hessen-nanotech.de/mm/NanoEnergy_web.pdf

*Materijal pripremljen za korišćenje u nekomercijalne obrazovne svrhe u skladu sa

Članom 44. Zakona o autorskim i srodnim pravima - ("Sl. glasnik RS", br. 104/2009 i 99/2011)