Nanomateriale compozite Nicolinco V..doc

8/19/2019 Nanomateriale compozite Nicolinco V..doc

1/19

1. Introducere

Desi termenul "nanotehnologie" este relativ nou in limbajul ingineriei, perfectionarea nanocompozitelor a fost o tema importanta de discutie de maimult de un deceniu printre cercetatorii din domeniul materialelor, careanalizau posibilitatile de extindere a proprietatilor polimerilor.

Definitia materialelor nanocompozite s-a extins semnificativ pentru a puteacuprinde o varietate de sisteme, cum ar fi sistemul unidimensional, bidimensional, tridimensional si materiale amorfe, alcatuite din componentedistincte combinate la scara nanometrica.

Categoria generala de materiale compozite organice/anorganice este undomeniu de cercetare ce se extinde rapid. Au fost depuse eforturisemnificative concentrate pentru obtinerea controlului structurilor nano prinabordari sintetice inovative. roprietatile nanocompozitelor depind nu numaide proprietatile componentelor, ci si de morfologie si de proprietatile deinterfata pe care acestea trebuie sa le aiba.

Acest domeniu esteintr-o continuadezvoltare genereazamaterialesurprinzatoare cu proprietati inedite. Aceste proprietati rezulta din combinarea proprietatilor componentelor primare intr-un singur material. !xista, desigur si posibilitatea existenteialtor proprietati, dar care raman deocamdata necunoscute pentrucomponenetele primare ale materialelor nanocompozite.

ucrarile experimentale au demonstrat ca, teoretic, toate tipurile si clasele demateriale nanocompozite conduc la proprietati imbunatatite, prin comparatiecu replicile lor macrocompozite, iar acestea pot fi sintetizate utilizand te#nici


2/19

surprinzator de simple si necostisitoare. Din aceste motive nanocompozitele promit noi aplicatii in foarte multe sectoare$ componente cu masa redusa si proprietati mecanice imbunatatite, optica non-lineara, baterii catodice siionice, nano-cabluri, senzori si alte sisteme.

%na dintre cele mai simple definitii pentru nanocompozite este urmatoarea$Nanomaterialul este un material cu propriet&'i particulare datorate

structurii sale nanometrice. ropriet&'ile deosebite se datoreaz& caracteruluiunidimensional al structurii. %n asemenea tip de material se ob'ine, deregul&, printr-o nanote#nologie.

Aplica'ii $• miniaturiz&ri (• asambl&ri de atomi )n sisteme complexe.

*izicianul +ic#ard *e nman, premiul ! pentru fizic& )n 10 2,este considat fondatorul acestei discipline. !l a afirmat )n fa'a 3ociet&'iiAmericane de fizic& la 40 decembrie 1020 c& exist& destul spa'iu )n jos« There is Plenty of Room at the Bottom ».

Micro si nano compozitele sunt materiale compozite caracterizate prindimensiunea particolelor materialului de armare, care se incadreaza indomeniul micro respectiv nanometrilor.5n mod evident, realizarea unui material compozit de acest tip ridica doua

probleme importante$6odificarea suprafetei particulelor de armatura cu un agent de interfata inscopul asigurarii compatibilitatii cu matricea polimeraDispersarea uniforma a materialului de armare in matricea de compusmacromolecular

5n functie de gradul de intrepatrundere a matricei polimere, cu armatura dedimensiuni nanometrice, respectiv de gradul de fragmentare si dispersare alacestora in faza polimera, nanocompozitele se impart in mai multe categorii$- nanocompozite exfoliate in care straturi cu grosimea de 1 nm suntdispersate in matrice formand o structura monolitica pe microscala. %ltimaconfiguratie prezinta cel mai mare interes deoarece sunt maximizateinteractiile polimer - argila, facandu-se disponibila intreaga suprafata astraturilor de argila. Aceasta conduce la o importanta sc#imbare a proprietatilor mecanice si c#imice.- compozite conventionale in care argila se comporta ca un material deumplutura conventional


3/19

- compozite intercalate in care se realizeaza patrunderea catenelor.polimereintre straturile de argila agregate in particule6aterialele nanocompozite sunt formate din oxizi de fier si polipirol si auaplicatii in domenii de varf ale te#nicii, cum ar fi$-senzori de gaze si umiditate-vopsele conductoare-baterii reincarcabile3-a raportat dependenta proprietatilor electrice si magnetice alenanoparticolelor de dimensiunea acestora. Acoperirea nanoparticolelormagnetice cu polimeri este una dintre cele mai noi directii de cercetare, de oimportanta deosebita pe plan international, datorita avantajelor extrem deimportante privind absortia si legea c#imica a substantelor biologice active. !xemple de materiale nanocompozite$

- *ibra de sticla utilizata la fabricarea piscinelor, in domeniul nautic sidiverse aplicatii nonstructurale( usurinta cu care se prelucreaza face ca acesttip de fibra sa fie cel mai utilizat la ora actuala(- *ibra de carbon utilizata in general pentru aplicatii structurale, de exempluin domeniul aviatiei( fibra este obtinuta prin metoda de piroliza a uneisubstante organice cel mai utilizat fiind poliacrilonitrilul 7 A 8. retulacestei fibre este relativ ridicat, insa acest lucru nu a diminuat volumul productiei. 3e gasesc in numeroase aplicatii in domeniul aeronauticii

spatiale, de asemenea si in sport la fabricarea ec#ipamentelor. 7*ormula 1,s9i, sno:boarding8- etonul si betonul armat utlizate in constructii(- *ibra de aramida 7;evlar8(- *ibra de carbura de siliciu participa la procesul de oxidare al carbonului pana la temperatura de 2


4/19

nanotuburileCompozitele cu matrici polimerice armate cu nanotuburi se obtin prinamestecarea componentelor, urmata de reticularea polimerului6atrici ceramice, metalice, de oxizi metalici, toate armate cu nanotuburi

anocompozitele polimerice au fost dezvoltate spre sfarsitul anilor >?


5/19

ConstructiiAerospatiu 7ec#pamente ignifuge si componenete de inalta performanta8!lectrice si electroniceAmabalaje alimentare 7containere si folie de impac#etat8@extile cu performante mari 7medicale, de protectie, sportive, imbracaminte8

*izica si c#imia sistemelor nanoscalare au avansat rapid in ultimii ani si perspectiva de a transforma aceste descoperiri stiintifice in produse de inaltate#nologie se imbunatateste zi de zi. Din moment ce nanote#nologia este undomeniu generic, ea poate avea impact asupra unui spectru larg de domeniide activitate, de la c#imicale pana la electronice, de la senzori pana lamateriale avansate.

6etoda de obtinere AD -ul folosit in nanote#nologie

!lementelecircuitelor integrate pe bazade silicon au in jur de 2 nanometri. Cercetatorii de la %niversitatea Du9edin 3%A au reusit sa creeze elemente masurand intre 2 si 1< nanometri,

aplicand o noua te#nologie care in loc de silicon implica folosirea AD -ului.entru a demonstra noua te#nologie cercetatorii au produs nu mai putin decateva trilioane de placute microscopice care aveau inscriptionate pe eleliterele A, D, . Acest lucru este posibil datorita proprietatilor AD -ului,care face posibil ca un numar foarte mare de fragmente de AD sa se poata prinde unele de altele numai intr-un anumit mod specificat. 5n acest fel, punand la un loc un numar foarte mare de fragmente AD de mai multetipuri, sunt obtinute trilioane de placute care au structura dorita.@#om a en , unul dintre autorii unui articol ce va aparea in volumul 2 alrevistei Ange:andte C#emie a spus ca$" rocesul pe care e descris face posibila crearea de lactici cu modelul careil specificam noi de cel putin zece ori mai mici decat cele produse prin caremai performante te#nici de litografiere din prezent"" 5n plus, din cauza ca folosind AD -ul ,caramizileB se auto-asambleaza,ceea ce ne permite sa cream simultan trilioane de copii ale unei structuri"*iecare "caramida" arata ca o cruce formata din fragmente de AD , avand incentru un fragment de AD circular care se fixeaza pe o alta molecula care


6/19

apoi se conecteaza la o anumita protein. *iecare brat al crucii are in jur de 1<nanometri si are la capat o baza a AD -ului si in consecinta nu se poate legadecat la capatul unei anumite alte cruci. 5n acest fel, atunci cand sunt pusetoate la un loc, ,caramizileB se leaga unele de altele automat in forma dorita.

roblema de a gasi cum trebuie sa fei fragment de AD pentru fiecare,caramidaB in parte in asa fel incat ele sa nu se lege unele de altele decat asacum trebuie s-a dovedit o problema matematica foarte complicata dat fiindnumarul foarte mare de combinatii posibile si numarul mare de fragmente deAD .

"3unt nevoie de trei sute de computere pe care sa rulam un program timp dedoua saptamani pentru a obtine raspunsul" a zis C#ristop#er D: er, cel carea fost responsabil de ducerea la bun sfarsit a parti acestui proiect. 5n acest felei au reusit pana la urma sa gaseasca combinatia optimade fragmantare deAD care sa duca la rezultatul dorit. !i au creat o serie de caroiaje x deas apoi au atasat cate o proteina in anumite locuri din caroiaj. De exemplu pentru a obtine litera D, au atasat proteinele in pozitie$ 1, 4, , , 2, ?, 0, 14,1 , 12.

2. STRUCTURI NANOMETRICE


7/19

*ormele cristalizate clasice ale carbonului )n stare natural& 7st&rilealotropice8, cunoscute p n& )n anul 10?2, erau diamantul Ei grafitul.

Diamantul este un mineral transparent, cel mai dur posibil. !l a fostidentificat la sf rEitul secolului 1? ca fiind o form& cristalin& a carbonului dc&tre avoisier Ei @ennant. Fn aceast& structur& cristalin&, fiecare atom elegat de atomi vecini dispuEi )n v rfurile unui tetraedru regulat distan'aminim& dintre atomi fiind de


8/19

Fn anul 10?2, cercet&torii +. 3malle , +. Curl 7+ice %niversit ,Louston, %3A8 Ei L. ;roto 7%niversit of 3ussex, Grande retagne8 audescoperit o nou& structur& cristalin& a carbonului sub forma unei molecule7C


9/19

dimensional ca )ntre un fir de p&r Ei un oleoduct8. %n atom are diametrulcuprins )ntre


10/19

se pot descrie pe baza modului de r&sucire a foii de grafen& care implic&superpozi'ia a dou& #exagoane A Ei din re'ea. 6odul de rulare a grafeneidefineEte diametrul Ei ung#iul de r&sucire 7torsiune8θ care variaz& )ntre < P


11/19

Fn primul mod, tuburile se suprapun unele peste altele Ei se numescnanotuburi multistrat. um&rul de straturi Ei diametrul lor sunt variabile. anotub multistart

!xist& dou&modele de structur&multistrat $ )n cilindriconcentrici 7a8 sau )nspiral& 7b8.

Fntr-un al doileamod, nanotuburiler&m n monostrat Eiau diametre foarteuniforme care se

asambleaz& pentrua forma fascicule. *ascicul denanotuburi cudiametrul mediu de1, nm

Fn fiecare fascicul,tuburile se grupeaz&compact Eiformeaz& unaranjament periodicde simetrie

triung#iular&. um&rullor poate atinge maimulte zeci )ntr-unfascicul al c&rui


12/19

diametru variaz& conform condi'iilor de sintez& de la 1 la < nm.Fn cele dou& tipuri de asamblare, distan'a dintre dou& tuburi adiacente

este aproape egal& cu distan'a dintr dou& planuri ale grafitului, ceea ce)nseamn& c& ansamblul de tuburi nu modific& natura leg&turilor c#imice car&m n identice cu cele manifestate )n grafit.Cele dou& moduri de asamblare sunt legate de condi'iile de sintez&.

3. PROPRIET !I A"E STRUCTURI"OR NANOMETRICEPro#riet$%ile nanotu&urilor

ropriet&'ile specifice nanotuburilor result& direct din leg&tura c#imic&de tip grafit. Caracterul planar Ei orientat al leg&turilor c#imice face dingrafit un solid foarte stabil c#imic Ei foarte anizotrop )n care propriet&'ileimportante se manifest& )n planul format din #exagoane Ei care constituiestructura nanotubului.

a acestea,o contribu'ie esteadus& de curbura planului7diametrul tubului8 precum Ei de reducerea dimensiunilor la o dimensiune

molecular& care )i confer& un caracter unidimensional. dat& cu sc&deredimensiunilor, for'ele la nivel microscopic devin preponderente, trebuind s&se trac& de la abordarea clasic& la cea cuantic&. Are loc, de fapt o cuantificarenergetic& dependent& de dimensiuni. De exemplu, nu mai este respectat&legea lui *ourier de transfer a c&ldurii pentru c& are loc o propagare avibra'iei atomilor.

rin creEterea densit&'ii pe suprafa'& ce devine comparabil& cu cea pevolum, creEte importan'a leg&turilor c#imice pe suprafa'& prin creEtereaenergiei de leg&tur& la suprimarea leg&turilor )n profunzime. oten'ialul deinterac'ie la nivel submicroscopic 7de tip San der Naals8 este invers propor'ional cu puterea a -a a distan'ei.

Pro#riet$%i electrice Grafitul este cunoscut ca un material slab conduc&tor a c&rui

conductibilitate electric& este perturbat& puternic de defecte sau dopaj.a un nanotub, perturbarea se datoreaz& ung#iului de )nf&Eurare


13/19

7#elicit&'ii8. Dup& cum s-a stabilit experimental, nanotubul cu lan'ul de#exagoane a c&ror latur& este perpendicular& pe cu axa sa 7nanotub armc#a- θ J


14/19

cuprului.Controlul l&'imii band gap prin diametru Ei gradul de r&sucire poate

suplini rolul semiconductorilor care au fluctua'ie de concentra'ie aimpurific&rii.

De asemenea, se pot )nlocui straturile de semiconductori care devincapcane de electroni la suprafa'& 7datorit& unor leg&turi disponibile8 Ei catrebuie pasivizate prin oxidare m&rindu-se astfel grosimea acestora.

alt& consecin'& a leg&turii de natur& cuantic& dintre energie Edimensiuni este posibilitatea ob'inerii luminii de o anumit& frecven'& lainjectarea simultan& de goluri E electroni pe la capetele unui nanotub, dinciocnire rezult nd Ei radia'ie luminoas& Ei c&ldur&. 3e poate genera uanumit tip de lumin& prin alegerea diametrului dar poate fi Ei detectat&.

Com#ortamentul 'eromagnetic al nanostructurilor6aterialele feromagnetice 7fierul, nic#elul, cobaltul8 se magnetizeaz&sub ac'iune anui c mp magnetic exterior )n func'ie de intensitatea acestuia

p n& la valoarea de satura'ie 7caracteristic& fiec&rui material8. Saloareinduc'iei de satura'ie creEte la sc&derea temperaturii propor'ional cuT - /4 , @fiind temperatura absolut& 7legea lui loc#8.

Fntr-un articol recent punlicat de cercet&tori de la 53@ 7 ational5nstitute of 3tandards8 )n # sical +evie: etters fac cunoscut faptul c&materialele feromagnetice nanostructurate pot s& nu mai urmeze legea lui

loc# )n domeniul temperaturilor foarte sc&zute, magnetizarea cresc nd mult

mai rapid. Autorii consider& c& aceast& anomalie caracterizeaz& fenomenulcuantic cunoscut sub numele de condensarea ose-!instein. Fn articole,cercet&torii propun extinderea valabilit&'ii legii lui loc# la nanostructuri prin inroducerea unui termen de energie suplimentar& asociat& procesuluicare depinde de temperatur&. !ste nevoie s& se determine )n continuareinfluen'a dimensiunilor Ei formei acestor nanosisteme magnetice )n stareade condensare ose-!instein.

Pro#riet$%i mecanice Datorit& anizotropiei structurale, grafitul are un modul de elasticitate

foarte mare )n planul #exagonal 71 @ a8 Ei mult mai mic )n afara planului 71


15/19

anotuburile devin interesante prin caracteristicile urm&toare $-rezilien'& apreciat& 7prin simulare8 ca fiind de circa 4


16/19

omanier& controlat&.3e disting dou& tipuri de c&i de sintez& ce se deosebesc )ntre ele prin

nivelul de temperatur& utilizat.Sinte!a la "nalt# tem$eratur#

a premiUre cale const& )n a evapora grafitul 7ce sublimeaz& la4


17/19

Carbonul eliberat din descompunerea gazului precipit& pe suprafa'a particulei Ei aceast& condensare duce la creEterea structurilor tubulare. anotuburile monostrat se formeaz& )n domeniul de temperaturi cuprins)ntre ?


18/19

imaginea acestuia cu ajutorul unui sistem de lentile 7microscop8 cefocalizeaz& radia'ia utilizat&.

ivelul informa'iei depinde )n primul r nd de natura radia'iei uitlizate.+ezolu'ia sa, adic& dimensiunea minim& a detaliilor observabile pe imagineeste de acelaEi ordine de m&rime cu lungimea sa de und&.

Cum distan'a )ntre atomi este de ordinul a


19/19

)I)"IO RA,IE

1. #ttp$//:::.onera.fr/conferences/nanotubes4. #ttp$//fr.:i9ipedia.org/:i9i/ anomatXriau

. #ttp$//:::.crpp.u-bordeaux.fr/nanotfr.#tml

. #ttp$//:::.ulb.ac.be/inforsciences/openscience/naimo
http://fr.wikipedia.org/wiki/Nanomat%C3%A9riauhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Nanomat%C3%A9riau

Documents

Nanomateriale compozite Nicolinco V..doc