Nanotehnologija PD 3

Report
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
PRIMENA
NANOMATERIJALA U
TEHNICI
•
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
•
Rimljani su pre više od 2000
godina
otkrili
da
se
dodavanjem staklu vrlo malih
količina
zlata,
bilo
u
metalnom obliku ili u obliku
metalnih soli, postiže tamno
crvena boja, ukoliko se staklo
na
odgovarajući
način
toplotno obradi.
Nakon otapanja i hlađenja na
sobnu temperaturu, zlato daje
blijedo žuto boju stakla, ali
nakon starenja boja prelazi u
tamno crvenu. Slični se efekti
mogu postići pomoću bakra ili
selena.
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
•
•
•
Do ove pojave dolazi zbog stvaranja čestica
metalnih kristala nanoveličine u staklu tokom
starenja. Ove su čestice toliko sitne da ne
mogu prelomiti vidljivu svetlost te tako staklo
ostaje prozirno.
S druge strane, te čestice snažno absorbiraju
svetlost malih talasnih dužina, stvarajući na
taj način efekt boje.
Pomenuto fizičko objašnjenje ove pojave nije
bilo poznato prvim majstorima stakla, ali je
jedan jasan primjer kako namerno nanofazno
strukturiranje materijala može ostvariti nova
svojstva materijala.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
Nanočestice i nanoprahovi koji se
mogu
proizvesti
u
obliku
suspenzija (koloida), sol-gelova i
aerogelova otvaraju mogućnosti
razvoja niza novih proizvoda.
• Sitne čestice imaju mnogo veću
aktivnu površinu u odnosu na
njihov obim ili masu, što povećava
hemijsku aktivnost i povećava
rastvorljivost u vodi.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Jedna od osnovnih ciljeva
sadašnjih istraživanja
materijala predstavljaju i
•
pokušaji matematičkog
modelovanja pojava na
atomskoj i molekularnoj
razmeri i povezivanje
strukture i željenih svojstava.•
Ostvareni su prvi proizvodi integracijom
modelovanja prema teoriji "end-to-end" (od
kvantne mehanike do simulacije sklopova i
sistema).
Na osnovi takvog principa usmeravali bi se
tokovi eksperimenata: od sinteze molekula
do prerade molekula u materijale jediničnih
ćelija nano- i mezo-veličine ili do
proizvodnje sklopova i uređaja.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
•
Kako prikazuje slika 1, ovo
nastojanje uključuje razvoj
statističkih metoda za
predviđanje strukture
materijala nano- i mezoveličine i rada uređaja na
temelju prvih principa
kvantne mehanike.
Slika 1. Prikaz "end to end"
pristupa modeliranju pri
razvoju novih materijala i
sklopova
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Nanotehnologije pružaju mnogobrojne
mogućnosti
razvoja
materijala
poboljšanih svojstava za primenu u
elektronici, fotoelektronici, mašinstvu,
hemijskom inženjerstvu, mikrobiološkim
i biomedicinskim područjima (tablica 1).
• Nanostrukturirani materijali se ponašaju
bitno
različito
od
današnjih
mikrostrukturiranih.
•Tako npr. mnogo sitnija zrna u
strukturi rezultuju većom gustinom,
nekoliko puta višim vrednostima
mehaničkih svojstava (čvrstoće,
tvrdoće, žilavosti i sl.) kao i
neočekivanim
kombinacijama
drugih svojstava. Tako metali mogu
postati poluprovodnici ili mijenjati
originalnu boju, keramika postati
savitljiva ili prozirna kao staklo itd.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Tablica 1: Tehnološki utjecaj: sadašnje stanje i potencijali
nanotehnologije
Neki od odabranih
primera nanoslojeva i
nanostrukturiranih
materijala, koji se već
nalaze u praksi ili za
koje se predviđa
značajan potencijal za
buduće tehničke
primene prikazani su u
tabeli.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
U odnosu prema drugim
postupcima, u razvoju je danas
vrlo raširen
SOL-GEL PROCES
koji omogućuje stvaranje
organsko neorganskih hibrida u
obliku prahova, vlakana,
membrana, slojeva,
kompozitnih struktura i drugih
oblika materijala za raznolika
područja daljnje primjene
NANOSLOJEVI, ČESTICE I DISPERZIJE
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
•
•
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Iako je sol-gel postupak prvobitno
otkriven krajem 19. veka i znatno
istraživan ranih tridesetih godina 20.
veka, novi interes za ovim postupkom
počinje sedamdesetih godina prošlog
veka kada su formirani monolitni
neorganski gelovi na niskim
temperaturama i pretvoreni u staklo bez
visokotemperaturnih postupaka
topljenja.
Tokom ovog postupka mogu se
proizvesti homogeni neorganski metalni
oksidi poželjnih svojstava tvrdoće,
optičke prozirnosti, hemijske otpornosti,
željene poroznosti i toplotne otpornosti.
Sol-gel postupak uključuje nastajanje
neorganskih mreža iz koloidnog rastvora
(sol) preko želiranja sola do formiranja
mreže u kontinualnoj tečnoj fazi (gel).
• Koloidni rastvor predstavlja rastvor koji
sadrži vrlo sitne čestice, veličine od 1
nm do 1μm, koje su jednoliko
suspendovane u tečnosti.
• Gel je koloidna suspenzija tečne faze u
čvrstom stanju, pri čemu nastaje
želatinozni materijal krući od rastvora
(sola).
• Polazni materijal za sintezu tog koloida
sastoji se od atoma metala okruženih
različitim reaktivnim ligandima (atomi
vezani na centralni atom).
• Metalni alkoksidi (organski spojevi koji
se koriste kao jake baze, a dobijaju se u
reakcijama metala s alkoholom ili
fenolom, gdje se na atom kiseonika veže
metal), su najpopularniji jer reaguju brzo
s vodom.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Najčešće korišćeni metalni
alkoksidi su alkoksisilani,
kao što su tetrametoksisilan
i tetraetoksisilan.
• Ipak alkoksidi aluminija,
titana i bora takođe se
koriste u sol-gel
postupcima, često
pomešani sa
tetraetoksisilanom.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
Za opisivanje sol-gel
postupka na
funkcionalnom nivou
važne su tri reakcije:
hidroliza,
kondenzacija
alkohola i
kondenzacija vode.
Do želiranja
jedinjenja dolazi
reakcijama hidrolize
i kondenzacije
alkoksida
prekursora, uz
kiselinu ili bazu kao
katalizator.
Šema sol-gel postupka
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• U reakcijama hidrolize,
dodatkom vode, zamjenjuje se
alkoksidna grupa (OR) sa
hidroksilnom grupom (OH).
•
• Kondenzacija uključuje Si-OH
grupu proizvodeći vezu Si-O-Si i
nusprodukt vodu, gde je Si
metal koji učestvuje u reakciji.
• Ipak, faktori kao što su pH
vrednost, molarni odnos H2O/Si i
katalizatori mogu dovesti do
završetka hidrolize pre nego što
za počine kondenzacija.
• Kako broj Si-O-Si veza raste,
individualni molekuli ugrađuju se
u zajednički nagomilani sol
(koloidni rastvor ).
Polimerizacijom, čestice
rastvora međusobno formiraju
mrežu i nastaje gel.
Gelna faza u sol-gel postupku
se opisuje kao trodimenzionalni
čvrsti kostur okružen tečnom
fazom, gde su tečna i čvrsta
faza kontinualne i koloidnih
(nanometarskih) dimenzija.
Nakon faze želiranja sledi
sušenje kod kojeg uhvaćene
isparljive supstance (voda,
alkohol, itd.), pod uticajem
visoke temperature izlaze iz
gela (nastaje tzv. xerogel) i
mreža se skuplja tokom dalje
kondenzacije.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• SOL - GEL postupak pruža
mnoge mogućnosti za
industrijsku primjenu kao jedna
od metoda za formiranje
prevlaka na podlogama različitih
materijala.
• Ovaj postupak prilagođen
pripremi tankih oksidnih
prevlaka ima mnoge prednosti:
− visoka čistoća polaznih
komponenti – reaktanata prekursora,
− visoka homogenost prevlake,
− niska temperatura postupka,
− nije potrebna upotreba
vakuuma,
− niska cena,
− visoka fleksibilnost i laka
izvodljivost,
− dobijanje jednolike debljine
prevlaka,
− mogućnost prevlačenja
velikih površina,
− dobijanje vrlo glatke prevlake.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Postoji nekoliko
tehnika prevlačenja
sol-gel postupkom:
− uranjanjem (dip
coating)
− prskanjem (spray
coating)
− izlivanjem (flow
coating)
− rotiranjem (spin
coating)
− kapilarnim
prevlačenjem
(cappilary coating)
− valjanjem (roll
coating)
− utiskivanjem (printing
coating)
− hemijskim
prevlačenjem
(chemical coating)
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Sastojci organskoanorganskog hibrida
ORMOCER®-a i njihova
svojstva
• Moguće primene organskoanorganskih hibridnih slojeva,
proizlaze iz sljedećih postizivih
svojstava:
- Otpornost na abraziju i
grebanje,
- Postojanostna koroziju
- Hemijska stabilnost,
- Antirefleksiona svojstva,
- Hidrofilna i hidrofobna funkcija,
- Antibakterijsko, antistatičko i
antiadhezijsko dejstvo,
- Dekorativnosti i dr.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Elektrohromni “pametni” prozori, imaju sloj koji
se sastoji od dva transparentna oksidna filma
koji u sendviču drže sloj za apsorpciju jona,
elektrolit, i elektrohromski sloj.
• Ovaj kompletan sistem od četiri komponente
nalazi se izmedu dva prozorska stakla.
Fotokromni efekt na papiru sa
NANOMER® slojem
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Jedna od najstarijih i najraširenijih Slika 5. Zamućenje PC sa i bez
primena sol-gel procesa jeste
ORMOCER® prevlake nakon
nanošenje antirefleksnih slojeva na
mehaničkog trljanja
stakla naočara.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Najveći komercijalni efekti
primene organskoneorganskih hibridnih solgel slojeva očekuju se u
automobilskoj industriji, u
sanitarnoj tehnici te u
domaćinstvima (za radne
ploče - kao zaštite od
grebanja, prianjanja
prljavštine i vode). Smatra
se da su takvi slojevi 10 do
100 puta otporniji na
grebanje od čistog laka.
Primena neorgansko organskih hibrida za
zaštitu sanitarnih elemenata od prianjanja
prljavštine i vode
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Creavis istraživački tim unutar
kompanije Degusse razvija SAM
polimere (Sustainable Active
Microbiocidal), a Fraunhoferov
Institut i organsko-neorganske
hibride sa dodacima
antibakterijskih supstanci koje
sprječavanju rast bakterija,
•
gljivica i algi.
• Takvi polimeri su neotrovni za
ljude i životinje, a antimikrobiotički
efekat razvija se tek
polimerizacijom. Potencijalne
primene su za zaštitu oplate
brodova od prijanjanja algi, za
prevlačenje laboratorijskih i
kućnih radnih površina, katetera,
cevi i drugih medicinskih uređaja,
ili u obliku disperznih dodataka
lakovima za drvo.
Od nedavno prevlake ZrO2, SiO2,
TiO2 i CeO2-TiO2 primjenjuju se
za sprečavanje hemijske korozije
i visokotemperaturne gasne
oksidacije. Među tim prevlakama
ZrO2 je posebno delotvoran.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
AEROGELOVI
ili pene za izolaciju u
mikrometrima ili milimetrima,
• Aerogelovi su visokoporozni
aerogelovi iz šupljih prostora
materijali sa ekstremno
su u nanometrima.
malom gustinom, koja se
normalno kreće između 30 i • Radi se zapravo o
300 kg/m3.
nanostruktuiranim
materijalima mogu imati čak i
• U laboratoriju se mogu dobiti
99 % udela vazdušnih
vrednosti čak i do nekoliko
kanala, što rezultira velikom
kg/m3 (za poređenje: vazduh
unutrašnjom površinom koja
ima 1,2 kg/m3).
može kod kvadra od jednog
• Dok je veličina šupljina kod
grama težine, obuhvatiti više
standardnih poroznih
2.
od
1000
m
materijala kao što su sunđeri
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Klasični postupci izrade za
aerogelove, poznati od prije 60tak godina, a proizlaze iz sol-gel
procesa. U tako nastaloj gel
mreži uskladištena je još
tekućina koja ekstrahira u
nadkritičnom stanju, pri visokom
tlaku i temperaturi. Pri tome
•
struktura gela ostaje ista.
• Pored najraširenijih aerogelova
na osnovi silicijum-oksida,
danas se upotrebljavaju i drugi
polazni materijali kao što su
aluminijum-oksid, titanijum-oksid
ili smeše oksida.
• Praktično sve mogućnosti za
upotrebu aerogelova baziraju se
na njihovoj visoko poroznoj
nanostrukturi. Ona je odgovorna
za karakteristike kao što je nizak
indeks loma, nizak modul
elastičnosti, niska akustična
impedansa i mala provodljivost
toplote.
U pojedinim slučajevima je
korisna i visoka optička
transparentnost. U fizici visoke
energije već se neko vrijeme
primjenjuju silicijum-oksid
aerogel ploče kao delovi
detektora zbog svoje specifične
optičke karakteristike.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Aerogel ima u budućnosti
zidovima kuća ili kao krovni
poseban potencijal kao toplotni
prozori u zgradama.
izolator. Njegova mogućnost
• Nisu podobni za transparentne
zadržavanja toplote mnogo je
sisteme prozora zbog mlečnogbolja nego ona od
mutnog izgleda.
ekspandiranog polistirena
• Ova grupa materijala zanimljiva
(stiropora) i može se još i
je zbog mehaničkih i akustičnih
povećati.
svojstava. Tako je brzina zvuka
• Pošto silicijum-oksidni
u aerogelovima znatno niža
aerogelovi teško gore i mogu se
nego u vazduhu i može varirati
baciti (reciklirati), pogodni su
ako se podese određeni
kao zamena za izolacione pene
proizvodni parametri. Taj efekt
koje sadržavaju freone npr. za
se može iskoristiti kod
hladnjake.
podešavanja akustične
• Budući da propuštaju svjetlost,
impendansa na graničnim
pogodni su za pasivno
područjima (akustični
korišćenje sunčane energije na
antirefleksni slojevi).
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Zbog svoje specifične velike
•
površine i lake ugradnje
katalitički aktivnih supstanci,
aerogelovi imaju ogroman
potencijal kao nosioci
katalizatora za hemijske
•
procese.
• U svemirskom prometu može se
koristiti kao lagani medij za
spremanje goriva.
Atraktivna je i mogućnost
ugljičnih aerogelova kod
izgradnje super kondenzatora
sa ekstremnom gustinom
provodljivosti.
Slaba tačka aerogelova je
relativno visoka osjetljivost na
spoljnje uticaje. Tako se moraju
silicij-oksidni aerogelovi čuvati
od vlage jer je njihova mreža
zbog hemijske strukture takva
da upija vodu.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
NANOSTRUKTUIRANI MATERIJALI
PUNOG VOLUMENA
• Dimenzije strukturnih faza i
konstituenata ovih tzv.
•
nanostrukturnih materijala leže
ispod 100 nm i time se približavaju
veličini pojedinih molekula ili atoma.
• U poređenju sa konvencionalnim
materijalima, nanostruktuirani
materijali imaju veći udio graničnih
površina, što je dovelo do sada
•
nepoznatih mehaničkih i
funkcionalnih svojstava.
• Tako se nanofazni materijali mogu
gledati kao strukture koje se sastoje
jednom polovinom od kristalne faze,
a drugom polovinom od penaste
faze po granicama zrna, u kojima se
atomi mogu relativno slobodno
kretati.
Time se olakšava raspodela
naprezanja usled spoljnjeg
mehaničkog opterećenja i sprečava
širenje napuklina. Ova činjenica je
od posebne važnosti za povišenje
žilavosti krhkih materijala, pogotovo
keramike.
Plastičnost se može iskoristiti za
razvoj proizvodnih postupka
oblikovanja keramike, kao što je
presovanje, valjanje ili ekstruzija
keramičkih proizvoda u složenije
konačne oblike.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
• Osim toga je moguća npr.
• Polimerima se dodaju metalna
proizvodnja novih legura s
punila za zaštitu od električnih
legirajućim elementima, koji se
polja, neorganske čestice i slojevi
nisu mogli primeniti kod klasičnih
(npr. CaCO3), fulerenske
legura.
nanočestice i nanocevi za
povećanje čvrstoće i modula
• Važan je razvoj na području
elastičnosti, čestice SiO2 za
kompozitnih materijala kao npr.
povećanje otpornosti na abraziju i
kod tvrdih metala od
habanje i dr.
nanostruktuiranih
volframkarbid/kobalt spojeva.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Primene u automobilu
- Osjetljiviji senzori od
nanostrukturiranih materijala;
- Gume s nanopuniocima
(čestice SiO2);
- Katalitičke nanočestice u
gorivu - smanjuju štetne
- Elektrohromna stakla;
emisije kod sagorevanja;
- Reflektirajući nanoslojevi na
- Fulerenske nanočestice u
krovu karoserije;
sredstvima za podmazivanje;
- Prevlake organskoneorganskih hibrida na laku - Nanorupice za ubrizgavanje
koje su otporne na grebanje i goriva;
na koje se ne hvata
- Gorivne vodonikove ćelije sa
prljavština;
nanonosačima hidrida
- Keramičke prevlake na
cilindrima motora;
- Mikromehanički sistemi;
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
•
•
•
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
PRIMERI OSTALIH PRIMENA
Optički materijali
U primeru stvaranja obojenih
stakala, kvantna svojstva elektrona
unutar sitnih čestica zlata pomiču
granicu absorpcijskog spektra
metala u plavo područje spektra, što •
staklu daje crvenu boju.
Što je manja veličina kristalita, to je
širi razmak između valenci i vidljivih
veza, a granična absorpcijska
talasna dužina kraća. Veličina
čestica određuje graničnu
absorpcijsku talasnu dužinu i na taj
način određuje boju materijala. Ako
su kristaliti kadmijevog selenida,
približne veličine 1,5 nm, oni će biti
žute boje, a ako su veličine 4 nm,
crvene boje dok će još veće čestice
biti crne boje. To se načelo danas
koristi pri određivanju potrebne
veličine čestica cinkovog i titanovog
oksida, za primene u kozmetici za
zaštitu od sunčevog ultraljubičastog
zračenja.
Sledeća primena ovog načela, od
kojeg se mnogo očekuje, je razvoj
poluprovopdnih lasera za tržište
komunikacija optičkim vlaknima, u
kojoj je mogućnost podešavanja
talasne dužine emisije vrlo poželjna,
jer se na taj način mogu brojni
kanali optičke informacije
istovremeno slati jednim optičkim
vlaknom.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
•
•
•
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Optički materijali
U ovom je slučaju tehnologija izrade
zasnovana na izradi vrlo malih
"kvantnih žica" ili "kvantnih tačaka",
obično u obliku nanometarskih
slojeva složenih jedni na druge.
Slojevi su različitih jedinjenja
galijevog arsenida u čvrstom
rastvoru aluminija, iridijevog
arsenida ili selenida. Različiti
hemijski sastavi omogućavaju
menjanje razmaka između
poluprovodnih slojeva, čime se
ograničava kvantno gibanje
elektrona unutar sloja u jednom
smeru.
Drugi slojevi materijala s različitim
relativnim indeksima mogu se
koristiti za ograničavanje svetla na
određena područja poluprovodnih
materijala, koja sadrže kvantne
tačke. Značajni su tehnološki
problemi proizvodnje ovih struktura i
spajanja električnih kontakta na njih.
Proizvodnja dvodimenzionalnih i
trodimenzionalnih nizova kvantnih
tačaka, koje stvaraju strukturu
pomoću skupa dozvoljenih i
isključenih optičkih i elektroničkih
stanja, takođe nudi nove
mogućnosti aktivnih i pasivnih
uređaja. Tehnologija proizvodnje
optoelektronskih uređaja temeljenih
na kvantnim žicama ili kvantnim
tačkama je još uvek u začecima i
neće se još neko vreme pojaviti na
tržištu.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
•
•
•
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Nanokristalni hidridi i
nanocevčice kao rezervoari
vodonika
Intenzivno se istražuju najpovoljniji
materijali za skladištenje vodonika u
gorivnim ćelijama. Utvrđeno je da
nanokristalni Mg-hidridi pokazuju
bržu i veću absorpciju i oslobađanje
vodonika nego mikrokristalni
(istraživanja Daimler Benz-a).
Prema drugim istraživanjima /13/ za
iste namene mogla bi se koristiti
šuplja ugljenična vlakna ili
ugljeniične nano cevčice.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Goriva i eksplozivi
• Aluminijumske nanočestice su vrlo
reaktivne s kiseonikom pa služe kao
gorivo za rakete i za druge izvore
energije. Specifična površina čestica
iznosi oko 50 m2/g.
• Kod tzv. "supertermita" dolazi do
reakcija nanočestica aluminija i
nano čestica MoO3, ili CuO ili
KClO2, što rezultira oslobađanjem
velike količine toplote. Primene su
za nove generacije municije,
detonatore, materijale u pirotehnici i
sl.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Fosforescenti za zaslone visoke
rezolucije
• Rezolucija se poboljšava smanjenjem
veličine "piksela", ili fosforescenata.
Nanokristalni Zn-selenidi, Zn-sulfidi,
Cd-sulfidi i Pb-teluridi sintetizovani solgel postupcima su kandidati za
poboljšanje rezolucije ekrana.
• Predviđa se da će nanofosforescenti
sniziti cijene TV ekrani visoke
rezolucije i PC. U tom smeru nastoje
se razviti i jeftiniji pljosnati ekrani za
prenosne računare.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Eliminacija štetnih emisija
Baterije visoke gustoće energije
• Nanokristalni materijali imaju
• Takve baterije ugrađuju se u niz
ekstremno velika granična područja u
uređaja – elektromobile, prienosna
odnosu na njihovu veličinu zrna. Zbog
računala, telefone, igračke, satove i sl.
toga su vrlo aktivni u pogledu njihovih
Trajnost konvencionalnih i obnovljivih
hemijskih, fizičkih i mehaničkih
baterija je relativno mala.
svojstava.
• Nanokristalni materijali sintetizirani sol• Hemijska aktivnost je osnova njihove
gel procesom su kandidati za ploče u
primene za katalizatore štetnih i
baterijama zbog penaste (aerogel)
otrovnih gasova (CO i NOx) u
strukture koja može čuvati više
automobilu i u termoenergetskim
energije nego postojeće. Nadalje,
postrojenjima, gdje izgaraju nafta, gas
baterije na osnovi nanokristalnog nikla
ili ugljenik.
i metalnih hidrida zahtijevaju ređe
punjenje i veća im je trajnost zbog
velike specifične površine.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Snažni magneti
• Jakost magneta meri se koercitivnošću
i zasićenjem magnetiziranja. Te
vrednosti rastu s smanjenjem veličine
zrna i specifične površine zrna.
• Primer za to jesu magneti na osnovi
nanokristalnih itrij-samarij-kobalt (i
drugih rijetkih metala) za tiše
podmornice, alternatore automobila,
električne generatore, brodske motore,
ultraosjetljive analitičke instrumente,
uređaje za magnetsku rezonanciju u
•
medicinskoj dijagnostici.
Visokoosjetljivi senzori
• Mereni parametri senzora su električni
otpor, hemijska aktivnost, magnetska
permeabilnost, toplotna provodljivost i
dr. Vrednosti ovih parametara jako
zavise od mikrostrukturi (veličina zrna)
materijala senzora. Promena spoljnjih
uslova se manifestuje u promeni
hemijskih, fizičkih ili mehaničkih
karakteristika senzora, što se
iskorišćava za detekciju različitih
veličina u okolini (npr. ZrO2 senzori za
mjerenje CO u gasnoj atmosferi –
katalizatori u automobilu ili u pećima
za toplotnu obradu).
Nanokristalni materijali su ekstremno
osjetljivi na promenu spoljnjih uslova.
Takvi se senzori koriste za npr.
registrovanje dimova i gasova u
prostorijama, detektore leda na krilima
aviona, u motoru automobila itd.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Delovi vazduhoplovnih konstrukcija
•
• Zbog zahteva sigurnosti i pouzdanosti,
teži se da delovi vazduhoplovnih
konstrukcija budu čvršći, žilaviji i
•
dugotrajniji.
• Ključno svojstvo je dinamička
izdržljivost, odnosno otpornost na
umor. Dinamička izdržljivost raste sa
smanjenjem veličine zrna strukture
•
materijala.
• Nanostrukturirani materijali pružaju
mogućnost povećanja dinamičke
izdržljivost za 2 do 3 puta u odnosu na
klasične materijale.
Takođe, delovi izrađeni od
nanomaterijala su čvršći i pri
povišenim i visokim temperaturama.
Pogonski sistemi svemirskih letelica
(delovi raketa) podvgnuti su vrlo
visokim radnim temperaturama pa su
nanostrukturirani materijali izvrsni
kandidati za takve primene.
Lopatice gasnih turbina zaštićuju se od
toplote i erozije nizom slojeva
keramike debljine od 10 do 1000 nm.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Trajniji implantati u medicini
• Sadašnji ortopedski implantati i srčani
zalisci se rade uglavnom od
•
nehrđajućih čelika i titana. Ovi se
materijali relativno dobro
biokompatibilni ali neporozni.
• Za ortopedski implatant je bitno da u
njega postepeno penetrira okolno
tkivo. S druge strane nanokristalna
keramika ZrO2 je tvrda, otporna na
trošenje i korozijski postojana.
Nanokeramike mogu biti porozne ako
se sintetiziraju sol-gel procesom u
aerogel. Nanokristalni SiC je kandidat
za implatantni srčani zalistak zbog
male mase, visoke čvrstoće,
ekstremne tvrdoće, otpornosti na
trošenje, biološke i hemijske inertnosti.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
Elektrohromna stakla
Polimerni nanokompoziti za
podmazivanje skija
• Prozor se sastoji od dva stakla između
kojih su dva transparentna vidljiva
• Zanimljiva je primena
sloja, jedan elektrohromni volframsamoorganizirajućih fluoridnih
oksidni i cer-oksidni/titan-oksidni.
polimera s neorganskim
nanočesticama za podmazivanje skija
• Organsko-neorganski nanokompoziti
- tzv. Cerax Nanowax .
kao transparentni elektrolit u sredini
omogućavaju vrlo jednoliko obojenje • Ovi voskovi vrlo dobro prijanjaju na
pri uključivanju električne struje.
klizne površine, imaju vrlo nizak faktor
Primena se očekuje za automobilska
trenja i otporni su na agresivne vrste
stakla i velike ekrane.
snega.
УНИВЕРЗИТЕТ У БЕОГРАДУ
ШУМ А РСКИ ФА КУЛТЕТ
TМП
ТЕХНОЛОГИЈЕ, МЕНАЏМЕНТ И ПРОЈЕКТОВАЊЕ
НА МЕШТА ЈА И ПР О ИЗВОД А ОД Д Р ВЕТА
НАНОТЕХНОЛОГОЈЕ У ПРЕРАДИ ДРЕВТА
Проф. Др. Миланка Ђипоровић
BIOMIMETIČKI MATERIJALI
•
• Materijalna bionika je interdisciplinarno
područje koje povezuje znanja iz
biologije, hemije, mašinsva
(konstruktivna rešenja) i medicine.
•
• Priroda u načelu generiše celi niz
fizičko/hemijskih efekata, koji mogu
poslužiti kao uzor tehničkim sistemima, kao
npr. elektroaktivnost kod riba ili
luminiscencija raznih životinja i manjih
biljaka.
• Priroda često favorizuje multifunkcionalna
ili čak inteligentna rješenja koja mogu biti
osnova za nove koncepte razvoja
materijala. U prirodi nastaju
polimerno/keramičke strukture visoke
čvrstoće, krutosti, tvrdoće i žilavosti, kao •
npr. oklopi, rogovi, zubi, bodlje životinja,
paukova mreža itd. Radi se o
nanostrukturiranim biološkim strukturama
bez grešaka.
Na osnovi proučavanja i oponašanja
sastava i strukture takvih prirodnih sistema,
razvijaju se procesi veštačke sinteze
oksida, sulfida i drugih jedinjenja u vodenim
ili polimernim rastvorima.
Cilj je dobijanje veštačkih kostiju i tkiva
(npr. ljudske kože), razgradljivih vlakana za
šivanje rana, različitih kompozita,
membrana za dijalizu, funkcionalnih
materijala (npr. nanostrukturiranog
kadmijevog oksida s nelinearnim optičkim
svojstvima). Biološki inicirani procesi
odvijaju se pri sobnoj temperaturi i teško ih
je toplotno ubrzati. Zbog toga su brzine
izdvajanja (taloženja) materijala generalno
jako niske.
Može se predvidjeti da je nauka na tragu
novog koncepta razvoja novih
materijala, koji polazi od pretpostavke
da genetičko inženjerstvo pruža sasvim
nove pristupe spoju živog i neživog.

similar documents