Innowacyjne materiały - PDF

Innowacyjne materiały 1. **Przewodnictwo elektryczne grafenu. Czym się charakteryzuje, od czego zależy, co je ogranicza i dlaczego?** Obraz zawierający tekst Opis wygenerowany automatycznie Przewodnictwo jest zależne od kierunku (związane jest to z heksagonalnym układem atomów) - Przewodn...

Innowacyjne materiały 1. **Przewodnictwo elektryczne grafenu. Czym się charakteryzuje, od czego zależy, co je ogranicza i dlaczego?** Obraz zawierający tekst Opis wygenerowany automatycznie Przewodnictwo jest zależne od kierunku (związane jest to z heksagonalnym układem atomów) - Przewodnictwo elektryczne jest bardzo dobre - Półmetal o zerowej przerwie. - Atomy w tej dwuwymiarowej strukturze są ułożone w formie „plastra miodu" -- w zależności od kierunku, przewodnictwo elektryczne jest różne. - Największa różnica jest natomiast gdy rozważamy kierunek równoległy i prostopadły do płaszczyzny - równoległy dobry, prostopadły nie aż taki dobry - Z tego co wyczytałem w necie, to w zależności od metody wyprodukowania grafenu jego parametry się różnią - Jak mamy mniejsze dziury to występują opory więc słabnie też przewodnictwo  **Przewodnictwo elektryczne grafenu** - Grafen jest klasyfikowany jako **półmetal o zerowej przerwie**, co oznacza, że elektrony mogą się w nim swobodnie poruszać. \[1\] - W próżni grafen ma ruchliwość elektronów **250-krotnie większą niż krzem (Si)** i **tysiąc razy większą niż miedź**. \[2\] - Rezystywność grafenu wynosi **10-8Ωm**. \[2\] - **Wysoka przewodność** grafenu wynika z jego struktury elektronowej, w której elektrony zachowują się jak cząstki relatywistyczne, opisane równaniem Diraca. \[2\] - Przewodnictwo elektryczne grafenu jest **ograniczone przez rozpraszanie elektronów na defektach strukturalnych**, takich jak domieszki, wakaty i granice ziaren. \[3\] - Te defekty **zaburzają ruch elektronów i zmniejszają przewodnictwo** materiału. \[3\] - Przewodnictwo grafenu **zależy również od liczby warstw**. Przewodnictwo jest **najwyższe w pojedynczych warstwach** i maleje wraz ze wzrostem liczby warstw. \[3\] 2. **O czym mówi wektor chiralny w kontekście nanorurek węglowych (śląskie noworodki \ zazwyczaj charakter półprzewodnikowy - Dla n = m mamy fotelową -\> charakter metaliczny (ale są jak półmetale) - Dla n != m mamy chiralną -\> półprzewodnik z wąską przerwą energetyczną  **Wektor chiralny w kontekście nanorurek węglowych** - **Wektor chiralny (Ch)** opisuje sposób zwinięcia płaszczyzny grafenowej w nanorurkę węglową. \[28\] - Jest on zdefiniowany jako: **Ch = n‧a1 + m‧a2**, gdzie: - **n** i **m** to liczby całkowite, - **a1** i **a2** to jednostkowe wektory definiujące komórkę elementarną grafenu. \[28\] - Różne wartości **n** i **m** dają różne chiralności nanorurek. \[28\] **Typy chiralności nanorurek** - **Fotelowa (armchair):** n = m, nanorurki o charakterze metalicznym. \[29\] - **Zygzakowata (zigzag):** m = 0, nanorurki o charakterze półprzewodnikowym. \[29\] - **Chiralna:** n ≠ m, nanorurki o charakterze półprzewodnikowym (w większości przypadków) z wąską przerwą energetyczną. \[29\] - Istnieją również nanorurki, dla których **n - m = wielokrotność liczby 3**, które wykazują charakter metaliczny, mimo że są strukturalnie zygzakowate lub chiralne. \[30\] 3. **Wymień trzy podstawowe makrostruktury CNT, którą z nich charakteryzuje najwyższa przewodność elektryczna i dlaczego? Dlaczego konduktywność makrostruktur CNT jest niższa niż pojedynczych nanorurek?**  Im bardziej uporządkowane są włókna tym lepsza konduktywność. Sam proces tworzenia jest skomplikowany. Defekty mogą powstać zarówno przy tworzeniu pojedynczych nanorurek jak i tworzenia makrostruktur. Mogą być one niewspółosiowe, splątane, materiał może nie być skondensowany wystarczająco. Wszystko to wpływa na rozpraszanie elektronów co zmniejsza przewodność elektryczną. **Makrostruktury CNT i ich przewodnictwo** - Trzy podstawowe makrostruktury CNT to: **dywany, filmy i włókna**. \[4\] - **Włókna CNT** charakteryzują się najwyższą przewodnością elektryczną. \[5\] - Dzieje się tak, ponieważ włókna CNT składają się z **gęsto upakowanych, zorientowanych nanorurek**, co zapewnia **efektywny transport elektronów** wzdłuż włókna. \[5\] - Konduktywność makrostruktur CNT jest **niższa niż pojedynczych nanorurek** z powodu: - **kontaktów między nanorurkami**, które tworzą bariery dla przepływu elektronów, - **defektów strukturalnych**, takich jak puste przestrzenie i nieprawidłowości w upakowaniu nanorurek, - **różnej orientacji nanorurek** w makrostrukturze, co utrudnia przepływ elektronów. \[5\] - 4. **Co to są liotropowe a czym termotropowe ciekłe kryształy? Jak wytworzyć liotropowy ciekły kryształ?**  Liotropowe ciekłe kryształy (LCK), w odróżnieniu od termotropowych, otrzymuje się ze zmieszania dwóch lub więcej składników, jeden  z  których  służy  jako  rozpuszczalnik (np. woda). Charakteryzują się one dużą dwójłomnością optyczną. Wszystkie te substancje to związki amfifilowe, gdyż ich molekuły zbudowane są  zarówno z grupy  jonowej rozpuszczalnej w wodzie (część hydrofilowa molekuły) jaki nierozpuszczalnej w wodzie cześci organicznej (część hydrofobowa molekuły). **Liotropowe i termotropowe ciekłe kryształy** - **Ciekłe kryształy termotropowe** to takie, których tworzenie się faz LC jest **indukowane temperaturą**. \[6\] - **Ciekłe kryształy liotropowe** to takie, których tworzenie się faz LC następuje po **solwatacji**, czyli rozpuszczeniu w odpowiednim rozpuszczalniku. \[6\] - Aby wytworzyć **liotropowy ciekły kryształ**, należy **rozpuścić związek amfifilowy w odpowiednim rozpuszczalniku**. \[6\] - **Związek amfifilowy** to taki, którego cząsteczka ma **część polarną (hydrofilową)** i **część niepolarną (hydrofobową)**. \[6\] - W odpowiednim stężeniu rozpuszczalnika **cząsteczki amfifilowe samoorganizują się w struktury zwane micelami**, które wykazują **dalekozasięgowe uporządkowanie** charakterystyczne dla fazy ciekłokrystalicznej. \[7\] 5. **Czym się różni faza nematyczna od smektycznej LC? Jakie obrazy tych faz przedstawia dyfraktogram?** Kryształ -porządek pozycyjny dalekiego zasięgu\ Ciecz -porządek pozycyjny krótkiego zasięgu Porządek pozycyjny to stopień, w jakim pozycja przeciętnej cząsteczki lub grup cząsteczek wykazuje translacyjną symetrię.  Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, rafa, projekt graficzny Opis wygenerowany automatycznie Dyfraktogram jest **transformatą Fouriera** funkcji 𝐺(𝑅) i obrazuje on zależność intensywności sygnału od częstości przestrzennych q.  **Różnice między fazami nematyczną i smektyczną LC** - **Faza nematyczna:** cząsteczki są **równoległe do siebie**, ale **nie tworzą warstw**. \[8, 9\] - **Faza smektyczna:** cząsteczki są **równoległe do siebie** i **ułożone w warstwy**. \[8, 10\] **Dyfraktogramy faz nematycznej i smektycznej** - **Faza nematyczna:** dyfraktogram pokazuje **szerokie, rozmyte sygnały**, co wskazuje na **krótkozasięgowe uporządkowanie** cząsteczek w dwóch kierunkach. \[9, 11\] - **Faza smektyczna:** dyfraktogram pokazuje **ostre, dobrze zdefiniowane sygnały**, co wskazuje na **dalekozasięgowe uporządkowanie** cząsteczek w jednym kierunku (w warstwach). \[10, 12\] 6. **Czym jest technologia fotoniczna?** Technologia Fotoniczna czyli wykorzystanie fotonów zamiast elektronów jako nośnika informacji Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, Czcionka, diagram Opis wygenerowany automatycznie 7. **Czym jest naturalny opal (struktura), jak można wytworzyć taką strukturę? Czym różni się od struktury diamentu?**  Obraz zawierający tekst, zrzut ekranu, Czcionka Opis wygenerowany automatycznie  **Naturalny opal i jego struktura** - **Naturalny opal** to minerał składający się z **regularnej trójwymiarowej sieci** koloidalnych kulek krzemionkowych o średnicy kilkuset nanometrów. \[13\] - Struktura opalu **przypomina strukturę kryształu fotonicznego**, w którym periodyczna zmiana współczynnika załamania światła prowadzi do powstania fotonicznej przerwy wzbronionej. \[13\] - **Struktura diamentu** to regularna, trójwymiarowa sieć atomów węgla, w której każdy atom jest połączony z czterema sąsiednimi atomami. \[14, 15\] - **Różnica między strukturą opalu a strukturą diamentu** polega na tym, że **opal** jest zbudowany z **kulek krzemionkowych** o średnicy kilkuset nanometrów, podczas gdy **diament** jest zbudowany z **pojedynczych atomów węgla**. **Wytwarzanie struktury opalu** - Struktura opalu może być wytwarzana metodą **samoorganizacji koloidalnej**, w której kulki krzemionkowe spontanicznie układają się w regularną sieć pod wpływem sił kapilarnych. \[16\] - Proces ten można kontrolować poprzez **dostosowanie stężenia kulek, temperatury i szybkości parowania rozpuszczalnika**. \[16\] 8. **Czym są metamateriały? Jak je wytworzyć?**  **Metamateriały** - **Metamateriały** to **sztuczne materiały kompozytowe**, których właściwości elektromagnetyczne **nie występują w naturze**. \[17\] - Właściwości te wynikają ze **specyficznej struktury metamateriału**, a nie z właściwości chemicznych jego składników. \[18\] **Wytwarzanie metamateriałów** - Metamateriały wytwarza się poprzez **układanie elementów o rozmiarach mniejszych niż długość fali elektromagnetycznej w periodyczne struktury**. \[18\] - Elementy te mogą być wykonane z różnych materiałów, takich jak metale, dielektryki i półprzewodniki. \[19\] - **Dobór materiałów i kształtu elementów** pozwala na **precyzyjne kontrolowanie właściwości elektromagnetycznych metamateriału**. \[19\] 9. **Jak osiągnąć ujemny współczynnik załamania światła?**  **Osiągnięcie ujemnego współczynnika załamania światła** - **Ujemny współczynnik załamania światła** można osiągnąć w **metamateriałach**, w których zarówno **przenikalność elektryczna (εr)**, jak i **przenikalność magnetyczna (µr)** są ujemne. \[32\] - Wytwarza się je poprzez **układanie elementów o rozmiarach mniejszych niż długość fali elektromagnetycznej w periodyczne struktury**. \[18\] - Wczesne metamateriały wykorzystywały **rezonatory z rozdzielonym pierścieniem (SRR)** do generowania ujemnej µr i **druty/słupki przewodzące** do generowania ujemnej εr. \[19\] 10. **Jakie są podstawowe cechy materiałów biomimetycznych? Która jest najważniejsza z punktu widzenia inżynierii?** Z tego co Sandra mówiła to najważniejsze **jest formowanie hierarchicznej struktury**, która daje potem właściwości materiału. **Cechy materiałów biomimetycznych** - **Materiały biomimetyczne** to materiały, których **struktura lub synteza jest inspirowana biologią**. \[20\] - Podstawowe cechy materiałów biomimetycznych: - **hierarchiczna organizacja struktury** na wielu poziomach, - **wielofunkcyjność**, - **samoleczenie i naprawa uszkodzeń**, - **łagodne warunki wytwarzania**, - **dynamiczna zmiana właściwości**, - **niska gęstość**, - **oszczędzanie energii**, - **powtarzające się stosowanie składników molekularnych**. \[21-27\] **Najważniejsza cecha z punktu widzenia inżynierii** - Z punktu widzenia inżynierii **najważniejszą cechą materiałów biomimetycznych jest ich hierarchiczna struktura**. \[21\] - Ta cecha pozwala na **osiągnięcie wyjątkowych właściwości mechanicznych, optycznych i innych** przy jednoczesnym **zachowaniu niskiej wagi i wysokiej wytrzymałości**. \[21, 23\] 1. Struktury kryształów fotonicznych  Dla kryształów 3D: 2. Wytwarzanie światłowodu (włókna fot.)  3. Przewodnictwo balistyczne Czyli przewodzenie materiału wzdłuż jego osi w najdłuższym wymiarze. 4. Co się dzieje, jak wykładamy kolejne warstwy (grafenu) Punkty styku przy każdej kolejnej warstwie rozjeżdżają się. Nie ma przerw, co za tym idzie przewodność elektryczna spada (ponieważ grafen przewodzi dziurowo). Przy dodaniu kolejnych warstw powiększa się przerwa energetyczna. 5. Makrostruktury rurek, czym się różnią i ich przewodnictwo Makrostruktury z CNT (carbon nano tubes):\ a) dywan == las == macierz : ustawione obok siebie gęsto nanorurki b\) film == arkusz : nanorurki poukładane na odpierdol (w losowych kierunkach na jakiejś plaszczyźnie) c\) włókno : splecione ze sobą nanorurki ułożone wzdłuż  W zależności od układu zmienia się opór - im bardziej włókna ułożone tum mniejszy opór R i większa przewodność S