09. března 2016 14:47
Náhled do světa nanomateriálů
Abstrakt:
Text přináší informativní přehled využívaných názvů a produktů submikronových rozměrů souhrnně nazývaných nanomateriály. Všeobecný přehled je doplněn pohledem do oborů jejich aplikace a potenciálu dalšího využití v širších elektrotechnických oborech a mezioborech. Je použito členění materiálů získaných technologiemi chemicko-fyzikálními pro cílené provedení „monomateriálové“ a členění na „hybridní materiály“ navržené v oblasti dostupných technologií s prvky s rozměry jednotek nanometrů v kombinaci s ostatními typy známých struktur.
Úvod
Pokud se nahlédne do wikipedie [1], je definován nanomateriál jako materiál jedné oblasti s rozměrem od 1 do 1000 nanometrů, ale běžně se používá označení pro rozměry v intervalu od 1–100 nm. Dále je rozdělení nanomateriálů na přirozené nanomateriály, syntetické, ucelené celky a částice. Příklad zobrazení nanomateriálu jako synteticky sestaveného celku je na obr. 1. Dále mezi nanočástice patří nanokrystaly, nanoclustery, nanoprach. Na obr. 2 je uveden příklad nanočástic.
-
Obr. 1 Příklady pro ucelené objekty syntetických nanomateriálů (struktura s uhlíkem)
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11645.jpg)
Obr. 2 Příklady pro nanočástice, A) středně pórovitý kysličník křemíku, B) kysličník vanadu
Aplikace nanomateriálů, elektromagnetické pole
Do techniky, a také zejména do elektrotechniky, pronikají technologie využívající efektů a výhod nanomateriálů. Jedním z jednoduchých použití je vytvoření struktury předřazené povrchu fotovoltaickému prvku [2] ve směru dopadu záření na povrch fotoelementu. Předřazená nanovrstva způsobí dokonalý (bez odrazu) přechod elektromagnetické (EMG) vlny z prostředí 1 do prostředí 2, obr. 4 a), b). Tento stav je na 2D numerickém modelu zobrazen v obrázcích 4 a obr. 5. Stavu přechodu impedance z prostředí 1 do prostředí 2 bez vzniku stojaté EMG vlny se dosáhne navrženou strukturou s hřebenovou strukturou. V optických systémech se pak rozměry hřebenové struktury nacházejí v nanometrickém měřítku, obr. 4 c), d).
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11646.jpg)
Obr. 3 Příklady přírodních nanomateriálů: A) příklad viru, B) přídržný systém gekona, C) krystal brazilského opálu, D) část motýlího křídla
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/21667.jpg)
Obr. 4 Schéma bezodrazového povrchu, a) elektrická složka EMG vlny, b) integrální interpretace, c) geometrický model, d) provedení struktury
Na obr. 5 je zobrazeno porovnání šíření z prostředí 1 do prostředí 2 pro případy jak se vznikem EMG odrazu, tak bez EMG odrazu.
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11648.jpg)
Obr. 5 Schéma bezodrazového povrchu a) elektrická složka EMG vlny
Další aplikace nanomateriálů a nanotechnologie jsou například v oblasti návrhů tzv. metamateriálů pro optickou oblast. Zde se struktury a jejich provedení s rozměry a geometrickým uspořádáním nachází v nanometrických měřítkách. Jedním z příkladů může být vytvoření opticky rozdílného prostředí pro šíření vybraného viditelného pásma elektromagnetické vlny. U známých přirozených materiálů se odraz EMG vlny od povrchu rozhraní a průchod do druhého materiálu může interpretovat pomocí Snellových zákonů optiky, obr. 6 a). U vybraných metamateriálových struktur, nanostruktura v optické oblasti, může být situace odlišná. Jedná se o efekt s jedním negativním parametrem buď permitivity nebo permeability ve vybrané frekvenční oblasti. V tomto pásmu a negativním parametru má dojít ke změně šíření EMG vlny v prostředí, do kterého EMG vlna vstupuje, obr. 6 b).
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11650.jpg)
Obr. 6 Odraz EMG vlny od povrchu: a) přirozeného materiálu b) metamateriálu s levotočivou charakteristikou
Tento efekt může způsobit nepřesnou interpretaci sledovaného obrazu objektu v prostoru. Například by se mohlo tohoto efektu využívat ve VIP technikách zvýšení bezpečnosti osob, jako doplněk osobní ochrany před odstřelovači, obr. 7.
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11649.jpg)
Obr. 7 Příkladný scénář aplikace nanomateriálové struktury metamateriálů pro VIP ochranu osob
Další z aplikací se zaměřuje do oblasti návrhu nanomateriálových kompozitů. Z práce [3], [4] vyplývá, že periodická struktura graphenu by měla mít velmi zajímavé elektrické a elektromagnetické vlastnosti vzhledem k šíření EMG vlny. Tím by se mohl otevřít prostor využití graphenu v elektronických, elektrotechnických a EMG aplikacích. Z uvedené práce ale nevyplývá jednoznačný závěr, který by vedl k potenciální aplikaci periodických (na bázi přírodních) nebo umělých nanostruktur, metamateriálů nebo klastrové struktury s extrémními vlastnostmi v oblasti šíření EMG vlny (supervodič, supravodič).
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11651.jpg)
Obr. 8 Struktura karbonových nanomateriálů [4], [5]: a) známá uspořádání karbonových struktur, b) graphen-polymer kompozit
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11655.jpg)
Obr. 9 Vznik účelové graphen-polymer struktury – kompozit [5]
Periodická nanostruktura – model
Geometrický model pro jednoduchý test srovnání vlastností materiálů klasických a založených na periodické struktuře s velkým množstvím opakujících se prvků by mohl být zakreslen na obr. 10. Jedná se o návrh kombinovaného makroskopického modelu a modelu kvantově-mechanického, popsaného soustředěnými parametry – částicemi. Model nabývá v radiální souřadnici rozměrů řádu nanometrů a v tangenciálním řádu více než desítek milimetrů. Je to navržený model grafénové struktury jako koaxiální elektrické vedení pro přenos signálů z místa A do místa B. Otázka je taková, zda vnitřní pohyb ve struktuře nebude mít vliv na přenášený signál. Proto se navrhl hybridní numerický model respektující makroskopické veličiny elektromagnetického pole a strukturální zákony hmoty v oblasti nanometrů.
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11652.jpg)
Obr. 10 Geometrická struktura numerické analýzy šíření povrchové vlny
Pro uvedenou analýzu přechodných dějů a respektování kvantově mechanického/vlnového modelu s pohybem částic je vhodný model (1). Model s vyšším řádem časových změn funkce nebo funkcionálu u je popsán telegrafní rovnicí ve tvaru:
A po odvození
kde H je vektor intenzity magnetického pole, B je vektor magnetické indukce, JT je vektor celkové proudové hustoty, D je vektor elektrické indukce, E je vektor elektrické intenzity, ρ je objemová hustota elektrického náboje, v je vektor okamžité rychlosti pohybujících se elementů, m0 je klidová hmotnost elektrického náboje, q je elektrický náboj pohybujících se elementů, γ je měrná elektrická vodivost, l je koeficient tlumení, k je koeficient tuhosti.
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11656.jpg)
Obr. 11 Geometrický model základní struktury elementů s pravděpodobnostním výskytem valenčních elektronů
Struktura navrženého polymeru, obr. 11, pro realizaci elektrického souosého vedení je koncipována jako hypotetický polymer, který byl navržen jako typ s nejmenším možným příspěvkem elektromagnetického signálu z vlastní struktury superponujícího se k signálu připojenému z vnějšího zdroje obr. 12 b), k navrženému elektrickému vedení se zátěží Z. Při návrhu jakéhokoliv reálně technologicky proveditelného polymeru (s očekáváním komplikovanější struktury než námi hypoteticky navržený typ polymeru) s aplikací navržené geometrie dojde k dosažení parametrů příspěvku šumu nebo vyššímu díky složitějším vazbám v polymeru. Proto je v obr. 4 jako základní periodický prvek uvažován takový, ve kterém je pouze nejjednodušší vazba (jednoduchá vodíková vazba) na jeden atom vodíku.
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11661.jpg)
Obr. 12 Geometrický model koaxiálního uspořádání polymeru
Model zahrnuje jak složku elektrické, tak magnetické části elektromagnetické vlny a prostor pohybu elektricky nabitých částic s působením sil intergujících v modelu, model se řeší známými metodami konečných prvků a konečných objemů.
Aplikací Galerkinovy metody k nalezení minima funkcionálu u a respektováním okrajových podmínek se získá numerický model jako soustava nelineárních rovnic. Ta se řeší standardními metodami.
Struktura symetrické konfigurace grafenu na bázi polymerních trubek [6] je pak uvedena na obr. 12. Rozdíl průměrů mezi oběma trubkami odpovídá ∆D = 1nm, za předpokladu, že vnitřní průměr trubky D1 = 5 nm. Na obr. 11 a 12 jsou zobrazeny vodíkové vazby ve struktuře polymeru. V takto konfigurovaném modelu se zahrnutím stochastické okamžité polohy elektronových vazeb budeme vyhodnocovat měrný tok výkonu podél polymerních trubek při zadání zdroje velikosti toku, směru a časové změny toku. Výsledky analýzy nám objasní, zda je struktura grafenu (polymeru) použitelná pro přenos elektrických signálů, a to v kmitočtových pásmech požadovaných na přenos. Poté jsme pak schopni identifikovat frekvenční pásma, ve kterých základní prvek periodické struktury osciluje. Směr a distribuce hustoty výkonu toku π [W /m2] mohou být použity, aby jednoznačně určily, zda grafen je vhodný k účelům přenosu signálu [10]. Na obr. 13 je znázorněn geometrický model pro vyhodnocení šíření hustoty výkonu (3) jako okamžité hodnoty Poyntingova vektoru vyjádřené vztahem
Je zřejmé z výše uvedeného obecného vztahu (3), že výsledné hodnoty Poyntingova vektoru závisí na okamžitých hodnotách elektromagnetických složek pole, a to (pro nestacionární EMG vlny) intenzitě elektrického a magnetického pole E (t) a H (t). Na obrázcích 14–17 je pak zobrazeno rozložení složek Poyntingova vektoru a modul Poyntigova vektoru.
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11657.jpg)
Obr. 13 Geometrický model části koaxiálního vedení, pozice 1, 2, 3 a 4 pro vyhodnocení Poyntingova vektoru
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11658.jpg)
Obr. 14 Rozložení modulu intenzity elektrického pole: E(t) [V/µm], t1= 1ps
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11662.jpg)
Obr. 15 Rozložení modulu magnetické indukce: B(t) [pT], t1= 1ps
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11663.jpg)
Obr. 16 Vyhodnocení rozložení modulu měrné výkonové hustoty π(t) [pW/µm2], t1 = 1ps podél křivky 1
![](https://www.oneindustry.cz/wp-content/uploads/_old/files/2016/03/11664.jpg)
Obr. 17 Vyhodnocení rozložení modulu měrné výkonové hustoty π(t) [pW/µm2], t1 = 1ps podél křivky 3
V uvedeném textu byl shrnut velmi omezený přehled použití nanomateriálů a uvedeno několik příkladů aplikace, a tak jsme se nepatrně vnořili a přiblížili oblasti dynamicky se rozvíjejících oborů nanomateriálů a nanotechnologie. Na jednoduchém problému periodických nanostruktur byl ukázán problém s přenosem signálu a jeho změny přidáním šumu periodické struktury.
Poděkování
Práce vznikla za podpory grantu ČR GAČR grantového projektu č. 13-09086S.
Literatura:
[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Nanomaterials
[2] Nespor,D., Interní sdělení, UTEE FEKT VUT v Brně,
www.utee.feec.vutbr.cz
[3] Castro Neto A.H., Guinea F., Novoselov K.S. and Geim
A.K., The electronic properties of graphene, Reviews of
modern physics, vol. 81, January-March 2009, The American
Physical Society.
[4] Kuldeep Singh, Anil Ohlan and S.K. Dhawan, Polymer-
-Graphene Nanocomposites: Preparation, Characterization,
Properties, and Applications. http://dx.doi.
org/10.5772/50408, INTECH, © 2012.
[5] Chao Yan, Kwang-Seop Kim, Seoung-Ki Lee, Sang-Hoon
Bae, Byung Hee Hong, Jae-Hyun Kim, Hak-Joo Lee
and Jong-Hyun Ahn, Mechanical and Environmental
Stability of Polymer Thin-Film-CoatedGraphene, VOL. 6.,
NO. 3 pp. 2096–2103, ACS NANO, 2012.
[6] NASSWETTROVÁ, A.; FIALA, P.; NEŠPOR, D.; DREXLER, P.;
STEINBAUER, M. Numerical Model a Graphene Component
for the Sensing of Weak Electromagnetic Signals. In
Proceedings of SPIE. Proceedings of SPIE. BELLINGHAM,
WA 98227-0010 USA: SPIE- INT SOC OPTICAL ENGINEERING,
2015. p. 1–10. ISBN: 978-1-62841-639- 8. ISSN:
0277- 786X.
Pavel Fiala,
Petr Drexler,
Dušan Nešpor
Ústav teoretické a experimentální elektrotechniky,
FEKT VUT v Brně,
Technická 12, 616 00 Brno,
fialap@feec.vutbr.cz,
drexler@feec.vutbr.cz,
nespord@feec.vutbr.cz
Mohlo by se Vám líbit
GUMEX nabízí svým zákazníkům pokročilé obrábění v 5 osách
- Plasty
-
25. července 2024
Nový obráběcí stroj s pětiosým vřetenem a pilovým kotoučem zajišťuje vyšší přesnost a rychlost výroby Společnost GUMEX, přední tuzemský výrobce produktů z pryže a plastů, rozšiřuje […]
TOP 10 technologických trendů v obrábění a zpracování kovu 2024
- Obrábění
-
23. července 2024
Dalo by se říct: „obrábění je stále stejné“, jako třeba před padesáti lety. Základní formule je neměnná: stroj-nástroj-obrobek, zde se nic nemění. Trvalým trendem je […]
Hyundai Tucson překonal další milník: 2 000 000 aut z Nošovic
- Automotive
-
23. července 2024
Výrobní závod Hyundai Motor Manufacturing Czech vyrobil od zahájení produkce v Nošovicích již dvoumiliontý vůz Tucson Dva z pěti Tucsonů prodaných v Evropě mají buď […]