Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΜΕΡΟΣ I: ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΜΑΘΗΤΕΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ Στους περισσότερους από εμάς δεν αρέσουν τα έντομα, όπως οι αράχνες. Ωστόσο, όλοι γνωρίζουμε ότι έχουν ένα καταπληκτικό ταλέντο: να παράγουν ιστό αραχνών». Οι αράχνες χτίζουν Ιστούς τους μέσω εξώθησης ενός πρωτεϊνικού μεταξιού αράχνης από τους αραχνικους πόρους τους. Fig.1 Spider Web (1) Η αντοχή εφελκυσμού του μεταξιού αράχνης είναι μεγαλύτερο από του ιδίου βάρους ατσάλι και έχει πολύ μεγαλύτερη ελαστικότητα. Το μετάξι αράχνης είναι πέντε φορές τόσο ισχυρό όσο ο χάλυβας! Δεν είναι εκπληκτικό; Μερικοί ιστοί αράχνης μπορούν να αντέξουν ακόμα και τυφώνες! Fig.2 Dew on Spiders Web (2) Δραστηριότητα-1:Παρακαλώ δείτε το βίντεο για το μετάξι αράχνης που εξηγεί τις ιδιότητές του.

2 Όντας το ισχυρότερο φυσικό υλικό, το μετάξι της αράχνης πρώτο έχει αποτελέσει πηγή έμπνευσης για ταινίες και κινούμενα σχέδια. SPIDERMAN! Θυμόμαστε όλοι αυτή τη σκηνή από το Spiderman 2, έτσι δεν είναι; Ο Spiderman προσπαθεί να σταματήσει το τρένο γεμάτο από ανθρώπους πριν πέσει κάτω από μια ημιτελή σιδηροδρόμων. Αυτό δεν ήταν συναρπαστικό? Καθώς και οι παραγωγοί ταινιών, οι καταπληκτικές ιδιότητες του μεταξιού αράχνης και του ιστού υπήρξε επίσης ένα θαύμα για τους επιστήμονες. Οι επιστήμονες διερεύνησαν πρώτα τις ιδιότητες του μεταξιού αράχνης και του ιστού. Στη συνέχεια, ως συνήθως, αποφάσισαν να μιμηθούν το μετάξι της αράχνης. Και, διαπιστώθηκε ότι το πλέον κατάλληλο υλικό για να μιμηθεί το μετάξι αράχνης είναι «Οι νανοσωλήνες άνθρακα". Nανοσωλήνες άνθρακα Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) είναι αλλοτροπίες του άνθρακα με κυλινδρική νανοδομή. Ανακαλύφθηκαν από τον Ιάπωνα επιστήμονα Sumio Iijima το Οι νανοσωλήνες είναι μέλη της οικογένειας του φουλερενίου Το όνομά τους προέρχεται από τη μακρά, κοίλη δομή τους με τα τοιχώματα που σχηματίζονται από μονατομικά -πυκνά φύλλα άνθρακα, που ονομάζεται γραφένιο (Ανατρέξτε στην ενότητα πείραμα "κατασκευάζοντας Origami Buckyballπείραμα). Η συγκόλληση των ατόμων άνθρακα στην ΝΣΑ είναι sp2, με κάθε άτομο να συνδέεται με άλλα τρία άτομα άνθρακα, όπως ακριβώς σε στο γραφένιο. Δραστηριότητα-2: Παρακαλώ παρακολουθείστε την ταινία που εξηγεί τις αλλοτροπίες του άνθρακα. Δραστηριότητα-3: Παρακαλώ παρακολουθείστε την ταινία που εξηγεί την παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα.

3 Οι ΝΣΑ κατηγοριοποιούνται σε Νανοσωλήνες μονού τοιχώματος (SWCNTs) και νανοσωλήνες πολλαπλού τοιχώματος (MWCNTs). Νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNTs) Όταν τυλίγεται ένα φύλλο γραφενίου, σχηματίζεται ένας ΝΣΑ μονού τοιχώματος. Fig.3 Νανοσωλήνας μονού τοιχώματος (3) (Copyright Professor Charles M. Lieber Group) Τα φύλλα γραφενίου τυλίγονται σε συγκεκριμένες και διακριτές γωνίες. Ο συνδυασμός της γωνίας τυλίγματος και της ακτίνας καθορίζει τις ιδιότητες των ΝΣΑ. Τα προϊόντα ομαδοποιούνται ως "Πολυθρόνα", "ζιγκ-ζαγκ", και "τροχοειδές". Πολυθρόνα και Zigzag SWCNT: Καθώς το φύλλο γραφενίου τυλίγεται κατά μήκος ενός άξονα συμμετρίας, αυτό θα μπορούσε να καταλήξει είτε σε πολυθρόνα ή ζιγκ-ζαγκ ΝΣΑ. Fig.4 Άξονας τυλίγματος του φύλλου γραφενίου (4)

4 Νανολωρίδα γραφενίου Πολυθρόνα Fig.5 SWCNT Πολυθρόνα (5) Zigzag Fig.6 SWCNT Zigzag (5) Τροχοειδές SWCNTs: Είναι επίσης δυνατόν να σηκώσουμε το φύλλο σε μια κατεύθυνση που διαφέρει από έναν άξονα συμμετρίας: ώστε να πάρουμε μία τροχοειδή μορφή νανοσωλήνων, στην οποία τα ισοδύναμα άτομα της κάθε μοναδιαίας κυψελίδας είναι ευθυγραμμισμένα σε μια σπείρα. Νανολωρίδα γραφενίου τροχοειδές Fig.7 τροχοειδές SWCNTs (5)

5 Fig.8 πολυθρόνα, zigzag και τροχοειδές SWCNTs (4) Fig.9 Απεικόνειση από of τροχοειδές SWCNT (5) με σαρωτικό μικροσκόπιο (scanning tunneling) Δραστηριότητα-4:Φτιάξτε το δικό σας ΝΣΑ χρησιμοποιώντας ένα κοτετσόσυρμα ή σύρμα περίφραξης με εξαγωνική δομή. Προσπαθήστε να το αναπτύξετε κυλύωντας σύμφωνα με τα Σχ. 5, 6 και 7 που εμφανίζεται παραπάνω και να αναπτύξετε πολυθρόνα, ζιγκ-ζαγκ και στροφικό ΝΣΑ. ΝΣΑ πολλαπλών τοιχωμάτων : Οι νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος (MWNT) αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα έλασης (ομόκεντρους σωλήνες) από γραφένιο. Υπάρχουν δύο μοντέλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τις δομές των νανοσωλήνων πολλαπλών-τοιχωμάτων. Στο μοντέλο της ρώσικης κούκλας, τα φύλλα γραφίτη, είναι τοποθετημένα σε ομόκεντρους κυλίνδρους.. Fig.10 ΝΣΑ νανοσωλήνων πολλαπλού τοιχώματος άνθρακα - μοντέλο ρώσικης κούκλας (MWCNTs) (6)

6 Στο μοντέλο «περγαμηνή», ένα φύλλο γραφίτη τυλίγεται γύρω μόνη της, μοιάζοντας με μια τυλυγμένη περγαμηνή ή μια τυλιγμένη εφημερίδα. Fig.11 Νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων, μοντέλο Περγαμηνής Ιδιότητες των _ΝΣΑ: Η αντοχή των δεσμών μεταξύ των ατόμων άνθρακα, δίνει νανοσωλήνες άνθρακα με καταπληκτικές μηχανικές ιδιότητες. Σύμφωνα με το μέτρο ελαστικότητας Young (μια κλίμακα μέτρησης της σκληρότητας), η ακαμψία των ΝΣΑ είναι 5 φορές μεγαλύτερη από το ατσάλι. Οι νανοσωλήνες μπορεί να είναι είτε ηλεκτρικά αγώγιμοι ή ημιαγώγιμοι, ανάλογα με την ελίκωση τους, οδηγώντας σε καλώδια και ηλεκτρικά εξαρτήματα, νανοκλίμακας. Αυτές οι μονοδιάστατες ίνες παρουσιάζουν ηλεκτρική αγωγιμότητα τόσο υψηλή όπως του χαλκού, θερμική αγωγιμότητα τόσο υψηλή όσο του διαμαντιού, δύναμη 100 φορές μεγαλύτερη από το χάλυβα στο ένα έκτο του βάρους του, και η υψηλή αντοχή σε δυνάμεις καταπόνησης. Όλοι ΝΣΑ τύπου πολυθρόνα ς παρουσιάζουν μεταλικές ιδιότητες και είναι ημιαγωγοί. Δραστηριότητα-5: Παρακαλώ δείτε το βίντεο - πείραμα των νανοσωλήνων άνθρακα στο Virtual Lab. Περιοχές εφαρμογής των ΝΣΑ: Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν πολλές μοναδικές ιδιότητες που τους καθιστούν ιδανικούς ακίδες για τους ανιχνευτές AFM. Το υψηλό επίπεδο απόδοσης τους παρέχει πιστή απεικόνιση των βαθιών χαράξεων, ενώ καλή ανάλυση διατηρείται λόγω της νανομετρικής κλίμακας διαμέτρου τους. Fig.11 ακίδες AFM υποβοηθούμενων με ΝΣΑ (εικόνα από: Fig.12 ακίδα ανιχνευτή AFM (8) ÖzlemSardan, DTU) (7)

7 Τα τρανζίστορ νανοσωλήνων άνθρακα εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι οι νανομετρικής κλίμακας νανοσωλήνες άνθρακα _ (NT) είναι έτοιμα μοριακά καλώδια και μπορούν να καταστούν αγώγιμοι,, ή μονωτές γεγονός που τους, που τους καθιστά ιδανικούς για τον μελλοντικό σχεδιασμό νανουπολογιστών. Δραστηριότητα-6: Παρακαλώ δείτε το βίντεο κινουμένων σχεδίων της IBM, εξηγεί πώς χρησιμοποιούνται οι ΝΣΑ στα κυκλώματα υπολογιστών. Fig.13 Οι ΝΣΑ χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα (9) Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι αρκετά δημοφιλείς σήμερα για τις μελλοντικές ηλεκτρικές, θερμικές, και ακόμη και η επιλεκτικές-χημικές εφαρμογές τους. _ Οι ΝΣΑ πιστεύεται ότι θα μπορούν να χρησιμοποιούνται σε ανελκυστήρες Διαστήματος και ως υλικό περιβλήματος των σωληνώσεων που θα χρησιμοποιούνται βαθιά κάτω από τη θάλασσα. Δραστηριότητα-7: Παρακαλώ δείτε το βίντεο για το διαστημικό ανελκυστήρα. Fig.14 Ανελκυστήρας διαστήματος (10)

8 Ελέγξτε τις γνώσεις σας Α. Γράψτε (Σ) Σωστό ή (Λ) Λάθος για τις παρακάτω δηλώσεις. 1. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι αλλοτροπίες του άνθρακα. ( ) 2. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μονωτές. ( ) 3. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι 5 φορές ισχυρότεροι από το ατσάλι. ( ) Β. Συμπληρώστε τα κενά με την κατάλληλη έκφραση. 1. Το μετάξι της αράχνης είναι... φορές τόσο ισχυρή όσο ο χάλυβας. 2. οι... είναι αλλοτροπίες του άνθρακα με κυλινδρική νανοδομή. 3. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα των νανοσωλήνων άνθρακα είναι τόσο... όσο ο χαλκός. 4. Όταν τυλίγεται ένα φύλλο γραφενίου σχηματίζεται, ένα ς Οι τύποι ΝΣΑ μονού τοιχώματος είναι?...,... και... Αναφορές: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10)