Νανοτεχνολογία: παραγωγή, εφαρμογές και μοντελοποίηση  

Των Ματθαίου Ισούκη*

Δημήτρη Παυλόπουλου**

1.ΝΑΝΟΗΛΕΚΡΟΝΙΚΗ

1.ΝΑΝΟΣΩΜΑΤΙΔΙΑ

Τα νανοσωματίδια ( nanoparticles ) είναι σωματίδια διαμέτρου μερικών νανομέτρων. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα νανοσωματιδίων είναι αυτό της υψηλά διεσπαρμένης ενεργού φάσης ενός στηριζόμενου καταλύτη. Σε τέτοιους καταλύτες όπως θα δούμε και παρακάτω το μέσο μέγεθος ενός μεταλλικού καταλυτικού σωματιδίου μπορεί να ανήκει στη τάξη του νανομέτρου. Τα νανοσωματίδια αυτά συνήθως είναι μεμονωμένοι κρύσταλλοι παρόμοιοι με αυτούς που ανήκουν στο εσωτερικό ενός πολυκρυσταλλικού υλικού.

Το μέγεθος αυτών των σωματιδίων καθορίζεται κυρίως από την συνεισφορά της επιφανειακής ενέργειας στην ολική. Καθώς η πιο σταθερή δομή είναι αυτή με τη μικρότερη ενέργεια το σωματίδιο τείνει να αποκτήσει μορφή όπου περιγράφεται από:

Α) Όσο το δυνατό μικρότερη επιφάνεια

Β) Πλευρές χαμηλής επιφανειακής ενέργειας

Μελετώντας ένα υλικό μακροσκοπικά και συνεπώς σαν συνεχές μέσο θα λέγαμε ότι τις προϋποθέσεις αυτές πληρεί η σφαιρική μορφή. Ωστόσο, σε νανομετρικέςδιαστάσεις δε μπορούμε να αγνοήσουμε τη διακριτή τοποθέτηση των ατόμων στο χώρο.

2.ΣΥΝΤΟΜΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Τα νανοϋλικά αποτελούν ιδιαίτερο πεδίο έρευνας τα τελευταία χρόνια. Νανοϋλικά ( nanomaterials ) ονομάζονται τα υλικά των οποίων οι δομικοί λίθοι ανήκουν στην τάξη του νανομέτρου. Σε αυτά τα χαρακτηριστικά οφείλονται και οι ιδιαίτερες ιδιότητες τους, ιδιότητες κατά πολύ ανώτερες αυτών των συμβατικών υλικών που χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο αυτή τη στιγμή στη βιομηχανία.

3.ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Καθώς ο όρος “νανοϋλικά” είναι ιδιαίτερα ευρύς καλύπτοντας μία πολύμεγάλη κατηγορία υλικών δεν μπορούμε να μιλήσουμε για κάποια γενική μέθοδο παρασκευής του. Παρακάτω θα παρουσιαστούν διάφοροι τρόποι παρασκευής, αναφερόμενοι όμως σε συγκεκριμένα υλικά κάθε φορά. Ενδεικτικά, από τις πιο δημοφιλής είναι η λεγόμενη sol – gelsynthesis. Ανήκει στην κατηγορία των χημικών μεθόδων και είναι ικανή να παράγει ικανοποιητικά μεγάλες ποσότητες νανοδομημένων υλικών. Να συνθέσει μεγάλο αριθμό υλικών και να δώσει μέχρι 99,99% καθαρό προϊόν, ενώ προσφέρει ακριβή έλεγχο πάνω στη δομή του τελικού προϊόντος.

4 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΥΛΙΚΩΝ

Όπως ήδη αναφέρθηκε τα νανοϋλικάδείχνουν εξαιρετική βελτίωση (ή γενικά, απόκλιση) από τις ιδιότητες των υλικών που αποτελούνται από μεγαλύτερους δομικούς λίθους. Θα αναφερθούμε λίγο πιο αναλυτικά για κάποιεςαπό αυτές.

4.1ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Καθώς ο όγκος του κόκκου μειώνεται, αυξάνεται σημαντικά ο αριθμός των ατόμων που βρίσκονται στην επιφάνεια του. Η απόδοση ενός κρυσταλλικού υλικού, κατά κανόνα, όσων αφορά κάποια ιδιότητα του είναι αντιστρόφως ανάλογη τουμεγέθους των κόκκων , μέχρι όμως ένα κατώτατο όριο. Μετά από αυτό δεν έχει νόημα πια η έννοια του πολυκρυσταλλικού υλικού αλλά μιλάμε πλέον για άμορφα υλικά. Αυτό γιατί τα περισσότερα ενεργά άτομα και αυτά στα οποία οφείλονται κυρίως οι ιδιότητες τους, είναι τα άτομα που βρίσκονται στην επιφάνεια του κρυσταλλίτη.

Τα νανοκρυσταλλικά υλικά παρουσιάζουν πολύ υψηλή σκληρότητα. Για τα νανοκρυσταλλικά μέταλλα κόκκων μεγέθους περίπου 10 nm , για παράδειγμα, μπορεί να παρατηρηθεί από 2 έως και 7 φορές περισσότερη σκληρότητα από μέταλλα με μεγαλύτερους κόκκους μεγέθους (περισσότερο από 1μm ). Εξαίρεση αποτελούν τα λεπτά υμένια ( thinfilms ) με κόκκους μικρότερους των 6 nm όπου η σκληρότητα μειώνεται καθώς μειώνεται το μέγεθος του κόκκου.

4.2ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Η πιο χαρακτηριστική χρήση των νανοϋλικών με τέτοιο τρόπο ώστε να εκμεταλλεύονται οι ηλεκτρικές ιδιότητες τους είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι οποίοι έχουν ευρεία χρήση στη νανοηλεκτρονική και στην ηλεκτρονική μικροσκοπία.

Οι ηλεκτρικές ικανότητες των νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτώνται από τη διάμετρο τους και το προσανατολισμό των ανθράκων ως προς τον κεντρικό άξονα τους. Ανάλογα μπορούν και συμπεριφέρνονται ως μεταλλικά ή ως ημιαγώγιμα υλικά.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα όπως θα δούμε χρησιμοποιούνται και για την αποθήκευση υδρογόνου.

4.3 ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Από τις πιο σημαντικές ιδιότητες των νανοϋλικών είναι οι μαγνητικές. Η παραμένουσα μαγνήτιση των διφασικών σκληρών/μαλακών μαγνητικών προϊόντων νανοκρυσταλλικής δομής έχει βιομηχανικά πάρα πολλές χρήσεις. Επιπλέον τα νανοκρυσταλλικά ελαφρά μαγνητικά προϊόντα παρουσιάζουν τις μικρότερες απώλειες ενέργειας από οποιοδήποτε άλλο υλικό.

Στα νανοϋλικά επίσης μπορούμε να παρατηρήσουμε και το φαινόμενο της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (GiantMagnetoresistance ή GMR ) κατά το οποίο η ηλεκτρική αντίσταση ενός υλικού μειώνεται όταν το υλικό εκτεθεί σε μαγνητικό πεδίο. Η ιδιότητα του αυτή αναφέρθηκε πρώτη φορά για πολυστρωματικά λεπτά υμένια ( multilayerthinfilms ).

4.4 ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Όπως ήδη αναφέρθηκε τα νανοϋλικά δείχνουν εξαιρετική βελτίωση (ήγενικά, απόκλιση) από τις ιδιότητες των υλικών που αποτελούνται απόμεγαλύτερους δομικούς λίθους. Θα αναφερθούμε λίγο πιο αναλυτικά για κάποιες από αυτές.

Οι οπτικές ιδιότητες ενός υλικού εξαρτώνται και από το μέγεθος του κόκκου.Ανάλογα λοιπόν με το προς χρήση υλικό και το μέγεθος των κόκκων του μπορεί να επιτευχθούν διαφορετικές τιμές ανακλαστικότητας ή οπτικής διαφάνειας για διαφορετικά μήκη κύματος με συνέπεια πάρα πολλές εφαρμογές.

4.5 ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Τέλος πρέπει να αναφερθούμε στη χαρακτηριστική ικανότητα τωννανοϋλικών να απορροφούν/αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες υδρογόνου καθώςαντιδρούν φυσικά ή χημικά με αυτό. Αυτό τους δίνει συν τοις άλλοις τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως πολύ καλοί καταλύτες σε αντιδράσεις που παίρνει μέρος υδρογόνο, κάτι αρκετά σημαντικό, αφού μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές ενεργειακές εφαρμογές όπως η λειτουργία των κυψέλων καυσίμου.

Γενικά τα νανοϋλικά, λόγω της μεγάλης επιφάνειας των δομικών λίθων τους (αναφερόμενοι είτε σε κρυσταλλίτες είτε σε νανοσωματιδία) μπορούν να δράσουν καταλυτικά και μάλιστα βέλτιστα σε πάρα πολλές περιπτώσεις.

5.ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Όπως εύκολα μπορεί να καταλάβει κάποιος, υλικά με ιδιότητες όπως τιςπαραπάνω είναι επιθυμητά σε μία πληθώρα εφαρμογών. Αναφέρουμε μερικές ενδεικτικά. Η ταχύτητα των υπολογιστικών συστημάτων είναι αντιστρόφως ανάλογη με το μέγεθος των μικροεπεξεργαστών τους. Ωστόσο με τη σημερινή τεχνολογία το κατώτατο όριο του μεγέθους αυτού δε θα αργήσει να σταματήσει κάθε περαιτέρω βελτίωση.

Τα νανοϋλικά είναι αυτά που με τη χρήση τους μπορούμε να πετύχουμε το ελάχιστο δυνατό όριο. Επίσης βελτίωση της αποδοτικότητας και μείωση της συχνότητας εμφάνισης λάθους μπορεί να γίνει με τη χρήση καθαρών υλικών όπως τα νανοϋλικά. Δεύτερον, τα νανοκρυσταλλικά υλικά μπορούν να παρασκευαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να καταστούν αρκετά πορώδη για να λειτουργήσουν ως πολύ καλοί μονωτές με τον αέρα να εγκλωβίζεται στα διάκενα του.

6.ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ (Modelling) ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΕ ΝΑΝΟΚΛΙΜΑΚΑ

Οι διαδικασίες μοντελοποίησης των υλικών περιλαμβάνουν δημοφιλή εργαλεία που αποτελούν ήδη κομμάτι σύγχρονης επιστήμης. Αυτέςπεριλαμβάνουντιςαναλύσειςfiniteelement (FE), finitedifference (FD), fluiddynamics (CFD), καιελαχιστοποίηση ελεύθερης ενέργειας. Όλες αυτές οι διαδικασίες μπορούν ναεπεκταθούν και να βελτιωθούν. Οι αλλαγές που έχουν συντελεστεί στις διαδικασίεςmodeling τα τελευταία χρόνια είναι δραματικές.

7. ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ – ΣΚΟΠΟΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ

Η μοντελοποίηση περιλαμβάνει τις προσεγγίσεις βασισμένες σε υπολογιστή με τις πολύ ποικίλες στρατηγικές, χωρίς να αποκλείονται οι αναλυτικές μέθοδοι. Ο ρόλος του modeling εξαρτάται πολύ από τον τομέα της βιομηχανίας στην οποία θα βρει εφαρμογή.

7.1ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΥΛΙΚΩΝ

Ποια πρότυπα μπορεί να χρησιμοποιηθούν;

Α) Κλασσικές μέθοδοι

Μηχανικοί ρευστών και στερεών.

FEM, θεωρίες διάχυσης.

Θερμοδυναμική.

Στατιστική μηχανική.

Β) Μεσοσκοπικοί μέθοδοι

Θεωρίες συνέχειας κλίσης.

Μοριακή δυναμική.

Σφιχτές δεσμευτικές μέθοδοι.

Γ) Αρχικές μέθοδοι

Κβαντική θεωρία, DFT…

7.2 ΤΙ ΜΠΟΡΟΥΝ ΝΑ ΔΙΑΜΟΡΦΩΘΟΥΝ;

Υλικά: Μέταλλα, κεραμικά, πολυμερή σώματα, βιολογικά υλικά, νανοδομέςμακρο-μοριακή συναρμολόγηση.

Σύνθεση: Η σύνθεση και η επεξεργασία, αύξηση λεπτών ταινιών, νανοκατασκευές, βιομίμηση, αυτο-οργάνωση.

Δομές: Κρυσταλλικές , άμορφες, μακρομόρια, κβαντικά σημεία (nanodots).

Ιδιότητες: Συντελεστές σκληρότητας, τριβολογικής συμπεριφορά, αγωγιμότητας.

Φαινόμενα: Ατέλειες και αποτυχίες ορίου διάχυσης επιφάνειας, μέγεθος εξάρτησης και κλιμάκωση νόμων, εξελίξεις μικροδομής. Διάφορες βιομηχανίες (π.χ., η βιομηχανία τροφίμων, ή οιαμυντικές βιομηχανίες) εφαρμόζουν προγράμματα στα οποία χρησιμοποιούνται διάφορες διαδικασίες μοντελοποίησης (modeling).

Οι διαδικασίες αυτές αποσκοπούν στην ανάλυση, μοντελοποίηση και βελτιστοποίηση διαφόρων παραμέτρων που αφορούν τα υλικά που χρησιμοποιούνται:(α) Είδος του υλικού: Μέταλλα και κράματα μετάλλων, Κεραμικά και γυαλιά, Ημιαγωγοί (πολυστρωματικοί και νανοσυστήματα). Πολυμερή υλικά, Compositeυλικά, Μαλακά στερεά (υγρά κρύσταλλα, κολλοειδή) (β) Ιδιότητες: Μαγνητικές, Ηλεκτρικές (μονωτής/διηλεκτρικό, ημιαγωγός,αγωγός, υπεραγωγός) Οπτικές, Θερμικές, Μηχανικές (συντελεστής Young, σκληρότητα, ανθεκτικότητα), Ειδικές ιδιότητες (απόδοση ως αισθητήρα αερίου ,καταλύτης)(γ) Κλίμακα μήκους: Από ατομική σε μακροσκοπική. (δ) Χρονοδιάγραμμα: Από femtoseconds στα γεωλογικά χρονοδιαγράμματα.

Πολλά σημαντικά συστήματα μοντελοποιούνται ακόμα και όταν δεν βρίσκονται σε θερμοδυναμική ισορροπία, ούτε είναι ομοιογενή, όπως για παράδειγμα τα λεπτά υμένια άνθρακα με ιδιότητες παρόμοιες με του διαμαντιού (diamondlikecarbonthinfilms – DLC)

8.ΝΑΝΟΡΟΜΠΟΤ ΚΑΙ ΝΑΝΟΜΗΧΑΝΕΣ

Ενα βήμα πέρα από την εξέλιξη των «φυσιολογικών» ρομπότ βρίσκονται τα νανορομπότ, η δημιουργία των οποίων θα μπορούσε να οδηγήσει την ανθρωπότητα σε μια εποχή επιστημονικής φαντασίας. Τα μεγάλα ρομποτικά συστήματα, εκτός από ακριβά και όχι ιδιαίτερα αποτελεσματικά, είναι ευπαθή όσο και οποιοδήποτε κοινό όχημα. Αντίθετα, τα νανορομπότ αποτελούν μια καινούργια πραγματικότητα, ενώ η παραγωγή τους ενδέχεται να είναι πολύ οικονομική.

Μέχρι στιγμής, η ρομποτική βιομηχανία έχει επιτύχει την δημιουργία πειραματικών μικρορομπότ μεγέθους μεγάλου εντόμου, ωστόσο το μέγεθός τους φιλοδοξείται να μειωθεί σε επίπεδα αόρατα στο ανθρώπινο μάτι.

Μεγάλο ατού των μικρορομπότ είναι το χαμηλό επίπεδο τεχνητής νοημοσύνης που χρειάζονται. Δηλαδή, για το μέγεθος εντόμου που θα έχουν, το τέλειο επίπεδο νοημοσύνης είναι η νοημοσύνη εντόμου. Επίσης νέες προσδοκίες εμφανίζονται από τις έρευνες για τη «συλλογική» νοημοσύνη που μπορεί να επιτευχθεί από ομάδες πλέον και όχι από μεμονωμένα ρομπότ. Αυτή η «νοημοσύνη σμήμους» (swarmintelligence) μιμείται (mimics) την «νοημοσύνη» που υπάρχει σε ομάδες εντόμων, σμήνη πουλιών ή άλλες συλλογικές «οντότητες» που εμφανίζονται στην φύση.

Οι υπεύθυνοι των ερευνητικών προγραμμάτων σκοπεύουν στην δημιουργία των μικρορομπότ πριν το τέλος της δεύτερης δεκαετίας του 21ου αιώνα. Σε περίπτωση βέβαια που επιβεβαιωθούν οι σημερινές προσδοκίες ενδέχεται να είναι έτοιμη και η πρώτη επιχειρησιακή τους γενιά. Τα μελλοντικά μικρορομπότ πιστεύεται ότι μπορεί να έχουν το μέγεθος κόκκου σκόνης. Κλειδί για την μείωση αυτή είναι η αλλαγή των σημερινών μπαταριών, που χρησιμοποιούν για την λειτουργία τους – το μέγεθός τους δεν μπορεί να περιορισθεί πέρα από ένα όριο – με βιολογικές πηγές ενέργειας.

*Ματθαίος Ισούκης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός. Απόφοιτος Πανεπιστημίου Sheffield Αγγλίας. Τέως στέλεχος Πολυεθνικής Εταιρείας.

**Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ