05.03.2017 1 Doç. Dr. Atilla Evcin Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Nanolif Üretimi ve Uygulamaları Nanolif Üretimi ve Uygulmaları • Nanoteknoloji ve Nanolifler • Nanolif Üretim Teknikleri • Elektroeğirmenin Temelleri : Malzeme Cinsi • Elektroeğirmenin Temelleri : Çözelti Özellikleri • Elektroeğirmenin Parametreleri : Polimer Çözelti Parametreleri • Elektroeğirmenin Parametreleri : Proses Şartları • Elektroeğirmenin Parametreleri : Çevre Parametreleri • Nanoliflerin Karakterizasyonu : Morfolojik • Nanoliflerin Karakterizasyonu : Moleküler yapı • Nanoliflerin Karakterizasyonu : Mekanik Özellikler • Nanoliflerin Uygulamaları – Membranlar, – Medikal Uygulamaları, – Tekstildeki Uygulamaları, – Enerji ve Elektrik Uygulamaları, – Sensörler, – Kompozit Güçlendirme, – Endüstriyel Uygulamalar • Arasınav % 30 • Ödev/Seminer % 20 • Final Sınavı % 50 Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
27
Embed
NanolifÜretimi ve Nanolif Üretimi ve Uygulmaları …blog.aku.edu.tr/evcin/files/2017/03/1-Nanoteknoloji-ve-Nanolifler.pdf · Nanolif Üretimi ve Uygulmaları • Nanoteknolojive
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
05.03.2017
1
Doç. Dr. Atilla EvcinMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü
Nanolif Üretimi ve Uygulamaları
Nanolif Üretimi ve Uygulmaları• Nanoteknoloji ve Nanolifler• Nanolif Üretim Teknikleri• Elektroeğirmenin Temelleri : Malzeme Cinsi • Elektroeğirmenin Temelleri : Çözelti Özellikleri• Elektroeğirmenin Parametreleri : Polimer Çözelti Parametreleri • Elektroeğirmenin Parametreleri : Proses Şartları• Elektroeğirmenin Parametreleri : Çevre Parametreleri • Nanoliflerin Karakterizasyonu : Morfolojik• Nanoliflerin Karakterizasyonu : Moleküler yapı• Nanoliflerin Karakterizasyonu : Mekanik Özellikler• Nanoliflerin Uygulamaları
– Membranlar, – Medikal Uygulamaları, – Tekstildeki Uygulamaları, – Enerji ve Elektrik Uygulamaları, – Sensörler, – Kompozit Güçlendirme, – Endüstriyel Uygulamalar
• Onları daha küçük ölçekte üreterek; dahaucuz, daha küçük, daha hızlı ve daha iyiyapmak için. (Elektronikler, katalizörler, susaflaştırma, güneş hücreleri, kaplamalarvd.)
• Bilim ve teknolojiye yeni ufuklar katmak için. (Kuantum davranışı ve diğer etkiler.)
Nanoteknoloji
• Nanoteknoloji, kabaca 1 ile 100 nmboyutlarındaki maddelerin kontrolü veanlaşılmasıdır.1 nanometre = 1 x 10-9 m
Benjamin Franklin’in William Brownrigg’e mektubundan alıntı (Kasım 7,1773)
...Clapham’da, ki orası halka açık büyük bir gölettir, bir şişepetrol getirdim ve suyun üzerine küçük bir miktar damlattım.Yüzey üzerinde hızlı bir şekilde şaşırtıcı biçimdekendiliğinden yayıldığını gördüm. Petrol bir çay kaşığı kadarbile yoktu. Ki olağanüstü bir şekilde yayıldı ve karşı tarafakadar genişledi. Neredeyse göletin dörtte birini kaplamıştı.Belki de 4 acre (200m x 20 m)…Pürüzsüz bir cam gibi…
... Bir çay kaşığından bile fazla olmayan petrol...
... Belkide yarım Acre (4047 m2)
Petrol filmi ne kadar inceydi ?Hacim = (Alan)(Kalınlık)
V = A t
Nano boyutla ilgili örnekler
• Tırnaklarımız saniyede 1 nm uzarlar.• Bir toplu iğnenin başı yaklaşık 1 milyon
nm’dir.• Bir insan saçı yaklaşık 80.000 nm
çapındadır.• Bir DNA molekülü yaklaşık 1-2 nm
genişliğindedir.• Son nesil Pentium Core Duo işlemcisinin
transistörü 45 nm’dir.
“Nano”yu özel yapan nedir ?
• Nano çok çok küçüktür ama neden özeldir ?• Nanobilim ve nanoteknolojiyi malzeme,
mühendislik ve ilgili bilimlerde böylesinegelecek vaad eden birçok neden vardır.
• İlk olarak nanometre ölçeğinde maddeninenerji gibi özelliği değişir. Bu tamamenkuantum etkileriyle fiziksel olarak açıklanannanomalzemenin küçük boyutunun birsonucudur.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
• Örneğin ; bulk gümüş toksik değildir,halbuki gümüş nanotanecikleri temasettiğinde virüsleri öldürebilir.
• Aynı şekilde – Elektriksel iletkenlik– Renk– Mukavemet– Erime noktası
gibi birçok özelliği nano seviyeye indiğinde değişir.
• Aynı metal nanoseviyede yarıiletken veya yalıtkan olabilir.
Boyuta bağlı özelliklerNanometre ölçeğinde özellikler keskin derecede boyuta bağlı olur.Örneğin,(1) Termal özellikler – ergime sıcaklığı(2) Mekanik özellikler– adezyon, kapiler kuvvetler(3) Optik özellikler – absorpsiyon ve ışığın saçılması(4) Elektrik özellikler – tünnelleme akımı(5) Magnetik özellikler – superparamagnetik etki
Yeni özellikler yeni uygulama alanları doğuracaktır.
Örneğin 3 nm CdSe nanokristal 1678 K’de ergiyen bulk CdSe ile kıyaslandığında 700 K’de ergir.
Ergime sıcaklığı
Nanokristal boyutu düşerse…
yüzey enerjisi artar…
…ergime noktası azalır.
Nedeni : Yüzeyin enerjisi/hacmin enerjisi oranı keskin bir şekilde değişir.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
Altın taneciklerinin ergime noktası tane boyutu 5 nm altına indiğinde belirgin bir şekilde düşer.
Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001
Erime Noktası
• Tane boyutunun bir fonksiyonu olarak metalin erime noktasının değişimi, birçok araştırmacının ilgisini çeken ilk etkileri arasında olmuştur.
• Boyuttaki azalma erime noktasını yüzlerce derece azaltabilir.
42
• Nanomalzemeler belirgin derecede daha düşük ergime noktası ve faz geçiş sıcaklığına sahiptirler.
• Nedeni ; atomlararası boşluk azaldığından dolayı kafes sabitleri de azalır.
• Örneğin ; bulk Altının ergime noktası 1337 K iken, 5 nm altındaki çaplı nanotaneciklerininki 300 K altındadır.
43
44
Eğer numuneyi kesmeye devam ederseniz, serbest bağların sayısının artmasıyla toplam yüzey serbest enerjisini ve Gibbs serbest enerjisini artırırsınız. Bu da ergime noktasının düşmesine neden olur.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
• ZnO, CdS ve Si gibi yarıiletkenler için band genişliği taneciğin boyutuyla değişir.
• Band genişliği; değerlik bandından iletkenlik bandına bir elektronu geçirmek için gereken enerjidir.
• Band genişliği görünür bölgede yayılırsa, boyutla band genişliğindeki bir değişim renkte değişime yol açar.
53
• Yığın Altın– Parlaktır– İnerttir– Elektriği iletir– Daima altın rengindedir
• Altın Nanoparçacıklar– Boyut ve kümesine bağlı olarak görünüşü değişir– Asla altın renginde değildir– Bir renk aralığında bulunur– Çok iyi bir katalizördür– Metal değildir fakat yarıiletkendir 54
Nanoaltın• Bulk altın sarı renklidir.• Nanoboyutlu altın ise kırmızı,mavi sarı gibi
renklerde görünür.– Tanecikler öyle küçüktür ki, elektronlar bulk
altındaki gibi hareket etmek için serbest değillerdir.
– Çünkü bu hareket sınırlıdır ve tanecikler ışıkla farklı şekilde reaksiyon verirler.
55
Geleneksel ZnO
Nano ZnO
Çinko oksit (ZnO)• Büyük ZnO tanecikleri
– UV ışığı bloke eder– Görünür ışığı dağıtır– Beyaz görünür
• Nanoboyutlu ZnO tanecikleri– UV ışığı bloke eder– Görünür ışık dalga boyuyla
karşılaştırıldığında öyle küçüktür ki, onları dağıtmaz
– Transparan görünür• Güneş koruma kremlerinde
kullanılır
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
• Nanomalzeme ve nanoyapıların elektriksel iletkenliği üzerine boyutun etkisi de karmaşıktır.
• Nanoölçekte elektriksel yalıtkanlar, elektrik akımının akışını bloke etmeye başlar. Yalıtkanın kalınlığı azaldığı için akım katlanarak artar.
57
• Nanoyapılar ve nanomalzemelerinelektriksel iletkenliği üzerine boyutunetkisi karmaşıktır ve farklımekanizmaya dayanır.
• Safsızlık atomları, boşluk ve tanesınırları gibi hatalar kafesin elektrikpotansiyelini dağıtır ve etkili olarakelektron saçılmasına neden olur. Yüzeysaçılmasının artması nedeniyleelektriksel iletkenlik azalır.
Nanotüplerin iletkenliği• Nanotüpler uzundurlar ve karbonun ince
silindirleri şeklindedirler– Onlar çelikten 100 kat daha mukavemetlidir, çok
esnektir eşsiz elektriksel özelliklere sahiptir.• Elektriksel özellikleri çaplarıyla değişir.
– Onlar elektriksel davranış olarak ya iletken ya da yarı iletken olabilir.
Elektrik akımı tüpün yapısıyla
değişir
Multi-walled
62
Manyetik Özellikler• Temel Özellikler
• Nano boyuttaki ferromanyetik malzemelerinmanyetik özelliklerindeki değişimi, onlarınküçük hacimli olmalarının ve tane sınırlarında/ ara yüzeylerde bulunan büyük miktardakiatom sayısının neden olduğu söylenebilir.
• Eğer tek hücreli nano boyutlu ferromanyetikparçacıklar ( örneğin Fe, Co veya Ni )manyetik olmayan matris içine konulursa,süper paramanyetik malzeme elde edilir.
• Azalan tane boyutu ile yüzey atomlarınınoranının artışı, yüzey atomlarının temelkatalitik prosesler için aktif merkez halinegelmesinden, küçük metal partikülleri katalitikaçıdan yüksek oranda reaktif hale getirir.
• Yüzey atomlarının arasında, köşelerde vesınırlarda bulunan atomlar düz bölgedekileregöre daha aktiftir.
• Tane boyutu azaldıkça sınırlardaki veköşelerdeki atomların oranı da artmaktadır vebu çok küçük taneli metallerin katalizör olaraktercih edilme nedenidir
66
67• TiO2, Fe2O3, Fe2O3/Au, Ag fotokatalitik etkisi
68
Yayınım ve Sinterleşme
• Nanokristalli malzemeler tane sınırlarında çokfazla atom içerdiklerinden, bulunan yükseksayıdaki arayüzeyler, yüksek yoğunlukta kısa-devre yayınım yolları sağlamaktadır.
• Bu nedenle, aynı kimyasal kompozisyonasahip geleneksel iri taneli polikristallimalzemelerle ve tek kristallerlekarşılaştırıldığında çok daha artmış yayınımözelliği göstermesi beklenmektedir.
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
– karıştırılamaz metallerden çok daha düşüksıcaklıklarda alaşım fazları sentezlemede
önemli işleve sahiptir
70
• Artan yayınım özelliğinin bir diğer önemlisonucu, nanokristalli tozların iri taneli polikristallimalzemelere göre çok daha düşük sıcaklıklardasinterleşmesidir.
• Sinterleşmede önemli gelişme nanokristallirutilin (TiO2) iri taneli rutil yerine kıyaslanması ileelde edilmiştir.
• Örneğin 12 nm tane boyutundaki TiO2’nin, çevrebasınçlarında 1.3 μm boyutundaki TiO2 içingerekli sıcaklıktan 400-600 C daha düşüksıcaklıkta ve herhangi bir sıkılaştırma veyasinterleştirmeyi kolaylaştıracak katkı malzemesikullanmadan, sinterleştiği gözlenmiştir.
71
• Benzer şekilde nanokristalli titanyumaluminatların tam konsolidasyonu için HIPsıcaklığı 400 C daha düşüktür
Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)