Prezentacja2

2014-12-20
CZ. 1
Nanotechnologie
Metody wytwarzania
 Właściwości
 Zastosowania

WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ
INŻYNIERII

dr inż. Grzegorz Raniszewski
p. 121c + LSN (piwnica)
[email protected]
www.raniszewski.imsi.pl
1
PRODUKCJA W NANOTECHNOLOGII
CZ. 2
-
2
Nanotechnologie
Przykład rozwiązania problemu inżynierskiego
Zaliczenie
3
PRAWO MOORE’A - ROZSZERZENIE
Prawo Machrone'a
Gordon Moore miał rację, ale maszyna warta kupienia zawsze kosztuje 5
tysięcy.
-Bill Machrone
Prawo Rock'a
Koszt sprzętu potrzebnego do wyprodukowania nowej generacji obwodów
scalonych podwaja się co 4 lata.
-Arthur Rock
Prawo Ducha
Szybkość działania najnowszego komputera
z najnowszym systemem operacyjnym i oprogramowaniem użytkowym
jest zawsze taka sama.
ZASTOSOWANIA
WŁAŚCIWOŚCI
FIZYCZNE
WŁAŚCIWOŚCI
CHEMICZNE
- materiały smarujące
- włókna
wysokowytrzymałe
- membrany
molekularne
- cienkie
warstwy,diamenty
- materiały ścierne
- kontenery
cząsteczkowe
-
katalizatory
reagenty organiczne
fotosensybilizatory
preparaty
farmaceutyczne
- baterie
wysokoenergetyczne
WŁAŚCIWOŚCI
ELEKTRYCZNE I
OPTYCZNE
- czujniki akustyczne
- półprzewodniki
- nieliniowe urządzenia
optyczne
- nadprzewodniki
- przetworniki
elektrooptyczne
-Włodzisław Duch
1
2014-12-20
ZASTOSOWANIA











Elektronika
Medycyna
Przemysł zbrojeniowy
Przemysł samochodowy
Budownictwo
Inżynieria materiałowa
Przemysł spożywczy
Przemysł kosmetyczny
Energetyka
Mechatronika
…..
PRAWO MOORE’A
ZASTOSOWANIA

Węglowe nanorurki mogą przewodzić sygnały
elektryczne w chipach komputerowych szybciej
niż przewody miedziane lub aluminiowe, z
częstotliwością do 10 GHz. To zwiększy
szybkość pracy komputerów i poprawi pracę
sieci bezprzewodowych oraz telefonów
komórkowych.
SUPERKONDENSATORY
Zasobniki energii w polu elektrycznym
zamiast reakcji chemicznych - baterie
Elektrody z węgla aktywnego (carbon aerogel)
– powierzchnia 400-1000 m2/g
Elektrody z nanorurek CNTs wielokrotny wzrost
powierzchni czynnej
Polimer jako izolator (wysoki redox)
SUPERKONDENSATORY
Zalety:
- zdolność do gromadzenia dużych wartości energii,
- krótki czas ładowania - rozładowania,
- trwałość nawet 1 000 000 cykli lub 20 lat,
- szeroki zakres temperatury pracy -40°C do 65°C
- brak składników szkodliwych dla środowiska (ołowiu, kadmu, itp.),
- małe wymiary i objętości w stosunku do gromadzonej energii.
- duże pojemności (>1 F)
Wady:
- małe napięcie jednego elementu,
- wysoka cena.
PIERWSZE KOMPOZYTY
Mezopotamia i Babilon
ok. 800 r p.n.e. -suszone
cegły gliniane
wzmacniane słomą
http://maintenance.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=164
2
2014-12-20
FOLIE

NANORURKI WĘGLOWE W WALCE Z RAKIEM
Folie zawierające 3-5% MMT wykazują ograniczoną
przenikalność tlenu i pary wodnej. MMT powoduje, że
molekuły gazu muszą przebyć dłuższą drogę. Jest to
tzw. efekt labiryntu. Równoległa orientacja warstw
krzemianowych zostaje zachowana w procesie
przetwórczym.
1. Zdefiniowanie problemu
2. Wybór metody rozwiązania problemu
3. Założenia projektowe
4. Obliczenia numeryczne
5. Produkcja odpowiednich nanorurek węglowych
6. Charakteryzacja
7. Funkcjonalizacja
8. Dostarczanie do komórek rakowych
9. Nagrzewanie RF lub uwalnianie leku
ZDEFINIOWANIE PROBLEMU
STATYSTYKA
RAK, CZYLI NOWOTWÓR ZŁOŚLIWY
Gdy normalne komórki ulegną
uszkodzeniu, które nie może być
naprawione, podlegają eliminacji przez
apoptozę (A).
Komórki rakowe unikają apoptozy i dzielą
się w niekontrolowany sposób (B).
Każdego roku:
 Zdiagnozowanych zostaje 12 milionów nowych przypadków nowotworów
(w 2030 przewiduje się 25 milionów przypadków rocznie)
 7 miolonów rocznie umiera – przewiduje się że w 2030 ta liczba wzrośnie
do 20 milionów)
Rak powoduje 13% zgonów na świecie. Najczęściej atakowane organy to:
- płuca(1.4 milionów zgonów)
- żołądek (740.000 zgonów)
- wątroba (700,000 zgonów)
- dwunastnica (610,000 zgonów)
- piersi (460.000 zgonów)
Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka
20
WYBÓR METODY
NANORURKI WĘGLOWE W WALCE Z RAKIEM
OBECNIE STOSOWANE METODY
Chirurgia
(+) odpowiednia dla małych nowotworów (piersi, prostaty, płuca)
(-) nie można użyć jeśli nastąpiły przerzuty
Chemioterapia
(+) duża efektywność w niszczeniu komórek rakowych
(-) nie jest specyficzna dla komórek rakowych, działa także na zdrowe
komórki
dostarczanie
leków
Promieniwanie
(+) metoda kierunkowa – tylko część komórek ulega uszkodzeniu.
(-) nie można stosowć do każdego typu raka
(-) niszczy też komórki zdrowe, ma efekty uboczne
(-) musi być precyzyjna (czasochłonne przygotowanie operacji)
niszczenie
komórek rakowych
22
21
Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka
3
2014-12-20
DOSTARCZANIE LEKÓW
WIZUALIZACJA DOSTARCZANIA
LEKÓW
Funkcjonalizacja CNT
Kapsułkowanie leków
Proces
dostarczania
leku
Wprowadzanie CNT
Adresowanie do komórek
Uwalnianie leku
23
Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka
NISZCZENIE KOMÓREK RAKOWYCH
Synteza Fe-CNT
Funkcjonalizacja CNT
Proces
niszczenia
komórek
Wprowadzanie CNT
Adresowanie do komórek
Nagrzewanie
26
25
Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka
WIZUALIZACJA ABLACJI KOMÓREK
NOWOTWOROWYCH
28
4
2014-12-20
ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE –
GENERATOR RF
CNT’S W WALCE Z RAKIEM

Częstotliwość 13,56 MHz (?)

Moc 600 – 800 W (?)

Czas promieniowania 1 – 2 min (?)
RF nadajnik
Tx
Rx
RF odbiornik
31
Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka
ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE
Cel:
• wytworzenie nanorurek węglowych
wypełnionych żelazem
• wybór odpowiednich linii komórkowych
• wybór metody dołączania związków
chemicznych do powierzchni
• wypór częstotliwości, mocy i czasu
PROBLEMY

 Jak
dołączyć CNT do tkanki nowotworowej?
jaki sposób upewnić się, że wszystkie CNT zostały
dołączone do guza i zarazem uniknąć zniszczenia
zdrowych komórek?
 Umieszczanie „kapsułkowanie” ferromagnetyka
w nanorurkach węglowych
W
PROBLEMY

Jak nanorurki wprowadzić do organizmu
człowieka
PROBLEMY

 Jak
wstawić CNT do organizmu w taki sposób, że
pozostają one obojętne dla układu odpornościowego?
 Ile CNT powinny być podane do ludzkiego organizmu,
tak, że leczenie jest skuteczne?

Biokompatybilność / Funkcjonalizacja nanorurek
węglowych
Niszczenie komórek rakowych za pomocą
hipertermii
 Mechanizm
grzania nanostruktur falami radiowymi RF
generator RF
 Proces grzania
(Kiedy i jak długo powinny być stosowane pole
magnetyczne?)
 Zewnętrzny
Dostarczenie CNTs do tkanki guza
(„adresowanie” nanorurek węglowych)

Jak rozpoznać efekt ablacji?
5
2014-12-20
SYNTEZA CNTS ZAWIERAJĄCYCH
FERROMAGNETYK
W PLAZMIE ŁUKOWEJ
SYNTEZA CNTS ZAWIERAJĄCYCH
FERROMAGNETYK W REAKTORACH CVD
WZMACNIANIE ABSORPCJI RF
CNT
Fe
Nośnik
Pochłaniacz RF
KAPSUŁKOWANIE METALI
Ligandy
adresujące/
przeciwciała
Grupy adresujące
Wzrost absorbcji RF
39
Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka
CHARAKTERYZACJA
MIKROSKOP OPTYCZNY
6
2014-12-20
AFM
AFM
AFM
AFM
STM – SCANNING TUNNELING MICROSCOPE
STM – SCANNING TUNNELING MICROSCOPE
SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY
Rozdz.
ok. 0,1 nm
7
2014-12-20
SEM
SEM
TEM – ELEKTRONOWY MIKROSKOP
TRANSMISYJNY
TEM – ELEKTRONOWY MIKROSKOP
TRANSMISYJNY
Elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM)
•Elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM)rejestrujący elektrony przechodzące przez próbkę.
Niedogodnością w badaniach TEM jest:
• czasochłonna i pracochłonna preparatyka,
•Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM) –
rejestrujący elektrony rozproszone i wtórne.
• materiał do badań musi mieć maksymalnie kilka
setek nanometrów grubości
• obszar do badań w TEM jest bardzo mały, zatem
SEM
TEM
może nie być reprezentatywny.
•Uszkodzenie radiacyjne próbki
8
2014-12-20
FUNKCJONALIZACJA NANORUREK WĘGLOWYCH
FUNKCJONALIZACJA
apoptoza – natuaralne obumieranie komórek
ablacja – termiczne zniszczenie komórek
 ligandy - podstawnniki, związki, atomy (kwas
foliowy, grupy wodorowęglowe) cząsteczki
przyłączone do atomu centralnego
 przeciwciała – białka potrafiące rozpoznawać
antygeny
 antygeny – związki chemiczne mogące być
wykryte za pomocą przeciwciał


DRUG DELIVERY SYSTEM
MARKERY TEMPERATUROWE
Związki nieorganiczne
np. CoCl2 lub NaNO3 +NaCl
Cu2[HgI4]
Związki organiczne
np. dibenzylidenoaceton
Ciekłe kryształy
1.
2.
Biologiczny modyfikator powierzchni (PEG)
3.
ugrupowania
celujące
Tempetarury topnienia użytych markerów
Teoretytczne temperatury topnienia
Eksperymentalnie wyznaczone temperatury topnienia
100
markery fluorescencyjne
90
Temperatura [ o C]
80
lekA (wewnątrz CNT)
lek B (dołączony do powierzchni)
70
60
50
40
30
20
10
0
59
Co(NO3)2 + NaCl
FINALNE ZAMIERZENIE:
Badania ablacji (kontrolnych) komórek biologicznych
CoCl2
Cu2[HgI4]
WPROWADZANIE DO
ORGANIZMU
Inhalacje (aerozole)
 Doustnie (tabletki)
 Bezpośrenio wstrzykiwane (domięśniowo, z
krwią)
 Poprzez skórę (?)

62
9
2014-12-20
DOSTARCZANIE LEKÓW
UWALNIANIE LEKÓW
CNTs z żelazem
 Manipulacja polem magnetycznym
 Terapia docelowa (stosowanie kwasu
foliowego)

Dyfuzja z matrycy
 Wydzielanie napędzane ciepłem
 uwalnianie na skutek zmienności pH
promieniowanie γ
 uwalnianie leku wyzwalane
promieniowaniem elektromagnetycznym

63
64
URZĄDZENIA DO ABLACJI RF
SYMULACJE I MODELOWANIE
CO TO JEST CFD?
CO TO JEST CFD?
Computational Fluid Dynamic – CFD
- modelowaniem przepływu płynów, transportu ciepła i
masy, reakcje chemiczne, ....
Rozwiązanie numeryczne równań opisujących zjawiska
fizyczne
 zachowanie masy, pędu, energii, składników ...
 zastosowanie CFD
 nowe rozwiązania (projektowanie)
 istniejące obiekty (usuwanie błędów, zmiany, ....)
CFD uzupełnia
 testowanie
 eksperyment
Obliczeniowa
mechanika
płynów
(ang.
Computational Fluid Dynamics) – dział mechaniki
płynów wykorzystujący metody numeryczne do
rozwiązywania zagadnień przepływu płynów.
67
68
10
2014-12-20
DYNAMIKA PLYNÓW

Większość współczesnych programów CFD bazuje
na równaniach Naviera-Stokesa (równanie
zachowania masy, pędu i energii dla płynu) i
dyskretyzuje je za pomocą metody objętości
skończonych (ang.: Finite Volume Method), metody
elementów skończonych (ang.: Finite Element
Method) lub metody różnic skończonych (ang.:
Finite Difference Method).
Dynamika płynów to dział mechaniki płynów
zajmujący się ruchem płynu (czyli cieczy lub
gazu), a w szczególności siłami powodującymi
ten ruch.
69
Metody obliczeń:
MES – metoda elementów skończonych
MRS – metoda różnic skończonych
MSO – metoda skończonych objętości
PODSTAWOWĄ ZALEŻNOŚCIĄ OPISUJĄCĄ WPŁYW
SIŁ NA RUCH PŁYNU NEWTONOWSKIEGO JEST
RÓWNANIE NAVIERA-STOKESA. JEST TO UKŁAD
CZĄSTKOWYCH, NIELINIOWYCH RÓWNAŃ
RÓŻNICZKOWYCH POSTACI:
Gdzie:
70
nieliniowy operator Stokesa,
zwany także pochodną
substancjalną
gdzie: v - prędkość, b - siły masowe (np. grawitacja), ρ - gęstość płynu,
p - ciśnienie, ν - lepkość kinematyczna płynu
Lewe strony powyższych równań są pochodną substancjalną prędkości
płynu.
71
MES
72
MRS
Metoda Elementów Skończonych albo Metoda
Elementu Skończonego (MES, ang. FEM, finiteelement
method)
–
zaawansowana
matematycznie metoda obliczeń fizycznych
opierająca się na podziale obszaru (tzw.
dyskretyzacja,
ang.
mesh),
najczęściej
powierzchni lub przestrzeni, na skończone
elementy uśredniające stan fizyczny ciała i
przeprowadzaniu faktycznych obliczeń tylko dla
węzłów tego podziału. Poza węzłami wyznaczana
właściwość jest przybliżana na podstawie
wartości w najbliższych węzłach.
Metoda różnic skończonych – metoda
polegająca na przybliżeniu pochodnej funkcji
poprzez skończone różnice, w zdyskretyzowanej
przestrzeni. Można ją wyprowadzić wprost z
ilorazu różnicowego, bądź z rozwinięcia w szereg
Taylora.
73
74
11
2014-12-20
MSO
Metoda skończonych objętości
Wykorzystywana przez program metoda polega
na scałkowaniu opisujących zagadnienie
równań po każdym elemencie (objętości
kontrolnej), w wyniku czego otrzymuje się
równania dyskretne spełniające prawa
zachowania w obrębie elementu.
75
CFD -ZALETY
76
CFD -ZALETY
Programy CFD wykorzystują przede wszystkim równania
zachowania masy, pędu i energii oraz równania dyfuzji.
Umożliwiającym modelowanie różnego rodzaju
przepływów, a także wymiany ciepła w złożonych
geometriach. Możliwość operowania na różnorodnych
siatkach zarówno 2-D jak i 3-D umożliwia uzyskanie
dość dobrego odwzorowania rzeczywistego obszaru, co
zwiększa dokładność obliczeń. Możliwość wyboru
różnorodnych równań pozwala opisać problem
teoretycznie niezależnie od tego czy sam proces jest
zależny od czasu czy też nie. Ponadto symulacje można
przeprowadzić zarówno dla mieszanin jak i pojedynczych
czynników
Właściwości materiałowe są dostępne w
bibliotekach lub mogą być wprowadzone za
pomocą funkcji zewnętrznych zdefiniowanych
przez użytkownika (UDF - user defined
function). Funkcje zewnętrzne umożliwiają
również wprowadzenie źródeł masy jak i energii,
które nie są dostępne w programie.
77
GŁÓWNE ZASTOSOWANIA

78
PRZYKŁADY PROGRAMÓW CFD
ANSYS (Fluent) – UK
Comsol – USA,
Foam CFD – Chorwacja
Flotherm
SmartFine
CFD2000 – Adaptive Research , USA
Badania kosmiczne/obronność
 opływy
okrętów podwodnych, samolotów,
kabin i pomieszczeń,
 zbiorniki paliwa, rurociagi,
 wentylacja
Matlab, Labview, Simulink, FEM, Opera
79
80
12
2014-12-20
DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE?
ZAGROŻENIA




Obok wielu korzyści, które wypływają z zastosowań
nanotechnologii takich, jak
walka z nowotworami,
zwiększenie mocy obliczeniowej komputerów,
miniaturyzacja maszyn,
zwiększenie trwałości materiałów
należy być świadomym zagrożeń pojawiających się
przy działaniach w skali nano
DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE?
ZAGROŻENIA
Zagrożeniem mogą być nanosensory, które w znaczny
sposób ułatwiałyby dotarcie do tajnych informacji oraz
zbierania informacji, które byłyby użyteczne do
podejmowania działań terrorystycznych
Nanosensory umożliwiają określanie średniej liczby
osób w danym miejscu, określanie położenia
jednostek, identyfikacja broni, jednostki, itd.
DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE?
ZAGROŻENIA

Toksyczność nanomateriałów (i nanocząstek) jest wciąż
głównym problemem w powszechnym używaniu wielu technik i
wykorzystaniu zastosowań nanoproduktów.

Wielkim niebezpieczeństwem może być wykorzystanie
nanotechnologii przez organizacje terrorystyczne.

Należy już teraz przygotować się na broń zbudowaną z
nanomateriałów (np. nanorurek węglowych), która nie będzie
możliwa do wykrycia przez urządzenia do wykrywania metali lub
środków chemicznych
DŁUŻSZE ALE CZY LEPSZE ŻYCIE?
ZAGROŻENIA
W sektorze wojskowym niebezpieczne są:
Tworzenie nowych broni masowego rażenia (np.
przenoszenie broni chemicznej i/lub biologicznej w
ciele człowieka, zwierzęcia lub w roślinie za pomocą
nanokapsułek,
Zmniejszenie kosztów produkcji sprzętów wojskowych,
nowa broń wywiadowcza
13