Technologie współczesne i przyszłości typowe przewodniki prądu elektrycznego, przewodniki nanomateriałowe

Technologia Technologie – metody procesów produkcyjnych lub przetwórczych prowadzące do powstania półproduktu lub produktu finalnego. Zasoby surowców w przyrodzie są ograniczone lub są na wyczerpaniu, koszty ich wydobycia i przetwórstwa często są zbyt kosztowne dla gospodarki i uciążliwe dla środowiska przyrodniczego. Współczesne badania naukowe dążą do opracowania nowych technologii, które obniżą koszty produkcji i zastąpią dotychczasowe surowce – surowcami łatwo dostępnymi Technologie chemiczne – oparte na przemianach chemicznych – co raz częściej wykorzystywane są w produkcji wyrobów przemysłowych, współcześnie w procesach technologicznych wykorzystywane są reakcje polimeryzacji

Przewodniki prądu elektrycznego Srebro – najlepszy przewodnik prądu elektrycznego, stosowane w specjalistycznej aparaturze elektronicznej ze względu na wysokie koszty. Miedź – obok glinu (aluminium) jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym i stosowanym przewodnikiem prądu elektrycznego. Produktami, które mają co raz większe zastosowanie jako przewodniki prądu elektrycznego są polimery

Polimeryzacja Polimeryzacja – reakcja łączenia się (addycji) cząsteczek związków małocząsteczkowych (monomerów), prowadząca do powstania polimeru – związku o dużej masie cząsteczkowej. Monomer – związek małocząsteczkowy, który może ulegać reakcji polimeryzacji lub polikondensacji z utworzeniem polimeru lub polikondensatu Monomerami mogą być węglowodory nienasycone (alkeny, alkiny) oraz związki, które w swoich cząsteczkach posiadają wiązania wielkokrotne (podwójne, potrójne)

Monomer a mer Monomery i mery – przykład: CH2 = CH2 (eten – etylen)  polietylen - CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CF2 = CF2 (tetrafluoroeten)  teflon - CF2 – CF2 – CF2 – CF2 – CF2 – CF2 - CH2 = CHCl (chloroeten)  polichlorek winylu - CH2 – CH – CH2 – CH – CH2 – CH – | | | Cl Cl Cl CH ≡ CH (etyn – acetylen) - CH = CH – CH = CH – CH = CH -  polietyn

Polietyn (poliacetylen) n CH CH  ( CH CH )n CH CH CH CH CH CH w polimerze poliacetylenu wiązania pojedyncze i podwójne rozkładają się naprzemiennie (sprzężenie podwójne wiązań podwójnych), ruchliwe pary elektronów w wiązaniu π „rozmywają – rozkładają” się na całą cząsteczkę polimeru, elektrony mogą swobodnie przemieszczać się wzdłuż łańcucha polimeru przewodząc prąd elektryczny

Poli(p-fenylen) i polianilina H H H n benzen p -fenylen poli(p-fenylen) H H2N H N H n N Fenyloamina - anilina polianilina

Polimery jako przewodniki prądu Polimery, których wspólną cechą budowy jest podwójne wiązanie węgiel – węgiel: wykazują słabe przewodnictwo prądu elektrycznego (niższe niż krzem) mają zdolność emisji światła o różnej barwie H n C H n H S n poli(p-fenylowinylen): światło zielone lub żółtozielone polifluoren: światło niebieskie Politiofan: światło czerwone

Zastosowanie półprzewodników polimerowych Czyste polimery przewodzące są półprzewodnikami, stosuje się do produkcji diod LED (Light-Emitting-Diode), diod OLED (Organic-Lighit-Emitting-Diode) Diody LED i OLED stosuje się do produkcji kolorowych wyświetlaczy: telefonów komórkowych, komputerów przenośnych, odtwarzaczy multimedialnych, laserów organicznych, czujników oraz foli pochłaniającej promieniowanie radarowe, tkanin pochłaniających promieniowanie podczerwone (tkaniny nie wykrywalne dla noktowizorów)

Nanomateriały jako przewodniki prądu Nanotechnologia – nauka zajmująca się otrzymywaniem i praktycznym zastosowaniem struktur, których wymiary zawierają się w przedziale od 0,1nm do 100nm (1nm = 10-9m), Rozmiary te odpowiadają wielkości pojedynczych atomów lub cząsteczek Jądro atomu 10-4 nm (10-13m) Średnica atomu 0,1nm (10-10m) Grubość włosa 104nm (10-5m) Kartka papieru 105nm (10-4m) Płyta CD 106nm (10-3m = 1mm)

Nanomateriały - cd Nanomateriały – regularne struktury zbudowane z pojedynczych atomów lub cząsteczek, nanomateriały dzielą się na: Nanomateriały krystaliczne (trójwymiarowe krystality) Stopy metali, Kompozyty metal – metal Kompozyty metal – ceramika Krystalit jest obszarem rozpraszającym promieniowanie rentgenowskie (wykazującym wysoki stopień uporządkowania materiału). Kilka zrośniętych krystalitów w bezporowaty zespół nazywa się agregatem. Porowaty zespół złożony z wielu krystalitów i ewentualnie agregatów to aglomerat.

Nanomateriały - cd nanomateriały warstwowe (dwuwymiarowe), np. MoS2 – siarczek molibdenu(IV) wytrzymałość zbliżona do wytrzymałości grafenu (30-krotnie wytrzymalszy od stali), podatny na odkształcenia, jest dobrym izolatorem, z grafenem stosowany do produkcji tranzystorów

Nanomateriały – (grafen) Warstwa ma grubość średnicy atomu węgla Bardzo dobre przewodnictwo cieplne i prądu elektrycznego (lepsze niż krzemu) Kilkadziesiąt razy wytrzymalszy od stali Bezbarwny Przewiduje się wytwarzanie ekranów podatnych na odkształcanie

Nanomateriały – (nanorurki i fullereny) Fullereny (C60) – w postaci czystej nie przewodzi prądu elektrycznego, z domieszką rubidu są przewodnikami ciemnobrązowe kryształy, rozpuszczalne w benzynie, roztwór barwy fioletowej wytwarzanie ogniw słonecznych oraz paliwowych Nanorurki – zwinięte w rurki grafenu otwarte na obu końcach bardzo trwałe, wytrzymałe na rozciąganie, przewodniki prądu i ciepła budowa kolektorów słonecznych (zamiana energii cieplnej w elektryczną), w medycynie – leczenie nowotworów.