Co to jest temperatura? Temperatura – wielkość proporcjonalna do średniej energii kinetycznej cząsteczek Skale temperatur: Skala Celsjusza - oparta na dwóch punktach stałych: 00 C - 1000 C Skala Kelvina: Tk = Tc + 273 Skala Fahrenheita – 00 F - temperatura topnienia mieszaniny śniegu i salmiaku, 1000 F naturalna temperatura ciała ludzkiego, Tf = 32 + (9/5)Tc

Temperatury wysokie i niskie Merkury: 700 K; 100 K Wenus: 730 K Ziemia: -88°C; 58 °C Mars: 130 K; 300 K

Temperatury niskie tlen – 90.18 K argon – 87.3 K azot – 77.3 K Zygmunt Florenty Wróblewski Karol Stanisław Olszewski, 1883 r. pierwsze na świecie skroplenia tlenu i azotu tlen – 90.18 K argon – 87.3 K azot – 77.3 K wodór – 20.39 K hel – 4.214 K hel (lambda) - - 2.17 K (ur. 29 stycznia 1846 w Broniszowie Tarnowskim (obecnie wieś Broniszów k. Ropczyc), zm. 24 marca 1915 w Krakowie) – polski fizyk i chemik, profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego. (ur. 28 października 1845 w Grodnie, zm. 16 kwietnia 1888 w Krakowie) – polski fizyk, członek Akademii Umiejętności (od 1880 r.), profesor Uniwersytetu Jagiellońskiego (od 1882 r.).

Wiedza dzięki pomiarom! Experientia mater studiorum est 1879 doktorat: Nowe dowody wirowania Ziemi wokół osi (wahadło Foucaulta) – w wieku 26 lat! 1901 utworzenie Szkoły Producentów Instrumentów Naukowych 1908 skroplenie helu 1911 nadprzewodnictwo w rtęci 1913 nagroda Nobla za odkrycie nadprzewodnictwa i za badania kriogeniczne Heike KAMERLINGH- ONNES 1853-1926

Nadprzewodnictwo rtęci w temperaturze 4.15 K U=2.98025E-9

Nadprzewodnictwo BSCO

Nadprzewodnictwo 1933 rok – Walter Meissner i Robert Ochsenfeld odkryli zjawisko diamagnetyzmu substancji nadprzewodzącej nazwane później zjawiskiem Meissnera (Ochsenfelda) polegające na bardzo silnym odpychaniu pola magnetycznego przez nadprzewodnik Walter Meissner Robert Ochsenfeld

Nadprzewodnictwo Zjawiskiem Meissnera (Ochsenfelda)

Teoria Londonów λL – londonowska głębokość wnikania pola do nadprzewodnika

Nadprzewodnictwo

Nadprzewodnictwo

Nadprzewodnictwo

Nadprzewodnictwo

Nadprzewodniki II rodzaju

Teoria GLAG (Ginzburg, Landau, Abrikosov, Gorkov) parametr porządku nadprzewodniki I rodzaju nadprzewodniki II rodzaju

Statystyki kwantowe Paul Adrien Maurice Dirac (ur. 8 VIII 1902 w Bristolu, zm. 20 X 1984 w Tallahassee) – angielski fizyk teoretyk. Jeden z twórców mechaniki kwantowej i elektrodynamiki kwantowej, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1933 za wkład w rozwój mechaniki kwantowej. W 1930 - The Principles of Quantum Mechanics - pierwszy systematyczny wykład teorii operatorów liniowych. W książce tej Dirac wprowadził także zapis wektorów ket i bra, stosowany dzisiaj powszechnie w fizyce. Enrico Fermi (ur. 29 IX 1901 w Rzymie, Włochy, zm. 28 XI 1954 w Chicago, USA) – włoski fizyk teoretyk, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w roku 1938, za wytworzenie w reakcjach z neutronami nowych pierwiastków promieniotwórczych; współtwórca pierwszego na świecie reaktora jądrowego (Chicago) – zaprojektował go i uruchomił 2 grudnia 1942 – i bomby atomowej (pracował nad nią w ośrodku badawczym w Los Alamos)

Statystyki kwantowe Satyendra Nath Bose (ur. 1 I 1894 w Kalkucie, zm. 4 II 1974 w Kalkucie), hinduski fizyk, specjalizujący się w fizyce matematycznej. Bose opracował rozkład prawdopodobieństwa dla fotonów, który następnie został rozszerzony przez Alberta Einsteina również na atomy i od ich nazwisk nazwany statystyką Bosego-Einsteina. Praca Bosego Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta, która wprowadzała ten rozkład prawdopodobieństwa, została wydrukowana w niemieckim czasopiśmie naukowym Zeitschrift für Physik dopiero po rekomendacji Einsteina i w jego tłumaczeniu. Od nazwiska Bosego pochodzi również termin bozon. Współpracował między innymi z Marią Skłodowską-Curie oraz Albertem Einsteinem.

Statystyki kwantowe Statystyka Fermiego-Diraca Statystyka Bosego - Einsteina

Nadprzewodnictwo Pary Coopera: elektrony o przeciwnych spinach (wypadkowy spin i pęd równe zeru). Elektron przekazuje pęd do sieci – powstaje fonon (kwant drgania sieci), który przekazuje pęd innemu elektronowi 1957 rok – teoria BCS (Johna Bardeena, Leona Coopera, i Johna Schrieffera), nagroda Nobla w 1972 roku.

Nadprzewodnictwo Nadprzewodniki II rodzaju. 1957 A. Abrikosow

Worteksy – sieć Abrikosova

Nadprzewodnictwo Rok 1986 – rewolucja w dziedzinie nadprzewodników: nadprzewodniki typu II – Alex Müller i Georg Bednorz odkryli zjawisko nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego (zachodzącego w temperaturze 30 K dla ceramicznego związku lantanu, baru, miedzi i tlenu – (La1.85Ba.15)CuO4 .

Alex Müller, Georg Bednorz 1986 The Nobel Prize in Physics 1987: "for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials"

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe: Tc=92 K ! Rok 1987 otrzymano ceramiczny związek YBa2Cu3O7 (YBCO 123) nadprzewodzący w temperaturze 92 K. Przekroczono temperaturę ciekłego azotu (77 K). YBa2Cu3O7

Rewolucja Nadprzewodnikowa

YBCO 123 Lattice constants: a = 3.8227 Å b = 3.8872 Å c = 11.6802 Å

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe Nadprzewodniki II rodzaju Struktura quasi – dwuwymiarowa Bardzo duża siła piningu Struktura worteksów typu szkła spinowego Pole nieodwracalności poniżej Hc2 (jeśli istnieje!) Ceramika YBa2Cu3O7 crystal, 4.2K, 52G, P. L. Gammel et al. Phys. Rev. Lett. 59, 2592 (1987)

STAN SZKLISTY W NWT Linia nieodwracalności (irreversibility line) Energia aktywacji (Kim, Anderson) energia aktywacji w płaszczyźnie sieci Abrikosowa sieć worteksów jest w pełni trójwymiarowa

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe Wiry naleśnikowe (Pancake vortex)

Nadprzewodniki typu Tl-Pb-Bi-Sr-Ba-Ca-Gd-Cu-O Technika PiT (powder in tube) Taśmy nadprzewodzące II generacji (coated conductors) BPSCCO-2223/Ag jc104 A/cm2, 77 K

Nadprzewodniki typu Tl-Pb-Bi-Sr-Ba-Ca-Gd-Cu-O

Nadprzewodniki typu Tl-Pb-Bi-Sr-Ba-Ca-Gd-Cu-O Tc [K] n Notacja Tl2Ba2Can-1CunO2n+4 Tl2Ba2CuO6 0 – 80 1 2-Tl(n=1) Tl2201 Tl2Ba2CaCu2O8 108 2 2-Tl(n=2) Tl2212 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 125 3 2-Tl(n=3) Tl2223 TlBa2Can-1CunO2n+3 TlBa2CuO5 0 – 50 1-Tl(n=1) Tl1201 TlBa2CaCu2O7 80 1-Tl(n=2) Tl1212 TlBa2Ca2Cu3O9 110 1-Tl(n=3) Tl1223 TlBa2Ca3Cu4O11 122 4 1-Tl(n=4) Tl1234

Cienka warstwa Tl0. 6Pb0. 24Bi0. 16Sr1. 8Ba0 Cienka warstwa Tl0.6Pb0.24Bi0.16Sr1.8Ba0.2Ca2Cu3Oy na monokrystalicznym podłożu LaAlO3 Tc=111.6 K

Cienka warstwa Tl0. 6Pb0. 24Bi0. 16Sr1. 8Ba0 Cienka warstwa Tl0.6Pb0.24Bi0.16Sr1.8Ba0.2Ca2Cu3Oy na monokrystalicznym podłożu LaAlO3 Cienka warstwa (Tl0.6Pb0.24Bi0.16)(Ba0.1Sr0.9)2Ca2Cu3Oy przygotowana na podłożu monokrystalicznym LaAlO3, n=0.71 Tc=111.6 K n=0.59 n=1.68 n=1.33

Cienka warstwa (Tl0.6Pb0.24Bi0.16)(Ba0.1Sr0.9)2Ca2Cu3Oy Jc=0.464*106 A/cm2 n=1.74

Cienka warstwa (Tl0. 5Pb0. 5)(Sr0. 85Ba0 Cienka warstwa (Tl0.5Pb0.5)(Sr0.85Ba0.15)2Ca2Cu3Oz na polikrystalicznym podłożu Ag Tc=114.7 K

Cienka warstwa (Tl0. 5Pb0. 5)(Sr0. 85Ba0 Cienka warstwa (Tl0.5Pb0.5)(Sr0.85Ba0.15)2Ca2Cu3Oz na polikrystalicznym podłożu Ag   Hirr0 [Oe] Tc0 [K] n Hirr(77K) [Oe] H || c 18924 111.30.3 1.90.3 20 H || ab 48042 111.40.3 1.520.05 80

Cienka warstwa (Tl0. 5Pb0. 5)(Sr0. 85Ba0 Cienka warstwa (Tl0.5Pb0.5)(Sr0.85Ba0.15)2Ca2Cu3Oz na polikrystalicznym podłożu Ag Parametry fitowania: Jc0=(52.42.3)*103 A/cm2 n=1.400.02 Tc=114.7 K (eksperyment) JcT=11.4*103 A/cm2, (77K) Jcpod=70*103 A/cm2, 77K

Próbka lita (Tl0.5Pb0.5)Sr2(Ca1-xGdx)Cu2Oy "Cu valence" a (nm) c (nm) 0.1 6.97 2.17 3.8031 12.1143 0.2 7.03 2.18 3.8038 12.1071 0.3 7.11 2.21 3.8052 12.0875

Próbka lita (Tl0.5Pb0.5)Sr2(Ca1-xGdx)Cu2Oy Jc0 (A/cm2) Jc (77K) (A/cm2) Tc0 (K) n 1. 0.1 (6.5±3.8)*103 876±7 91.3±0.2 1.08±0.18 2. 0.2 (38±21)*103 1738±12 100.5±0.6 2.1±0.3 3. 0.3 (3.1±0.2)*103 443±2 86.11±0.03 0.87±0.03

Próbka lita (Tl0.5Pb0.5)Sr2(Ca1-xGdx)Cu2Oy Tc50% (K) Tc0 (K) Tc,onset (K) T90%-10% (K) 0.1 101.1 94.89 105.67 5.63 0.2 105.3 100.1 109.7 3.60 0.3 98.4 82.15 109.4 16.3 x T0 (K) n C 0.1 5.58  0.13 0.72  0.05 0.027  0.011 0.2 3.5  0.3 0.56  0.03 0.22  0.05 0.3 16.080.18 0.84  0.03 0.069  0.014

Próbka lita (Tl0.5Pb0.5)Sr2(Ca1-xGdx)Cu2Oy Hirr0 (kOe) n Tc0 (K) Hirr (77K) (kOe) 0.1 27  2 1.08  0.03 94.89 4.48 0.2 20.3  3 1.65  0.07 101.1 1.82 0.3 2.3  0.11 1.19  0.03 82.15 0.087

Nowości: MgB2 (r. 2001) Better late than never (P.C. Canfield, G.W. Carbtree, Physics Today, March 2003) Interkalacja boru o strukturze grafitu do heksagonalnej struktury magnezu Tc=39 K Nadprzewodnik II rodzaju Klasyczny (BCS) Dwie przerwy energetyczne 105 A/cm² at 5 T 10 A/cm² at 20 T 5% C zwiększa Hc2 z 16 T do 36 T zmniejszając Tc z 39 K do 34 K

Nowości: MO1-xRxFeAs (r. 2008) LaO0.89F0.11FeAs, Tc=26 K SmO0.9F0.1FeAs , Tc=55 K La0.8K0.2O0.8F0.2FeAs Tc=26.5 K Hc0=122 T (EPL 84 57003, November 2008) PRL 100, 226402 (2008)

Nadprzewodniki - lewitacja Gaim Novoselov

Nadprzewodniki - zastosowania 104 A/cm2 77K YBCO (EHTS) 106 A/cm2 77K HoBCO (SUMITOMO El.)

Nadprzewodniki - zastosowania wysokowydajne elektromagnesy – zastosowanie w transporcie („lewitujące” pociągi), diagnostyce medycznej (nowe, dokładniejsze tomografy), akceleratorach przyspieszających cząstki do ogromnych energii

Statystyki kwantowe Statystyka Fermiego-Diraca Statystyka Bosego - Einsteina

Nadciekłość Piotr Leonidowicz Kapica (1894 - 1984) – fizyk rosyjski, badacz fizyki niskich temperatur, odkrywca zjawiska nadciekłości helu w 1937, za co otrzymał nagrodę Nobla z fizyki w 1978. Kapica ukończył studia na wydziale elektromechanicznym Politechniki w Piotrogrodzie w roku 1918. W roku 1921 wyjechał do Cambridge w Anglii, gdzie rozpoczął pracę u Ernesta Rutherforda w słynnym Laboratorium Cavendisha. Po wojnie zainteresował się innymi dziedzinami badań: zajmował się m.in. fizyką plazmy i kontrolowaną fuzją jądrową. Skonstruował nowego typu generatory mikrofal. W roku 1957 został członkiem prezydium Akademii Nauk ZSRR.

Nadciekłość Hel: 4He Tw=4.214 K punkt lambda – 2.17 K

Nadciekłość Niezwykła struktura wirów: wielokrotność krętu h Cp 1 2 3 4 T[K] Niezwykła struktura wirów: wielokrotność krętu h cienka warstwa helu 5*10-9 m przepływ przez kapilary efekt termomechaniczny (fontanna) efekt mechanokaloryczny

Nadciekłość Hel: 3He temperatura wrzenia 3He (ciśnienie normale) - 3,19 K izotop ten nie przejawia nadciekłości aż do temperatury około 0,003 K Nadciekłość w atomach litu-6, schłodzonych do temperatury 5*10-8 K

WODA – SUBSTANCJA PEŁNA TAJEMNIC It is well known that the structural and dynamical properties of water are of central importance for life on our planet. However, despite this knowledge its structural and dynamical properties are still far from fully understood - H. Jansson et al. PRL 104 (2010) WODA – SUBSTANCJA PEŁNA TAJEMNIC

Aqua vitae woda to ponad 70% masy żywej komórki w cytosolu in vivo lokalne stężenie wielu substancji znacznie przekracza wartości możliwe do osiągnięcia in vitro parametry termodynamiczne opisujące własności białek in vivo mogą być istotnie odmiennych od tych, które zmierzone zostały in vitro

Aqua vitae cząsteczki wody są bezpośrednio zaangażowane w stabilizację struktur krystalograficznych białek pośredniczą w oddziaływaniach między makromolekułami biorą bezpośredni udział w katalizie reakcji chemicznej w której mogą pełnić rolę zarówno akceptora, jak i donora protonu

Odkrywca 1766 odkrycie wodoru (inflammable air) 1781 H2O (Avogadro) (Paracelsus, Lavoisier) 1781 H2O (Avogadro) 1798 pierwszy precyzyjny pomiar wartości G: 6.754 (6,6742(15); 0,0014%, J.H. Gundlach et al.. (2000) PRL) odkrył prawa znane jako prawo Coulomba i prawo Ohma Henry Cavendish (1731-1810) 1871 Cavendish Laboratory na Uniwersytecie Cambridge

Podstawowe właściwości ab initio: O-H 0.957854 Å, 104.500° eksperyment: O-H 0.95718 Å, 104.474° (para wodna) stan ciekły: O-H 0.991 Å, 105.5° O-D 0.957 Å - 1.00 Å, 106° molekuła wody jest cienka i ma kształt litery V atomu tlenu połączony wiązaniami kowalencyjnymi z dwoma atomami wodoru stabilność molekuły wody: kilka milisekund

Podstawowe właściwości Wiązanie wodorowe O-H-O, N-H-N, F-H-F wiązania wodorowe  ~ ps powstanie wiązań  ~ fs wiązanie wodorowe Wiązanie wodorowe w wodzie: część elektrostatyczna - 90%, część kowalencyjna - 10%

Podstawowe właściwości -0.7e na O-atom statyczny moment dipolowy p = 1.85 D Atom tlenu wykazuje symetrię tetraedryczną

Podstawowe właściwości Dimery statyczny moment dipolowy p = 10 D W atmosferze jedna cząsteczka dimeru występuje na tysiąc cząsteczek wody (monomeru)

Woda wzorcem właściwości fizycznych skala temperatur Celsiusa (temperatury zamarzania i wrzenia) wzorzec masy (1 gram, masa 1 cm3 w temperaturze 4o C) jednostka energii cieplnej (kaloria, ilość ciepła potrzebna do podgrzania, 1 g o 1 °C od temperatury 14,5 °C do 15,5 °C)

Najważniejszy wykres na Ziemi

Podstawowe właściwości Siła wiązań wodorowych w wodzie Konsekwencje Nie ma wiązań wodorowych Nie ma życia Wiązanie wodorowe nieco słabsze Życie w niższych temperaturach Wiązanie wodorowe nieco silniejsze Życie w wyższych temperaturach Wiązania wodorowe bardzo mocne

Unikatowe właściwości wody Anomalna gęstość – ciekła woda zawiera dwa komponenty: normalny i typu „icelike” Struktura lodu jest relatywnie dziurawa – miedzy cząsteczkami występują stosunkowo duże wolne przestrzenie W temp. - 45 0C gęstość lodu jest dużo mniejsza niż gęstość wody w pobliżu temp. wrzenia (prądy oceaniczne - regulacja globalnego klimatu)

Unikatowe właściwości wody Sixty-seven anomalous properties of water Prędkość dźwięku jest mała i wzrasta do temp. ok. 74°C Ściśliwość maleje z temp. do ok. 46.5°C rozszerzalność cieplna wynosi zero w 3.984°C, i wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia wysoka lepkość wody Bardzo wysokie ciepło właściwe – 1 cal/g*deg Wysokie ciepło paraowania – 540 cal/g Mała przewodność cieplna – 0.6 W/m*K

Unikatowe właściwości wody Woda przechłodzona przechłodzenie wody do temp. – 25 °C małe krople (~5 μm) mogą zostać przechłodzone do temp. – 41 °C Woda przegrzana przegrzanie (bardzo powolne ogrzewanie czystej cieczy w naczyniu o gładkich ściankach, przy braku drgań i wstrząsów mechanicznych) temp. 120 °C małe krople (~5 μm) i woda w kapilarach mogą zostać przegrzane do temp. 280 °C

Unikatowe właściwości wody Efekt Mpemby 1963 (Tanzania) Hipotezy: parowanie (proces endoenergetyczny) przyspieszenie ochłodzenia wody, zmniejszając jej objętości oraz pojemność cieplną w procesie podgrzewania część soli mineralnych rozpuszczonych w wodzie (węglany wapnia i magnezu) zostaje wytrącona

Unikatowe właściwości wody Woda nośnikiem informacji ? wiązania wodorowe nie są trwałe ! (kilka ps) krótko żyjący klaster złożony z pięciu molekuł łącząc się z drugim klastrem tworzą strukturę o czasie życia od 10 do 14 s. (pięciokątne pierścienie) Czy może istnieć klaster stabilny? Obliczono, że może istnieć „kryształ” wody złożony z 912 cząstek, o czasie życia rzędu godzin

Unikalne własności wody Woda z topniejącego lodu Po stopieniu woda posiada bardziej uporządkowaną strukturę (zawiera zarodki klatratów lodu) – aktywne oddziaływanie na składniki biologiczne różne definicje "zamarzania" (warstwa lodu na powierzchni wody versus zamarzanie wody w całej objętości)

Woda i globalne ocieplenie Woda jest głównym absorbentem światła słonecznego w atmosferze. Masa 1.3*1016 kg pary wodnej w atmosferze (~0.33% wagowych) jest odpowiedzialna za ok. 70% całej absorpcji promieniowania, głównie w zakresie podczerwieni. Woda znacząco przyczynia się do efektu cieplarnianego (greenhouse effect) zapewniając ciepłą, nadającą się do zamieszkania planetę. Ujemne sprzężenie zwrotne w formie powstawania chmur, odbijających promienie słoneczne, łagodząc globalne ocieplenie. Zawartość wody w atmosferze zmienia się drastycznie w prezypadku klimatu gąrącego i tropiku o dużej wilgotności jak również klimatu zimnego i suchego, polarnego na pustyniach śnieżnych

Nowości komputerowa symulacja dynamiki molekularnej 256 molekuł (21 Å x 21 Å x 21 Å), w stanie ciekłym, temp. 100 0C ciśnienie atmosferyczne

Nowości fluktuująca sieć wiązań wodorowych temp. 100 0C spontaniczne formowanie małych wnęk próżniowych

Nowości Kilka wnęk w małej odległości łączy się w większe próżniowe obszary W interfejsie ciecz – para wodna małe grupy molekuł wody wykazują tendencję do opuszczania powierzchni cieczy. Parowanie dezintegruje sieć wiązań wodorowych

Nowości Klasyczne wyjaśnienie małych (anomalnych) gęstość – niejednorodności: obszary normalne i obszary o niskiej gęstości typu „icelike” Komputerowa symulacja sieci wiązań wodorowych zależnych od ich geometrii

Nowości ciekła woda rozszerza się homogenicznie anomalne własności: - długość wiązań rośnie liniowo z temperaturą - objętości maleje liniowo w funkcji kątowej dystorsji

Nowości Molekuły wody tworzą tetraedryczne wiązania wodorowe? Relaksacja typu Deby’a Pomiar przenikalności elektrycznej ( = ’+i ”) Relaksacja w funkcji częstości i temperatury

Nowości Pik Debye’a dla niskich częstości Proces relaksacji cztery rzędy wielkości wolniejszy niż ten, wynikający z relaksacji lepkościowej Struktura typu tetraedrycznego występuje tylko w formie klastrów Specyficzny kolektywny ruch struktury wiązań wodorowych Woda wykazuje strukturalne i dynamiczne niejednorodności w znacząco większej skali długości

Nowości collection on wetted spider silk, Nature 463 (2010) 640 Yongmei Zheng, Hao Bai, Zhongbing Huang, Xuelin Tian, Fu-Qiang Nie, Yong Zhao, Jin Zhai i Lei Jiang, Directional water collection on wetted spider silk, Nature 463 (2010) 640 Ukierunkowana migracja kropelek rosy po nici pajęczej (pająk Uloborus walckenaerius) Kropelki tworzą się głównie na wrzecionowatych zgrubieniach, a następnie migrują w kierunku środków tych zgrubień, łącząc się w większe krople

Nowości Unikalna struktura nici: periodyczne wrzecionowate węzły oraz nanwłókna oddzielone połączeniami Mikronowe krople są kierowane przez gradient energii powierzchniowej oraz różnicę w ciśnieniu Laplace’a Autorzy tworząc sztuczne nici o opisanych własnościach, zaobserwowali takie samo zjawisko Możliwość wytwarzania sztucznych nici pozwalających na praktyczne ich zastosowanie do wychwytywania wody z pary wodnej lub do oddzielania aerozoli z powietrza.

Przewodność cieplna (W/m*K) stopy aluminium 200 stal 58 żelbet 1,7 cegła 0,8 woda 0,6 gips 0,51 drewno 0,2 wełna szklana 0,040 wełna skalna 0,037 styropian EPS 0,036

Ciepło parowania Substancja Wartość ciepła parowania Aluminium 10 500 kJ/kg żelazo 6 340 kJ/kg woda 2 257 kJ/kg etanol 879 kJ/kg wodór 454 kJ/kg rtęć 301 kJ/kg

Jak otrzymać ciecz magnetyczną? KOLOIDY MAGNETYCZNE (FRROFLUIDY, CIECZE MAGNETYCZNE) PREKURSOREM NANOMATERIAŁÓW Jak otrzymać ciecz magnetyczną? Temperatura Curie dla wszystkich znanych ferromagnetyków jest (na ogół) znacznie niższa od temperatury topnienia! Fe 769 1535 Co 1127 1495 Nd2Fe14B ~320 >1700 Ni 358 1455 Gd 17 3273

Pierwsze prace 1779 – G. Knight opiłki żelaza w wodzie 1932 – F. Bitter roztwór koloidalny, rozmiary cząsteczek: 104 Å 1938 – W.C. Elmore, rozmiary cząstek: 200 Å (stabilny ferrofluid) 1958 – D.J. Craik & P.M. Griffiths 1964 – J.R. Neuringer & R.E. Rosensweig, ferrohydrodynamika

Low viscosity magnetic fluid obtained by the colloidal suspension of magnetic particles by S.S. Papell NASA (1965)

S.S. Papell NASA (1965) kontrola przepływu paliwa rakietowego w warunkach nieważkości średni rozmiar cząstek ok. 140 nm

Warunki stabilności oddziaływanie dipol – dipol oddziaływanie Van der Waals’a – Londona elastyczne oddziaływanie odpychające ruchy Browna sedymentacja w polu grawitacyjnym sedymentacja w gradiencie pola magnetycznego

Warunki stabilności agregacja sedymentacja oddziaływanie magnetyczne gdzie: D – średnica pojedynczej cząstki, Is – namagnesowanie nasycenia na jed. objętości

Warunki stabilności siły Van der Waals’a - Londona dla małych odległości dla dużych odległości potencjał odpychający (Rosensweig et al., 1965) gdzie: N – liczba cząsteczek na jed. pola, b – poprawka na grubość warstwy

Warunki stabilności Ferromagnetyczne cząstki w niemetalicznej cieczy pokrywanie cząstek warstwą powierzchniowo czynnych molekuł w formie długich łańcuchów (np. substancje polarne) dla rozmiarów cząstek poniżej 100 Å oddziaływanie magnetyczne jest zaniedbywalne (dla cząstek o niewielkim namagnesowaniu nasycenia)

Warunki stabilności Ferromagnetyczne cząstki w metalicznej cieczy efektywne pokrywanie cząstek metalami, tworzącymi miedzymetaliczne związki z żelazem (np. dodanie cyny do rtęci) wzrost cząstek w wyniku „starzenia” w temperaturze ok. 150 0C (zmiana z ok. 40 Å do ok. 80 Å)

Warunki stabilności Ferromagnetyczna ciecz w polu grawitacyjnym ruch cząstek w dół musi być równoważony dyfuzją do góry, do staniu równowagi (ruchy Browna) gradient koncentracji cząstek wyznacza równanie:

Warunki stabilności Ferromagnetyczna ciecz w gradientowym polu magnetycznym Stabilność dla gradientów 103 Oe/cm i większych uzyskuje się dla cząstek o rozmiarze rzędu 60 Å Efekt grawitacyjny można zaniedbać, jeśli MsdH/dz >> ( -c)g

Magnetyzm ferrofluidów

Magnetyzm ferrofluidów

Magnetyzm ferrofluidów rozmiar cząstek ~ 10 nm  =(1/6)D3Ms , Ms – magnetyzacja nasycenia lub magnetyzacja domeny momenty magnetyczne rozłożone przypadkowo w zewnętrznym polu – duża wartość namagnesowania nasycenia brak remanencji i koercji superparamagnetyzm

Magnetyzm ferrofluidów tylko część cząstek ma wkład do namagnesowania: część cząstek posiada magnetyczne warstwy na powierzchni (chemiczne oddziaływanie cząstek oraz warstwy stearyczne polarne) agregacja powoduje powstawanie klastrów, w których zamknięty jest strumień magnetyczny

Preparatyka

Preparatyka mielenie (z udziałem cieczy dyspersyjnej, przez czas rzędu 1000 godz., cząstki ponadwymiarowe usuwane są za pomocą wirówki) wytrącanie (np. z soli żelaza przy pomocy amoniaku w obecności cieczy dyspersyjnej) stabilizacja stearyczna substancją polarną

Preparatyka

Preparatyka Przykładowa reakcja: FeCl3 + 3NH4OH → FeO(OH) + 3NH4Cl + H2O FeCl2 + 2NH4OH → Fe(OH)2 + 2NH4Cl 2FeO(OH) + Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2H2O. otrzymuje się cząstki magnetytu rzędu 17 nm oraz ok. 15% agregatów o rozmiarze rzędu 800 nm

Zastosowania Przewodność cieplna koloidu jest ok. pięć razy większa od powietrza P. Berger et al., Vol. 76 No. 7 July 1999 • Journal of Chemical Education

Zastosowania

Zastosowania Sample of rat liver with ferrofluid concentrations (arrows) [Johannsen 1999].

Zastosowania Mouse with tumour (left) before hyperthermic ablation and (right) afterwards. Tumor is indicated by the arrow [Jordan 1999].

Zastosowania

Najnowsze osiągnięcia

Najnowsze osiągnięcia diament laser Wersja do pracy impulsowej Laser do pracy ciągłej

Zastosowania Spektroskopia – większa energia w porównaniu z laserami czerwonymi – możliwość pobudzania większej ilości rodzajów cząsteczek (wykrywanie skażeń biologicznych i chemicznych) Komunikacja podwodna – minimum absorpcji wody przypada na falę o długości ~ 430 nm Przyrządy pomiarowe – krótsza długość fali oznacza większą precyzję (w porównaniu do laserów czerwonych)

Zastosowania Druk wysokiej rozdzielczości Zastosowania w wojskowości Monitoring zanieczyszczeń Tranzystory oparte o azotki (wysoką odporność termiczną, chemiczną i radiacyjną, dobre przewodnictwo cieplne, lepsze przewodnictwo elektryczne (w porównaniu z krzemem), praca w wysokich częstotliwościach, w wysokiej temperaturze i w innych, szczególnie „niesprzyjających” warunkach)

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Początki kosmologii – rok 1917: A. Einstein opublikował pracę: „Kosmologiczne rozważania nad ogólną teorią względności”: model statyczny. de Sitter & Lamaitre: wszechświat nie jest statyczny; przestrzenia chwilowe zależą od czasu – wszechświat podlegający ewolucji (ale pusty).

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata W 1929 roku E. Hubble odkrył badając widma dalekich obiektów astronomicznych przesunięcie linii widmowych ku podczerwieni, co zinterpretował, wykorzystując zjawisko Dopplera. Wynika z tego, że galaktyki oddalają się jednakowo we wszystkich kierunkach proporcjonalnie do ich odległości od obserwatora. Vr=Hr, H – stała Hubble’a (53 km/s na Mps)

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Teoria Wielkiego Wybuchu. 1. Era Plancka (od 0 do 10-43sekundy ) 3. Era wielkiej unifikacji (od 10-43 do 10-35 sekundy ) 4.Era inflacji (od 10-35 do 10-33 sekundy ) 5.Powstanie materii (od 10-33 do 10-5 sekundy ) 6.Era nukleosyntezy (od 1 sekundy do 4 minuty ) 7.Rozprzęganie materii i promieniowania (od 4 minuty do 300 000 lat ) 8.Powstawanie galaktyk (od 300 000 lat do 2 mld lat ) 9.Ewolucja chemiczna galaktyk (od 2 mld lat do dziś) 10.Powstawanie układów planetarnych

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Era Plancka - od 0 do 10-43 sekundy: gęstość wynosiła 1097 kg/m3, a temperatura 1032 kelwinów. Era wielkiej unifikacji - od 10-43 do 10-35 sekundy: - wszystkie oddziaływania, z wyjątkiem grawitacyjnego, mające wpływ na cząstki - elektromagnetyczne, słabe i silne były nieodróżnialne - między oddziaływaniami występowała symetria. Została ona złamana w chwili t=10-35 sekundy.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Era inflacji - Od 10-35 do 10-33 sekundy Konsekwencją złamania symetrii było wydzielenie się wielkiej ilości energii. Próżnia zmieniła wówczas swój stan. Wyzwolona energia spowodowała gwałtowne przyspieszenie ekspansji Wszechświata. Doprowadziło to do wygładzenia wszelkich większych niejednorodności. jakie mogły istnieć we wcześniejszych fazach. Dlatego dzisiaj Wszechświat w dużych skalach jest jednorodny i izotropowy, tzn. we wszystkich kierunkach wygląda tak samo.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Powstanie materii - od 10-33 do 10-5 s. Ekspansja staje się wolniejsza. Wszechświat nadal zmniejsza swą gęstość i temperaturę. Rozpad istniejących wówczas ciężkich cząstek spowodował powstanie niewielkiej nadwyżki materii nad antymaterią. W tym czasie przestrzeń wypełniała plazma kwarkowo - gluonowa (stąd niekiedy tą erę nazywa się erą plazmy kwarkowo - gluonowej). Po 10-11 sekundy, gdy temperatura opadła do wartości 2*1015 K. oddziaływanie słabe oddzieliło się od oddziaływania elektromagnetycznego. Wszechświat wypełniały wówczas głównie fotony, neutrina, elektrony i swobodne kwarki W chwili t=10-5 s i T= 3*1012 K - łączenie się kwarków w protony i neutrony.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata ERA NUKLEOSYNTEZY - od 1 sekundy do 4 minut: T=5*109 K. Istniejące jeszcze wówczas pozytony anihilowały z elektronami, zwiększając liczbę fotonów. Rozpoczęła się wtedy era nukleosyntezy, w trakcie której powstały proste jądra, atomowe. Protony przyłączały neutrony, tworząc jądra deuteru. Te z kolei absorbowały następne protony lub neutrony, w wyniku czego powstawały jądra helu-3 i trytu. Dalsze reakcje produkowały cząstki alfa. czyli jądra helu-4. Pod koniec ery nukleosyntezy, która trwała około 4 minut, około 77% masy Wszechświata stanowiły protony (czyli jądra wodoru), a resztę - cząstki alfa (jądra helu-4). Występowały też niewielkie ilości deuteru, helu-3 oraz litu. Jądra ciężkich pierwiastków praktycznie nie powstały. Temperatura i gęstość Wszechświata były już zbyt małe. by mogły one reagować i produkować cięższe pierwiastki.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Rozprzęganie materii i promieniowania - od 4 min. do 300 000 lat Wszechświat wypełniają protony, cząstki alfa i swobodne elektrony, zanurzone w kąpieli fotonów i neutrin. Neutrina nie oddziaływały z materią, natomiast fotony wymieniały energię z elektronami, tak więc ich temperatura była równa temperaturze materii. Wszechświat ciągle się rozszerzał i stygnął. Po okresie 300 000 lat, T=3000 K. W tym momencie elektrony połączyły się z protonami i cząstkami alfa, tworząc elektrycznie obojętne atomy wodoru i helu. Ponieważ fotony prawie nie oddziałują z obojętnymi atomami, od tej chwili Wszechświat stał się praktycznie przezroczysty dla promieniowania. Fotony pozostałe po tej fazie powinny być rejestrowane również dzisiaj.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Powstawanie galaktyk - od 300 000 lat do 2 mld lat Zalążki galaktyk powstawały już w erze inflacji. Inflacyjna ekspansja nie przebiegała identycznie w całym Wszechświecie: niektóre obszary rozszerzały się nieco szybciej, inne nieco wolniej. Te, które rozszerzały się wolniej, miały większą gęstość. Siły grawitacyjne przyciągały materię do obszarów o większej gęstości. Z obszarów tych utworzyły się galaktyki i większe struktury - gromady i supergromady galaktyk. Ponieważ światło rozchodzi się ze skończoną prędkością widzimy je takimi, jakie były kilkanaście miliardów lat temu, czyli zaledwie miliard czy dwa miliardy lat po Wielkim Wybuchu.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Ewolucja chemiczna galaktyk - od 2 mld lat do chwili obecnej: Gdy galaktyki już powstały, skupiły w sobie większość materii Wszechświata. Dlatego od tej chwili ewolucja Wszechświata polega na zmianach zachodzących we wnętrzach galaktyk. Początkowo gaz, z którego się utworzyły, składał się prawie wyłącznie z wodoru i helu. Niestabilności grawitacyjne powodowały, że .obłoki tęgo gazu zapadały się. tworząc. pierwsze pokolenie gwiazd. W gwiazdach zachodziły reakcje jądrowe, które przekształcały jądra wodoru w jądra helu, a w późniejszych fazach - także jądra helu w jądra węgla i tlenu. Najistotniejszą rolę w ewolucji chemicznej galaktyk pełnią gwiazdy masywne (o masach przekraczających 8 mas Słońca). W końcowych etapach rozwoju powstają w nich również jądra innych pierwiastków, a swój żywot kończą w formie gwiazd supernowych.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Poszukiwania Arno Penziasa i Roberta Wilsona: Odkrycie promieniowania elektromagnetycznego o długości 7.35 cm – 3.5 K. Promieniowanie reliktowe – promieniowanie tła (pozostałość ery rozprzęgania)

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Dokładne pomiary: 2.7 K, charakter promieniowania CDC. od 1992r. - badanie promieniowania tła przy pomocy satelity COBE,

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Typy galaktyki Gwiazdy Materia Procent całej międzygwiazdowa populacji spiralne stare pył i gaz Ok.77% młode eliptyczne gaz Ok. 20% nieregularne Ok. 3%

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata Droga Mleczna jest galaktyką spiralną, liczącą około 500 miliardów gwiazd. Powstała z olbrzymiej chmury   gazowo-pyłowej ok. 10 miliardów lat temu. W jej wnętrzu znajduje się gęste sferyczne jądro, złożone też z   gwiazd które może też zawierają czarną dziurę. Wokół jądra rozciąga się dysk ukształtowany w ramiona   spiralne, zawierający młode gorące gwiazdy. Jądro i dysk otacza rzadkie halo z bardzo starych gwiazd..   nasza galaktyka ma jądro o średnicy około 10 000 lat świetlnych, dysk o średnicy ok. 100 000 lat świetlnych.

Fizyka współczesna Ewolucja i budowa Wszechświata

O. Olenberg, C. Rasmusen, Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 1970. V. Acosta, C.L. Cowan, B.J. Graham, Podstawy fizyki współczesnej, PWN,Warszawa 1981. J. Norwood, Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 1982. C.F. v. Weizsacker, J. Juilfs, Fizyka współczesna, PWN, Warszawa 1963. Rybka, Astronomia ogólna. M. Heller, Ewolucja kosmosu i kosmologii. C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 1976. E.H. Wichmann, ''Fizyka kwantowa'' (PWN, Warszawa, 1973) R. Shankar, ''Mechanika kwantowa'' (PWN, Warszawa, 2006) Podręczniki ogólnego kursu fizyki: D. Holliday, R. Resnick, Fizyka, tom I i II. C. Kittel at al., Mechanika. R. Feyman at. al., Feymana wykłady z fizyki (pięć tomów).   http://pl.wikipedia.org/wiki http://portalwiedzy.onet.pl http://www.bazywiedzy.com http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu http://www.physicsclassroom.com http://www.rapidtables.com http://chemistry.about.com http://www.britannica.com http://www.newscientist.com http://www.learner.org