MIKRO I NANOTECHNOLOGIMIKRO I NANOTECHNOLOGIAA

((zarys stanu aktualnego i perspektywy rozwoju)zarys stanu aktualnego i perspektywy rozwoju)

Jerzy KozakJerzy KozakPolitechnikaPolitechnika WarszawskaWarszawska

Zielona Góra, 23Zielona Góra, 23--0303--20072007

OBSZARY INNOWACJI W SAMOCHODZIEOBSZARY INNOWACJI W SAMOCHODZIE

SterowanieSterowanieUkładyUkładybezpieczeństwabezpieczeństwaStabilnosćStabilnosćNiezawodnośćNiezawodnośćOszczędnośćOszczędnośćpaliwapaliwaKomfortKomfort

SENSOR :SENSOR :

wielkości Fizyczne

T , p …………..

przyśpieszenie,wilgotność

…………….

sygnałelektryczny

I , U…………..

AKTUATOR :AKTUATOR :

sygnałelektryczny

przesunięcieobrótsiła

wydatek cieczy

Rozwiazania bez zastosowniamikrotechnologii

MikroMikro--ElektroElektro--Mechaniczne Systemy (MEMS) Mechaniczne Systemy (MEMS) są zintegrowanymi obiektamisą zintegrowanymi obiektami elektronicznoelektroniczno--elektrycznoelektryczno--mechanicznymi mechanicznymi przetwarzającymi różne wielkościprzetwarzającymi różne wielkościmechaniczne, cieplne, chemiczne na sygnały mechaniczne, cieplne, chemiczne na sygnały elektryczne i odwrotnie.elektryczne i odwrotnie.

Gabaryty MEMSGabaryty MEMS: :

od kilku do mikrometrów do kilku od kilku do mikrometrów do kilku milimetrów.milimetrów.

DefinicjaDefinicja MEMSMEMS

Nowe wyzwanie :mikro i nanotechnologia

Skala wymiarów obiektów fizycznych

Przykładowe rozmiaryPrzykładowe rozmiary

1616

1000

Feature SizeFeature Sizemicronsmicrons

BOTTOMBOTTOM UPUP

0.1

0.001

Micro, Micro, Nano Nano and MNTand MNT

10

100

1

2000 2005 2010 2015

Microsystems TechnologyMicrosystems Technology

Microelectronics / NanoelectronicsMicroelectronicsMicroelectronics / NanoelectronicsNanoelectronics

Molecular Science &Technology

Molecular Science &Molecular Science &TechnologyTechnology

Micro-Nano TechnologyMicroMicro--NNanoano TechnologyTechnology

TOP DOWNTOP DOWN

0.01NanoNano TechnologyTechnology

Courtesy RALCourtesy RAL

Struktura Mikro-Systemu (MEMS/MST) oraz przykład mikrosystemu nawigacyjnego

w samochodzie f-my FIAT

OD OPRACOWAŃ OD OPRACOWAŃ LABORATORYJNYCH DO RYNKU LABORATORYJNYCH DO RYNKU

PRODUKTÓW W MLD $PRODUKTÓW W MLD $

19601960MIKROSENSORYMIKROSENSORY

19801980MIKROAKTUATORYMIKROAKTUATORY

19881988MEMSMEMS

20022002TECHNIKA KOMPUTEROWA (INK JETS)TECHNIKA KOMPUTEROWA (INK JETS)MIKROSYSTEMY W ŚRODKACH TRANSPORTU MIKROSYSTEMY W ŚRODKACH TRANSPORTU

(SAMOCHODY, SAMOLOTY…)(SAMOCHODY, SAMOLOTY…)MIKROSYSTEMY W BIOMEDYCYNIEMIKROSYSTEMY W BIOMEDYCYNIETELEKOMMINIKACJA, UZBROJENIETELEKOMMINIKACJA, UZBROJENIE

Apr00 / MEMS_intro1/ ISCApr00 / MEMS_intro1/ ISC

Microelectronics = planar

Microengineering = 3-d sculpting

Różnice między Mikroelektroniką i Mikroinżynierią

•• MiniaturyzacjaMiniaturyzacja•• RedukcjaRedukcja masymasy•• Mała energochłonnośćMała energochłonność•• Wysoka niezawodnośćWysoka niezawodność•• Duży stopień integracjiDuży stopień integracji•• WielofunkcyjnośćWielofunkcyjność

ZALETY WYROBÓW ZMINIATURYZOWANYCHZALETY WYROBÓW ZMINIATURYZOWANYCH

Główne dziedziny zastosowań mikrosystemów

Przemysł samochodowyBiomedycyna

TelekomunikacjaAutomatyzacja i systemy kontroli w przemyśle

Monitoring środowiskaKomputerowe systemy pamięci

Systemy optyczneAGD

Lotnictwo i astronautykaAparatura analityczno-badawcza

Uzbrojenie i sprzet wojskowy

SENSOR :SENSOR :

wielkości Fizyczne

T , p …………..

przyśpieszenie,wilgotność

…………….

sygnałelektryczny

I , U…………..

Mikro-sensory ciśnienia

Micro-sensory przyśpieszenia

MIKROSYSTEM UKŁADU BEZPECZEŃSTWA Z PODUSZKĄ POWIETRZNĄ

AKTUATOR :AKTUATOR :

sygnałelektryczny

przesunięcieobrótsiła

wydatek cieczy

Aktuatory

MikroMikro--zaworyzawory

Breadboard design for a Breadboard design for a microsystemmicrosystem (gyro)(gyro)

GyroscopesAccelerometersGPS patch antenna

GPS Receiver

MicrocontrollerPower supply Magnetic SensorPWM Outputs for motors control

Top View Botton View

FIAT: NAVIGATION PLATFORM: Rev 1 October 2002

PREVENTIVE SAFETYPREVENTIVE SAFETYADVANCED VEHICLE CONTROL FUNCTIONSADVANCED VEHICLE CONTROL FUNCTIONS

• MEMS accelerometers over 30 millions/year

• MEMS gyros over 4 millions/year

• Magnetometers over 100.000 /year

• CMOS cameras: Visual guidance – assisted drive – pre-crash 2 milns/year

• GPS 2 millions/year

• Low cost platforms including accelerometers + gyros IMU 2 milns/year

• Low cost platforms including IMU - GPS 2 milns/year

• Platforms including magnetometrs and visual guidance (500.000 ??)

• Ruggedised High level platforms 100.000

Note: All MEMS sensors….over 200 millions/year (conservative)

Increased demand of systems with high level of autonomy

FIAT group: MEMS/MST overall internal need from 2005

Aerodynamic Applications of MEMS Aerodynamic Applications of MEMS --Flow Control PossibilitiesFlow Control Possibilities

Vortex ControlVortex Control

Separation ControlSeparation Control

Skin Friction Drag ReductionSkin Friction Drag Reduction

Sterowanie układem wirów nakrawędzi natarcia

UdziałUdział wirówwirów krawędzikrawędzinatarcianatarcia dochodzidochodzi do 40% do 40%

siłysiły nośnejnośnej

MałeMałe zmianyzmiany intensywnościintensywności i i położeniapołożenia układuukładu wirowegowirowego

ZnacząceZnaczące zmianyzmiany w w silesile nośnejnośnej, , a a więcwięc jest jest efektywnymefektywnymsposobemsposobem sterowaniasterowania

nośnościąnośnością skrzydłaskrzydła

MEMS Flow ActuatorsMEMS Flow Actuators

Smart Micro Skin

Sensor, I.C’s & Actuator

Gryphon MEMS Controlled Gryphon MEMS Controlled UAVUAV

MEMS Actuator Array on the Leading Edge of MEMS Actuator Array on the Leading Edge of Wing of 1/7 Scale Mirage III FighterWing of 1/7 Scale Mirage III Fighter

MEMS Actuators for Aero Control

UCLA and Aerovironment

Flexible Sensor/Actuator Skin

DARPADARPA

MTOMTO

Microsystems Technology Office Approved for Public Release - Distribution Unlimited

Taśma z zintegrowanymi mikroczujnikami

Temperatura Ciśnienie Naprężenia styczne

Inteligentne materiały i konstrukcje.Inteligentne (adaptujące się do potrzeb) zachowania się materiałów i

konstrukcji stało się możliwe dzięki wstawieniu w nie różnego rodzaju miniaturowych czujników (sensorów) i elementów wykonawczych (aktuatorów). Przykładem mogą tu być konstrukcje skrzydeł, którychposzycie zmienia kształt (profil) w taki sposób aby zapewnićzmniejszenie oporu i zwiększenie siły nośnej.

Możliwa jest również identyfikacja uszkodzeń powstających i rozwijających się w materiale poszycia (jest to szczególnie istotne w przypadku coraz szerzej stosowanych kompozytów).

Mikrostruktura “materiału” z ujemnym współczynnikiem

Poissona

MEMS w MEMS w silnikusilniku turbinowymturbinowym

MEMS HEAT ENGINES AT MITMEMS HEAT ENGINES AT MIT–– Common Technology, Diverse ApplicationsCommon Technology, Diverse Applications ––

APPLICATIONS

MicroMicro--Gas Turbine (TTO, ARO)Gas Turbine (TTO, ARO)

µµ--Rocket EngineRocket Engine(TTO, ARO, NASA)(TTO, ARO, NASA)

TurbomachineryTurbomachinery ElectromechanicsElectromechanics(Motor/Generator(Motor/Generator)

CombustionCombustion Gas BearingsGas Bearings

High Temp Materials & PackagingHigh Temp Materials & Packaging© 2002 MIT© 2002 MIT

MIKROTURBINA GAZOWAMIKROTURBINA GAZOWA

© 2002 MIT

Micro Solid Propellant Micro Solid Propellant ThrusterThruster

Joint Project involving Honeywell and Princenton University

MiniMini--Rotary IC EngineRotary IC EngineRotary engine selected as power source for Rotary engine selected as power source for portable power systemportable power systemMajor features of the rotary engine include:Major features of the rotary engine include:

Planar geometry Planar geometry High specific power High specific power vs. other IC engine designsvs. other IC engine designsMinimum number of Minimum number of moving partsmoving parts

11stst generation minigeneration mini--engineengineDisplacement:Displacement: 77.8 mm77.8 mm33

Max. RPM (est.):Max. RPM (est.): 30,00030,000Power Output (Power Output (estest):): 29 W29 W

22ndnd generation minigeneration mini--engineengineDisplacement:Displacement: 348 mm348 mm33

Max. RPM (est.):Max. RPM (est.): 30,000 30,000 Power Output (Power Output (estest):): 148 W148 W

12.5 mm

3.6 mm9.5 mm

16.7 mm

9 mm

12.7 mm

– Self-valving operation (i.e. naturally aspirated)

– Power output flexibility (mechanical or electrical)

UZASADNIENIEUZASADNIENIEMiniatureMiniature--scale power generation scale power generation using hydrocarbon fuelsusing hydrocarbon fuelsLiquid HC fuel specific Liquid HC fuel specific energy >> Battery specific energy >> Battery specific energy energy Potential ApplicationsPotential Applications

Portable electrical power Portable electrical power supply (battery replacement) supply (battery replacement) mechanical power supplymechanical power supply

University of California, BerkeleyDepartment of Mechanical EngineeringMicro-Rotary Combustion LabBerkeley Sensor and Actuator CenterBerkeley, CA 94720-1740http://euler.me.berkeley.edu/mrcl

Rozwój MEMS w biomedycynie

ZastosowanieZastosowanie MOEMS w MOEMS w płaskichpłaskichmonitorachmonitorach

Digital Mirror Display Digital Mirror Display (DMD)(DMD)

Texas Instruments, Inc.Texas Instruments, Inc.

PLUS U3PLUS U3--880880•• 2.9 lbs2.9 lbs•• 1.9” x 9” x 7” 1.9” x 9” x 7” ••SVGA (800 x 600)SVGA (800 x 600)

10 um10 um

MOEMS for Display & Projection SystemsMOEMS for Display & Projection Systems

MOEMS for Display & Projection Systems

Military MEMS/MST: Main Applications

LAND SEA AIR SPACE

•Smart & Competent Munitions.•Gun Launched Munitions•Communication Systems•Soldier / Combatant Equipment•Surveillance Systems

•Torpedo Control•Communication Systems•Platform Stabilisation& Control Systems

•Aircraft PlatformControl Systems•Avionics & FlightControl•Equipment Monitoring& Failure Prediction•Communication Systems•Combat Systems

•Guidance &Control•CommunicationSystems

Chem-Lab on a Chip for Forward Recon & QA

Microjet Arraysfor Airflow Control MEMS IMU

for Inertial Measurement & Navigation

Multiple Chip Wafer Fabrication for Graceful Degradation and CostReduction

Adaptive Optics Arraysfor Target Acquisition & Friend or Foe ID

MEMS for Military ApplicationsMEMS for Military Applications

Fuze/safetyand arming

Joint Architecture for Unmanned Systems

(JAUS)

Unmanned Systems:Unmanned Systems:Scope of EffortScope of Effort

UAV S&T

AWE / ExerciseActivity

Mission EquipmentPackages

Modeling &Simulation

Acquisition Systems

UGV/S S&T

RozwójRozwój rynkurynku mikrosystemówmikrosystemów

Interdisciplinary ApproachInterdisciplinary Approach

Design and modelingEnabling materials and materials scienceMicromachining and microfabricationTesting and characterizationSystems and controlPackaging and applications testing

Integrated approach to develop Integrated approach to develop “microsystems” for “real applications”“microsystems” for “real applications”

MEMS Fabrication TechnologyMEMS Fabrication Technology

MicromachiningMicromachiningBulkBulk

SurfaceSurfaceBondingBonding

IC ProcessesIC ProcessesPhotolithographyPhotolithography

OxidationOxidationDiffusionDiffusion

DepositionDepositionEtchingEtching

Ion implantationIon implantation

MetallizationMetallizationMicroMicro--moldingmolding

ICIC ProcessesProcesses + Micromachining+ Micromachining

MiniaturizationMiniaturizationBatch fabricationBatch fabrication

IntegrationIntegration

Dense arraysDense arraysSmall devicesSmall devices

Low unit costLow unit costHigh performanceHigh performance

Sophisticated functionalitySophisticated functionality

Principle microPrinciple micro--fabrication methodsfabrication methods

Energy beam etching, LIGAEnergy beam etching, LIGAHybridHybridStereolithographyStereolithographyLaminationLaminationMolding, castingMolding, castingSolidificationSolidificationPunching, pressPunching, pressPlastic deformationPlastic deformation

Dissolution Dissolution –– ECMM, ECMM, Electroforming (deposition) Electroforming (deposition) EtchingEtching

ElectrochemicalElectrochemical

ChemicalChemical

LBM (LBM (ExcimerExcimer, , FemtosecondFemtosecond))AblationAblationEDM, LBM, EBMEDM, LBM, EBMMelting/vaporizationMelting/vaporizationCutting, grinding, USM,Cutting, grinding, USM,MechanicalMechanical

MethodsMethodsPrinciplePrinciple

MicroMicro--JoiningJoining Laser, Ultra Sonic, Laser, Ultra Sonic, Brazing, AdhesivesBrazing, Adhesives

Podstawowe charakterystyki mikroobróbek

Schemat trawienia anizotropowego

Wykonane elementy silnika elektrostatycznego i mikroczujnika

Schemat metody LIGA

Mikrokształtowanie laserowe

Mikro-obróbka elektroerozyjnej (MEDM)

PulseGenerator

Discharge Detector

A/D converter

ComputerMovement Controller

X, Y, Z Stages

Electrode

Workpiece

Mikro EDM

CAD design of a complex cavity (Dimension: CAD design of a complex cavity (Dimension: µµm).m).

Design

Projektowanietrajektoriielektrody

Cut angle is 0Cut angle is 0ºº..

Cut angle is 90Cut angle is 90ºº..

Wykonany element

Wykroje wykonane MEDM

MikrokształtowanieMikrokształtowanie elektrochemiczneelektrochemiczne

Philips DAP, ATC, Drachten,The Netherlands

Nanotechnology Nanotechnology -- (yet another) (yet another) DefinitionDefinition

“A process for manipulating smallest natural structures (atoms & molecules) where Quantum mechanics rules.” TOP DOWN MICRO-ENGINEERING

BOTTOM UP NANO-ENGINEERING

From micro

to

Nano

lithography

Molecular self-assembly

OBIEKTY W NANOŚWIECIEOBIEKTY W NANOŚWIECIE

40 40 µµm m

1 m = 1000 mm1 m = 1000 mm1 mm = 1000 1 mm = 1000 µµm 1 m 1 nmnm = 10= 10--9 9 mm1 1 µµm = 1000 m = 1000 nmnm

Dochodzenie do Dochodzenie do nanoświatananoświata molekułmolekuł

Nanometr (1 Nanometr (1 nmnm) to w przybliżeniu 80 000 razy mniej od średnicy ) to w przybliżeniu 80 000 razy mniej od średnicy ludzkiego włosa oraz 10 razy więcej od średnicy atomu wodoruludzkiego włosa oraz 10 razy więcej od średnicy atomu wodoru

Oko muchy Oko muchy w makrow makro--, mikro, mikro--

i i nanoskalinanoskali

16 16 µµmm

2 2 µµm m 300 300 nmnm 6 6 nmnm 1 1 nmnm

200 200 µµmm

NANOMETR:

1/1 000 000 000 metra

1/1 000 000 łebka od szpilki

1/1 000 długości bakterii

10 atomów wodoru ułożonych jeden za drugim

NANOTECHNOLOGIENANOTECHNOLOGIE

jako technologie wykorzystywane w wielu jako technologie wykorzystywane w wielu podstawowych dziedzinach aktywności podstawowych dziedzinach aktywności technicznej człowieka w celu wytwarzania:technicznej człowieka w celu wytwarzania:

klasycznych urządzeń o klasycznych urządzeń o nanometrycznychnanometrycznych rozmiarach rozmiarach z charakterystycznymi dla nich efektami,z charakterystycznymi dla nich efektami,

nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach.nowych struktur o nieznanych jeszcze cechach.

Skutki Skutki nanotechnologiinanotechnologiikryształy fotonowekryształy fotonoweświatłowody planarneświatłowody planarneelektronika molekularnaelektronika molekularnaspintronikaspintronikaheterostrukturyheterostruktury (studnie kwantowe)(studnie kwantowe)bioelektronikabioelektronikaorganoelektronikaorganoelektronikaMEMSY, MOEMSYMEMSY, MOEMSY..........................................................

Potencjalne obszary zastosowań Potencjalne obszary zastosowań nanotechnologiinanotechnologii

Techniki informacyjne (struktury elektroniczne i fotoniczne, wyświetlacze, komputery kwantowe),

Systemy rozprowadzania leków (połączenia lek-polimer, nanocząstki, liposomy i polimerowe micele, dendrymery organiczne),

Inżynieria tkankowa, implanty i urządzenia medyczne (w tym zewnętrzne implanty tkankowe, urządzenia do testów in vivo itp.),

Szeroko pojmowana inżynieria materiałowa (nanomateriały, nanokompozyty, warstwy bioczułe),

Instrumenty i oprzyrządowanie do realizacji nanotechnologii (np. różnego rodzaju mierniki wielkości nano-),

Sensory i aktuatory (w tym diagnostyka medyczna i implanty).

C. Hayter, Mat. Sci. Eng. C, 23 (2003) 703

Ale dodać do tego można z łatwością inne:Ale dodać do tego można z łatwością inne:

bezpieczeństwo narodowe,bezpieczeństwo narodowe,ochrona środowiska,ochrona środowiska,badania kosmiczne,badania kosmiczne,energetyka,energetyka,......

Problemy z redukcją wymiarówProblemy z redukcją wymiarów

Klasyczne, wynikające z reguł skalowania Klasyczne, wynikające z reguł skalowania (przyrządowe, materiałowe, układowe, (przyrządowe, materiałowe, układowe, systemowe systemowe –– dotyczą w głównej mierze dotyczą w głównej mierze przyrządów elektronicznych),przyrządów elektronicznych),

FundamentalneFundamentalnemanifestacja zjawisk i oddziaływań (nie manifestacja zjawisk i oddziaływań (nie obserwowanych w większych skalach,obserwowanych w większych skalach,efekty kwantowe (ziarnistość materii, efekty kwantowe (ziarnistość materii, termodynamika),termodynamika),

AtomAtomyy Co Co nana Cu Cu

W 1992 r. opublikował książkę „NANO SYSTEMS: Molecular machinery, ma-nufacturing, and computation”, w której m.in. dowodzi, że molekularny montaż nie narusza żadnych praw fizycznych. Nie stanowi ona już głównie publikacji innowacyjnej lecz jest bardziej analitycz-ną i naukową, prezentując obliczenia i o-szacowania niektórych omawianych kon-cepcji nanotechnologicznych.

K. K. EricEric DREXLER DREXLER –– PIONIER NANOTECHNOLOGII PIONIER NANOTECHNOLOGII MOLEKULARNEJMOLEKULARNEJ

K. E. Drexler opublikował w 1986 r. futurologiczną książkę „ENGINES of CREATION: The comingera of nanotechnology”, przedstawiającą wizję sa-moreprodukujących się nanomaszyn zdolnych do wytworzenia wszelkich dóbr materialnych, a także odwrócenia procesu globalnego ocieplenia, likwida-cji chorób i znacznego wydłużenia życia ludzkiego.

(z wykładu: K. Oczoś-Nanotechnologia)

ODKRYCIE FULLERENÓWODKRYCIE FULLERENÓW

Mieszanina Mieszanina fullerenówfullerenówCC6060 -- CC7070. Cząsteczki . Cząsteczki CC7070 uwydatniają się uwydatniają się

wydłużonym kształtemwydłużonym kształtem

W 1985 r. Robert F. CURT, W 1985 r. Robert F. CURT, JrJr., ., HaroldHarold W. KROTO W. KROTO i i RichardRichard E. SMALLEY odkryli E. SMALLEY odkryli fullerenyfullereny –– cząstecząste--czkiczki węgla w kształcie piłki futbolowej (węgla w kształcie piłki futbolowej (BuckyballBuckyball) ) mające średnicę ok. 1 nm. Odkrycie to mające średnicę ok. 1 nm. Odkrycie to zapoczątkozapoczątko--wałowało nową dziedzinę związków węgla, mającą nową dziedzinę związków węgla, mającą zasazasa--dniczednicze znaczenie dla znaczenie dla nanotechnologiinanotechnologii molekularnej. molekularnej. W 1996 r. otrzymali oni za to odkrycie Nagrodę W 1996 r. otrzymali oni za to odkrycie Nagrodę Nobla.Nobla.

RichardRichard E. SMALLEYE. SMALLEYRiceRice UniversityUniversity

NANORURKI WĘGLOWENANORURKI WĘGLOWEW 1991 r. W 1991 r. SumioSumio IIJIMA z firmy NEC IIJIMA z firmy NEC CorpCorp. w . w TsukubieTsukubie odkryodkryłł nanorurkinanorurki wwęęgg--lowelowe, wywodz, wywodząące sice sięę z z buckminsterbuckminster--fullerenfullerenóóww i zbudowane z ui zbudowane z ułłoożżonych w onych w szesześś--ciokciokąątyty atomatomóów ww węęgla, z wyglgla, z wygląądu podobne do miniaturowej, zwinidu podobne do miniaturowej, zwinięętej siatki. tej siatki. Cechuje je niezwykCechuje je niezwykłła wytrzymaa wytrzymałłoośćść przy niewielkiej masie, trwaprzy niewielkiej masie, trwałłoośćść, gi, gięętkotkośćść, , dobra przewodnodobra przewodnośćść cieplna (dwa razy wicieplna (dwa razy więększa niksza niżż diamentu), dudiamentu), dużża a powierzchpowierzch--niania oraz niezwykoraz niezwykłłe we włłaaśściwociwośści elektryczne, co otwiera przed nimi liczne ci elektryczne, co otwiera przed nimi liczne zastozasto--sowaniasowania, w pierwszym rz, w pierwszym rzęędzie w elektronice.dzie w elektronice.

NanorurkaNanorurka węglowawęglowa(obraz komputerowy) (obraz komputerowy)

Półprzewodząca Półprzewodząca nanorurkananorurka o średnicy 1,5 o średnicy 1,5 nmnm może być wykorzystana w tranzystorze może być wykorzystana w tranzystorze polowym jako kanał przewodzący prąd popolowym jako kanał przewodzący prąd po--między źródłem i drenem, którego natężenie między źródłem i drenem, którego natężenie zależy od pola elektrycznego określonego zależy od pola elektrycznego określonego przez napięcie doprowadzone do bramki.przez napięcie doprowadzone do bramki.

One approach to nanotechnology - often called bionanotechnology - involves stripping down and then partially reassembling a complex and only partially understood biological system to get an artificial nanostructure that works. This structure was made by Nadrian Seeman of New York University by self-assembling DNA molecules with specially designed sequences. From N C Seeman 2003 Biochemistry 42 7259-7269

Bionanotechnology exploits the fact that evolution has led to very powerful and efficient nanomachines. We can now, for example, separate out a cell's components and, to some extent, run them outside a living cell. This hybrid device, developed by Carlo Montemagno of the University of California at Los Angeles and Harold Craighead from Cornell University, consists of an array of nickel posts (a), each of which has a height of 200 nm and a diameter 80 nm. Mounted on each post is a biological rotary molecular motor (b). A nanopropeller (c) - of length 750-1400 nm and diameter 150 nm - has been attached to the rotor of each motor. Addition of "ATP" fuel to the complete device (d) makes the propeller rotate. From R K Soong et al. 2000 Science 290 1555-1558

Elektronika (część )

Mikroelektronika Optoelektronika

Elektrony, Fale Fale, Fotony

Mechanika Kwantowa

Nanoelektronika Fotonika

NANOTECHNOLOGIE

NANOMEMBRANA

NANOTRANZYSTOR

Te organiczne struktury stworzą nowe układy mechaniczne, elektroniczne i elektromechaniczne.

Laser tranzystorowyLaser tranzystorowy

NANOTECHNOLOGIA CHEMICZNANANOTECHNOLOGIA CHEMICZNANanotechnologiaNanotechnologia chemiczna jest pojmowana jako chemiczna jest pojmowana jako ukukłład zespolony, w ktad zespolony, w któórym z organicznych i nierym z organicznych i nie--organicznych zwiorganicznych zwiąązkzkóów chemicznych pow chemicznych połąłączonych czonych w rw róóżżnych stosunkach komponuje sinych stosunkach komponuje sięę hybrydowe hybrydowe polimery tzw. polimery tzw. ormoceryormocery, tworz, tworząące, po ce, po dodatkododatko--wymwym popołąłączeniu ich z rczeniu ich z róóżżnymi nieorganicznymi nymi nieorganicznymi nanocznanocząąsteczkamisteczkami, niezliczon, niezliczonąą iloilośćść wariancji w wariancji w postaci tzw. postaci tzw. nanomernanomeróóww o zro zróóżżnicowanych nicowanych wwłłaaśś--ciwociwośściachciach i zastosowaniach.i zastosowaniach.

Specjalne powSpecjalne powłłoki oki nanomerowenanomerowe, dzi, dzięęki posiadanym wki posiadanym włłaaśściwociwośściomciomantyadhezyjnym, antyadhezyjnym, przeciwdziaprzeciwdziałłajaaja trwatrwałłemu osadzaniu m.in. emu osadzaniu m.in. „„malowidemalowidełł”” graffiti graffiti

na rna róóżżnych podnych podłłoożżach. Dajach. Dająą siesie one one łłatwo usuwaatwo usuwaćć strumieniem wody. strumieniem wody.

POKRYCIA ANTYGRAFFITIPOKRYCIA ANTYGRAFFITI’’OWEOWE

„Smart Shirt” opracowanie -Georgia Tech.

NANOMEDYCYNANANOMEDYCYNA

•• NanodiagnostykaNanodiagnostyka•• NanostomatologiaNanostomatologia•• NanochirurgiaNanochirurgia•• NanofarmacjaNanofarmacja•• NanokosmetykaNanokosmetyka•• NanoimmunologiaNanoimmunologia

NanomodyfikacjaNanomodyfikacja diamentem diamentem powierzchni powierzchni implantuimplantu np. np. stawu biodrowego zwiększy stawu biodrowego zwiększy jego trwałość i zgodność jego trwałość i zgodność biologiczną,mocniejbiologiczną,mocniej wiążąc go wiążąc go z otaczającą kością. z otaczającą kością.

Lepsze lub nowe czynniki Lepsze lub nowe czynniki kontraskontras--tującetujące będą pomocne w wykryciu będą pomocne w wykryciu chocho--robyroby we wczesnym jej stadium, kiedy we wczesnym jej stadium, kiedy łatwiej ją wyleczyć, np. nowotworu łatwiej ją wyleczyć, np. nowotworu (czerwony), gdy składa się zaledwie z (czerwony), gdy składa się zaledwie z kilku komórek.kilku komórek.

NanocząstkiNanocząstki będą dostarczać leki do będą dostarczać leki do ściśle określonych, nieraz trudno dościśle określonych, nieraz trudno do--stępnychstępnych miejsc. Nowotwory będzie miejsc. Nowotwory będzie można niszczyć za pomocą można niszczyć za pomocą skieroskiero--wanychwanych do nich do nich nanoskorupeknanoskorupek tj. zetj. ze--spolonychspolonych złotem kulek z przeciwzłotem kulek z przeciw--ciałami, które po delikatnym ciałami, które po delikatnym ogog--rzaniurzaniu promieniowaniem promieniowaniem podczerpodczer--wonymwonym pękają i łączą się tylko z pękają i łączą się tylko z koko--mórkamimórkami nowotworowymi.nowotworowymi.

AKTUATORYAKTUATORY

Trochę danych finansowych z USAa) National Science Foundation

(1) $385,000,000 for fiscal year 2005; (2) $424,000,000 for fiscal year 2006; (3) $449,000,000 for fiscal year 2007; and (4) $476,000,000 for fiscal year 2008.

(b) Department of Energy (1) $317,000,000 for fiscal year 2005; (2) $347,000,000 for fiscal year 2006; (3) $380,000,000 for fiscal year 2007; and (4) $415,000,000 for fiscal year 2008.

(c) National Aeronautics and Space Administration (1) $34,100,000 for fiscal year 2005; (2) $37,500,000 for fiscal year 2006; (3) $40,000,000 for fiscal year 2007; and (4) $42,300,000 for fiscal year 2008.

(d) National Institute of Standards and Technology (1) $68,200,000 for fiscal year 2005; (2) $75,000,000 for fiscal year 2006; (3) $80,000,000 for fiscal year 2007; (4) $84,000,000 for fiscal year 2008.

(e) Environmental Protection Agency (1) $5,500,000 for fiscal year 2005; (2) $6,050,000 for fiscal year 2006;(3) $6,413,000 for fiscal year 2007; and (4) $6,800,000 for fiscal year 2008.

(Public Law 108-153 108th Congress. Dec.2003)Total $ millions for year 2005Total $ millions for year 2005--810, 2006810, 2006--890, 2007890, 2007--955, 2008955, 2008--10241024

Dziękuję za cierpliwośćJerzy Kozak

lll

ObjiaPowierzchn 1

. 3

2

∝∝

10-4mm-1 10-1mm-1

SkalowanieSkalowanie geometrycznegeometryczne

SkalowanieSkalowanie wytrzymałościwytrzymałości i i sztywnościsztywności

Ff=σ

fA

lWF

gmF ff 1α= Obciążenie dopuszczalne przez ciężar

SB

Wα 1l 2

Stosunek sztywności do cieżaru

Przykład belki S =CEIl3

Obciążenie dopuszczalne

SilnikSilnik turbinowyturbinowySiłaSiła ciąguciągu do do ciężaruciężaru T/W (T/W (1/l1/l ))

T/W = 5.6 T/W= 7.6T/W = 5.6 T/W= 7.6

Mesicopter:HelicopterMesicopter:Helicopter miniaturowyminiaturowy

BezpilotoweBezpilotowe aparatyaparaty latajacelatajace (BAL) (BAL) do do rozpoznaniarozpoznania lotniczegolotniczego

Boundary Layer DevelopmentBoundary Layer Development

y

Velocity

y

Velocityy

Velocity

y

Velocity

Laminar SeparationTurbulent

Transition

Flow

Wake

LargeLarge--Scale Eddy StructuresScale Eddy Structures

Application to highApplication to high--lift lift trailingtrailing--edge separationsedge separations

Excite interaction between largeExcite interaction between large--scale spanscale span--wise wise eddy structures that occur close to point of eddy structures that occur close to point of

separation.separation.

MEMS Flow ActuatorsMEMS Flow Actuators

ThermalThermal

ElectroElectro--hydrodynamichydrodynamic

MomentumMomentuminjectioninjection

Gryphon MEMS ControlledGryphon MEMS Controlled

Application OpportunitiesApplication Opportunities

Microaircraft

Airframes• Manned• Rotorcraft• UAVs• Missiles

Propulsion• Intakes• Fans• Compressors• Combustors?• Turbines?