2014-12-20

1

WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ

INŻYNIERII

dr inż. Grzegorz Raniszewski

p. 121c + LSN (piwnica)

grzegorz.raniszewski@p.lodz.pl

www.raniszewski.imsi.pl

1

CZ. 1

Nanotechnologie

Metody wytwarzania

Właściwości

Zastosowania

2

CZ. 2

- Nanotechnologie

- Przykład rozwiązania problemu inżynierskiego

- Zaliczenie

3

PRODUKCJA W NANOTECHNOLOGII

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.

-Włodzisław Duch

PRAWO MOORE’A - ROZSZERZENIE WŁAŚCIWOŚCI

FIZYCZNE

- materiały smarujące

- włókna

wysokowytrzymałe

- membrany

molekularne

- cienkie

warstwy,diamenty

- materiały ścierne

- kontenery

cząsteczkowe

WŁAŚCIWOŚCI

CHEMICZNE

- katalizatory

- reagenty organiczne

- fotosensybilizatory

- preparaty

farmaceutyczne

- baterie

wysokoenergetyczne

WŁAŚCIWOŚCI

ELEKTRYCZNE I

OPTYCZNE

- czujniki akustyczne

- półprzewodniki

- nieliniowe urządzenia

optyczne

- nadprzewodniki

- przetworniki

elektrooptyczne

ZASTOSOWANIA

2014-12-20

2

ZASTOSOWANIA

Elektronika

Medycyna

Przemysł zbrojeniowy

Przemysł samochodowy

Budownictwo

Inżynieria materiałowa

Przemysł spożywczy

Przemysł kosmetyczny

Energetyka

Mechatronika

…..

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.

PRAWO MOORE’A 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.

http://maintenance.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=164

PIERWSZE KOMPOZYTY

Mezopotamia i Babilon

ok. 800 r p.n.e. -suszone

cegły gliniane

wzmacniane słomą

2014-12-20

3

FOLIE

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.

NANORURKI WĘGLOWE W WALCE Z RAKIEM

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

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).

ZDEFINIOWANIE PROBLEMU

STATYSTYKA

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)

20 Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka

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

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)

21

WYBÓR METODY

NANORURKI WĘGLOWE W WALCE Z RAKIEM

dostarczanie

leków

niszczenie

komórek rakowych

22

Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka

2014-12-20

4

DOSTARCZANIE LEKÓW

Funkcjonalizacja CNT

Kapsułkowanie leków

Wprowadzanie CNT

Proces

dostarczania

leku

Uwalnianie leku

Adresowanie do komórek

23

Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka

WIZUALIZACJA DOSTARCZANIA

LEKÓW

25

NISZCZENIE KOMÓREK RAKOWYCH

Synteza Fe-CNT

Funkcjonalizacja CNT

Wprowadzanie CNT

Proces

niszczenia

komórek

Nagrzewanie

Adresowanie do komórek

26

Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka

WIZUALIZACJA ABLACJI KOMÓREK

NOWOTWOROWYCH

28

2014-12-20

5

CNT’S W WALCE Z RAKIEM ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE –

GENERATOR RF

Częstotliwość 13,56 MHz (?)

Moc 600 – 800 W (?)

Czas promieniowania 1 – 2 min (?)

Tx Rx RF nadajnik 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

Biokompatybilność / Funkcjonalizacja nanorurek

węglowych

Jak dołączyć CNT do tkanki nowotworowej?

W jaki sposób upewnić się, że wszystkie CNT zostały

dołączone do guza i zarazem uniknąć zniszczenia

zdrowych komórek?

Umieszczanie „kapsułkowanie” ferromagnetyka

w nanorurkach węglowych

Jak nanorurki wprowadzić do organizmu

człowieka

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?

Dostarczenie CNTs do tkanki guza

(„adresowanie” nanorurek węglowych)

PROBLEMY

Niszczenie komórek rakowych za pomocą

hipertermii

Mechanizm grzania nanostruktur falami radiowymi RF

Zewnętrzny generator RF

Proces grzania

(Kiedy i jak długo powinny być stosowane pole

magnetyczne?)

Jak rozpoznać efekt ablacji?

PROBLEMY

2014-12-20

6

SYNTEZA CNTS ZAWIERAJĄCYCH

FERROMAGNETYK

W PLAZMIE ŁUKOWEJ

SYNTEZA CNTS ZAWIERAJĄCYCH

FERROMAGNETYK W REAKTORACH CVD

WZMACNIANIE ABSORPCJI RF

Wzrost absorbcji RF

Nośnik Pochłaniacz RF Grupy adresujące

CNT Fe Ligandy

adresujące/

przeciwciała

39

Grzegorz Raniszewski – Politechnika Łódzka

KAPSUŁKOWANIE METALI

CHARAKTERYZACJA

MIKROSKOP OPTYCZNY

2014-12-20

7

AFM AFM

AFM AFM

STM – SCANNING TUNNELING MICROSCOPE

Rozdz.

ok. 0,1 nm

STM – SCANNING TUNNELING MICROSCOPE

SKANINGOWY MIKROSKOP TUNELOWY

2014-12-20

8

SEM SEM

TEM – ELEKTRONOWY MIKROSKOP

TRANSMISYJNY

TEM – ELEKTRONOWY MIKROSKOP

TRANSMISYJNY

•Elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM)-

rejestrujący elektrony przechodzące przez próbkę.

•Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM) –

rejestrujący elektrony rozproszone i wtórne.

SEM TEM

Elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM)

Niedogodnością w badaniach TEM jest:

• czasochłonna i pracochłonna preparatyka,

• materiał do badań musi mieć maksymalnie kilka

setek nanometrów grubości

• obszar do badań w TEM jest bardzo mały, zatem

może nie być reprezentatywny.

•Uszkodzenie radiacyjne próbki

2014-12-20

9

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

FUNKCJONALIZACJA NANORUREK WĘGLOWYCH

DRUG DELIVERY SYSTEM

ugrupowania

celujące

Biologiczny modyfikator powierzchni (PEG)

markery fluorescencyjne

lekA (wewnątrz CNT)

lek B (dołączony do powierzchni)

59

MARKERY TEMPERATUROWE 1. Związki nieorganiczne

np. CoCl2 lub NaNO3 +NaCl

Cu2[HgI4]

2. Związki organiczne

np. dibenzylidenoaceton

3. Ciekłe kryształy

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Co(NO3)2 + NaCl CoCl2 Cu2[HgI4]

Te

mp

era

tura

[oC

]

Tempetarury topnienia użytych markerów

Teoretytczne temperatury topnienia Eksperymentalnie wyznaczone temperatury topnienia

FINALNE ZAMIERZENIE:

Badania ablacji (kontrolnych) komórek biologicznych

WPROWADZANIE DO

ORGANIZMU

Inhalacje (aerozole)

Doustnie (tabletki)

Bezpośrenio wstrzykiwane (domięśniowo, z

krwią)

Poprzez skórę (?)

62

2014-12-20

10

DOSTARCZANIE LEKÓW

CNTs z żelazem

Manipulacja polem magnetycznym

Terapia docelowa (stosowanie kwasu

foliowego)

63

UWALNIANIE LEKÓW

Dyfuzja z matrycy

Wydzielanie napędzane ciepłem

uwalnianie na skutek zmienności pH

promieniowanie γ

uwalnianie leku wyzwalane

promieniowaniem elektromagnetycznym

64

URZĄDZENIA DO ABLACJI RF SYMULACJE I MODELOWANIE

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

67

CO TO JEST CFD?

Obliczeniowa mechanika płynów (ang.

Computational Fluid Dynamics) – dział mechaniki

płynów wykorzystujący metody numeryczne do

rozwiązywania zagadnień przepływu płynów.

68

2014-12-20

11

DYNAMIKA PLYNÓW

Dynamika płynów to dział mechaniki płynów

zajmujący się ruchem płynu (czyli cieczy lub

gazu), a w szczególności siłami powodującymi

ten ruch.

69

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).

70

PODSTAWOWĄ ZALEŻNOŚCIĄ OPISUJĄCĄ WPŁYW

SIŁ NA RUCH PŁYNU NEWTONOWSKIEGO JEST

RÓWNANIE NAVIERA-STOKESA. JEST TO UKŁAD

CZĄSTKOWYCH, NIELINIOWYCH RÓWNAŃ

RÓŻNICZKOWYCH POSTACI:

71

Gdzie: 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.

Metody obliczeń:

MES – metoda elementów skończonych

MRS – metoda różnic skończonych

MSO – metoda skończonych objętości

72

MES

Metoda Elementów Skończonych albo Metoda Elementu Skończonego (MES, ang. FEM, finite-element 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.

73

MRS

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.

74

2014-12-20

12

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 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

77

CFD -ZALETY

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.

78

GŁÓWNE ZASTOSOWANIA

Badania kosmiczne/obronność

opływy okrętów podwodnych, samolotów,

wentylacja kabin i pomieszczeń,

zbiorniki paliwa, rurociagi,

79

PRZYKŁADY PROGRAMÓW CFD

80

ANSYS (Fluent) – UK

Comsol – USA,

Foam CFD – Chorwacja

Flotherm

SmartFine

CFD2000 – Adaptive Research , USA

Matlab, Labview, Simulink, FEM, Opera

2014-12-20

13

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

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

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

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