2014-12-20
1
WPROWADZENIE DO WSPÓŁCZESNEJ
INŻYNIERII
dr inż. Grzegorz Raniszewski
p. 121c + LSN (piwnica)
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
Top Related