Nauka od podstaw

Potencjał chemiczny

Potencjał chemiczny  jest to pochodna cząstkowa energii wewnętrznej po liczbie cząstek, przy stałej objętości i entropii układu. Oznaczany jest przez μ {\displaystyle \mu }  µ lub μ .. Może być również definiowany jako pochodna cząstkowa innej funkcji stanu: entalpii, energii swobodnej czy entalpii swobodnej po liczbie cząstek, przy czym pochodna jest obliczona przy zachowanych innych parametrach: ciśnieniu czy też temperaturze. W temperaturze bliskiej zeru potencjał chemiczny fermionów utożsamiamy z energią Fermiego. Jest to energia graniczna; stany o energii niższej są zajęte przez fermiony (np. elektrony), stany o energii wyższej są wolne.

 

Potencjał chemiczny jest wielkością intensywną, tzn. niezależną od masy substancji. Jednostką potencjału chemicznego jest [J·mol-1]. Potencjał chemiczny substancji czystej jest równy jej entalpii swobodnej. Potencjał chemiczny dla gazu zależy od ciśnienia tego gazu, dla roztworów od aktywności danego składnika. Jeżeli w układzie nie zachodzą żadne przemiany fazowe oraz T=const i p=const, to oznacza, że potencjał chemiczny każdego składnika układu we wszystkich fazach jest jednakowy.


Metoda CVD (Chemical Vapour Deposition)

                Chemiczne osadzanie z fazy gazowej  metoda obróbki cieplno-chemicznej materiałów. Służy do nanoszenia cienkich powłok na obrabiany materiał w celu polepszenia albo zmiany właściwości fizycznych, chemicznych lub mechanicznych powierzchni obrabianego materiału. CVD znalazło obecnie wiele zastosowań praktycznych do otrzymania cienkich warstw na rożnych podłożach (materiałach). W tradycyjnym rozwiązaniu są to tzw. niewspomagane metody CVD, które są prowadzone zazwyczaj przy ciśnieniu atmosferycznym. Tradycyjne metody CVD wymagają stosowania wysokich temperatur koniecznych do rozkładu gazowych reagentów.

Zakres temperatury CVD:

  • tradycyjne metody CVD: 800 - 1000°C,
  • nowoczesne metody CVD: 500 - 700°C,
  • nowoczesne techniki CVD: <800°C (temperatura procesu-substratu),
  • 450°C - temperatura osadzania nanowarstw.

Etapy procesu CVD:

1.      Transport substratów (wymuszona konwekcja) do komory.

2.      Transport substratów (dyfuzja) ze strumienia gazu do podłoża.

3.      Adsorpcja substratów na podłożu.

4.      Procesy powierzchniowe (dekompozycja substratów lub reakcje, migracja, wiązanie z podłożem).

5.      Desorpcja produktów ubocznych reakcji.

6.      Transport produktów (dyfuzja) do strumienia gazu z podłoża.

7.      Transport produktów (wymuszona konwekcja) z komory

Techniki otrzymywania powłok CVD

·         Technika MOCV

·         Technika PACVD

·         Technika LCVD

·         Technika VPE


Interferencja światła

 

Interferencja jest to zjawisko polegające na nakładaniu się dwóch lub więcej fal, czego efektem jest tworzenie się w przestrzeni nowego rozkładu fal- trwałego lub zmiennego w czasie. Warunkiem trwałej interferencji fal jest ich spójność, czyli korelacja faz i równości częstotliwości. Interferencja jest zależna od odbicia fali, ponieważ faza fali padającej na granicy dwu ośrodków może zmienić się na przeciwną. W optyce dotyczy to sytuacji gdy światło odbija się od ośrodka o większym współczynniku załamania. Wtedy zamiast o zmianie fazy mówimy o zmianie drogi optycznej o pół długości fali.  Natomiast w akustyce ma to miejsce, gdy fala dźwiękowa odbija się od ośrodka w którym odporność falowa jest większa niż w ośrodku w którym fala się rozchodzi. 

 

Z lewej interferencja fal będących w tej samej fazie, z prawej – w przeciwfazie

Fale w wyniku nałożenia oddziałują ze sobą - fala wynikowa może być względem fal z których powstała:

  • wzmocniona,
  • wygaszona ("wytłumiona"),
  • w jednych miejscach wzmocniona a w innych wygaszona.

Zjawisko interferencji zachodzi zarówno dla fal mechanicznych, jak i świetlnych.

Zastosowanie praktyczne interferencji fal:

 Najnowsze prace nad telefonia komórkowa trzeciej genracji (UMTS) doprowadziły do powstania idei nowej anteny opierającej swoją zasadę działania na interferencji fal. Jeżeli zamiast jednego nadajnika, umieści się kilka w pewnej odległości od siebie, to fale zaczynają się nakładać. W efekcie stara komórka sieci komunikacyjnej dzieli się na kilka obszarów, w których niezależnie można przekazywać sygnały. Antena tego typu określana jest jako antena adaptacyjna. 


Metoda PVD (Physical Vapour Deposition)

Metoda PVD polega na fizycznym osadzaniu warstwy z powłoki gazowej, w celu zwiększenia twardości materiału. Naniesiona warstwa zazwyczaj o grubości 3-5 µm, posiada bardzo dużą twardość, najczęściej w granicach 2000-3000 HV, co znacznie zwiększa odporność narzędzi na ścieranie.  Proces PVD prowadzony jest w warunkach wysokiej próżni ze względu na zapewnienie odpowiednio długiej drogi swobodnej cząsteczce gazu. Gaz materiału osadzanego krystalizuje na podłożu, wiążąc się siłami adhezji. Z tego względu połączenie powłoka-podłoże ma charakter adhezyjny i zależy od czystości podłoża.

Proces PVD składa się z 3 etapów :

  • otrzymywanie par nanoszonego materiału
  • transport par na drodze źródło - podłoże
  • wzrost warstwy z zaabsorbowanych cząstek

Aby uzyskać odpowiedni przebieg procesu temperatura podłoża powinna być niższa od temperatury źródła par.

Odmiany PVD:

  • ARE - aktywowane reaktywne naparowanie przy użyciu działa elektronowego,
  • BARE - aktywowane reaktywne naparowanie przy użyciu działa elektronowego z ujemną polaryzacją podłoża,
  • ICB - reaktywne nanoszenie ze zjonizowanych klastrów.

Rodzaje wiązań chemicznych

Wyróżniamy następujące rodzaje wiązań chemicznych:

- jonowe,

- kowalencyjne (atomowe),

- metaliczne,

- wtórne (van der Waals’a).

Wiązania jonowe tworzą się dzięki przejściu jednego lub więcej elektronów od atomu jednego pierwiastka do atomu drugiego pierwiastka. Powstałe w ten sposób jony przeciwnych znaków tworzą ciało stałe dzięki elektrostatycznemu (kulombowskiemu) przyciąganiu się jonów przeciwnych znaków. Siły przyciągania między jonami przeciwnych znaków nie są kierunkowe, dlatego głównym czynnikiem decydującym o ułożeniu jonów w materiale jest wielkość jonów. Wiązania jonowe występują np. w krysztale chlorku sodu.

Wiązanie kowalencyjne polega na tworzeniu się wspólnych par elektronów należących jednocześnie do dwóch sąsiadujących ze sobą atomów. Wiązania te są kierunkowe, a materiały z takimi wiązaniami charakteryzują się małymi liczbami koordynacyjnymi (liczbami najbliższych atomów lub jonów). Wiązania kowalencyjne występują np. w kryształach diamentu.

Wiązanie metaliczne dominuje w metalach i polega na uwspólnianiu elektronów walencyjnych tworzących gaz elektronowy we wnętrzu materiału. Bezkierunkowa natura wiązań metalicznych powoduje, że liczby koordynacyjne dla metali są duże. Znaczna swoboda w poruszaniu się elektronów walencyjnych tworzących gaz elektronowy powoduje, że cechą charakterystyczną metali jest duża przewodność elektryczna i cieplna.

Wiązania wtórne tworzą się dzięki elektrostatycznemu przyciąganiu się dipoli elektrycznych zarówno trwałych, jak i chwilowych. Przyciąganie powstaje wskutek asymetrycznego rozkładu dodatnich
i ujemnych ładunków w obszarze każdego atomu lub cząsteczki. Wiązania wtórne występują
np. w polimerach i gazach szlachetnych.

Wpis przygotowany na podstawie książki „Wstęp do inżynierii materiałowej” Marka Blicharskiego.


Elementy krystalografii

Materiały inżynierskie ze względu na sposób ułożenia w nich atomów lub jonów można podzielić na krystaliczne i amorficzne. Podstawową cechą struktury krystalicznej jest to, że atomy są ułożone w okresowo powtarzających się odstępach w co najmniej trzech nierównoległych i nie leżących w jednej płaszczyźnie kierunkach. Dlatego przy opisie struktury krystalicznej wystarczy rozważać jedynie powtarzający się wzorzec czyli komórkę elementarną.

Komórka elementarna to wybrany w sieci punktowej, zwykle najmniejszy, równoległościan o symetrii takiej samej jak symetria całej sieci, którego powtarzanie w trzech wymiarach, ściana do ściany, odtwarza całą sieć punktową.

Wszystkie struktury krystaliczne można podzielić na siedem układów krystalograficznych, różniących się kształtem komórek elementarnych. Przy opisie struktur krystalicznych używa się również sieci punktowych.

Sieci punktowe (sieci Bravais’ego) to czternaście możliwych sieci przestrzennych, w których punkty sieciowe mają identyczne otoczenie atomów, jonów lub cząsteczek w strukturze krystalicznej.

W sieci przestrzennej można określić położenie poszczególnych punktów sieciowych oraz wskaźniki kierunków i płaszczyzn sieciowych (wskaźniki Millera).

W celu ustalenia wskaźników płaszczyzny należy:

- określić długość odcinków odciętych na osiach układu współrzędnych przez rozpatrywaną płaszczyznę,

- podać odwrotność tych odcinków,

- zredukować odwrotności długości odcinków do najmniejszych liczb całkowitych.

Do opisu sieci przestrzennej używa się również następujących parametrów:

- liczba koordynacyjna – jest to liczba najbliższych sąsiadów danego węzła,

- gęstość upakowania – stosunek objętości zajętej przez atomy zawarte w komórce elementarnej do objętości komórki,

- liczba atomów w komórce,

- współczynnik upakowania.


Klasyfikacja materiałów inżynierskich

 

Materiały inżynierskie to ciała stałe, o właściwościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów.

 

Materiały inżynierskie dzielimy na następujące grupy:

-        metale,

-        ceramiki,

-        polimery,

-        kompozyty.

Metale – podstawowe właściwości:

-        posiadają wiązanie metaliczne,

-        dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,

-        dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności (opór elektryczny zwiększa się
z podwyższeniem temperatury),

-        połysk metaliczny, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni,

-        plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

Ceramiki – podstawowe właściwości:

-        materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych,

-        wysoka temperatura topnienia,

-        wysoka twardość i wytrzymałość na ściskanie,

-        dobra odporność na korozję,

-        duża kruchość,

-        niska rozszerzalność cieplna,

-        niska przewodność cieplna i elektryczna.

Polimery – podstawowe właściwości:

-        materiały organiczne złożone głównie ze związków węgla (przewaga wiązań wodorowych
i van der Waalsa),

-        mała gęstość,

-        słabo odbijają światło,

-        zazwyczaj są przezroczyste,

-        nieodporne na działanie wysokiej temperatury,

-        dobra odporność na korozję,

-        niska przewodność cieplna i elektryczna.

Kompozyty składają się z co najmniej dwóch komponentów różniących się rodzajem i składem chemicznym (powstają z połączenia wyżej omówionych rodzajów materiałów). Jeden
z komponentów stanowi osnowę, natomiast drugi – rdzeń. Kompozyty wytwarzane są w celu otrzymania materiału o lepszych właściwościach niż jego poszczególne składniki.

Ze względu na rodzaj osnowy kompozyty dzielimy na:

-        kompozyty metaliczne,

-        kompozyty ceramiczne,

-        kompozyty polimerowe.

  

Podstawowe grupy materiałów inżynierskich(L.A. Dobrzański ,Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo)

 


 

Fizyka w piłce nożnej

Specjalnie dla fanów piłki nożnej przygotowaliśmy kilka słów na temat zjawisk fizycznych obserwowanych od czasu do czasu na boisku.

Jak to jest, że  podkręcona piłka potrafi w locie zmienić swój tor ruchu? Otóż, wszystkiemu „winne” są zjawiska fizyczne. Gdyby piłka się nie kręciła, powietrze opływałoby ją z taką samą prędkością z obu stron. Jednak obracająca się piłka porywa sąsiadujące z jej powierzchnią cząsteczki powietrzai zagarnia je w jedną stronę. Oznacza to, że powietrze przepływa szybciej po tej stronie, po której ruch powierzchni piłki jest zgodny z ruchem powietrza, a wolniej po stronie, po której ruch powierzchni piłki jest przeciwny ruchowi  powietrza. Ta różnica w prędkości opływu powietrza powoduje, że po tej stronie, po której powietrze szybciej opływa piłkę ciśnienie jest  niższe (wynika to z prawa Bernoulliego). Różnica ciśnień powoduje powstanie siły skierowanej od strony wyższego ciśnienia w kierunku niższego. Jest to tzw.  siła Magnusa. Jednak siła Magnusa występuje jedynie dla ciał poruszających się z małymi prędkościami, gdzie ruch powietrza jest uporządkowany (laminarny). Dla większych prędkości ruch powietrza staje się turbulentny i siła Magnusa nie wpływa już na zmianę kierunku ruchu piłki. Ma to miejsce przy prędkościach około 100 km/h, czyli takich, z jakimi początkowo może poruszać się piłka po kopnięciu. Jednak należy pamiętać, że na kopniętą piłkę działa siła oporu powietrza, która spowalnia jej lot do prędkości, przy której siła Magnusa zaczyna odgrywać znaczącą rolę. To właśnie wtedy piłka nagle skręca i pozostawia bramkarza bez szans do obronienia pięknego, pełnego fizyki strzału.


Układy mikroelektromechaniczne

 

Układy mikroelektromechaniczne (MEMS, ang. microelectromechanical systems) to technologie wytwarzania bardzo małych urządzeń. W nanoskali przechodzą w NEMS (nanoelectromechanical systems) i nanotechnologię.

MEMS wyraźnie odstają od popularnej wizji molekularnej nanotechnologii. Tworzone są z części o wielkościach od 1 do 100 μm a wielkości urządzeń MEMS mieszczą się zazwyczaj w przedziale od 20 μm do 1 mm. W większości przypadków składają się z jednostki centralnej, która przetwarza dane (mikroprocesor) i kilku części oddziałujących z otoczeniem jak mikrosensory.

Dla tak małych rozmiarów fizyka klasyczna nie zawsze jest użyteczna. Z powodu dużego stosunku powierzchni do objętości tych układów, efekty powierzchniowe, jak elektrostatyka, dominują nad efektami objętościowymi, jak inercja.

Podstawowe materiały, z których wytwarza się MEMS to krzem, polimery, metale (np. złoto, nikiel), ceramika (m. in. azotki krzemu,aluminium i tytanu, węgliki krzemu).

Podstawowe procesy wykorzystywane do produkcji MEMS:

·         procesy osadzania

o        fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)

o        chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD)

·         litografia

o        elektronolitografia

o        litografia wiązką jonów

o        rentgenolitografia

·         wytrawianie

o        wytrawianie izotropowe

o        wytrawianie anizotropowe (zachodzące z różną prędkością w różnych kierunkach)

o        wytrawianie kwasem fluorowodorowym

o        wytrawianie elektrochemiczne

Zastosowania układów MEMS:

·         akcelerometry (samochodowe, do urządzeń elektronicznych)

·         żyroskopy

·         mikrofony w przenośnych urządzeniach

·         czujniki ciśnienia

·         optyczne przełączniki


Najważniejsze stałe fizyczne

 

W tabelce przedstawiamy najważniejsze stałe fizyczne, bez których trudno funkcjonować na zajęciach.


 

Jednostki energii

Elektronowolt to pozaukładowa jednostka energii stosowana w fizyce atomowej, jądrowej, cząstek elementarnych, ciała stałego czyli wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia ze zjawiskami na poziomie atomowym. Elektronowolt  jest energią kinetyczną, którą osiąga cząstka o ładunku elementarnym przyspieszona różnicą potencjałów 1V.

 1 eV = 1,602*10-19 J (dżul)

Przypomnijmy, że dżul (1J) to praca wykonana przez siłę o wartości 1 N przy przesunięciu punktu przyłożenia siły o 1 m w kierunku równoległym do kierunku działania siły.

1 J = 1 N* m

 

Uwaga!

Jednostką momentu siły  jest N*m Iloczyn niutona i metra to w układzie SI dżul, jednak – aby nie wprowadzać nieporozumień – jednostkę momentu siły nazwano niutonometrem (N · m) i nie zastępuje się jej dżulem.

 

Problem ten wiąże się z tym, że praca definiowana jest jako iloczyn skalarny siły i przemieszczenia, natomiast moment siły to iloczyn wektorowy siły i ramienia.


 

Podstawowe nanostruktury:

 

Studnia kwantowa - struktura dwuwymiarowa, tzn. że ruch elektronów odbywa się w dwóch wymiarach (mówi się wtedy o tzw. gazie dwuwymiarowym). Ruch elektronów ograniczony jest w jednym kierunku (najczęściej z).

 

Drut kwantowy - struktura, w której elektrony poruszają się tylko w jednym kierunku, a ruch w pozostałych kierunkach jest niemożliwy (ruch jest skwantowany w tych kierunkach). Elektron tutaj porusza się w przestrzeni jednowymiarowej. Elektrony w drucie kwantowym tworzą gaz jednowymiarowy.

 

Kropka kwantowa - struktura, w której ruch elektronu ograniczony jest we wszystkich trzech kierunkach. Elektrony uwięzione w kropce kwantowej stanowią zerowymiarowy gaz elektronowy.


 

Niuton i czekolada

Niuton to jednostka siły oznaczana N.

Jeden niuton jest to siła, która jednemu kilogramowi nadaje przyspieszenie o wartości 1 m/s2.

1N=1kg*m/s2

Jednak trudno jest wyobrazić sobie siłę 1 niutona czytając podstawową definicję.

Dlatego warto wiedzieć, że jeden niuton to w przybliżeniu siła z jaką Ziemia przyciąga przedmiot o masie 100g, np. zwykłą tabliczkę czekolady.


 

Co to znaczy nano?

Nano to przedrostek jednostki miary o symbolu n oznaczający rząd wielkości równy 10-9.

Ale jak to wytłumaczyć osobie, której zwrot „dziesięć do minus dziewiątej” niewiele wyjaśnia?

Spróbujmy rozwiązać ten problem posługując się jednostką długości – nanometrem.

1)      Wyobraź sobie np. metalowy pręt o długości jednego metra.

2)      Podziel go w wyobraźni na miliard części.

3)      Jedna miliardowa długości pręta to właśnie nanometr.

Za trudne do wyobrażenia? Spróbujmy jeszcze raz.

1)      Wyobraź sobie ponownie np. metalowy pręt o długości jednego metra.

2)      Podziel go w wyobraźni na milion części.

3)      A teraz taką jedną milionową część podziel jeszcze na tysiąc części.

4)      Otrzymany w ten sposób kawałek pręta ma długość  1nm.

Polski