Kada proučite sadržaje ove jedinice moći ćete:
Povezati suvremene procese s materijalima koji ih omogućuju.
Povezati mikroskopska svojstva i strukturu materijala s njihovim svojstvima i funkcijom.
Upoznati materijale za pretvorbu i skladištenje energije.
Opisati načine djelovanja senzorskih materijala.
Opisati mehanizme vodljivosti u poluvodičima, te načine ugađanja svojstava.
Prepoznavati okolišno relevantne materijale i procese.
Kritički vrednovati utjecaj suvremenih materijala na čovjeka i okoliš.
Identificirati sve karike u tehnološkim lancima primjene materijala, od proizvodnje do odlaganja otpada.
Izvoditi pokuse i interpretirati eksperimetalne podatke
Rješava zadatke koristeći se znanjem matematike, fizike i kemije
Interpretira različite vrste brojčanih, tabličnih i grafičkih podataka te prenosi jednu vrstu prikaza u drugu
Uvod
Jasno je da svaki materijal ima jednu ili više funkcija. No, postoje materijali koji posjeduju neka naročita svojstva, npr. feromagnetizam, feroelektričnost, piezoelektričnost, optička svojstva, anizotropna svojstva (svojstva koja su ovisna o smjeru u odnosu na kristalne osi) ili svojstva pogodna za pohranu energije.
Takve materijale možemo naći u svim tradicionalnim klasama, dakle postoje funkcionalne keramike, metali, polimeri ili funkcionalne organske molekule. Ti materijali su omogućili razvoj suvremenih tehnologija za konverziju i pohranu energije, te u elektronici i sl.
Ovdje ćemo se upoznati samo s nekim skupinama funkcionalnih materijala. Učenik treba biti svjestan da ih ima znatno više, te ga pozivamo da se s njima pobliže upozna pretraživanjem dostupne stručne literature.
Feromagnetski materijali
Najpoznatiji feromagnetski materijal je, naravno željezo. Međutim, provedimo jedan pokus.
1. pokus
Termička ovisnost feromagnetičnosti željeza
PročitajKristali feromagnetika se sastoje od područja (domena) u kojima su spinski magnetski momenti atoma već unaprijed orijentirani. Svaka pojedinačna domena je zato izvor jakog magnetskog polja. Izvan magnetskog polja su spinovi različitih domena orijentirani u različitim smjerovima.
U vanjskom magnetskom polja dolazi do preorijentacije domena, tako da su sad svi spinovi jednako usmjereni te govorimo o trajnoj magnetizaciji.
Feromagnetičnost jako ovisi o temperaturi. Na visokim temperaturama dolazi do faznog prijelaza, narušava se struktura domena i tvar prestaje biti feromagnetična.
Slika 1.
Feromagnetizam.
Feromagnetizam je svojstvo kristalne rešetke nekih metala. Možemo zamisliti da se feromagnetični metali sastoje od domena, u kojima su spinovi elektrona usmjereni u jednom smjeru, ali usmjerenosti elektrona se među domenama razlikuju. U magnetskom polju se elektroni u svim domenama usmjere uzduž polja.
Najznačajniji feromagnetici su: željezo, kobalt, alnico (legura aluminija, nikla i kobalta) i magnetit FeO·Fe2O3. Osim njih, u novije doba su postali vrlo popularni feromagnetici na bazi lantanida, npr. neodimijevi magneti Nd2Fe14B, ali i amorfni feromagnetici s vrlo brzim odzivom na vanjsko polje.
Feromagnetici se koriste gdje god su potrebni jaki magneti. U svakodnevnom životu ih nalazimo u zvučnicima, elektromotorima te različitim sustavima za otvaranje i zatvaranje, a donedavno smo se široko služili magnetskim memorijskim trakama. Posebni elektromagneti s feromagnetskom jezgrom koriste se i u oftalmologiji. Pomoću njih se mogu izvaditi sitnija strana tijela iz dubine oka.
Donedavno su magnetske vrpce bile gotovo jedino sredstvo za memoriranje podataka na računalima, osobito središnjima (mainframe).
Slika 2.
Središnja računala
Središnja računala, kao što su serveri i superračunala za obradu velikih količina podataka, donedavno su gotovo isključivo koristili magnetske vrpce za pohranu podataka.
Magnetska vrpca se koristila za pohranu računalnih podataka, ali i kao magnetofonski nosač zvuka. Radi se o plastičnoj vrpci koja je premazana tankim slojem feromagnetskog materijala, najčešće Fe3O4. Prva takva vrpca je izrađena davne 1928. godine, ali zbog velike pouzdanosti, takve trake su se donedavno široko koristile u središnjim računalima, a i danas su podaci na mnogim serverima pohtranjeni na tom mediju.
Tzv. kazete su manja verzija magnetskih vrpci. Bile su jednostavnije za upotrebu zbog kompaktnosti izvedbe, omogućene zatvaranjem same vrpce u plastičnu kutiju (kazetu). One su se najčešće koristile kao nosač zvuka, ali u cijeloj jednoj generaciji osobnih računala je upravo to bio glavni memorijski medij.
Savitljivi (floppy) diskovi su, slično kao i vrpce, izrađeni od plastične folije premazane feromagnetskim materijalom. No, pločasta geometrija je omogućila puno brže preskakanje na razičite domene, pa time i brže očitavanje podataka. Prvu verziju, nastalu 1971., su činili diskovi promjera 8 inča (8''), a kapacitet im je bio 8 kB, kasnije povećan do 800 kB i konačno do 1 MB u obostranoj verziji. Manja verzija floppy diska promjera 5,25'' se pojavila 1976. U početku joj je kapacitet iznosio 110 kB, da bi kasnije narastao do 1,2 MB.
Veliki floppy diskovi su bili vrlo osjetljivi na savijanje pa je sljedeći korak učinjen 1984. kad su se pojavili manji diskovi, zatvoreni u čvrste plastične kutije s metalnim pomičnim zaštitnim poklopcem samog diska. Promjer takvih disketa je bio 3'', a kapacitet 320 kB.
Sljedeća i najdugovječnija verzija su bile diskete promjera 3,5''. Također su se pojavile 1984. godine i praktički odmah istisnule 3'' izvedbu. U početku im je kapacitet iznosio 720 kB, da si 1987., tehnologijom visoke gustoće magnetskih domena, narastao do 1,44 MB. Brzina očitavanja je iznosila 14,400 kbit/s. Iako vrlo rijetko, i danas ih možemo susresti.
Tvrdi diskovi su magnetske memorije vrlo velikog kapaciteta i brzine očitavanja podataka. Pojavili su se 1956., a i danas se široko koriste, iako ih polako istiskuju nove memorijske tehnologije. Tvrdi disk se sastoji od nekoliko ploča izrađenih od nemagnetičnih materijala, najčešće legure aluminija i stakla. Te ploče su premazane tankim slojem feromagnetskog materijala (kobalta, oksida željeza, oksidi kroma i sl.) debljine 10 do 20 nm.
U početku im je kapacitet iznosio u to doba ogromnih 3,7 MB. Današnji tvrdi diskovi često pohranjuju nekoliko terabajta (TB) podataka, što znači da im je kapacitet narastao za milijun puta.
Piezoelektrični materijali
Piezoelektrični efekt (grč. piezo - gurati) je pojava stvaranja električnog naboja koji je induciran mehaničkom silom na površini posebno odrezanih kristala izolatora, koji nemaju centar simetrije. Tad se površine tog kristala suprotno nabijaju, pa kristal postaje električki polariziran.
Piezoelektrički efekt
Piezoelektrički materijal
Primijenimo li vanjsku silu na piezoelektrički materijal, čije su suprotne površine povezane vodičem, poteći će struja. To je piezoleketrički efekt.
Na sljedećim slikama ćemo ga razmotriti na mikroskopskoj razini.
Struktura piezoelektrika
Piezoelektrički materijali su kristali u kojima su ioni raspoređeni nesimetrično. To znači da kristal nema centar simetrije, te da molekule, od kojih je kristal sačinjen, imaju stalni dipolni moment. Odrežemo li takav kristal po određenim ravninama, te ravnine će biti električki nabijene, tako da cijeli kristal ima stalni dipolni moment. Naboj na površinama će biti kompenziran ionima iz okoline.
Primjena sile na piezoelektrik
Deformiramo li taj kristal primjenom vanjske sile, koja djeluje okomito u odnosu na nabijene ravnine, dolazi do promjene dipolnog momenta molekula u kristalu, što posljedično uzrokuje i promjenu dipolnog momenta cijelog kristala, pa poteče struja.
Primjena napona na piezoelektrik
Primijenimo li vanjski napon na piezoelektrik, uočit ćemo obrnuti efekt. Naime, kristal će narasti po osi uzduž vektora dipolnih momenata molekula. To se događa jer električno polje inducira dodatni dipolni moment suprotno smjeru silnica električnog polja. S obzirom na to da sustav iona teži poništavanju ukupnog dipolnog momenta, dolazi do širenja elementarnih ćelija kristala, dakle do mehaničke deformacije.
Najpoznatiji piezoelektrik je kvarc, a s piezoelektričnim elementima od kvarca se susrećete u svakodnevnom životu. Takvi piezoleketrični elementi se koriste u upaljačima i mnogim drugim uređajima koji se nalaze u kućanstvu, a u kojima nam je potrebna brza i precizna pretvorba mehaničke u električnu energiju. Na mnogim satovima možete vidjeti natpis "Quartz". To znači da se mjerenje vremena na takvim satovima precizno ugađa vibracijama piezoelektričnog kristala kvarca.
Piezoelektrici imaju vrlo brz odziv na električno polje ili vanjsku mehaničku silu, brži od većine drugih materijala. To širom otvara vrata mnogim primjenama takvih materijala.
Piezoelektričke materijale možemo podijeliti na:
- monokristalne – predstavnici su kvarc, litijev niobat, litijev tantalid, amonijev dihidrogensulfat, monohidrat litijevog sulfata i Rochellova sol;
- piezoelektrične keramike– predstavnici su barijev titanat (BaTiO3), olovov titanat (PbTiO3), olovov cirkontitanid (PbZrx Ti1-xO3 ili PZT), olovov-lantanov titanid (Pb1-xLax(ZryTi1-y)1-x/4O3 ili PLZT), te olovov-magnezijev niobid (PbMg1/3Nb2/3O3 ili PMN)
- polimerni piezoelektrici – predstavnici su polivinidilenski fluorid (PVDF), kopolimer polivinidilenskog fluorida i trifluoretilena (P(VDF-TrFE)), te neparni najloni, npr. najlon-11
- kompozitni piezoelektrici na bazi polimera i keramika
1. riješeni primjer
1. tablica
F / N | 90 | 270 | 450 | 630 | 810 | 1000 | 1170 | 1350 | 1500 | 1650 | 1800 |
U / V | 0,09 | 0,30 | 0,44 | 0,65 | 0,83 | 1,00 | 1,20 | 1,40 | 1,53 | 1,70 | 1,84 |
Izradak:
Podatke prikazane u tablici možemo prikazati grafički:
Grafički prikaz podataka iz tablice
Vidimo da mjereni podaci prate linearnu ovisnost pa ih zato možemo uskladiti s pravcem , s time da je odsječak na ordinati b = 0:
Pravac usklađen s mjernim podacima
Usklađivanjem pravca s mjernim podacima, dobivamo vrijednost koeficijenta smjera:
a = 0,00102 V N-1
Prema tome, pripadna jednadžba pravca glasi:
U = 0,00102 V N-1 · F
ili
Uvrstimo li vrijednost izlaznog napona pri vaganju osobe, dobivamo:
F = 920,6 N
To je težina osobe, dakle F = mg. Ako je g = 9,81 m s-2, onda je masa osobe:
m = 93,8 ≈ 94 kg
Poluvodiči
Slika 3.
Poluvodički materijali
Poluvodički materijali su omogućili vrtoglav razvoj elektronike, tako da možemo reći da su ti materijali oblikovali suvremeni svijet kakvoga znamo. Zaprovo je to velika i vrlo raznolika skupina materijala, čija se svojstva mogu vrlo precizno ugađati prema potrebama.
Ipak, svima im je zajednički osnovni mehanizam vodljivosti, koji ovisi o raspodjeli energijskih razina u atomima od kojih se poluvodič sastoji.
U elektronici silicij je najčešće korišteni poluvodički materijal. Atomi silicija imaju po četiri valentna elektrona. Vežu se međusobno u dijamantnu kristalnu strukturu, s rasporedom u kojem je svaki atom okružen s četiri susjedna atoma.
Energijske razine poluvodiča
Valentna energijska razina je od vodljive u poluvodičima razmaknuta nekom energijskom razlikom Eg. To ih razlikuje od metala-vodiča, u kojima su valentna i vodljiva razina međusobno stopljene ili od izolatora, u kojima je ta razlika velika.Energija koja je potrebna elektronu da pređe iz popunjene valentne razine u nepopunjenu vodljivu nije velika, pa je zato i dostupna u normalnim uvjetima.
Elektroni, dakle, popunjavaju valentne razine, ali lagano prelaze u vodljive razine, koje su prazne, dakle šupljine. Vodljivost se u poluvodičima odvija tako da elektron "šeta" od jedne do druge vodljive šupljine.
Dopiranje poluvodiča
Dopiranjem poluvodičkih materijala mogu se znatno promijeniti njihova svojstva, što znači da ih tako možemo precizno ugađati. Na primjer, unesemo li u čisti silicij elektronima bogatije (peterovalentne) arsenove atome, oni će povećati brojnost elektrona u sustavu, pa zato i u vodljivim razinama. Koncentracija šupljina je u tako dopiranim (ciljano onečišćenim) poluvodičima znatno manja od koncentracije elektrona. S obzirom na to da su elektroni negativno nabijeni, takvi su poluvodiči N-tipa.
Obrnuto, dopiramo li silicij nekim trovalentnim atomima, npr borom, u sustavu ćemo imati manjak elektrona u valentnim razinama. Koncentracija šupljina u tako dopiranim poluvodičima je znatno veća od koncentracije popunjenih valentnih vrpci i to su poluvodiči P-tipa.
Spojimo li ta dva poluvodiča, elektroni će prelaziti iz N- u P-tip.
Supravodiči
Supravodiči su tvari koje na niskim temperaturama provode električnu struju bez otpora. Osim toga, iznad njihove površine će magnet levitirati, što nazivamo Meissnerovim efektom.
Slika 4.
Meissnerov efekt omogućuje magnetu da levitira iznad supravodiča.
Supravodljivost je u potpunosti kvantnomehanička pojava i ne može se objasniti klasičnom fizikom.
Unatoč tome, supravodiči su u današnje vrijeme našli primjenu u vrlo jakim magnetima, koji su važan dio znanstvenih, ali i dijagnostičkih instrumenata. Također, lebdenje magneta nad supravodičem omogućilo je izgradnju superbrzih vlakova, koji putuju praktički bez trenja, tako da jedini otpor njihovom kretanju pruža zrak.
Video 1.
Levitacija supravodljivog materijala iznad magneta omogućuje postizanje velikih brzina, što se primijenjuje u superbrzim vlakovima.
Senzorika
Sva gore navedena svojstva materijala se danas široko primijenjuju u senzorici. U najširem smislu, senzori su uređaji ili dijelovi uređaja, koji omogućuju detekciju događaja ili promjena u okolišu. Oni pretvaraju mehanički ili kemijski podražaj u električni signal, koji se onda procesira. Tako npr. kemijski senzori daju informaciju o kemijskom sastavu okoliša. Zato se oni široko koriste u detekciji onečišćenja ili pristustva otrovnih tvari.
Danas se takvi senzori široko koriste u kontroli procesa, tehničke ispravnosti uređaja, u praćenju stanja okoliša, u svakodnevnom životu, ali i medicinskoj dijagnostici.
Vrlo je širok raspon dimenzija i izvedbi tih senzora, tako da pozivamo zainteresirane učenike da u vezi s time prouče izvore na internetu.
Materijali za pohranu i konverziju energije
Kad govorimo o konverziji i pohrani energije, zapravo govorimo o ogromnom broju vrlo raznolikih tehnologija, pa onda i materijala, koji se međusobno jako razlikuju po fizičkim, kemijskim i strukturnim svojstvima.
No, što se tiče pretvorbe (konverzije) energije, ograničit ćemo se na fotonaponske ("solarne") tehnologije. Među materijalima, tu danas prednjači silicij, ali i noviji tipovi materijala, kao što su nanokompoziti na temelju TiO2 ili ZnO, tankoslojni materijali, perovskiti, organski spojevi osjetljivi na boje itd.
Materijali za fotonaponske tehnologije
Nanočestice titanovog dioksida
TiO2
Nanočestice cinkovog oksida
ZnO
Kompozitni slojeviti materijali
Kompozitni slojeviti materijali mogu kombinirati dvodimenzionalne vodiče, poluvodiče i izolatore. Ovdje je prikazan primjer kompozita grafena (vodiča), čija je formula C i molibdenovog dioksida (poluvodiča), MoS2.
Perovskiti
Perovskiti su skupina materijala koji su izostrukturni prirodnom perovskitu, kalcijevom titanatu CaTiO3. Za fotonaponske tehnologije najčešće se razmatraju hibridni organsko-anorganski olovovi ili kositrovi halidi perovskitne strukture, npr. CH3NH3MX3 (M = Pb ili Sn; X = Cl, Br ili I).
Organski spojevi s pojačanom osjetljivošću na boje
Fotonaponski sustavi koji sadrže organske spojeve s pojačanom osjetljivošću na boje su hibridni materijali, koji se sastoje od organskih spojeva s proširenim konjugiranim π-sustavom i nekog anorganskog materijala, npr. TiO2 ili ZnO koji pojačava osjetljivost na svjetlost.
Energija se može pohranjivati na više načina, ali najvažniji kemijski sustavi koji se danas intenzivno razvijaju su baterije te sustavi za kemijsku pohranu vodika u čvrstom stanju.
Video 2.
Pohrana energije
Među baterijama su danas najvažnije litijeve baterije, za koje je 2019. dodijeljena i Nobelova nagrada iz kemije. One sadrže litijeve ione između slojeva nekih dvodimenzijskih materijala. Razvoj se temelji na unapređivanju tih materijala i njihovoj hibridizaciji s poroznim matricama i slično.
Što se tiče pohrane vodika, razvijeni su mnogi efikasni materijali, među kojima su najistaknutiji intermetalni spojevi. Međutim, danas je naglasak na razvoju sustava temeljenih na laganim i široko dostupnim kemijskim elementima.
Slika 5.
Obnovljivi izvori energije
Problemski zadatak
Radom u skupini, služeći se stručnom literaturom i mrežnim stranicama, priredite kraći izvještaj u nekom prezentacijskom alatu, kojim ćete prezentirati odgovore sljedećih zadataka.
1. zadatak
Istražite koji je danas najefikasniji materijal za konverziju sunčeve energije. Koje su njegove prednosti, a koje su mane?
2. zadatak
Koje su prednosti, a koje mane litijevih baterija?
3. zadatak
Istražite koje se sve skupine spojeva u čvrstom stanju razmatraju za kemijsku pohranu vodika. Koje zahtjeve ti materijali moraju zadovoljiti?
Napredni optički materijali
Slika 6.
Optička vlakna
Optičkim vlaknima, koja omogućuju brz i pouzdan prijenos velikih količina podataka, danas je premrežen cijeli svijet.
Osim toga, napredni optički materijali su omogućili razvoj kakav donedavno nismo mogli ni zamisliti. Nemoguće je nabrojati sve primjene i genijalna rješenja, koja stalno nastaju i ulaze u naše živote. Zato ćemo dati pregled nekih od najvažnijih naprednih optičkih materijala:
Fotonički kristali su periodički nanomaterijali (nanomaterijali s periodički ponavljanom uređenom strukturom) koji mogu utjecati na fotone na sličan način kako ionske kristalne rešetke utječu na gibanje elektrona. Ti kristali se javljaju u prirodi, npr. na krilima leptira i drugih kukaca. No, za primjenu su znatno važniji sintetski fotonički kristali.
Nelinearni optički materijali imaju nelinearni odziv na električnu komponentu elektromagnetskog zračenja. Oni su nezaobilazni u laserskim tehnologijama.
Optički vodiči su materijali velikog indeksa loma, koji omogućuju prijenos svjetlosnog signala na velike udaljenosti. Zato i gubitci moraju biti mali, pa se zato ti materijali dopiraju nekim tvarima (obično nanočesticama prijelaznih metala), koji fluorescencijski pojačavaju signal.
Riješeni problem 3 - indeks loma
Materijali od kolijevke pa do groba – analiza životnog ciklusa
Svaki materijal ima svoj određeni životni ciklus. Da bismo ga proizveli, potrebne su nam sirovine, koje prerađujemo, a onda u nekom industrijskom procesu dobivamo željeni materijal, kojega onda ugrađujemo u konačne produkte. Ti produkti su nam korisni dok im konačno ne istekne rok upotrebe. Tada ih treba zbrinuti kao svaki drugi otpad.
Analizu cijelog životnog ciklusa materijala zovemo razmatranjem životnog ciklusa (Life Cycle Assessment - LCA). To je niz metoda koje primijenjujemo kako bismo o određenom materijalu doznali sve što možemo, kako bismo u konačnici znali kakav je njegov ukupni utjecaj na okoliš, i to u svim fazama njegove proizvodnje i primjene. Ta analiza nam daje i smjernice za unapređenje materijala s obzirom na njihovu ekološku prihvatljivost.
No, s ovom temom ćemo se susresti još nekoliko puta.
Služeći se infografikom, ponovite ključne pojmove ove teme.