Transcript NOWE MATERIAŁY - NANOMATERIAŁY DO ZASTOSOWAŃ W …

K.J.KURZYDŁOWSKI

NANOMATERIAŁY

MATERIAŁY DO ZASTOSOWAŃ
W MEDYCYNIE

DEGRADACJA MATERIAŁÓW
[email protected]
Politechnika Warszawska,
Wydział Inżynierii Materiałowej
Sieć „NOWE MATERIAŁY”
Sieć naukowa „NOWE MATERIAŁY – NANOMATERIAŁY DO
ZASTOSOWAŃ W TECHNICE I MEDYCYNIE” ściśle odpowiada
priorytetom 6 Programu Ramowego Unii Europejskiej, w szczególności
jest ona związana z 3 priorytetowym obszarem tematycznym (1.1.3) -
Nanotechnologie i nanonauka, wielofunkcyjne materiały oraz nowe
procesy i urządzenia produkcyjne. Sieć powstała we współpracy
naukowców z obszaru ogólnie rozumianej inżynierii materiałowej oraz
medycyny. Zasadniczym jej zadaniem jest stworzenie mechanizmów
współpracy między zespołami z zakresu inżynierii materiałowej,
biomechaniki, nauk biologicznych oraz medycznych.
2
Sieć „NOWE MATERIAŁY”
Cele:

Stworzenie możliwości szerszego udziału zespołów polskich w 6
Programie Ramowym UE (Projekty Zintegrowane, IP oraz Sieci
Doskonałości, NoE), poprzez:



integrację krajowych i zagranicznych zespołów badawczych
nawiązanie nowych kontaktów Sieci oraz wymiana w ujęciu europejskim
doświadczeń,
poprzez
wykorzystanie
dotychczasowych
powiązań
uczestników Sieci z ośrodkami Europejskich Centrów Doskonałości
Zbudowanie na bazie sieci krajowej sieci ogólnoeuropejskiej, działającej
w ramach Europejskiej Przestrzeni Badawczej (ERA)
3
Sieć „NOWE MATERIAŁY”
Cele:
 Wspomaganie rozwoju potencjału intelektualnego
materialnego polskich zespołów badawczych
oraz

Uzyskanie tzw. masy krytycznej grup badawczych, poprzez przyłączenie
wiodących zespołów naukowych zajmujących się nowoczesnymi
materiałami w sposobie ich projektowania, wytwarzania oraz
charakteryzowania

Wkład w budowanie gospodarki opartej na wiedzy w Polsce

Działania na rzecz gospodarki, poprzez udział innowacyjnych firm
sektora Małych i Średnich Przedsiębiorstw (MŚP)
4
List of research groups participating in
the Network
Universities

Chemical Sensors Research Group – CSRG
Department of Analytical Chemistry
Warsaw University of Technology
Prof. Zbigniew Brzózka

Department of Biophysics
Medical University of Warsaw
Prof. Małgorzata Lewandowska-Szumieł

Department of Materials Science
Faculty of Materials Engineering and Metallurgy
Silesian University of Technology
Prof. Jan Cwajna
Division of Precision and Electronic Product
Technology
Institute of Precision and Biomedical Engineering
Warsaw University of Technology
Prof. Zbigniew Drozd
Dr inż. Dionizy Biało
Mgr inż. Tadeusz Kulesza


Faculty of Chemistry
Rzeszow University of Technology
CoE - COMODEC
Prof. Henryk Galina
Prof. Barbara Dębska

Faculty of Materials Science and Ceramic
Krakow University of Mining and Metallurgy
Prof. Jerzy Lis
Prof. Chłopek
Prof. Rafał Pampuch
Rafał Filipek
Marek Danielewski

Faculty of Materials Science and Engineering
Warsaw University of Technology
NanoCentre
Prof. Tadeusz Kulik
Prof. Tadeusz Wierzchoń

Faculty of Metallurgy and Materials Science
University of Mining and Metallurgy (AGH)
Prof. A. Czyrska-Filemonowicz
Dr Tomasz Moskalewicz
5
List of research groups participating in
the Network
Universities

Institute of Applied Radiation Chemistry
Division of Applied Radiation Chemistry
Technical University of Łódź
CoE
Prof. Janusz M. Rosiak

Institute of Physics and Chemistry of Metals
University of Silesia
Prof. Henryk Morawiec

Institute of Materials Engineering
Technical University of Szczecin
Prof. Zbigniew Rosłaniec
Dr inż. Jolanta Baranowska
Walenty Jasiński

Institute of Materials Science and Applied Mechanics
Materials Recycling Centre of Excellence – MAREC
Polymer Engineering and Recycling Laboratory – PERLA
Wroclaw University of Technology
Dr Marek Kozłowski

Institute of Materials Science and Applied Mechanics
Technological University of Wroclaw
CoE – SGM&N
Prof. Krzysztof Maruszewski

Institute of Metal Cutting
University of Bielsko-Biala
CoE - CUPPT
Prof. Ewa Benko

Kielce University of Technology
Dr inż. Tadeusz Orzechowski

Marian Smoluchowski Institute of Physics
Jagiellonian University
Centre NANOSAM
Prof. Marek Szymoński

Institute of Metrology and Rodman Systems
Warsaw University of Technology
Adam Bieńkowski

University of Mining and Metallurgy, Krakow
Prof. Maria Richert
6
List of research groups participating in
the Network
Polish Academy of
Sciences

High Pressure Research Center, PAS
CoE
Prof. Witold Łojkowski
Prof. Bogdan Pałosz

Institute of Metallurgy and Materials Science PAS
(IMIM – PAS)
CoE - NAMAM
Dr Elżbieta Bielańska
Dr Jerzy Jura

Institute of Physical Chemistry, PAS
Centre for Photoreactive Materials - CPM
Prof. Jacek Waluk
Institute of Low Temperature and Structure Research,
PAS
Centre CELTAM
Dr Dariusz Kaczorowski
Piotr Wiśniewski

7
List of research groups participating in
the Network
R+D Units

Industrial Chemistry Research Institute
CoC – POLMATIN
Dr inż. Maria Zielecka
Dr inż. Krzysztof Bajdor

Institute of Applied Optics
CoE – COTMAST
Dr inż. Dariusz Litwin
Dr inż. Magdalena Szutkowska
Andrzej Włochowicz

Institute of Optoelectronics (IOE)
CoE - PHOTEC
Ewa Burdziakowska
Wojciech Skrzeczanowski
Dr Waldemar Mróz

Institute of Physical Chemistry
CoE – SURPHARE
Prof. Aleksander Jabłoński
Prof. Janusz Flis
Dr Iwona Flis-Kabulska

Institute of Precision Engineering
Integrated Technical and Quality Systems for Corrosion
Protection – CORPROT
Lech Kwiatkowski

Institute of Welding, Gliwice
Centre of Excellence - Polish Welding
Mgr Wanda Zeman
Dr Bogusław Czwórnóg
Mgr Marian Szubryt

Tele & Radio Research Institute (ITR)
CENELIN
Dr Krystyna Bukat
Dr Grażyna Kozioł
Dr Barbara Ślusarek

Rubber Research Institute „Stomil”
Centre of Competence for Rubber Industry
Dr Cezary Dębek
Marcin Sobczak
Leszek Pyskło
Wanda Parasiewicz

Ship Design and Research Centre
Dr Genowefa Szydłowska-Herbut
Mgr Jacek Chrzanowski
8
List of research groups participating in
the Network
R+D Units

CentrAl
Tomasz Stuczyński

Central Institute for Labour Protection (CIOP)
Prof. Danuta Koradecka
Małgorzata Gieraltowska
Dr inż. Grzegorz Owczarek
Dr Krzysztof Benczek

CMG KOMAG Gliwice
CoE - MECHSYS
Ilona Jerzok

Department of Material Modification
Andrzej Sołtan Institute for Nuclear Studies
Zbigniew Werner

Department of Radiation Chemistry and Technology (INCT)
Institute of Nuclear Chemistry and Technology
Izabella Legocka
Jacek Michalik
Dr Zbigniew Zimek

Institute of Natural Fibres
Prof. dr Ryszard Kozłowski
Prof. Przemysław Baraniecki
Dr Majka Władyka-Przybylak

Institute of Nuclear Chemistry and Technology
Dr Andrzej Deptuła

Institute for Ferrous Metallurgy
Roman Kuziak

Institute for Ferrous Metallurgy
Roman Kuziak

Institute of Natural Fibres
Prof. dr Ryszard Kozłowski
Prof. Przemysław Baraniecki
Dr Majka Władyka-Przybylak

Institute of Nuclear Chemistry and Technology
Dr Andrzej Deptuła

Institute of Catalysis and Surface Chemistry
Ewa Serwicka
Institute of Environmental Mechanics and Applied
Computer Science
Bydgoszcz University
Prof. Józef Kubik
Dr hab. M. Kaczmarek

9
Sieć „NOWE MATERIAŁY”
Koordynator Sieci
Sieć NMN powołana została z inicjatywy Centrów Doskonałości Wydziału
Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Koordynatorem Sieci jest
prof. zw. dr hab. Krzysztof Jan Kurzydłowski.
Podział Sieci na grupy tematyczne
Podsieć
Koordynator (NMN)
Sekretarz Naukowy (WIM)
Biomateriały
prof. Jan Chłopek
dr Małgorzata Lewandowska
Nanomateriały
prof. Krzysztof J.
Kurzydłowski
dr Katarzyna Konopka
Polimery
prof. Ludomir Ślusarski
dr Joanna Ryszkowska
Charakteryzowanie
prof. Jan Cwajna
Materiałów*
*- wraz z modelowaniem
dr Krzysztof Rożniatowski
10
Plan działania sieci naukowej „NOWE MATERIAŁY –
NANOMATERIAŁY DO ZASTOSOWAŃ W TECHNICE
I MEDYCYNIE” w okresie najbliższych 3 lat
Rok 2003
Termin wykonania
2003
2003
02. 2003
06. 2003
12. 2003
Zadanie
Realizacja zadań statutowych sieci
Organizacja seminariów, warsztatów i spotkań grup
tematycznych sieci
Aktualizacja strony internetowej sieci
Aktualizacja bazy danych uczestników sieci
Organizacja rocznego zjazdu uczestników
11
Plan działania sieci naukowej „NOWE MATERIAŁY –
NANOMATERIAŁY DO ZASTOSOWAŃ W TECHNICE
I MEDYCYNIE” w okresie najbliższych 2 lat
Rok 2004
Termin wykonania
2004
2004
02. 2004
06. 2004
12. 2004
Zadanie
Realizacja zadań statutowych sieci
Organizacja seminariów, warsztatów i spotkań grup
tematycznych sieci
Aktualizacja strony internetowej sieci
Aktualizacja bazy danych uczestników sieci
Organizacja rocznego zjazdu uczestników
12
Proposition for Nanomaterials (KJK)
 Size and shape of grains
The properties of nano-material for the same reasons strongly depend on the
size of constituting particles and grains. Quantitative description of this size
effect on the properties can be used as a basis for designing new nano-materials
for specific applications. It is also important to understanding of the complex
behaviors of such materials which are also influenced by the chemistry, shape
and spatial arrangement of the nano-structural features.
 Physical properties of the grain boundaries
Grain boundaries in polycrystals form populations characterized by diversity of
the microstructures and properties. The distribution functions of grain boundary
character can be measured experimentally, for example from the experiments
with the grain boundary diffusion. It can be also estimated from the studies of
the grain boundary dis-orientation and modeled by computer simulations.
13

Free surface effect

Microstructural techniques
Another size effect that is relevant to the subject discussed is related to the
dimensions of artifacts made of nano-materials. Nano-materials are frequently
used/processed to produce small size elements which are characterized by a
high value of the ratio of free-surface to volume. As a result properties of nanoartifacts are influenced by the free surface characteristics, such as its roughness,
chemical composition, which in turn is affected by the processing and/or
exposure to the environment (either in laboratory or in service conditions) and
microstructure.
Structure of nano-materials can visualized only with the use of special
microscopic techniques. High Resolution TEM in particular is needed for imaging
size and shape of nano-grains and particles. At the same time measurements of
chemical composition on nano-scale might be needed. On the other hand,
currently available processing techniques may result in non-homogeneity of the
nano-structured artifacts, which can only be evaluated via SEM. X-ray
investigations useful in quantifying residual stresses, texture and size of
crystallographic domains. Other techniques allow for mapping orientation of
individual nano-grains and desorientation of the grain boundaries.
14
 Relevant processes







changes in the chemistry during processing
local changes in the chemistry due to the exposure to the environment (laboratory or
industrial)
redistribution of the chemical elements between the free-surface, grain boundaries and
grain interiors
development of the residual stresses
response to the applied load (understood in general terms which cover mechanical,
electrical and thermal fields) of structures non-homogeneous on nano-scale
thermal and mechanical stability of nano-structures
Modeling
Phenomena taking place in nano-materials differ from that in standard, micro-sized
substances due to the high surface area of the grain and phase boundaries. This situation
calls for more systematic approach to modeling atomic structure, properties of such
boundaries and their effect on response of the nano-elements to the applied load. This
modeling should be carried out at various scales. Ab initio computations should be
combined with the Finite Element Method.
15

In-situ straining

The effect of test temperature and environment
Dynamic, in-situ studies of the processes taking place in nano-materials under the applied
load are needed for better understanding of their properties. On a macroscopic scale such
tests are carried out using testing machines equipped with light microscopes. Mezo-scale
data can be obtained if the specimens are tested by in-situ straining in an electron scanning
microscope. Transmission electron microscopy provides in-sight into process taking in fully
micro- and partly nano-scale.
Properties of nano-materials might strongly dependent on the test temperature. This due to
the fact of higher accumulated energy which can be release at a lower thermal activation.
As a result phase thermally activated processes, including that contributing to plastic
deformation, take place at lower temperatures in nano-materials than in their conventional
state.
Nano-materials can also be more sensitive to the test environment. In this case large
surface area of the grain boundaries result in higher capacity and faster transport of the
atoms present in test environment. Among them oxygen and hydrogen might be of special
importance.
16

The objective
The project outlined in the present proposal aims at deriving quantitative relationships
between the properties, microstructure and processing route of nano-materials with special
emphasis on nano-metals.
The relative importance of various phenomena taking place in nano-materials will be
described as well as stability of the nano-structures. Efficient processing routes for predefined applications shall be determined.
17
Sieć „NOWE MATERIAŁY”
 Czy, dana jednostka naszej sieci,
uczestnicząc w konkretnym IP lub NoE,
może formalnie reprezentować całą Sieć?
 Czy Network of Excellence może mieć
charakter rozgałęziony?
18