NANO Science – Fysik og biologi mødes

Indledning
Mikromekanik
Kulstofnanorør
Nanokatalyse
Cantion A/S

Hovedmenu
Opgaver
Download
Eksp. & Links
Kolofon

 

Opgave 1: Måling på bøjelig bjælke fra Cantion

Figuren viser en sensor med de to bøjelige bjælker 2 og 3 fra firmaet Cantion. Bjælke 2 er belagt med et særligt detektorlag, der kan genkende C-reaktivt protein, CRP. CRP findes normalt i små mængder i blodet, men stiger til store koncentrationer ved en bakterieinfektion. Bjælke 3 er identisk med bjælke 2, men uden detektorlag.

Bjælkerne 2 og 3 har en elektrisk modstand, der afhænger af nedbøjningen, mens 1 og 4 er faste modstande.

  1. Forklar at diagrammet til højre svarer til modstande og ledningsforbindelser på sensoren til venstre.

  2. Efter fabrikationen af sensoren har alle fire modstande resistansen 3,00 kW. Sensoren tilsluttes en spændingskilde mellem (jord) og Vin på 24 V. Forklar, at udgangsspændingen Vout i denne situation er 0 V.

  3. Når en væske med CRP strømmer forbi sensoren, vil nogle af CRP-molekylerne sætte sig på bjælke 2. Dette ændrer resistansen af bjælke 2 til 3.002 W.
    Beregn resistansen i venstre og højre side af kredsløbet og find strømstyrken i venstre og højre side af kredsløbet.
    Bestem udgangsspændingen Vout.

 

Opgave 2: Støj - fjernelse af uønskede signaler

Kurven nedenfor til venstre viser udgangsspændingen i mV som funktion af tiden i sekunder efter at væsken med CRP er tilført.

De to kurver yderst til højre viser spændingsfaldet over bjælkerne, målebjælken 2 øverst,  bjælke 3 nederst

  1. Brug opgave 1 og figuren til opgave 1 til at forklare, at udgangsspændingen er forskellen mellem spændingsfaldet over de to bjælker.

  2. Spændingsfaldet over de to bjælker svinger voldsomt fordi de påvirkes af væskestrømmen gennem sensoren. Forklar at denne påvirkning er stort set ens for de to bjælker og vis, hvordan dette ses på de to kurver yderst til højre.
    Konklusion: Forklar, hvorfor sensoren har en ekstra bjælke uden detektorlag og hvilken fordel man opnår ved at forbinde bjælkerne som vist i figuren til opgave 1.

 

Opgave 3: Følsomheden for en bjælke

Figuren nedenfor viser resultatet af et eksperiment udført på DTU.

I eksperimentet undersøgte forskerne sammenhængen mellem nedbøjningen for to små bjælker og ændringen i deres resistans.

Grafen viser den relative ændring af resistansen som funktion af bjælkens nedbøjning.

  1. Bestem hældningskoefficienten for den øverste af graferne. Argumentér for at denne størrelse kan kaldes bjælkens følsomhed.

  2. Figuren til højre viser en tegning af bjælken fra spørgsmål 3a. Den har længde l = 200 mm og tykkelsen t = 1,3 mm. Bjælkens bredde w = 50 mm er ikke vist på figuren.

    Der gælder følgende formel for bjælkens resistans:

    hvor er den relative ændring i resistansen, z er bjælkens nedbøjning og K er en materialekonstant.

  3. For denne bjælke er K = 50. Forklar at  er bjælkens følsomhed og beregn denne størrelse.

  4. Gør rede for, at det er rimeligt at følsomheden bliver større når t vokser og mindre når l vokser. Hvorfor indgår w ikke i formlen?

 

Opgave 4: Trækstyrke

Trækstyrken for en snor defineres som den kraft pr. tværsnitsareal, som snoren kan klare uden at bryde over.

Trækstyrke:                        

Trækstyrken for stål kan variere en hel del. For højstyrke stål kan trækstyrken være på 1,6·109 N/m2.

  1. E–strengen på en violin har diameteren 0,25 mm. Med hvor stor en kraft kan man trække i sådan en E–streng uden at den knækker over?

Den største trækstyrke, der er målt for et kulstof nanorør, er 63 · 109 N/m2. Hvis man kunne lave en snor af carbon nanorør med samme diameter som et hovedhår, 80 mm, ville man få en snor med ekstrem stor trækstyrke.

  1. Hvor stor en masse vil man kunne løfte med sådan en snor af carbon nanorør?

 

Opgave 5: Rumelevator

Da det er meget bekosteligt at sende bemandede rumraketter af sted, er der stor interesse for at finde alternative metoder til at sende mennesker ud i rummet. En af de mere fantasifulde ideer til dette er tanken om at bygge en rumelevator.

En vigtig komponent i en rumelevator er et kabel med en ekstrem stor trækstyrke, og carbon nanorør er derfor interessante i denne sammenhæng. En rumelevator er et kompliceret projekt, fysisk set, og stiller teknologiske krav som der endnu ikke findes løsninger på. Alligevel er der verden over mange der forsker i emnet.

En simpel forklaring på opbygningen af en rumelevator kan fås ved at gå til

og klikke på ”Space Elevator”.

Vælg et materiale, fx stål, og klik på start. Langsomt begynder kablet at krybe ind mod Jorden, men knækker før det når helt derned.

  1. Forklar hvorfor den viste rumstation skal befinde sig i en geostationær bane (”geo-synchronous”).

Vælg et bedre materiale, fx kulfiber (”carbon fiber”) og prøv igen. Brug knapperne + og – samt ”Time freeze” til at styre udlægningen af kablet.

  1. Vurder ved hjælp simulationen, hvor langt et kabel af kulfiber kan blive før det knækker på grund af sin egen vægt.

Vælg nu supermaterialet carbon nanorør og prøv at lægge et kabel ud igen.

  1. Forklar hvorfor der samtidig udlægges et kabel på begge sider af rumstationen og hvorfor kablet væk fra Jorden er væsentligt længere end den del der går ned til Jorden.

  1. Gå på opdagelse med Google, søg efter ”space elevator”, men pas på – der er meget ”science fiction” i dette emne!

 

Opgave 6: Elektriske egenskaber

På figur 8 i heftet ses modeller af tre forskellige typer af nanorør.

  1. Man kan forestille sig, at nanorør dannes ved at sammenrulle et lag grafit til et rør, gå til reizei.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/agallery/agallery.html og klik på (10,10) Nanotube.
    Dette giver altid et nanorør der leder strøm på samme måde som et metal.
    Prøv også (10,5) Nanotube. Når nanorøret rulles på denne måde, leder den strøm som en halvleder.

  1. Afprøv den interaktive animation JNanoTube: www.jcrystal.com/steffenweber/JAVA/jnano/jnano.html
    Vælg nogle parametre i boksene øverst i animationen og tryk på create.
    Bedre overblik fås ved at fjerne hakket i atoms.
    Træk med venstre musetast: Roterer billedet

Træk med højre musetast: Zoom ind og ud.

Nogle egenskaber for kulstof nanorør kan ses her: nanoroer_egenskaber.doc eller her: nanoroer_egenskaber.pdf
På engelsk, flere egenskaber her: www.ahwahneetech.com/technology/carbon_nanotube.htm

  1. Brug reglen i ”elektriske egenskaber” til at forklare at et (10,5)–rør vil være en halvleder.

  2. Find nogle talsæt for kulstof nanorør der vil være metalliske – gerne af hver af de tre typer – armchair, zig-zag og chiral.Tegn dem med JNanoTube.

På hjemmesiden mrsec.wisc.edu/Edetc/cineplex/nanotube/index.html ses nogle film der viser nogle egenskaber ved nanorør.

  1. Hent og print mrsec.wisc.edu/Edetc/cineplex/nanotube/graphene.pdf.
    Lav en model af hver af de tre typer af nanorør.

 

Opgave 7:  Nanopartikler

MoS2 nanocluster on Au(111)

Billedet ovenfor måler 4,1 nm på hver led. (filnavn: mos2big.jpg)

  1. Vurder sidelængden på den trekantede MoS2 nanopartikel og udregn arealet af partiklen.
  2. Hvor mange MoS2 nanopartikler kan der ca. ligge på et A4-ark?

 

Opgave 8: Hvordan virker et Skanning Tunnel Mikroskop?

Gå til følgende hjemmeside, som viser en animation af et STM:

www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/STM_Gallery/stm_animated.gif

fra Institut für Allgemeine Physik, Technische Universität, Wien.

Find ud af, hvordan et STM virker og besvar følgende spørgsmål:

  1. Forklar, hvad viserinstrumentet med de grønne og røde felter måler og hvor viseren skal stå mens der måles med STM’et.

  2. Forklar, hvordan nålen bevæger sig og på hvilken måde den lodrette bevægelse styres.

  3. Forklar, hvordan dette giver et ”kort” over prøvens overflade.

En mere udførlig animation kan findes her:

www.virlab.virginia.edu/VL/SPM_operation.htm