Cienie studiowania inżynierii materiałowej/fizyki ciała stałego/nanotechnologii w Polsce

Zapewne wczoraj kilka osób mogło się spodziewać się mojego wpisu,więc przepraszam za ewentualną zawiedzioną nadzieję. Dzisiejszy wpis jest raczej z rodzaju tych społeczno-filozoficznych gadanin, coś ciekawszego szykuję raczej na koniec weekendu (jak zdążę).

Wynika to z nasilenia moich prób znalezienia pracy pod koniec stycznia. No niestety – albo jestem za długo po studiach i mam za długie przerwy w zatrudnieniu, albo psychika mi siada – nie wygląda to ciekawo,z finansami kiepsko,a czy ostatecznie jak kilka milionów ludzi po prostu wyjadę z Polski – nie wiem.

Możliwe też,że wszelkie moje problemy wynikają z faktu,że jestem „specyficznym człowiekiem”. Może.

Tak czy inaczej – mam nadzieję,że niniejsza internetowa gadanina (a może smęcenie 😉 ) rozjaśni trochę ludziom w głowach i wyjaśni, do czego studia takie jak moje mogą się teoretycznie przydać – a do czego nie,i dlaczego w kraju takim jak Polska materiałowiec zajmujący się materiałami poza uczelnią jest pewnie stosunkowo rzadkim zjawiskiem. Tekst ten adresowany jest głównie do studentów, headhunterów i takich tam – ale dotychczasowi czytelnicy tego bloga też może dowiedzą się czegoś użytecznego. Jeśli was to nie interesuje – nie czytajcie dalej.

Zasadniczo poza nanotechnologią podane kierunki nie zawsze budzą entuzjazm,ponieważ część maturzystów za bardzo nie kojarzy, co to u diabła jest. Wikipedia częściowo odpowiada na pytanie czym są Inżynieria Materiałowa, Fizyka ciała stałego czy nanotechnologia. I zaczyna to wyglądać ciekawiej,zwłaszcza jeśli wierzymy w gadaninę o „gospodarce opartej na wiedzy”. Tyle,że ta koncepcja rządowa w kraju takim jak nasz, póki co jest generalnie jeśli chodzi o nauki techniczne stekiem bzdur.

W teorii można powiedzieć,że istnieje następująca relacja między absolwentami inżynierii materiałowej , fizyki ciała stałego i nanotechnologii:

  • Inżynier materiałowy – trochę więcej niż fizyk ciała stałego,choć korzysta głównie z jego metod. Bliższy praktyki.Bardziej ogólnie. Może pracować jako:
    • Uzupełnienie inżyniera mechanika – choć nie zastąpi inżyniera mechanika przy pracy konstrukcyjnej/technologicznej wszędzie, z drugiej strony – w mniej mechanicznych etapach produkcji (np: galwanotechnika) jest nawet lepszy.
    • Inżyniera procesu – ponieważ,choć nie zawsze zna maszyny procesowe kojarzyć może jak powinien być realizowany proces.
    • Inżynier jakości – choć w gruncie rzeczy jakościowcy raczej powinni mieć ukończone również zarządzanie by awansować.
    • Pracownik laboratorium/uczelni/działu R&D – ciężko dostać taką pracę,a kontynuowanie życia jako np. doktorant wiąże się z nie najlepszą sytuacją finansową – nauki doświadczalne to bardzo niedoinwestowany sektor o czym przekonałem się na własnej skórze.W Polsce taniej zrobić symulację,a na zrobienie na uczelni jednego eksperymentu można czekać tygodniami. Działy R&D firm w naszym kraju są rzadkie. A na laborantów w przemyśle aż takiego zapotrzebowania nie ma, nawet konieczniejsze jest doświadczenie,być może też, zatrudniani są na te stanowiska nawet ludzie bez wykształcenia wyższego.

Zakres materiału poznawanego na studiach: moim zdaniem: pobieżnie – ale o wszystkim co wiąże się z materiałami. Większa uniwersalność,niż w przypadku innych studiów, teoretycznie można się nauczyć wszystkiego o wszystkich materiałach inżynierskich po trochu, czyli:

  • Metale
  • Polimery
  • Ceramiki
  • Kompozyty
  • Podstawy nanotechnologii
  • itd.

W praktyce wiele zależy od specjalizacji wydziału i uczelni, programu studiów itd.

WAŻNE: Pracę jako samodzielny konstruktor najczęściej można sobie odpuścić. Co prawda, uczelnie uczą programów CADowskich, ale tutaj bez dostatecznego przeszkolenia dostępnego dla inżynierów mechaników nie jest się za dobrą alternatywą dzięki wykształceniu – pozostaje tylko samodzielna praca i nauka wszystkiego od oprogramowania po mechanizmy. (w sumie i tak oprogramowanie z MSDN i w laboratorium trzeba ćwiczyć dłużej, ten czas co na to jest to praktycznie nic.Tyle,że nie samymi programami żyje konstruktor) Jeśli ktoś jednak jest jednocześnie mechanikiem i materiałowcem (niestety nie mój przypadek) to jest to potencjalnie bardzo dobry kandydat na konstruktora.

  • Fizyk ciała stałego – to tak naprawdę nieco lepsza wersja materiałowców, tyle że „bardziej teoretyczna”. Wynika stąd,że są świetni na uczelni,świetnie znają też aparaturę ale mogą mieć większe problemy ze zdobyciem pracy na rynku powiązanej ze specjalizacją. Tym niemniej jeśli ich ktoś doceni…
  • Nanotechnolog – stosunkowo nowy kierunek nanotechnologia przyciągnął ostatnio sporo młodzieży wierzącej w opowieści o „gospodarce opartej na wiedzy”. Sytuacja w jakiej się znajdą na Polskim rynku pracy będzie wyjątkowo kiepska,ponieważ tej „gospodarki opartej na wiedzy” dziś u nas zwyczajnie nie ma. Są to ludzie lepiej niż inni przygotowani do pracy np. dla zachodnich koncernów jeśli te zechcą ich przyjąć za granicą i do pracy naukowej. Rzecz w tym,że poza pracą na uczelni w naszym kraju niemal nie mają szans. Branża nanotechnologiczna teoretycznie powinna zostać zbudowana przez rodzimych specjalistów od inżynierii materiałowej we współpracy z fizykami ciała stałego. Sam przebieg kształcenia też może zależeć od wydziału, który uczy tej nanotechnologii.

No dobrze.Załóżmy jednak,że chodzi nam o własny biznes w sektorze technologicznym,albo,że szukamy pracy za granicą. Kilka obiecujących branż przemysłowych:

  • Branża elektroniczna – choć elektrycy i elektrycy dłubią w obwodach, do pracy przy „waflu krzemowym” czy grafenie przydatni mogą być właśnie absolwenci powyższych kierunków.W Niemczech jest jeden z zakładów produkujących mikroprocesory.
  • Branża systemów elektromechanicznych – byłoby na nią miejsce,póki co jej nie ma.
  • Branża lotnicza – „dolina lotnicza” nie jest miejscem,gdzie załapie się każdy,tym niemniej wydaje się największą nadzieją dla inżynierów materiałowych na Podkarpaciu. Mnie się w sumie na dziś dzień,po kilku latach prób nie udało. Swoją szansę z WSK Rzeszów zaprzepaściłem rezygnując z rozmowy i idąc na studia doktoranckie (które i tak rzuciłem). Nie musi jednak być tak z każdym…
  • Branża biomedyczna – choć ostatnio hodowla komórek macierzystych i wszelkich innych wydaje się wypierać klasyczne implanty, jest to sektor gospodarki w którym można zarabiać niezłe pieniądze,wykonywać zaawansowane produkty i ratować ludzkie życie. Niestety – w Polsce słabo obecna.
  • Branża wojskowa – a jakże ! Wojsko ciągle potrzebuje nowych materiałów na broń i pancerze, urządzenia obserwacyjne (termowizja i nie tylko).Na wczoraj. W Polsce jednak, gdzie zbrojeniówka nie jest w najlepszej kondycji i jest przesiąknięta przez polityczno-związkowy beton i powiązanych z nim ludzi nie wiązałbym z nią za wielkich nadziei, tak samo jak z czołgiem PL- 01 Cocncept. Zaawansowany technicznie pancerz (najpierw obiecywali coś z nanotechnologią) i zrobiony bez absolwentów przez stare kadry HSW i kilku profesorów ? Taaa… jasne. Jeśli ten projekt będzie wdrożony to główne prace będzie wykonywał koncern BAE. Koncern ten póki co wbrew temu co twierdzi wikipedia nie ma chyba istotnej reprezentacji na Polskim rynku. Umowy z Polskimi uczelniami – w tym na pewno AGH i WAT podpisał jednak ostatnio koncern elektroniczny Thales z Francji. Podejrzewam jednak,że w jego przypadku chodzi o rekrutację doktorantów powiązanych z kierunkami elektronicznymi.

Korzystając z okazji chciałbym też rozwiać kilka mitów:

  • Więcej praktyk  – na studiach dziennych tylko niektórym uda się zdobyć praktyki w pracy związanej ze specjalizacją poza okresem wakacyjnym – a w okresie wakacyjnym firmy przeżywają prawdziwe oblężenie. W dziedzinach takich jak informatyka nie jest to wbrew pozorom taki problem,podstawowe narzędzia pracy może mieć bowiem każdy. Ile osób w domu ma zwykły mikroskop,albo frezarkę no ?
  • Praktyki za darmo – trzeba mieć na nie pieniądze.Za darmo to są dla firmy,odbywający je/rodzina musi ponieść choćby koszt utrzymania i dojazdów delikwenta/delikwentki. No i niestety – nie tylko nie przyjmują na nie każdego,ale i realnie nie każdy wykonuje na nich sensowną pracę zgodną ze specjalizacją. Sam podczas pracy w pewnej firmie widziałem automatyków (ci są owszem poszukiwani bardziej) – jeden robił coś w odpowiednim programie,ale drugi w VBA coś robił czy przepisywał coś dla działu jakości.
  • Absolwenci i studenci nic nie potrafią – czyżby ? Z mojego doświadczenia w pracy (niestety tylko pracowałem na czas określony w czasie gdy firma potrzebowała więcej ludzi,a potem nic – a dyrektora działu gdy kończyła się umowa – nie było) wynika, że nowo wdrażana osoba może potrafić więcej, niż wielu starych pracujących od lat pracowników i szybko się może wdrożyć. Oczywiście sytuacja może być inna przy rzucaniu ludzi „na głęboką wodę”, gdy prywatny właściciel małej firmy chce,by ktoś nowy wykonywał pracę specjalisty za cały dział mający wieloletnie doświadczenie.  Przy takiej tytanicznej pracy można owszem zabłysnąć – ale można i spektakularnie polec. Oczywiście – są ludzie którym się chce pracować i tacy,którym nie chce się pracować.Ale to już jest zupełnie inna kwestia…

Mimo moich kłopotów na rodzimym rynku pracy – osobiście nie żałuję wybrania takiego a nie innego kierunku studiów.Zdobycie pracy w Polsce nie jest łatwe dla dużo większej grupy absolwentów, a studia powiązane z materiałami inżynierskimi czy nanotechnologią dają i będą dawać dobrą wiedzę wstępną, przygotowującą do zapoznania się z funkcjonowaniem szeregu dziedzin techniki. Istniejących teraz i takich,które pojawią się w przyszłości. Oczywiście istotnym problemem jest wykorzystanie tej wiedzy w praktyce  i zarobienie na niej,co raczej w najbliższych latach w Polsce będzie trudne.  Cóż zrobić. Trzeba z tym jakoś żyć i szukać rozwiązania własnych problemów. Pozostaje też jednak przestrzec:

Jeśli szukacie pracy po studiach w Polsce,to powyżej wymienione kierunki nie zawsze są bardzo dobrym wyborem jako kierunki bazowe studiów.

Jako kierunki uzupełniające inne studia nadają się świetnie dla szeregu specjalistów np:

  • Dla elektroników – by lepiej zrozumieć elektronikę na poziomie podstawowej fizyki i podstawowych zjawisk (uwaga: rzadko wchodzi wprost w podstawowy uniwersytecki kurs inżynierii materiałowej,bliżej fizyki ciała stałego i nanotechnologia – chyba, że dużo się czyta)
  • Dla inżynierów mechaników pracujących jako konstruktorzy i technolodzy – by mogli lepiej wykonywać swoją pracę rozumiejąc wpływ materiału na konstrukcję,zużycie itd.
  • Dla menadżerów i przedsiębiorców w branżach nowych technologii – by lepiej rozumieć jakieś podstawy procesów produkcyjnych i np. procesy zużycia oraz kwestie jakości
  • inni – z przyczyn których nie wymieniłem

Tak czy inaczej – do tych dziedzin są odpowiednie książki które warto przeczytać.Za jakiś czas może nawet wrzucę recenzje/opisy i takie tam jako oddzielną podstronę tego bloga. [EDIT: Zrobione.Wersja pierwsza.]

Pozdrawiam wszystkich czytających i zachęcam do czytania wcześniejszych wpisów nowe osoby.

Wirusy w nanotechnologii. Idea godna Frankensteina ? Może nie.

Jakoś tak jest,że człowiek w swoich działaniach często naśladuje naturę. Naśladownictwo to , określane jako biomimetyzm , dawało dotychczas wiele pozytywnych rezultatów. I nie chodzi tu tylko o skrzydła samolotów,czy radar.

Nanotechnologia, to nowa, niezwykle obiecująca dziedzina nauki,powstała tak naprawdę w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku. Jedną z jej czołowych koncepcji są nanoroboty, czyli małe mechanizmy wykonujące swą pracę w skali nano (10-9 m). Sama nanorobotyka, należy do jednych z czołowych gałęzi badań nad nanotechnologią. Niestety, zbudowanie w warunkach sztucznych takich mechanizmów nie jest proste. Istnieje jednak droga na skróty – zastosowanie tworów już istniejących w naturze – to jest wirusów. Na pierwszy rzut oka, pomysł ten wygląda na niebezpieczne rojenia szalonych naukowców. Wirus przecież, nie bez powodu pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego truciznę lub jad. Wirusy odpowiadają za szereg chorób. Wirusy takie jak ebola, czy HIV powodujący AIDS są przerażającym zagrożeniem. W istocie, zjawiska takie jak mutacje sprawiają, że zastosowanie w nanotechnologii wirusów, sprawia wrażenie niebezpiecznych eksperymentów, mogących zaowocować naszą śmiercią, a nawet przetworzeniem wszystkiego na ziemi w „szarą maź” – co jest wymieniane jako jedno z podstawowych zagrożeń związanych z nanotechnologią.

W istocie, owe zagrożenie może istnieć,tym niemniej istnieją różne rodzaje wirusów atakujące różne komórki. Nie wszystkie wirusy atakują nasze komórki ! Ze względu na pojawianie się coraz odporniejszych na antybiotyki bakterii, trwają intensywne badania,nad początkowo zarzuconą ideą terapi (bakterio)fagowej. Ponadto, należy pamiętać,że wykorzystanie wirusów w nanotechnologii, nie oznacza jeszcze pozostawienia tych wirusów „działającymi” (bo wirusów nie traktuje się jako „form życia”) – na przykład, po namnożeniu mogą być wykorzystane kapsydy (tj. otoczki białkowe) wirusa poddanego odpowiedniemu chemicznemu oddziaływaniu,sama zaś aktywna część wirusa może zostać usunięta,co oczywiście znacząco zwiększa bezpieczeństwo.

W praktyce zatem, takie rozwiązanie owszem przypomina „teoretycznie niebezpieczne” „namnażające się roboty” – które jednak potem poddaje się złomowaniu, w celu uzyskania stosownych części zamiennych !

Jest to jak najbardziej możliwe,ponieważ cykl życiowy wirusa składa się z następujących etapów:

  1. Dostania się do komórki
  2. Rozpakowaniu z kapsydu części aktywnej (DNA/RNA)
  3. Replikacja i wytworzenie nowej otoczki z której formowany jest nowy kapsyd
  4. Otoczenie części aktywnej przez kapsyd w wyniku procesów samoorganizacji
  5. Opuszczenie zainfekowanej komórki
  6. Atak na następne komórki (powtórzenie punktu 1, ale w nowym cyklu)

Ponieważ badania nad biologią wirusów prowadzone są od stosunkowo dawna możliwe jest wykorzystanie tych zjawisk np. do usunięcia części aktywnej wirusa i pozostawienia pustego kapsydu. A to już jest coś, ponieważ kapsydy wirusowe posiadają szereg zalet jak:

  • stosunkowo znaczna odporność kapsydu jako materiału (chroni wirusa przed otoczeniem)
  • łatwa masowa produkcja (to w końcu elementy wirusów)
  • wysoka powtarzalność
  • duża symetria
  • wykorzystują zaawansowana samoorganizację.
  • rozkładają się w komórkach (przenoszenie w środku czegoś innego, niż kwas nukleinowy)
  • Możliwość ich modyfikacji poprzez stosowną modyfikację genetyczną wirusa (nowe struktury)

W praktyce do tych celów, wykorzystywane są bardzo często stosunkowo dobrze zbadane wirusy jak CCMV czy wirus mozaiki tytoniowej, które atakują rośliny.

Wirus Mozaiki Tytoniowej - y_tambe, CC BY-SA 3.0

Czy zastosowanie aktywnych wirusów w nanotechnologii ma sens ? Niewątpliwie, również w pewnych przypadkach będzie mieć i będzie miało miejsce,choć oczywiście zostawienie „aktywnych” replikatorów wymaga odpowiedniej wiedzy na ich temat i dużo większych środków bezpieczeństwa. Tymczasem, badania nad wykorzystaniem kapsydów, dla uzyskania nowych materiałów i struktur są najczęściej dużo bezpieczniejsze.

Oczywiście, należy też pamiętać, że nanorobotyka bynajmniej nie kończy się na wirusach.

Ku regeneracji v. 2.0 – materiały samoleczące i regeneracja jako funkcja rekonfigurowalnej elektroniki.

Wbrew tytułowi,tak naprawdę,jeśli chodzi o regenerację nie osiągnięto jeszcze tak wiele by dogonić naturę,tym bardziej zaś – wyprzedzić ją. Mimo to sprawa jest ciekawa.

W najnowszej wersji gry Starcraft 2 (Wings of Liberty), oprócz zdolnej do regeneracji rasy zergów również w rasie ludzi potencjalnie dostępna jest „technologia regenerującego się pancerza”. Nie wiem,czy w tej grze ma to jakieś szczególne znaczenie – w rzeczywistości jednak, miałoby na pewno. Popatrzmy bowiem ogólnie:

Siłą ludzi i zwierząt w porównaniu z robotami przy wykonywaniu prac fizycznych, jest zdolność do przystosowania – ale też, do częściowej regeneracji obrażeń. Skóra ulega regeneracji,a po drobniejszych zranieniach i otarciach po jakimś czasie nie pozostaje nawet ślad. Funkcje uszkodzonych tkanek przejmują inne. Naprawdę, trochę trzeba,by uszkodzenie żywego organizmu – człowieka czy zwierzęcia było naprawdę trwałe.Tymczasem uszkodzone maszyny i materiały zwykle pozostaną uszkodzone nawet w drobny sposób,a uszkodzenia te będą się kumulować. Co to oznacza ? Oczywiście: koszty,czas poświęcony na naprawy,konieczność ingerencji technika. mechanika, czy innego specjalisty i zakupu części zamiennej, lub wręcz konieczność zakupu nowego produktu…

Co z tym można zrobić ?

Generalnie rozwiązania są trzy:

  • „Płakać i płacić” – ponosić koszty występującego problemu i napraw usterek.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu przejęła funkcję uszkodzonej,lub chociaż zachowywała się stosownie do uszkodzenia.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu naprawiła się sama.

Rozwiązanie pierwsze,szczególnie gdy niezawodność przegrywa z ceną,czy też może być z natury ograniczona było stosowane do tej pory najczęściej. Pozostałe rozwiązania wyglądają na skomplikowane w praktyce. Nie oznacza to jednak,że przynajmniej częściowo nie mogą zostać zrealizowane.Jest to wyjątkowo ważne,ponieważ własność samoleczenia/samonaprawy może znacząco zwiększyć niezawodność materiałów i wydłużyć czas funkcjonowania niektórych urządzeń.To naprawdę jest możliwe !

Istnieje wiele (często współdziałających) rozwiązań składających się na te rozwiązania – a tym samym na mniej,lub bardziej zaawansowane systemy samoleczące.Są to:

  • Nadmiarowość
  • Modułowość
  • Samoorganizacja
  • Hierarchiczna struktura
  • Możliwość transportu w strukturze różnych jej elementów
  • Specyficzne elementy naprawcze

Przykładem częściowej realizacji stosunkowo prymitywnego sposobu, na pewnego rodzaju przejęcie funkcji uszkodzonego systemu, czy nawet regenerację w samolotach F15, była nadmiarowość elementów elektronicznych, połączona z modelowaniem lotu, w celu wykrycia rozbieżności z modelem sprawnego samolotu. Z czasem założono,że więcej osiągnąć można poprzez zastosowanie sieci neuronowych .Więcej o tych badaniach można poczytać w dokumencie „The story of Self-Repairing Flight Control Systems” dostępnym na stronie NASA

Współcześnie przy coraz krótszym czasie rekonfiguracji możliwe byłoby również (być może) w niektórych wypadkach skorzystanie z rekonfigurowalnych układów FPGA [Wikipedia: PL, ANG ]

Rekonfigurowalna elektronika, nie jest może w pełni porównywalna z najnowszymi dedykowanymi układami ASIC czołowych producentów,ale ma duży potencjał jeśli chodzi o elektroniczne systemy w których funkcję uszkodzonego układu przejmują po przeprogramowaniu inne. W niektórych (szczególnie tych bardzo zaawansowanych przypadkach) bardzo istotną kwestią jest jednak czas rekonfiguracji, zwłaszcza wczytania konfiguracji z pamięci flash. O układach FPGA już wielokrotnie wspominałem, jeszcze napiszę o nich wkrótce,ponieważ jest to bardzo interesująca i w niektórych zastosowaniach – bardzo obiecująca technologia.

W informatyce zresztą stosuje się również niekiedy zastępowalność i nadmiarowość – przykładem jest (w niektórych przypadkach) np. w niektórych macierzach dysków RAID. (należy uważać na macierze softwarowe – obciążają one procesor bardziej)

Jednym z bardziej wydajnych rozwiązań, zmierzających do regeneracji przez systemy elektroniczne pomimo uszkodzeń jest wykorzystanie automatów komórkowych w elektronice rekonfigurowalnej,poprzez wykorzystanie specyficznego algorytmu TTA (Tom Thumb Algorithm). Jest to algorytm powstały na podstawie uproszczenia mechanizmu samoreplikacji w automatach komórkowych znanych jako maszyna samoreplikująca (universal constructor) von Neumanna (który zresztą odpowiada, za wprowadzenie idei samoreplikacji w odniesieniu do maszyn i jest twórcą idei automatu komórkowego – choć opierał się początkowo również na pracach Polsko-Amerykańskiego matematyka Stanisława Ulama). Algorytm ten pozwala na wykorzystanie nadmiarowości urzadzenia rekonfigurowalnego tak,by w miarę możliwości ominąć uszkodzone obszary. Algorytm ten został on wprowadzony przez Umberto Pesavento,badacza włoskiego pochodzenia.

Jednak jak wspomniałem, nadmiarowość i ewentualnie hierarchiczna struktura nie są jedynym rozwiązaniem. Jeśli chodzi o materiały samoleczące, istnieje dużo więcej prostych ideowo,a przy tym bardzo skutecznych rozwiązań.

Zasadniczo, oprócz materiałów samoleczących, ulegających samodzielnej regeneracji wyróżnia się takie,które podlegają jej w odpowiedzi na wprowadzony przez człowieka odczynnik – np. odczynnik chemiczny. Ponadto, pewne materiały posiadają z natury pewne zdolności do „samoleczenia”, na przykład:

  • Określone tendencje do ruchu cząsteczek (w wyniku zjawisk fizykochemicznych takich jak np. dyfuzja
  • Odpowiednie naprężenia ściskające w przypadku pęknięć
  • Odpowiednie nagrzewanie (w wypadku szkieł,szkieł metalicznych i niektórych stopów)
  • Pasywacja / Utlenianie (również ceramiki) i inne reakcje chemiczne powodujące powstanie stabilnej międzywarstwy
  • Przemiany fazowe pozwalające na wypełnienie pęknięć przez nową fazę.
  • W pewnych określonych przypadkach – pamięć kształtu.

Natomiast w literaturze naukowej, wspomina się następujące procesy i rozwiązania intensyfikujące samolecznie:

  • Enkapsulacja i mikroenkapsulacja cząsteczek (zamknięcie w kapsułkach) lub „drążone włókna” („hollow fibres”) z określoną substancją/substacjami wypełniającymi np. pęknięcia.
  • Transport Kanalikowy (przez pęknięcia i pustki)
  • Rozszerzające się fazy
  • Rozdzielanie się faz
  • Odwracalne sieciowanie (polimery)
  • Wzrost temperatury
  • Procesy elektrochemiczne
  • Procesy biologiczne
  • Samoorganizacja cząsteczek (zwłaszcza organicznych – ale nie tylko)

Należy pamiętać,że nie wszystkie te rozwiązania występują we wszystkich materiałach i układach naraz,lecz można zastosować w odpowiednich warunkach nawet kilka z powyższych rozwiązań.

Do bardziej konkretnych przykładów samoleczenia w materiałach należą:

  • Warstwy antykorozyjne i polimerowe, wykorzystujące „mikrokapsułki” lub drążone włókna. Ich działanie polega na tym,że powstałe w materiale pęknięcie jest zasklepiane, dzięki działaniu odpowiednich żywic lub innych odczynników chemicznych. Rozwiązanie z „drążonymi włóknami” pozwala ponadto,na uzyskanie złożonych chemicznie kilku odpowiednich substancji reagujących ze sobą tuż po powstaniu pęknięcia – np. żywicy i utwardzacza w przypadku polimerów.Z przykładem działania enkapsulacji odczynnika w celu powstrzymania wzrostu pęknięcia można zapoznać się na poniższym obrazku:
  • Jonomery EMAA,w których powstałe wskutek trafienia pociskiem pęknięcie, które prawdopodobnie pod wpływem aktywowanych cieplnie przemian ulegają zasklepieniu. Swoją pracę (master thesis) napisał na ten temat Stephen James Kalista Jr.
  • Warstwy pasywacyjne – szczególnie warstwy chromu w stopach żelaza z chromem i strukturach chromowanych. Są to bardzo stare rozwiązania,co nie zmienia faktu,że bardzo skuteczne jeśli chodzi np. o ochronę przed korozją.
  • Pęknięcia mogą być usunięte dzięki obecności odpowiednich naprężeń ściskających oddziałujących na strukturę (na przykład w trakcie eksploatacji)
  • Pęknięcia mogą być usunięte w aluminium w odpowiednich warunkach ,dzięki dyfuzji atomów miedzi w strukturze stopów aluminium.
  • W pękniętej strukturze betonu dzięki obecności bakterii przyspieszeniu ulec może naturalny proces odbudowy struktury krystalicznej węglanu wapnia – co oznacza likwidację części uszkodzeń strukturalnych.

W ten sposób, materiały samoleczące są skutecznym rozwiązaniem, chroniącym materiały przed utratą pełnionych funkcji wskutek pęknięć,korozji i innych uszkodzeń które w sposób skuteczny wyłączają materiał lub urządzenie z dalszej eksploatacji.

Praktycznie jednak procesy te nie umywają się do skuteczności i elegancji np. powstania skrzepu w miejscu zranienia,zrastania się kości, czy natychmiastowego rozkładu,a następnie ponownego złożenia, uszkodzonego wskutek działania światła białka. Tak czy inaczej, technologie te będą dynamicznie rozwijane i w najbliższych dziesięcioleciach należy spodziewać się znacznego postępu w prowadzonych nad nimi badaniach.Ponieważ wbrew tendencji niektórych producentów do planowego postarzania produktów,my konsumenci chcemy dobrych i sprawnych produktów.A w pewnych sektorach – szczególnie medycznym i wojskowości sprawność urządzenia jak najdłużej nadal ma pierwszorzędne znaczenie.

Samomouporządkowanie i samoorganizacja w materiałach – podstawy

Skoro zamieściłem już i pokrótce omówiłem podstawy,dotyczące samoorganizacji,pora przejść do kwestii praktycznych. Przede wszystkim,co oczywiste samoczynnie tworzenie się złożonej struktury w materiałach zachodzi głównie w stanach pośrednich pomiędzy stanem płynnym a krystalicznym. Kryształ jest bowiem nazbyt stabilną (termodynamicznie i nie tylko) strukturą,natomiast ciecz – wprost przeciwnie.
Jednocześnie jednak materiał taki jest w jakiś sposób uporządkowany – zwykle od klasycznej skali nano,po skalę rzędu jednego lub kilku mikronów (µm). Nie mówimy tu jednak o ścisłym uporządkowaniu,ale o relatywnym uporządkowaniu w skalach nanoskopowych i mezoskopowych (artykuł po angielsku o fizyce zjawisk mezoskopowych do przeczytania na wikipedii).

Jeśli chodzi o materiały, podlegające samouporządkowaniu i samoorganizacji – przynajmniej w najbardziej prymitywnych jego formach – powiązane są z nim szczególnie:

Natomiast do substancji,których rola w samoorganizacji i samouporządkowaniu jest bardziej kompleksowa zaliczamy np:

Samym samouporządkowaniem w materiałach, w dużej części zajmuje się dziedzina chemii, znana jako chemia supramolekularna ,zaś pod względem chemicznym, dużą rolę w samoorganizacji odgrywają np: odpowiednia geometryczna struktura cząsteczek, wynikająca z hybrydyzacji elektronowej,ruchy browna i ruch cząsteczek,przemiany fazowe i zjawiska termodynamiczne, oraz wiązania chemiczne wodorowe i van der Waalsa. Istotną rolę odgrywają też prawdopodobnie wiązania wielokrotne i zjawiska elektrostatyczne, czy wiele innych zjawisk.Cała sprawa jest bardziej skomplikowana,niż się to na pierwszy rzut oka wydaje,a same zjawiska związane z samoorganizacją są nadal badane.

Należy jasno zaznaczyć,że nie ma w tym nic dziwnego,że samoorganizacja wymaga jednak sprzyjających warunków. Życie na dobrą sprawę też wymaga,a badane obecnie procesy samoorganizacji, z oczywistych przyczyn – poza samoorganizacją, związaną z dostępnymi już związkami organicznymi dotyczą zjawisk,których kompleksowość jest stosunkowo ograniczona,a tym samym możliwa do pojęcia przez człowieka.

Należy pamiętać,że chodzi tu o stosunkowo proste zjawiska, w porównaniu np. z kompleksowością zachowania komórki.Naukowo udowodniono istnienie tzw. „fal metabolicznych” w komórce, związanych z równowagą chemiczną i adhezją itd,niemniej badania nad dokładnym przebiegiem tych bardzo szybkich i kompleksowych zjawisk wciąż trwają.

Zastosowanie w praktyce samoorganizacji ma dość istotne znaczenie w rozwoju inżynierii materiałowej.Niewątpliwie, największe sukcesy osiągane są w związkach organicznych i metaloorganicznych – jednak nie tylko. Dużym sukcesem jest wytwarzanie w oparciu o metodologię samoorganizacji – dzięki doborowi odpowiednich związków chemicznych nanokrystalicznych cząstek o kontrolowanym rozmiarze,a nawet produkcja kropek kwantowych – których potencjał w medycynie,plazmonice itd jest naprawdę ogromny („czapka niewidka” lub kubity w komputerach kwantowych, to tylko przykład ich zastosowań).

Kluczem do uzyskania nanokrystalitów dzięki metodologii samouporządkowania, jest odpowiedni dobór substancji powierzchniowo czynnych i nie tylko.Dzięki zastosowaniu związków amfifilowych lub supra-amfifilowych,a następnie ich odpowiedniemu usunięciu.Brzmi prosto,proste nie jest,ponieważ chemicznie procesy te opierają się na złożonym doborze równowagowych warunków pomiędzy przyciąganiem a odpychaniem i wymagają bardzo dokładnej kontroli procesu.

Nowości w nauce – obecne i niektóre wrześniowe.

W tym wpisie krótko i właściwie nadrabiam zaległości – omawiając nowości z września i początku tego miesiąca.

No więc zaczynamy od obecnego miesiąca:

  • W najnowszym wydaniu czasopisma „Nature Nanotechnology”, ukazały się dwa artykuły, dotyczące rozwiązania problemu operowania z dużą dokładnością na kubitach.Jest to niezwykłe,zważywszy,że znaleziono aż 2 bardzo istotne rozwiązania, mające przypuszczalnie podstawowe znaczenie dla przyszłych komputerów kwantowych.Całość opisano w artykułach: [1] „Storing quantum information for 30 seconds in a nanoelectronic device” , Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/nnano.2014.211 ; [2] „An addressable quantum dot qubit with fault-tolerant control-fidelity”, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/nnano.2014.216. Więcej na portalu phys.org . Co ciekawe podane DOI wyglądają na jeszcze nie wprowadzone (artykuły opublikowano dziś),ale całość artykułów była prawdopodobnie dostępna na stronie arxiv.org Cornell University: [1] [2] (dział cond-mat.mess-hall – z tej perspektywy, istotny też może być inny artykuł będący propozycją metody tworzenia kwantowych wielokubitowych „bramek” w udostępnionym tam artykule „Multi-qubit gates protected by adiabaticity and dynamical decoupling applicable to donor qubits in silicon”)
  • Badacze z MIT, pod kierownictwem profesora Ju Li odkryli,że nawet nanostruktury w stanie stałym o rozmiarze poniżej 10 nm mogą odkształcać się podobnie jak ciekłe mikrokropelki.Jest to na razie symulacja,ale jeśli rzecz się potwierdzi (a prawdopodobnie tak będzie) będziemy mieć do czynienia z poważnym ograniczeniem funkcjonalnym nanotechnologii. Więcej na stronie MIT news.
  • Naukowcy z Cambridge i Joint Quantum Institute opracowali nową metodę manipulacji spinem. Więcej na stronie cambridge,oraz w Artykule „Environment-assisted quantum control of a solid-state spin via coherent dark states” czasopisma „Nature Physics” – doi:10.1038/nphys3077
  • Badacze z Uniwersytetu Waszyngtońskiego zaproponowali nowy model reaktora fuzyjnego, wraz z analizą kosztów. Wg obliczeń wykorzystanie takiego reaktora ma być tańsze niż spalanie węgla obecnie. Wyniki badań dotyczących reaktora dynomak mają być podane 17.10 na konferencji  w St.Petersburgu.Reaktor ten jest wersją reaktora typu spheromak  Czy będzie to długo oczekiwany przełom w badaniach nad reaktorami fuzyjnymi i tanią energią elektryczną ? Zobaczymy. Więcej na stronie phys.org.
  • Badacze z Uniwersytetu w Leeds dokonali przełomowego odkrycia w bio-nanotechnologii. Dzięki wykorzystaniu membran lipidowych (będących elementem błony komórkowej) jako „biologicznego atramentu” o rozdzielczości ok 6 nm możliwe jest wytworzenie bardzo wielu bio-nanoelektronicznych urządzeń. Całość opisano w czasopiśmie Nano Letters” artykule: „Diffusion in Low-Dimensional Lipid Membranes” ; DOI: 10.1021/nl503024v
    Wcześniej badania na podobny temat opisano natomiast w artykule pisma: „The Journal of Chemical Physics”, pt: .”Towards bio-silicon interfaces: Formation of an ultra-thin self-hydrated artificial membrane composed of dipalmitoylphosphatidyl1choline (DPPC) and chitosan deposited in high vacuum from the gas-phase” DOI: DOI: 10.1063/1.4894224
  • Nowe Nanomateriały Hybrydowe (organiczno-nieorganiczne) są szansą na otrzymania ogniw fotowoltaicznych o sprawności bliskiej 100%. Całość w artykule „Resonant energy transfer of triplet excitons from pentacene to PbSe nanocrystals” czasopisma „Nature Materials”, DOI: 10.1038/nmat4093
  • Nagrodę Nobla z Fizyki otrzymują Isamu Akasaki,Hiroshi Amano i Shuji Nakamura za badania nad diodami LED, które umożliwiły ich szersze zastosowanie – zwłaszcza w żarówkach. John O’Keefe,May-Britt Moser i Edvard Moser otrzymali z kolei nagrodę z Medycyny za badania nad mózgiem.Nagrodę Nobla z Chemii uzyskali Eric Betzig,William Moerner i Stefan Hell za umożliwienie obserwacji małych obiektów (zwłaszcza biologicznych) przy użyciu mikroskopów optycznych,zwiększając tym samym ich zdolność rozdzielczą do wartości poniżej dotychczasowej granicy.

Co do września:

  • Ceramiki które nie są kruche ? Tak ! Naukowcy z Caltech (California Institute of Technology) udowodnili że owszem,to możliwe.W artykule”Strong, Lightweight and Recoverable Three-Dimensional Ceramic Nanolattices,” czasopisma Science (DOI: ) opisana jest metoda oparta o litografię wykonania ceramik o strukturze podlegającej odształceniom.Tym samym udowadniają,że dzięki zastosowaniu nanotechnologii i przy odpowiednich kosztach możliwe jest otrzymanie materiałów o dowolnych właściwościach.
  • Germanen,jeden z konkurentów grafenu został otrzymany przez Europejskich naukowców. Już w poprzednim wpisie ostrzegałem,że germanen podobnie jak krzemen może być konkurentem dla grafenu – szczególnie jeśli chodzi o np. elektronikę kwantową. Całość opisano w artykule „Germanene: a novel two-dimensional germanium allotrope akin to graphene and silicene” czasopisma New Journal of Physics dostępnym tutaj.
  • Tymczasem, badania na Uniwersytecie w Manchasterze dowodzą,że grafen może być bardzo skuteczną barierą przeciwko korozji w wodzie,powietrzu i stężonych substancjach.Całość w artykule „‚Impermeable barrier films and protective coatings based on reduced graphene oxide” czasopisma „Nature Communications”.

Z wiadomości mniej powiązanych z nauką

  • Optyczna firma ZEISS znana od szeregu lat z produkcji wysokiej jakości sprzętu optycznego – m.in. mikroskopów, ceniona w środowisku naukowym od lat,ostatnio zamierza wprowadzić swoje gogle wirtualnej rzeczywistości.Wiecej na stronie giznet.

A w następnym wpisie (w następny weekend) pojawi się nowy fragment „opowieści o pancerzu”. Pozdrawiam i zapraszam.