mef 1000

MEF 1000 – Materialer og energi

MEF 1000

Truls NorbyKjemisk institutt/Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi (SMN)Universitetet i OsloForskningsparkenGaustadalleen 21N-0349 Oslo

truls.norby@kjemi.uio.no

Kurs-uke 1a

• Kursinformasjon

• Kap. 1; Materialer og energi (innledning)

MEF 1000 – Materialer og energi

MEF 1000 – Materialer og energi

• Kurs– 10 studiepoeng (1/3 semester)– Pensum

• Truls Norby: Materialer og energi, kompendium 2006, ca. 380 sider

• Li, Dyrlie, Norby: Laboratorieøvelser i MEF 1000, kompendium, ca. 40 sider

– Kursansvarlig: Truls Norby (truls.norby@kjemi.uio.no)

• Evaluering– Midtveisevaluering (deleksamen);

• 1-times test• Multiple choice• Teller 10%, obligatorisk

– Skriftlig eksamen • Teller 90%

MEF 1000 – Materialer og energi

Kursbeskrivelse; innhold og mål

• Innhold– Innledende om material- og

energirelatert fysikk og kjemi. Oppbygning og systematisering av materialer med fokus på moderne, avanserte materialer og energianvendelser. Tar opp konstruksjonsmaterialer, funksjonelle materialer, energimaterialer og nanomaterialer. Kort oversikt over struktur og mikrostruktur fra enkrystaller til nanopartikler og kompositter.

• Hva lærer du?– Studenten skal ha en oversikt over de

viktigste materialtypene, grunnleggende sammenhenger mellom oppbygging, struktur og egenskaper, sentrale bruksområder med vekt på moderne energianvendelser.

– En god del grunnleggende fysikk og kjemi

– Grunnlag for materialvitenskap

– Etablere 3KJ/3FY-nivå

– Dekke noe av KJM1000 og FYS1000 for å forberede videre KJM- og FYS-emner

– Aktuell støttelitteratur er derfor pensumbøker i 3KJ og 3FY og/eller KJM1000 og FYS1000

MEF 1000 – Materialer og energi

MEF 1000 – Materialer og energiUndervisning

• Forelesninger• 3 timer/uke (tirsdager 10.15-12.00, LilleFy og onsdager 09.15-10.00 Lille Fy)

• Truls Norby (truls.norby@kjemi.uio.no)

• + Gjesteforelesere

• Øvelser

– Regneøvelser• 2 timer/uke (fredager 10.15-12.00 eller torsdager 12.15-14.00)

• Anette Gunnæs (a.e.gunnas@fys.uio.no), ansvarlig

• Karl Petter Lillerud (k.p.lillerud@kjemi.uio.no)

• Harald Fjeld (haraldfj@kjemi.uio.no)

– Laboratorieøvelser (obligatoriske)• 4 øvelser á 5 timer erstatter regneøvelsene angjeldende uker

• Karl Petter Lillerud (k.p.lillerud@kjemi.uio.no), ansvarlig

• Anette Gunnæs (a.e.gunnas@fys.uio.no)

• Harald Fjeld (haraldfj@kjemi.uio.no)

• Oddvar Dyrlie (oddvar.dyrlie@kjemi.uio.no); Vikar: Morten Huse

• Alex Read (a.l.read@fys.uio.no)

MEF 1000 – Materialer og energi

Lab-øvelser

• Energi og varme– Entalpi, entropi, varme, lys

• Syntese– Våtkjemisk syntese av en høytemperatur superleder YBa2Cu3O7

• Funksjonelle materialer– Elektriske egenskaper m.m.

– Teste superlederen

• Energikonvertering– Solcelle, elektrolysør, hydrogen, brenselcelle

MEF 1000 – Materialer og energi

MEF 1000 – Materialer og energi; Kursplan H06

MEF 1000 – Materialer og energi

Materialer og fremskritt

• Materialer har alltid vært en viktig faktor for menneskets ”fremskritt”:

– survival• of the fittestor• of the fattest?

• Tidsaldre oppkalt etter den tidens avanserte materialtype

• Fremskritt/velferd knyttet til – mat– materialer– helse&medisin– informasjon&kommunikasjon (IKT)– transport – energi – miljø…..

MEF 1000 – Materialer og energi

Dresselhaus & Thomas, "Alternative energy technologies", Nature Insight: Materials for clean energy, Nature 414 (2001) 332.

Moderne samfunn og velferd krever energi. Hvor kommer den fra?

Energiflyt-diagram for USA 1999: Bare 7% var fornybar energi (+ 8% kjernekraft).

MEF 1000 – Materialer og energi

Energi (og miljø) for fremtiden

• Bedre bruk av fossile energikilder

– Bedre effektivitet– Mindre forurensning

– CO2-håndtering

• Overgang til fornybare energikilder

– Direkte solenergi– Indirekte solenergi– Geovarme (og kjernekraft?)

– Hydrogen som energibærer

– Tidsperspektiv?

MEF 1000 – Materialer og energi

Hva er et materiale?

MEF 1000 – Materialer og energi

Konstruksjonsmaterialer og funksjonelle materialer

• Konstruksjonsmaterialer (strukturelle materialer)

– Mekaniske egenskaper– Styrke– Utseende

• Funksjonelle materialer– Fysikalske egenskaper

MEF 1000 – Materialer og energi

Metaller, plast, keramer

• Metaller– Metalliske grunnstoffer– Legeringer– Duktile, leder varme og elektrisitet– Metallglans

• Plast– Polymere organiske forbindelser– Myke– Isolerende

• Keramer– Forskjellige definisjoner– Moderne versjon: Ikke-metalliske

uorganiske faste forbindelser. Inkluderer glass.

– Typisk harde, sprø. – Stor variasjon i sammensetninger og

egenskaper

MEF 1000 – Materialer og energi

Kompositt- og hybridmaterialer

• Komposittmaterialer består av flere faser (oftest av forskjellig klasse; metall, plast, keram);

– Bedre egenskaper enn enkeltfasene

eller– Prishensyn/enklere fremstilling

– Eksempler: • Fiberforsterket plast• Cermets (Ceramic+metal)• Armert betong

• Hybridmaterialer– Organiske og uorganiske

komponenter i samme molekyl eller struktur.

MEF 1000 – Materialer og energi

Mikroteknologi

• Miniatyrisert og eventuelt tettpakket teknologi

– føle (sensorer) – huske (datalagre) – tenke (prosessorer)– handle (motorer og mekanikk)– skaffe energi

• Solcelle

• Brenselcelle

• termoelektrisk generator

MEF 1000 – Materialer og energi

Nanoteknologi

• Naturen har alltid hatt nanoskopiske strukturer

– Mineralsk• Bergarter, leire, jord

– Biologiske• Organismer, vev, ben

– Noen av de beste materialer som er kjent er naturens egne

• Skjell og andre skall (kompositt av mineralske og organiske stoffer)

• tre og andre plantefibre,• edderkoppens tråd, osv.

• Nanoteknologi er å beherske kunstig fremstilling av og egenskaper til strukturer på nanometerskala (< 30 nm)

• Nye egenskaper• Hybridisering (biologisk –

uorganisk)• Miniatyrisering

MEF 1000 – Materialer og energi

Materialer og energi

• Materialer er avgjørende for ny energiteknologi

• Energi er avgjørende for naturen som sådan, og for materialer

• Derfor skal vi – Starte med energi

• Mekanikk• Termodynamikk

– Lære om materialer• Sammensetning og bindinger• Struktur og mikrostruktur• Mekaniske egenskaper - konstruksjonsmaterialer• Funksjonelle egenskaper – funksjonelle materialer

– Lære om energiteknologi• Fokus på ny teknologi og materialaspektet

– Nye trender