MEF 1000

1. MEF 1000 Materialer og energi • Kurs-uke 1a • Kursinformasjon • Kap. 1; Materialer og energi (innledning) • Truls Norby • Kjemisk institutt/ • Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) • Universitetet i Oslo • Forskningsparken • Gaustadalleen 21 • N-0349 Oslo • truls.norby@kjemi.uio.no MEF 1000 – Materialer og energi

2. 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

3. 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 Kursbeskrivelse; innhold og mål MEF 1000 – Materialer og energi

4. 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

5. 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

6. MEF 1000 – Materialer og energi; Kursplan H06 MEF 1000 – Materialer og energi

7. Materialer og fremskritt • Materialer har alltid vært en viktig faktor for menneskets ”fremskritt”: • survival • of the fittest or • 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

8. Moderne samfunn og velferd krever energi. Hvor kommer den fra? Energiflyt-diagram for USA 1999: Bare 7% var fornybar energi (+ 8% kjernekraft). Dresselhaus & Thomas, "Alternative energy technologies", Nature Insight: Materials for clean energy, Nature414 (2001) 332. MEF 1000 – Materialer og energi

9. 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

10. Hva er et materiale? Et materiale er et fast stoff som kan brukes til noe MEF 1000 – Materialer og energi

11. Konstruksjonsmaterialer (strukturelle materialer) Mekaniske egenskaper Styrke Utseende Funksjonelle materialer Fysikalske egenskaper Konstruksjonsmaterialer og funksjonelle materialer MEF 1000 – Materialer og energi

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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 MEF 1000 – Materialer og energi