Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů.

Transkript

1 Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů. Pavla Čapková Přírodovědecká fakulta Univerzita J.E. Purkyně Březen 2014

2 UJEP PřF, PF, FF, FSE, FVTM, FZS, FUD

3 Nové objekty kampusu UJEP 2012 Kavárna-bufet Nové auly - knihovna

4 Studijní programy Přírodovědecké fakulty UJEP Učitelství přírodovědných předmětů: matematika, fyzika, chemie, geografie, Bakalářské a magisterské Biologie Bakalářské a magisterské Toxikologie a analýza škodlivin Bakalářské magisterské v řízení Geografie Bakalářské a magisterské Matematika Bakalářské, magisterské, doktorské Informační systémy bakalářské Aplikované Nanotechnologie Bakalářské, magisterské doktorské Počítačové modelování ve vědě a technice, bakalářské, magisterské, doktorské

5 Studijní program : Aplikované nanotechnologie Bakalářský Magisterský Doktorský Studium multidisciplinární s přesahem do fyziky, chemie, biologie Při studiu na PřF UJEP si může student zvolit jedno ze 4 zaměření své studentské práce: Bionanotechnologie nanomateriály pro biomedicinské aplikace Plazmové technologie nanomateriály připravené plazmovou technologií pro širokou škálu využití Studium nanovlákenných textilií připravených technologií nanospider Počítačový design nanomateriálů

6 Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů. I. Úvod do nanotechnologií (definice, vymezení pojmů, technické předpoklady pro nanotechnologie a charakterizaci nanomateriálů). II. Chování látek v nanorozměrech (vliv nanorozměru na vlastnosti pevných látek). III. Přehled nanotechnologií a nanomateriálů a jejich praktické využití (přehled metod přípravy nanomateriálů a jejich široká škála aplikací od vývoje nových lékových forem a biomedicínských aplikací, přes sorbenty, fotokatalyzátory, optoelektronické prvky až po konstrukční nanokompozitní materiály).

7 I. Úvod do nanotechnologií NANO svět 1nm = 10-9 m = m 1m = nm Vzdálenosti mezi atomy v pevných látkách: Kovy: 0.25nm (Cu), 0.28nm (Au), 0.32nm (Cd), 0.43nm (Ba) Diamant: 0.15nm Molekulární krystaly: 1 nm

8 Co je nanotechnologie? Nanotechnologie cílená manipulace na úrovni atomů a molekul, která vede k novým umělým strukturám s novými předem danými, požadovanými vlastnostmi. Nanomateriál uměle vytvořená nanostruktura, která má zásadní význam pro funkci a vlastnosti materiálu. Cíl materiálového výzkumu : design materiálů s požadovanými předem danými vlastnostmi!!!!!! Schopnost kontrolovat vlastnosti materiálů!!!!!!!

9 Hlavní výzvy pro nanovědy a nanotechnologie Richard Smalley laureát Nobelovy ceny za chemii z r objevitel fullerenů - zformuloval hlavní globální problémy světa: 1. Energie (zdroje. transport, ukládání enegie baterie, palivové články, úspora energie molekulární elektronika) 2. Voda (odsolení mořské vody a úprava průmyslové znečištěné vody) 3. Potraviny 4. Životní prostředí selektívní sorbenty, nanofiltry filtry pro ochranu vody a vzduchu, samodegradující plasty 5. Chudoba 6. Terorismus 7. Choroby zdravá populace diagnostické metody, nové lékové formy, tkáňové inženýrství- regenerativní medicína 8. Vzdělání. Výzvy pro nanotechnologie a nanovědy!!!!!!!!!

10 Nanotechnologie z laboratoří do praxe : Elmarco, Nanovia, Kertak nanotechnology, Spur Zlín, Precheza a.s., Pardam, Spolchemie Využití nanomateriálů: Elektronika, optoelektronika, senzory Konstrukční materiály s mimořádnou pevností a tepelnou odolností Stavební a nátěrové hmoty samočistící Medicína diagnostika nádorů Medicína - likvidace nádorové tkáně Pharmacie vývoj nových lékových forem, cílená doprava léčiva v organismu, cílená doprava cytostatik pouze do nádorové tkáně Ochrana životního prostředí nanostrukturované materiály jako sorbenty, katalyzátory, filtrace odpadních vod a plynů. Nanotechnologie - multidisciplinární obor s přesahem do fyziky, chemie, biologie

11 Vztah struktury a vlastností saze Fullereny grafit Nanotrubky diamant Vztah struktury a vlastností vývoj nových materiálů stojí na pochopení tohoto vztahu kontrola struktury - kontrola vlastností

12 Struktury a vlastnosti léčiva Stimulátor myocardiální membrány I aktivn í I I I Krystalové struktury I I aktivní I V I I I I I I I V

13 Klíčem pro pochopení vztahů struktury a vlastností je znalost struktury Nástroje pro studium nanostruktur: W.K. Röntgen objev RTG záření Řešení struktur krystalů - Princip: rentgenová difrakce Měříme intenzitu a rozložení difraktovaných svazků v prostoru Difrakční obraz monokrystal Difraktované svazky Dopadající svazek monochrom. záření rtg., synchrotron goniometr Vztah mezi difrakčním obrazem a strukturou Difrakční obraz umožňuje získat strukturu krystalické látky????jak????

14 Dopadající svazek rtg záření Princip rtg difrakce Difraktovaný svazek Interference difraktovaných svazků Krystal Podmínkou interference: Drahový a fázový rozdíl interferujících svazků Difrakční obraz je zobrazením struktury - uspořádání atomů Krystalové struktury 3D periodicita v uspořádání atomů Nutná podmínka pro vznik difrakčního obrazu je periodické prostředí krystalové mříže potřebujeme krystal

15 Příklady krystalových struktur triacylglyceridy Au korund Krystalové strukturní databáze Kyselina benzoová Diky rtg difrakci byly vyřešeny struktury: DNA, proteinů. Cambridge proteinová strukturní databáze - Cambridge RTG difrakce určí nanostrukturu ale potřebuji makroskopický krystal (dokonalou krystalickou látku s periodickým uspořádáním atomů) Proteiny Pokud do rtg svazku vložím nanočástice, difrakční obraz je silně rozmazaný s omezenu informací o struktuře. Nemáme šanci určit spořádání atomů, molekul v nanočásticích pomocí klasické difrakční metody. Kdy selhává klasická metoda řešení struktur pomocí difrakce????!!!!!!!!!!!! Nanočástice, neuspořádané struktury!!!!!!!!!! HIV

16 Revoluční krok v rozvoji nanotechnologií - Nobelova cena za fyziku v r Heinrich Rohrer Ernst Ruska Gerd Binnig Za fundamentální práce v elektronové optice a design prvního elektronového mikroskopu, Za jejich design skenovacího tunnelovacího mikroskopu Tyto objevy vedly k zobrazení jednotlivých atomů

17 Podmínky pro rozvoj nanotechnologií: Mikroskopie přímé zobrazení nanostruktury HRTEM - High resolution transmission electron microscopy AFM atomic force microscopy STM Scanning tunneling microscopy SEM Scanning electron microscopy TEM Transmisní elektronová mikroskopie Nanočástice stříbra s přímým zobrazením jednotlivých atomů

18 Schema elektronového mikroskopu Zdrojem elektronů je elektronová tryska - nejčastěji wolframové žhavené vlákno, umístěné v tzv. Wehneltově válci. Elektrony jsou urychlovány směrem k vzorku urychlovacím napětím (běžně 40kV). Svazek elektronů (paprsek) je upravován, zaostřován elektromagnetickými čočkami. Tubus obsahuje zpravidla jednu nebo více kondenzorových čoček, objektivovou čočku, vychylovací cívky rastrů a cívky stigmátorů pro korekci astigmatismu. Dopad paprsku elektronů na vzorek způsobí emisi sekundárních elektronů, zpětně odražených elektronů, RTG záření a jiných signálů ze vzorku, které jsou pak detekovány a analyzovány.

19 Interakce dopadajícího svazku urychlených elektronů s materiálem vzorku Dopadající primární svazek elektronů Charakteristické RTG záření Spojité RTG záření Luminiscence Zpětně odražené (difraktované) elektrony Emise elektronů Augerovy elektrony (sekundární elektrony) vzorek Teplo Prošlé elektrony

20 Augerovy elektrony Pokud je elektron z vnitřních vrstev elektronového obalu atomu vyražen např. externím volným elektronem a v této vrstvě se tak vyskytne nezaplněná (energetická hladina), pak se elektron z vnějších vrstev přesune do této nezaplněné vnitřní slupky. Takto uvolněná energie může být vyzářena ve formě fotonu, ale v některých případech je předána jako kinetická energie některému elektronu ve vnější slupce, který tím získá dostatek energie k tomu, aby atom opustil. V takovém případě dojde uvolnění tohoto elektronu z atomu; Vyražené elektrony se označují jako Augerovy elektrony.

21 Rastrovací elektronový mikroskop: Rastrovací, nebo též řádkovací elektronový mikroskop (angl. scanning electron microscope, SEM) využívá k zobrazování pohyblivého svazku elektronů. Princip SEM: na každé místo vzorku je zaměřen úzký paprsek elektronů (prochází jej po řádcích). Interakci dopadajících elektronů s materiálem vzorku vznikají různé jevy. Jak paprsek putuje po vzorku, mění se podle charakteru povrchu úroveň signálu v detektoru. Z těchto signálů je pak sestavován výsledný obraz. Detektory SEM: SE detektor detektor sekundárních elektronů BSE detektor detektor zpětně odražených elektronů TE detektor detektor prošlých elektronů. EDS detektor charakteristického RTG záření (analýza chemického složení) EBDS detektor difraktovaných elektronů ( analýza krystalové struktury)

22 TEM Transmisní Elektronová Mikroskopie Elektrony pronikají pozorovaným preparátem a interakcemi s ním jsou odchylovány od původního směru, jímž se pohyboval hlavní svazek. Většina odchýlených elektronů je pomocí clony ze svazku vyloučeno. Obraz je tvořen dopadem převážně neodchýlených elektronů na zobrazovací systém. Zobrazovacím systémem může být stínítko z luminiscenčního materiálu, film, CCD kamera. Ernest Ruska v letech navrhl elektromagnetickou čočku a roku 1931 sestavil první transmisní elektronový mikroskop, za jehož objev dostal v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku.

23 HRTEM Zobrazení na atomární škále - přímé zobrazení atomů Přímé zobrazení struktury GaN pomocí HRTEM mikroskopie Max. v současné době dosažitelné rozlišení HRTEM ~ setiny nm GeSi nanokrystal

24 AFM - mikroskopie Binnig, Quate, Gerber 1986 Konzole se silikonovým hrotem s poloměrem zakřivení ~ nm. Síly mezi hrotem a povrchem vzorku způsobují vychýlení konzole, které se detekuje pomocí odraženého laserového svazku. Hrot: Si, Si 3 N 4 Síly mezi hrotem a povrchem: Van der Waals, elektrostatické. Rozlišení: nejlepší dosažené 5nm, běžné nm Piezoelektrický posuv vzorku Povrch Chipu Povrch DVD

25 STM skenovací tunelovací mikroskopie Binnig, Rohrer Reliéf atomové roviny 110 niklu Malá sonda mikrometrových rozměrů s ultra ostrým hrotem se pohybuje ve vakuu podél povrchu vzorku a emituje proud elektronů. Sebemenší změna vzdálenosti sondy od povrchu je zaznamenávána. STM obraz 7 nm x 7 nm, řetězce Cs atomů (červené) na GaAs(110) povrchu (modré).

26 Počítačový design nanomateriálů: Design nových funkčních nanostruktur: Nové lékové formy, ukotvení aktívních molekul na vhodných nosičích; Nanostruktury pro optoelektronické aplikace molekulární elektronika, chemické senzory, membrány; Nanostruktury pro katalýzu a fotokatalýzu; Selektívní sorbenty; Biomedicínské aplikace, tkáňové inženýrství substráty pro tkáňové kultury. Nástroj: Molekulové modelování - predikce struktury a vlastností šetří čas, energii a materiál technologům.

27 Obecný princip molekulového modelování Metoda molekulového modelování je založena na výpočtu nejstabilnějších konfigurací na základě energetické optimalizace struktur, t.zn. minimalizace energie systému. E Minimalizace energie systému - přístupy k řešení tohoto problému lze zhruba rozdělit do tří hlavních skupin: ab initio kvantově mechanické výpočty, semi-empirické výpočty molekulární mechanika empirické silové pole

28 Nanotechnologie na Přírodovědecké fakultě UJEP: Technologie Využíváme počítačový design nanomateriálů - molekulární modelování Schema strategie vývoje nanomateriálů Analýza povrchů Chromatografie RTG difrakce At.emisní absorpční a IČ spektr. El. mikroskopie AFM mikroskopie Molekulové modelování Struktura a vlastnosti

29 Dva přístupy k nanotechnologiím Top down Objemový materiál Částice prášku Nanočástice Shluky atomů - klastry Atomy, molekuly Bottom up

30 Nanotechnologie: Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Tváření ECAP Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních anostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod. Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám, s novými vlastnostmi

31 Zdroje a doporučená literatura ke studiu: Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Editor H. S. Nalva, American Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, 2004, ISBN: / Nanomaterials and nanochemistry Catherine Bréchignac, Philipe Houdy, Marcel Lahmani, editors, Springer,2006, ISBN Nanotechnology Science, Innovation and Opportunity, L.E. Foster, Pearson Education. Inc. 2006, ISBN: Nanotechnology, basic science and emerging technologies, 2002, ACRC Press company, M. Wilson, K. Kannangara, G. Smith, M Simmons, B. Raguse Nanostruktura uhlíkatých materiálů, Z. Weiss, G.Simha Martynková, O. Šustai, tisk Repronis Ostrava, 2005, ISBN