Nanomateriály jsou výsledkem cílené manipulace s nanostrukturami.

Transkript

1 Nanostruktury jsou 1-, 2-, 3- dimenzionálně vymezené prostorové útvary (nanorozměrové útvary), vyplněné nebo obklopené hmotou, které mají unikátní vlastnosti, takové které se u makrolátky nevyskytují. Nanotechnologie jsou cesty přípravy a konstrukce těchto útvarů a manipulace s nimi vedoucí k vytváření nanomateriálů cílených vlastností pro praktické aplikace. Nanomateriály jsou výsledkem cílené manipulace s nanostrukturami.

2 Nanotechnologie jsou postupy vedoucí k vytvoření užitečných funkčních materiálů, zařízení a systémů v oblasti nanometrických rozměrů, materiálů, zařízení a systémů, které mají nové fyzikální, chemické, biologické vlastnosti. Χ = vlastnost materiálu (Ekin, Eion, Ekoh,...) Χnano(N) = Χmakro + AN -β N = počet atomů A, b = konstanty Joshua Jortner 1991: generalized cluster size equation Bod tání Au C

3 Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast, která se zabývá stavbou a inženýrstvím molekulárních objektů hmoty (nanomateriálů) pro využití jejich unikátních vlastností ve výzkumu a praxi. V současné době hovoříme o nanotechnologické revoluci. Nanočástice a nanostruktury mají společný fenomén: jejich fyzikální a chemické vlastnosti jsou rozdílné od makrolátky a navíc jsou takové, které se v makrosvětě nevyskytují. Unikátní vlastnosti vyplývají z jejich fyzikální podstaty, která je dána jejich rozměrovým vymezením, tj. prostorem, ve kterém vznikají.

4

5 Luminesscence nanočástic Cd 3 As 2 ve vodním roztoku ZnO ve vodním roztoku

6 Elektronika: záznamová media, displeje z OLED, elektromagnetické stínění Chemie: katalyzátory, nesmáčivé a samočistící povrchy Medicína: kontrastní látky, transport léčiv, hypertermie, antibakteriální účinky Nové materiály: keramika, plasty, plniva, barvy, polymer. a transp. kompozity Doprava: supertvrdé laky, palivo pro airbagy, aditiva do paliv Životní prostředí: čištění odpadních, povrchových i podzemních vod Stavebnictví: nové izolační materiály, samočistící fasádní nátěry Energetika: přeměna světelného záření v elektrický proud, palivové články Senzorika: tlakové a teplotní senzory ve stavebních materiálech

7 Processory s nižší energetickou spotřebou a nižší cenou na jedno hradlo, dosažení až milionkrát vyšší efektivity počítačů Paměťová média s ultra vysokou hustotou zápisu Integrované nanosenzory: snímání, zpracování a přenos vysokého množství dat, minimální rozměry, váha, potřeba energie Vyšší přenosové frekvence a efektivnější využití optického spektra při přenosu, zvětšení přenosového pásma desetkrát Nové technologie využívané v displejích Kvantové počítače, kvantová kryptografie

8

9 Náhrada elektrických spojů optickými spoji koherentního světla Implementovat do struktury IO laser. Možné řešení křemíková nanotechnologie??

10 Uchování optoelektrických a elektrooptických informací Logické obvody na molekulární úrovni

11 grafit diamant fulleren nanotubulární formy

12 S použitím pevného uhlíkového zdroje Elektrický oblouk Laserová ablace S použitím plynného uhlíkového zdroje Rozklad plynných uhlovodíků Šablonová metoda

13 Emitory elektronů: SEM, obrazovky Hydrofobní povrchy

14

15 První logický obvod na nanotrubičkách negátor (Appl. Phys. Lett., Nov. 2001) by Chongwu Zhou (USC) and Jie Han (NASA Ames) V0 Vout n-type p-type Carbon nanotube Vin V DD =2.9 V V DD p VDD DS (na) I 0 V DS =10 mv p-mosfet V g (V) V out (V) V in (V) V i n 2.0 n 0 V 2.5 V ou t DS (na) V DS =10 mv n-mosfet V g (V)

16 10 μm Lotusový efekt Epicuticular wax Na hladkém povrchu se komtaminující částice pohybují díky stékajícím vodním kapkám. Na zvrásněném povrchu jsou komtaminující částice strhávány valícími se vodními kapkami.

17

18 kontrastní látky při zobrazování metodou MRI, biomagnetické separace, léčba nádorových onemocnění metodou hypertermie, magnetické nosiče léčiv a cytotoxických látek. Guided Drug Delivery Solid tumor Apply magnetic field to concentrate particles Modulate field to release drug from particles Other options for targeting: 1 - Direct injection into tumor site 2 - Coating NMP with antibodies to target tumor Inject NMPs IV, NMP will circulate through the blood stream Biophan Technologies, Inc.

19 1,004 1 Nanočástice Fe 3 O 4 na montmorilonitové matrici transmission 0,996 0,992 0,988 0,984 MMT + Fe 2+ + KOH + KNO 3 Rozměr Fe 3 O 4 nanočástic cca 30 nm matrice Superparamagnetické krystaly 0,98 0, velocity [mm/s] MRI zobrazení střevního traktu 1,004 1 transmission 0,996 0,992 0,988 MMT 0,984 0, velocity [mm/s]

20 40 nm fruktóza, c(nh 3 ): 0,05 M 100 nm nm Ag B[1,0,1]

21 -3.87 ln c perox A B C D čas (min.) Kinetické křivky rozkladu peroxidu vodíku s použitím oxidů železa jako katalyzátorů A α-fe 2 O 3 (30-40 nm) B γ-fe 2 O 3 (20-30 nm) C α-feo(oh) (110 m2/g) D amorfní Fe 2 O 3 Nanočástice amorfního Fe 2 O 3 z teplotní konverze Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 k=1, min -1 vs. literární data (k=0, , min -1 ) Huang et al., Wat. Res. 35, , 2001

22 Produkce energie Uchování energie Využití energie Uhlíkové nanotrubičky Elektroluminiscence nanostruktur

23 Použit ití nanočástic Fe: reduktivní technologie sanace podzemních vod Zlaté Hory (ČR) Fe 2 O 3 nh 2 O/α-FeO(OH) 3-8 nm geonanomateriály 5 nm FeO 2Fe 0 + 4H + + O 2 2 Fe H 2 O 50 nm α-fe Fe 0 + 2H 2 O Fe 2+ + H 2 + 2OH - C 2 Cl 4 + 4Fe 0 + 4H + C 2 H 4 +4Fe Cl -

24 FeSO 4 7H 2 O FeSO 4 H 2 O FeSO 4 Fe(OH)SO 4 Mechanismus tvorby α-fe 2 O 3 termickým rozkladem FeSO 4 7H 2 O Fe 2 O(SO 4 ) 2 xh 2 O x (0,1) β-fe 2 O 3 - termicky stabilní nanokrystalická fáze s výrazně odlišnými barevnými vlastnostmi, její obsah závislý z na rozměru ru částic síranového prekurzoru! γ-fe 2 O 4 ) 3 3 Fe 2 (SO 4 ) α-fe 2 O 3 Fe 2 O(SO 4 ) 2 ε-fe 2 O 3 γ-fe 2 O 3 β-fe 2 O 3 α-fe 2 O : Úprava teplotního režimu provozní pece a procesu tříděnít velikosti částic v Přerovských P chemických závodech z optimalizace barevné kvality červeného železitého pigmentu

25 Magnetotaktické bakterie Perspektiva: - imunomagnetické separace - přenos DNA 60 nm

26 Existující aplikace: Aditiva polymery, plasty Barviva tonery, inkousty MRI kontrastní látky Hydrofobní nátěry Antibakter. textilie, obaly Perspektivní aplikace: Katalyzátory Au/CN Elektronika OLED Senzory CNT, Čištění, purifikace

27 Bilion USD Nanotechnologie průmyslová revoluce, jeden s určujících faktorů budoucí ekonomické úspěšnosti země