1. přednáška Úvod do nanomateriálů a nanotechnologie, úvod do textilních nanomateriálů

Transkript

1 1. přednáška Úvod do nanomateriálů a nanotechnologie, úvod do textilních nanomateriálů Eva Košťáková KNT, FT, TUL eva.kostakova@tul.cz

2 NAVAZUJÍCÍ MAGISTERSKÝ PŘEDMĚT Název předmětu: Fyzikální principy elektrostatického zvlákňování Garant: Prof. RNDr. David Lukáš, CSc. Rozsah: 2+0 Zk Obsah předmětu: Elektrické výboje na hrotech a trubicích obsahujících kapalinu a metoda pro měření intensity elektrostatického pole na takovýchto hrotech, Metoda výroby příze pomocí elektrostatického zvlákňování, Rozpad kapek v elektrostatickém poli, Měření ztrát hmotnosti kapek padajících ve vnějším elektrostatickém poli, vliv hustoty náboje na tvar trysky při elektrostatickém zvlákňování, Vztah viskozity a kvality vlákenné vrstvy, Vztah počtu zauzlení makromolekul polymerního roztoku na kvalitu vlákenné vrstvy, Elektrostatické zvlákňování na zařízeních s mnoha tryskami, Zvlákňování bez použití trysky. Prof. Lukáš a jeho nejbližší spolupracovník Ing. Petr Mikeš budou přednášet pro studenty TNA 2 přednášky (15. a ) týkající se problematiky fyzikálních principů elektrostatického zvlákňování a možnosti uspořádání nanovlákennen na speciálních kolektorech, výroba nití z nanovláken atd.

3 Nanotechnologie - obecně označuje technický obor, který se zabývá tvorbou a využíváním materiálů v měřítku nanometrů (10-9 m). Jako jeden ze zakladatelů nanotechnologie (třebaže ještě nepoužil toho slova) je označován Richard Feynman, který základní myšlenky představil ve své slavné přednášce nazvané Tam dole je spousta místa (There's Plenty of Room at the Bottom), kterou v roce 1959 přednesl na výroční schůzi Americké společnosti fyziků pořádané na Caltechu. Nanotechnologie doslova zahrnuje jakoukoli technologii pracující v měřítku nano-rozměrů, která má uplatnění v reálném světě. Nanotechnologie zahrnuje výrobu a aplikace fyzikálních, chemických a biologických systémů s rozměry dosahujícími od jednotlivých atomů či molekul k submikronovým systémům, stejně tak jako integraci výsledných nanostruktur do větších celků. Nanotechnologie mají skutečný vliv na ekonomiku a společnost na počátku 21.století. Obecná věda a technologický výzkum slibují zásadní průlom v oblastech výroby materiálů, elektroniky, v medicíně, energetice, biotechnologiích informačních technologiích a bezpečnostních systémech.

4

5

6 Mravenec

7 Špendlíková hlavička 1 mm

8 Roztoči

9 Lidský vlas

10 Popílek

11 SMS vrstva - POP Uhlíková vlákna

12 Červené krvinky

13 250 nanometer average diameter meltblown on 20 micron diameter spunbond

14 Elektrostaticky zvlákněná nanovlákna

15 Saze v náplni do tiskáren

16 CNTs

17 Polymerní řetězec poly(vinylpyridine) Appearance of real linear polymer chains as recorded under liquid medium roztoč using an atomic force microscope. Chain thickness is 0.4 nm. Attribution should be given to the work: Y. Roiter and S. Minko, AFM Single Molecule Experiments at the Solid-Liquid Interface: In Situ Conformation of Adsorbed Flexible Polyelectrolyte Chains, Journal of the American Chemical Society, vol. 127, iss. 45, pp

18 DNA (čili deoxyribonukleová kyselina, zřídka i DNK) je nukleová kyselina, která je nositelkou genetické informace všech organismů s výjimkou některých nebuněčných, u nichž hraje tuto úlohu RNA (např. RNA viry). DNA je tedy pro život nezbytnou látkou, která ve své struktuře kóduje a buňkám zadává jejich program a tím předurčuje vývoj a vlastnosti celého organismu. Průměr 2-12nm

19 TEM images of SWNT and DWCNTs. Parallel dark lines corresponds to (002) lattice image of graphite. (a) and (b) SWNTs have 1 layer graphene sheet, diameter 3.2 nm. (c) DWCNT, diameter 4.0 nm.

20 Předmět TEXTILNÍ NANOMATERIÁLY

21 Proč nelze vyrobit PIKOVLÁKNA?

22 The smallest molecule is the diatomic hydrogen (H 2 ), with an overall length of roughly twice the 74 picometres (0.74 Å) bond length. polyetylen

23 It's a small world after all Ostatně svět je přece malý! An ant carries a one millimetre square microchip in its mandibles, illustrating the work that is being done in nanotechnology. Photo: Reuters Mravenec nese v čelistech mikročip o velikosti jednoho mikrometru čtverečného, což ilustruje jak daleko již nanotechnologie jsou!

24 Nanotechnologie se řadí k jedněm z nejčastěji diskutovaným technologiím současnosti. Jako nanotechnologie se obecně označuje vědní obor výzkumu a vývoje, který se zabývá cíleným vytvářením a využíváním struktur materiálů v měřítku několika nanometrů alespoň v jednom rozměru (0,1-100 nm). Konstrukčními prvky nanotechnologie jsou molekuly a dokonce i samotné atomy. protilátky 1 1nm

25 Proč nano? Je zřejmé, že takové nano-systémy najdou různé jedinečné uplatnění. Nanostrukturní materiály mají díky svému rozměru skutečně speciální vlastnosti. Tato oblast otvírá nové cesty ve vědě i v technologiích. Využití nanotechnologií a nanomateriálů je velmi rozsáhlé, již v současnosti nalézají uplatnění v mnoha oblastech běžného života jako je elektronika (paměťová média, spintronika, bioelektronika, kvantová elektronika), zdravotnictví (cílená doprava léčiv, umělé klouby, chlopně, náhrada tkání, desinfekční roztoky nové generace, analyzátory, ochranné roušky), strojírenství (supertvrdé povrchy s nízkým třením, samočisticí nepoškrabatelné laky, obráběcí nástroje), stavebnictví nové izolační materiály, samočistící fasádní nátěry, antiadhezní obklady), chemický průmysl (nanotrubice, nanokompozity, selektivní katalýza, aerogely), textilní průmysl (nemačkavé, hydrofóbní a nešpinící se tkaniny), elektrotechnický průmysl (vysokokapacitní záznamová média, fotomateriály, palivové články), optický průmysl (optické filtry, fotonické krystaly a fotonická vlákna, integrovaná optika), automobilový průmysl (nesmáčivé povrchy, filtry čelních skel), kosmický průmysl (katalyzátory, odolné povrchy satelitů), vojenský průmysl (nanosenzory, konstrukční prvky raketoplánů), životní prostředí (odstraňování nečistot, biodegradace, značkování potravin).

26 Lekce z přírody! Nanotechnologie je pro nás zcela nový svět, ovšem není to zcela nové! Příroda má mnoho předmětů či procesů, které fungují v mikro a jistě i v nano měřítku. Pochopení těchto přírodních funkcí nás může naučit je imitovat a vyrábět tedy nanomateriály a nanozařízení pro speciální aplikace. Před miliardami let se molekuly začali organizovat do komplexnějších struktur, aby tak mohly podpořit vývoj života na zemi. Příklad: Lotosový list: extrémně hydrofóbní materiál s vynikající prodyšností.

27 Lotus efekt Dvě charakteristické vlastnosti 1) Superhydrofóbnost 2) Samo-čištění (třecí síla) The roughness of the leaf surface results from the coexistence of micron-sized bumps (hrbolek) and nanoscale hair-like structures. (Image credit: W Barthlott)

28

29 DEFINICE NANOmateriály jsou materiály, jejichž nejméně jeden rozměr není větší než 100nm. nebo.. nejméně jeden rozměr je v měřítku nanometrů tedy pod 1 m. nebo nejméně jeden rozměr je menší než vlnová délka viditelného světla ( nm). SUBMIKRONOVÉ materiály (submikronová oblast) jsou materiály, jejichž nejméně jeden rozměr se pohybuje v rozměrech stovek nanometrů. Ovšem definice není důležitější než skutečné potřeby při aplikaci nanomateriálů! (příklad tkáňové inženýrství chrupavky)

30 Nanomateriály geometrické dělení: 0D nanoelementy, nanočástice (všechny rozměry v oblasti nano). 1D nanotrubice, nanovlákna, 2D nanodestičky 3D kombinace výše uvedených materiálů do větších celků

31 Obecné přístupy k výrobě nanomateriálů Top-down X Bottom-up Zmenšování Od velkého k malému Zvětšování Od malého k velkému Elspin, ostrovy v moři CNTs

32 NANOVLÁKLA 1D nanomateriál Co je nanovlákno? vlákno délkový útvar o charakteristických rozměrech, kde jeden rozměr významně přesahuje ostatní dva. Z latinského fibra - vlákno. Proč právě slovo NANO??? nano z řeckého nanos nebo nannos malý starý muž trpaslík Před začátkem používání nanotechnologií (na konci minulého století) byly někdy přípony nano používány také, ale ne vždy technicky korektně.

33 Uhlíkové nanotuby Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Rozdělení Výroba Vlastnosti Využití

34 Uhlíkové nanotuby Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Snímky z transmisního elektronového mikroskopu (TEM)

35 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Uhlíkové nanotuby vyráběné na KNT, FT, TUL

36 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Elektrostatické zvlákňování Atom nm Polymeric Nanofiber - 50 to 500 nm Blood Cell nm Human Hair to nm

37 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Elektrostatické zvlákňování Jednou v podstatě velmi jednoduchou metodou výroby nanovláken je tak zvané Elektrostatické vzlákňování (anglicky Electrospinning) v principu známé již od počátku 20. století. Zvlákňování z jehly, ze stříkačky Needle electrospinning

38 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Elektrostatické zvlákňování Needle-less electrospinning Zvlákňování z volného povrchu zvlákňování z tyčky 1- zdroj vysokého napětí, 2- kovová tyčka, 3- kapka polymerního roztoku nebo taveniny, 4- vznikající nanovlákna, 5- uzemněný kolektor zachytávající nanovlákna.

39 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Elektrostatické zvlákňování Zvlákňování z volného povrchu zvlákňování z tyčky 12% PVA roztok 16% PVA roztok

40 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Elektrostatické zvlákňování Zvlákňování z volného povrchu zvlákňování z povrchu válečku (NANOSPIDER) SVĚTOVÝ PATENT týmu Technické univerzity v Liberci a firmy Elmarco v roce 2004: Kontinální výroba nanovlákenných vrstev elektrostatickým zvlákňováním TECHNOLOGIE NANOSPIDER Hlavní výhoda výkon

41 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Elektrostatické zvlákňování

42 Elektrostatické zvlákňování (prof. David Lukáš) Princip technologie elektrostatického zvlákňování. Teoretický vysvětlení vzniku Taylorových kuželů nastartování procesu vytahování vláken z povrchu kapaliny při takzvaném bezjehlovém zvláňování. Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Výroby lineárních útvarů pomocí elektrostatického zvlákňování

43 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Úpravy povrchů vlákenných materiálů Úpravy plazmou, lubrikace povrchů, studie rozhraní v nanoměřítku, nanočástice stříbra na povrchu vláken atd.

44 Kompozitní nanomateriály Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? využití uhlíkových nanotubrubic v kompozitních materiálech, kompozitní elektrostaticky zvlákněná nanovlákna, problematika výroby

45 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Testování nanomateriálů - mikroskopie SEM, ESEM TEM AFM Výhody Omezení

46 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Testování nanomateriálů testování složení a mechanických vlastností Infračervená spektroskopie Ramanova spektroskopie Chromatografie Speciální metody pro testování mechanických vlastností nanovlákenných vrstev Atd.

47 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Testování nanomateriálů novinky Tkanina vytvořená z trubiček tvořených uhlíkovými nanovlákny

48 Přehled výuky v předmětu TNA O ČEM TO JE? Testování nanomateriálů novinky Nanovlákna s nanonánosem zlata antibakteriální úprava Vzorování pomocí uhlíkových nanotrubic

49

50 Česky psaná literatura ke studiu Uhlíkových nanotrubic Z. Weiss, G. Simha-Martynková, O. Šustai: Nanostruktura uhlíkatých materiálů. Repronis Ostrava, 2005, ISBN , 138 s.;