Nanověda a nanotechnologie na molekulární úrovni

Transkript

1 Nanomateriály. - pro projekt Team CMV Univerzity Pardubice, únor 2010 Nanověda a nanotechnologie na molekulární úrovni Jiří Čejka NANMATERIÁLY a NANTECHNLGIE "There is plenty room at the bottom" Richard Feynman (Caltech, 1962) "The novel features that appear at a higher level of complexity do not and even cannot conceptually exist at the level below" Jean Marie Lehn

2 NANMATERIÁLY a NANTECHNLGIE Vědecký a technologický rozvoj Revoluční změny ve vědě a technologii nastávají asi 2 x během století - Vzniká nová kvalita života společnosti Proč vůbec NAN? Nanomateriály co to vlastně je? proč jsou tak zajímavé? Nanomateriály a co o nich víme Zkoumání jejich vlastností Pozorování na atomární a molekulární úrovni Jak je měřit a manipulovat s nimi K čemu je lze využít? Nanomateriály a Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského

3 Co jsou NANMATERIÁLY a NANTECHNLGIE? Pohybujeme se v rozměrech nm - nové vlastnosti a funkce materiálů (1 nm = m) Velikost částic Tloušťka vrstev Velikost porů Velikost domén (krystalických) Pozorování hmoty na atomární a molekulární úrovni, schopnost měřit a manipulovat s nanomateriály, zkoumání jejich funkce a vlastností Začlenění těchto vlastností a funkcí do systémů sahajících od nano až po makroskopické měřítko Co jsou NANMATERIÁLY a NANTECHNLGIE? Částice Vrstvy Pory Domény

4 KATALYTICKÁ REAKCE d základního k průmyslovému výzkumu d nanočástic k makroskopickému reaktoru NANPRÉZNÍ ZELITY

5 NANMATERIÁLY a GEMETRICKÝ MDEL L = 1 cm S n L = n 2 S = 6 cm 2 12 cm 2 24 cm 2 48 cm 2 NANMATERIÁLY a GEMETRICKÝ MDEL n = 23 ; L n =1.2 nm n = 47 n = 60

6 NANMATERIÁLY Velikost vs. vlastnosti Full-shell Clusters Total Number Surface of Atoms Atoms (%) 1 Shell Shells Shells Shells Shells Shells K.J. Klabunde (editor), Nanoscale Materials in Chemistry. John Wiley &Sons, Inc., 2001 NANMATERIÁLY Velikost vs. vlastnosti Teplota tání zlata: 1064 C

7 NANTECHNLGIE - UPLATNĚNÍ biomedicína, přír. vědy doprava polovodiče počítače komunikace, optická zařízení materiály jiné chemikálie, plasty spotřební zboží obrana, bezpečnost energie, životní prostředí filmy obecné NANTECHNLGIE Celkové investice na rozvoj nanotechnologií = ,6 miliardy US dolarů ostatní ostatní USA 400 milionů USD Asie severní Amerika Asie severní Amerika Evropa Evropa 4,0 Soukromý sektor 4,6 Veřejné zdroje

8 NANTECHNLGIE - Patenty Intel IBM HP L real 3M Agilent Technologies Advanced Micro Devices Eastman Kodak Honeywell Texas Instruments Zdroj: EmTech Research NANTECHNLGIE - Firmy Počet společností Počet zaměstnanců Zdroj: EmTech Research

9 NANTECHNLGIE - PATENTY Zdroj: Huang et al., J. Nanoparticles Research NANTECHNLGIE - PUBLIKACE

10 NANTECHNLGIE - PUBLIKACE 6 % nano článků rok Zdroj: J. Murday, U.S. Naval Research Laboratory NANMATERIÁLY - Je nutná regulace? Existující předpisy poskytují dostatečné pravomoci?? Rozdíl USA (EPA) vs. Evropa Uplatnění nanomateriálů musí být dobře posouzeno Je nutné vyhodnotit rizika nanomateriálů a jejich obecných vlastností vzhledem k životnímu prostředí a lidskému tělu Nutná koordinace postupů regulačních a výzkumných institucí

11 NANMATERIÁLY - Toxikologické studie uhlíkové nanotrubice a fulereny nanočástice krystalických kovových oxidů (např. Ti 2 ) zeolity (erionit) azbest NANTECHNLGIE a HISTRIE 2. Světová válka Letecká bitva o Anglii Eugene J. Houdry

12 NANTECHNLGIE A SPLEČNST Polystyren a Polystyren NANTECHNLGIE A SPLEČNST rganicko-anorganické mikroporézní materiály (Metal-rganic-Frameworks; Periodic-Cationic-Polymers) 2000 struktur Adsorpce Separace Katalýza (?) Řízené uvolňování léků z porézní struktury

13 NANTECHNLGIE A SPLEČNST Téměř nekonečné množství možností rganické spojení Anorganické částice Předpokládané využití Adsorpce Separace Katalýza NANTECHNLGIE A SPLEČNST

14 NANTECHNLGIE A SPLEČNST Vnitřní povrch m 2 /g = 2 g brovská sorpční kapacita vodík, C 2 NANTECHNLGIE - XIDY KVŮ Nanočástice Ag, Ce, Fe, Ti... Hydrofobní nátěry a nástřiky impregnace textilu, stavebních materiálů, karoserií, skel Tvrdost a odolnost laků karoserií proti poškrábání Aditiva do pohonných hmot - snížení spotřeby paliva, snížení výfukových emisí Stříbro - nanosilver (rozměry částic nm) ponožky a prádlo širokospektrální antibakteriální účinky (nevzniká rezistence) urychlují hojení ran a oděrek antibakteriální ošetření nemocničních povrchů

15 Nanotechnologie přinášejí neviditelnost Nature, 13. srpen 2008 Science, 15. srpen 2008 Shown is a schematic and two scanning electron microscope images with top and side views of a metamaterial developed by UC Berkeley researchers. The material is composed of parallel nanowires embedded inside porous aluminum oxide. As visible light passes through the material, it is bent backwards in a phenomenon known as negative refraction. NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Metody k popisu a pochopení vlastností a struktury Jak manipulovat s nanočásticemi Perspektivy využití nanočástic

16 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Metody Difrakční Spektroskopické Mikroskopické NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Stanovení struktury pomocí rentgenové difrakce

17 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Postup při určování struktury výběr vhodného vzorku sběr difrakčních dat analýza dat NANTECHNLGIE a ÚFCH JH PT: optická mikroskopie Rozdělení mikroskopických metod podle rozlišení SNM: mikroskopie blízkého pole SEM: elektronová řádkovací mikroskopie HRTEM: transmisní el. mikroskopie STM,AFM: Tunelová mikroskopie, mikroskopie atomárních sil

18 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH AFM/STM Nanoscope IIIa Multimode Pro práci v kapalinách a plynech Rozlišení > 0,1 nm AFM/STM TopoMetrix TMX 2010 Pro práci v kapalinách a plynech Rozlišení ~ 0,1 nm NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Monokrystal Fulerenu C 60 zobrazení STM zvětšení ~50 000x molekulární struktura monokrystalu (zobrazení STM, zvětšení ~ x)

19 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Nanomanipulace mikroskopií rastrovací sondou: Cu nanočástice na Au111 deponované hrotem STM => a do tvaru písmene V průměr nanočástic ~8 nm, výška < 1 nm NANTECHNLGIE Hydrodesulfurizační katalyzátor klastry MoS 2, Co-Mo-S monovrstva snímek z řádkovacího tunelového mikroskopu (STM)

20 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Použití Studium reakční mechanismů reakce v atmosféře Katalýza léčiva, vonné látky Fotodesinfekční látky Fotokatalýza Ti 2 Porfyriny léčení nádorů NANTECHNLGIE a ÚFCH JH: létající nanolaboratoře Volné nanočástice ve vakuu (v molekulových paprscích) Klastry = soubory molekul M n, n= 2,..,10,..,10 6 mezimolekulové síly: van der Waalsovské interakce, vodíkové můstky, rozměr molekuly ~1 Å = m klastr molekul ~10-9 m= 1nm nanočástice Příklad: Studium klastrů relevantních v atmosférické chemii H Cl UV Ledové částice ve stratosféře (polární stratosférické mraky) vznik ozónové díry v laboratoři Studium heterogenní chemie a fotochemie molekul polutantů (např. HCl) na povrchu ledových nanočástic

21 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH: molekulové paprsky ve vakuu Experiment plyn ~1 bar Supersonická expanze vakuum (10-4 mbar) tryska (50 mm) Molekulový paprsek klastry/nanočástice NANMATERIÁLY a KATALÝZA

22 NANMATERIÁLY a KATALÝZA Laktony (cyklické estery) Baeyer-Villigerova reakce Sn NANMATERIÁLY a KATALÝZA 3-D Tomografie Studium drsnosti povrchu kanálů Podmínky syntézy Kalcinace K. De Jong et al. Chem. Mater. 21 (2009) 1315

23 NANMATERIÁLY a KATALÝZA SBA nm NANMATERIÁLY a KATALÝZA Klastry Au v SBA nm

24 NANMATERIÁLY a KATALÝZA Klastry Au v SBA nm Mesoporézní SBA-15

25 NANMATERIÁLY a KATALÝZA + Ac 2 + Parfémy Vůně Jasmín Zimolez Magnolie Jahody Citrus NANMATERIÁLY a KATALÝZA H 2 AlCl 3 HF CEt base H 2 /H + CH BTS H H 2 Pd/C HECHST NH 2 H NH N - H 2 H 2 /H + CH C Pd IBUPRFEN

26 NANMATERIÁLY a KATALÝZA NANMATERIÁLY a UHLÍK nanodiamant grafen fullereny nanotuby a další...

27 NANMATERIÁLY a PRFYRINVÉ STRUKTURY Porfyriny zabudové v polymerních nanovláknech a anorganických hybridních materiálech hydroxide ( brucite ) interlayer: A n- anionty H 2 Nanotextilie a 5 µm Vrstevnaté materiály Perspektivní fotodesinfekční materiály NANTECHNLGIE - UPLATNĚNÍ ELMARC Nanospider TM - technologie tkaní nanotextilií, Technická univerzita Liberec průměr vlákna nm superfiltrační materiály (operační sály, atomové elektrárny) akustika dokonalá zvuková izolace zvuk se přemění v teplo obvazy prodyšné, bariéra proti bakteriím a virům hygiena pleny, utěrky kosmetika

28 NANTECHNLGIE a ÚFCH JH Nanomateriály a Nanotechnologie Možnosti experimentálních technik ZÁJEMCI JSU VÍTÁNI!!