Základy nanotechnologií KEF/ZANAN

Transkript

1 Základy nanotechnologií KEF/ZANAN Úvod do nanomateriálů a nanotechnologií 1 Vůjtek Úvod do nanomateriálů a nanotechnologií 2 Vůjtek Mikroskopické metody pro nanotechnologie Vůjtek Uhlíkové nanostruktury Tuček Struktura nanomateriálů rentgenová difrakce Kašlík Fotonické nanostruktury Soubusta Pevnolátková příprava nanočástic oxidů železa Machala Aplikace nanotechnologií v medicíně Poláková Aplikace nanočástic v životním prostředí Filip Rizika nanotechnologií Dědková Nanolitografické techniky Vůjtek kolokvium Vůjtek Počet účastí: 7 (C), 9 (A, B), test

2 Úvod Nanotechnologie 1 nanometr: jedna miliardtina metru, 10 9 m vnímání běžného světa hmotnosti: g kg (85 kg elektronů) rozměry: 0,2 mm m

3 Úvod Definice nanotechnologií různé definice Nanotechnologické aplikace zahrnují výzkum a rozvoj technologií přípravy částic a struktur s velikostmi v rozsahu 1 nm až 100 nm. Nanotechnologické aplikace vytváří a používají struktury, které mají nové fyzikálně chemické vlastnosti v důsledku jejich malého rozměru. Nanotechnologické aplikace vyvíjejí schopnost kontrolovat nebo manipulovat materiály na atomovém měřítku. Nanotechnologie je návrh, charakterizace, produkce a aplikace struktur, zařízení a systémů ovládáním jejich tvaru a velikosti v rozměru nanometrů. 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.

4 Úvod Nanotechnologie nanotechnologie jsou interdisciplinární fenomén od konce 90. let nej-faktor (nejmenší, nejpevnější, nejtvrdší) velká grantová podpora spousta dostupných výrobků, některé i užitečné marketingový nástroj aplikace: využití systémů s nanorozměry

5 Úvod Historické aplikace Lykurgovy poháry Řím 4. století nanokrystaly Au a Ag, cca 70 nm barvení okenních skel glazovaná keramika barvení vlasů 2000 př. K. Egypt a Řím 5nm částice PbS usadí se v kutikule a kortexu a změní optické vlastnosti

6 Úvod Historie nanotechnologie 1857 Faraday vysvětlil vliv nanočástic kovů na barvu skla 1959 R. Feymann There is plenty of room at the bottom 1974 termín nanotechnologie, Taniguchi 1981 Binnig, Röhrer, skenovací tunelovací mikroskopie, NC Smalley, Curl, Heath, Kroto, uhlíkový fuleren C 60, NC Iijima, uhlíkové nanotrubičky 1991 Jablonovič, 3D fotonický krystal 2004 Novoselov, grafen, NC 2010

7 Úvod Aplikace ve fázi fantazie Nanoroboti K. Eric Drexler Nanosystems: Molecular Machinery Manufacturing and Computation, 1992 představa asembleru, který sestavuje atom po atomu zřejmě nereálné, bližší molekulární i lidské tělo je molekulární stroj představa nanobotů opravujících lidské tělo rozšíření molekulární biotechnologie do umělých struktur Výtah do vesmíru levné vynášení kosmických lodí podél tyče žádný běžný materiál nemá takovou pevnost, aby udržel svou váhu jediná výjimka uhlíková nanotrubička zřejmě nerealizovatelné Chytré obaly potravin, inteligentní senzory

8 Úvod Existující aplikace Elektronika velký tahoun nanotechnologií mikroelektronika od 70. let, postupně přechází do nano Moorův zákon zdvojnásobení výkonu každé dva roky už dnešní procesory patří do nanotechnologií

9 Úvod Další využití nanomateriálů chemie barviva, katalyzátory, sorbenty medicína kontrastní látky, transport léčiv, hypertermie, náhrada tkání, dezinfikující se plochy životní prostředí čištění odpadních, povrchových i podzemních vod strojírenství supertvrdé povrchy, superplastické materiály, metody obrábění stavebnictví nové izolační materiály, samočistící fasádní nátěry, lehké konstrukce potravinářství účinnější potravinové doplňky (lepší vstřebatelnost), antibakteriální obaly vojenství detektory bojových plynů, výzvědné systémy

10 Úvod Spotřebitelské produkty přehled na http: // letmý výběr: čistící a ochranné prostředky (proti špíně či vodě) antibakteriální nádobí či hračky nepřilnavé či adhezivní povrchy oblečení sportovní vybavení

11 Úvod Úvodní literatura a zdroje knihy Hošek, J.: Úvod do nanotechnologie, ČVUT 2011 Prnka, T.; Šperlink, K.: Bionanotechnologie, nanobiotechnologie, nanomedicína, 2006 Murty, B. S.; Shankar, P.; Raj, B.; Rath, B. B.; Murday, J.: Textbook of Nanoscience and Nanotechnology, Springer 2013 odkazy

12 Podstata nanotechnologií Zmenšení rozměrů každý fyzikální jev má své délkové měřítko L střední volná dráha atomu střední volná dráha elektronu ve vodiči difuze při rozměrech menších než L se výrazně mění fyzikální vlastnosti typická hodnota L je 100 nm nanotechnologie se týkají objektů s rozměry pod 100 nm malý rozměr na pomezí mezi atomy a objemovým materiálem

13 Podstata nanotechnologií Vliv velikosti na vlastnosti kvantové tečky s velikostí mění barvu roztoků už nejde o vlastnost materiálu umělé atomy

14 Podstata nanotechnologií Rozdělení nanostruktur podle počtu rozměrů pod 100 nm 0D struktury nanočástice, ultrajemné částice, kvantové tečky, všechny rozměry < L 1D struktury nanodráty, nanotrubičky, jeden rozměr větší 2D struktury nanovrstvy, nanofilmy, grafen, jen jeden rozměr je menší než L 3D struktury běžné objemové (bulk) materiály, nepatří k nanostrukturám

15 Podstata nanotechnologií Nanokompozity a nanostrukturní materiály ne vždy jsou nanostruktury izolované nanokompozity: nanostruktury s běžnou látkou (polymery) i malé procento může drasticky změnit vodivost nanostrukturované materiály

16 Podstata nanotechnologií Biomimetika inspirace techniky přírodními strukturami technika používá homogenní materiály (ocel atd.) příroda staví ze směsí např. ulity kombinace šupinek CaCO 3 a proteinů absorbce a rozložení energie rázu inspirace pro odolné a supertvrdé povrchy kompozitní materiály barvy motýlích křídel nepoužívá barviva, ale změny ve vnitřní struktuře inspirace pro fotonické struktury

17 Podstata nanotechnologií Tvorba nanostruktur dva základní přístupy top-down zobecnění z běžného strojírenství z velkého kusu materiálu odebíráme a vytváříme menší různé litografické techniky, mletí apod. čím dál tím obtížnější složitější struktury, více volnosti lepší integrace s okolím bottom-up postup typický pro chemii a biologii struktury vznikají z malých jednotek (analogie stavby z cihel) obtížnější řízení výsledku relativně levné

18 Podstata nanotechnologií Samouspořádání a samoorganizace bottom-up, nevyžaduje doplňkové informace celá řada aplikací v biologii (buněčné membrány, micely atd.) i technice (koloidní krystaly) souvisí i s růstem krystalů či vznikem složitých molekul využívá se i cíleně, např. DNA origami

19 Fyzikální základy nanotechnologií Kvantová fyzika klasická fyzika nepostačuje pro popis malých objektů dualismus částice vlna, de Broglieho vlnová délka λ = h/p

20 Fyzikální základy nanotechnologií Vlnová funkce popis pomocí vlnové funkce Schrödingerova rovnice d 2 dx 2 ψ + 2m 2 [E E p(x)]ψ = 0 pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce P(x) = ψ(x) 2 volná částice: E p (x) = 0, E = E k = 1 2 mv2 ψ(x) = Ae ikx + Be ikx P(x) = ψ(x) 2 = konst. Heisenbergův princip neurčitosti x p x

21 Fyzikální základy nanotechnologií Tunelování rozdílné chování oproti klasické fyzice průchod částice bariérou nutná malá tloušťka

22 Fyzikální základy nanotechnologií Jednorozměrná nekonečně hluboká jáma

23 Fyzikální základy nanotechnologií Jednorozměrná konečně hluboká jáma

24 Fyzikální základy nanotechnologií Trojrozměrná jáma

25 Fyzikální základy nanotechnologií Atom vodíku

26 Fyzikální základy nanotechnologií Struktura pevných látek volný atom: diskrétní energetické struktury molekula: rozštěpení energetických hladin pevné látky: spojité pásy Pauliho vylučovací pravidlo

27 Základy nanotechnologií Fyzikální základy nanotechnologií Význam povrchu větší poměr povrchových atomů k celkovému počtu atomů v extrémech až 100 % povrch je obecně reaktivnější nerovnosti na povrchu větší koncentrace volných vazeb

28 Fyzikální základy nanotechnologií Změna vlastností s rozměrem částic pokles teploty tání např. zlato až na 300 K změna mřížkové konstanty vlivem Laplaceova tlaku měděné klastry