KUDY DO NANOSVĚTA Nanosvět. Nanosvět. Nanosvět. K. Záruba. a spousta dalších... nanotechnologie molekulární pinzety. nanověda.

Transkript

1 KUDY DO NANOSVĚTA Nanosvět K. Záruba Nanosvět Nanosvět nanověda nanotechnologie molekulární pinzety nanočástice kvantové tečky pseudoatomy tunelový efekt self-assembly (sebeskladba) fotonika spintronika a spousta dalších... 1

2 Význam nanotechnologií top - down informační technologie nanomanipulace nové materiály bottom - up výroba a skladování energie instrumentace medicinální aplikace životní prostředí bezpečnost Cesta zhora dolů (top-down approach) Litografie fotolitografie fotocitlivé polymery omezení vlnovou délkou záření litografie svazkem elektronů 2

3 Litografie - UV Litografie - elektrony Litografie - UV Litografie - UV ASML 193nm ArF Stepper/Scanner 3

4 Cesta zdola nahoru (bottom-up approach) Ultratenké vrstvy spontánní tvorba ultratenkých vrstev Kontrola vlastností povrchu na molekulární (atomární) úrovni sebeskladba (self-assembly) tvorba nanoobjektů v roztoku a na povrchu vrstvy na rozhraní g l (LB filmy) vrstvy na rozhraní g s (sebeskladné monovrstvy) zkoušíme to, co příroda běžně používá LB filmy LB filmy Langmuir, Blodgettová 4

5 LB filmy LB filmy amfifilní deriváty O O P O H 2C CH CH 2 O O O O O N CO 2H NH N HO 2C N HN CO 2H CO 2H LB filmy SAM-thioly sorpce thiolů na zlatě, Nuzzo, Whitesides Thin Solid Films 340 (1999)

6 SAM-geometrie SAM-geometrie tmp/material_matters_v1n2.pdf SAM-změna smáčivosti Shown is a pattern of hydrophobic squares in a checkerboard pattern fabricated by microcontact printing a hydrophilic SAM on the surface. A droplet of colored water rests upon each square. A hydrophobic SAM several microns in width separates the hydrophilic squares (and thus the water droplets) from each other. Image courtesy of Felice Frankel. On the surface of things, Felice Frankel, Chronicle Books

7 Monovrstvy silanů SAM-změna smáčivosti + OH OH OH Si Cl Si Si Si O O O Science Nanoobjekty Nanotečky na povrchu micely a dendrimery nanočástice kovů fullereny a nanotrubice kvantové tečky 1. Příprava povrchu sebeskladbou vhodného polymeru 2. Růst nanokrystalů pouze na ošetřených místech (epitaxe) polymerní templát 65 miliard teček na čtverečním cm 7

8 Na velikosti záleží Na velikosti záleží S V r r 2 3 r 1 2 S 6n 12n V n 1 3 N N N Size Matters: Why Nanomaterials Are Different. Roduner E.: Chem. Soc. Rev 2006, 35, Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001 Na velikosti záleží Na velikosti záleží Size Matters: Why Nanomaterials Are Different. Roduner E.: Chem. Soc. Rev 2006, 35, Chem. Soc. Rev., 2008, 37,

9 Na velikosti záleží Příklady nanoobjektů Anal. Chem. 2008, 80, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 900E 2006 Materials Research Society Allotropické modifikace uhlíku Fullereny Vesmír,

10 Buckminster Fuller Fullereny Fullereny Fullereny

11 Fullereny Fullereny - nanotašky Murata et al. J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, Uhlíkové nanotrubice (CNT) Elektrická vodivost CNT 11

12 Nanolusky Uhlíkové cibule Molekulární elektronika Electrospinning 12

13 Nanospider Nanočástice kovů Nanočástice kovů Nanočástice zlata Redukcí solí kovů citrát K[AuCl 4 ] Au Nanočástice Kovů (Au, Ag, Cu, Zn, Ni, Pt, Pd) Oxidů (SiO 2, TiO 2 ) Sulfidů (CdS) Selenidů (CdSe) Bimetalické (Ag/Au, Ag/Pt) Polymerní (kopolymery, dendrimery) Snímek z TEM nanočástic zlata získaných redukcí citrátem různá velikost (tvar) nanočástic různé vlastnosti 13

14 Nanočástice zlata a stříbra Antibakteriální účinky koloidního stříbra desinfekce vody (studny) - AgCl 50 nm Nová kolekce Nanosilver Barvení skla koloidním zlatem a stříbrem: Rubínová barva koloid nanočástic zlata o průměru ca 10 nm Oranžová barva koloid nanočástic stříbra Příprava nanočástic Redukce soli daného prvku Redukční činidla: hydridoboritan, citrát,... Stabilizace koloidu nanočástic Agregace působením přitažlivých van der Waalsových sil Snadno se oxidující rozpouštědla (např. ethanol) mohou být sama o sobě redukčním činidlem Stabilizátor 14

15 Stabilizace koloidu nanočástic Příklad nanočástice palladia stabilizované polymerem Elektrostatická stabilizace Sterická stabilizace Vodný roztok H 2 PdCl 4 (2,0 mmol/l) připraven smísením 0,6 mmol of PdCl 2 6,0 ml HCl (0,2 mol/l) Steric stabilization using polymers 294 ml destilované vody Příklad nanočástice palladia stabilizované polymerem Ovlivnění distribuce velikostí připravených nanočástic Reflux 15 ml roztoku H 2 PdCl 4 (30 µmol Pd) a x ml vody, y ml ethanolu (x + y ) 35 ml Množství of PVP from 0,333 mg to 133 mg Koncentrace ethanolu ve směsi byla obj. % Poly(vinylpyrrolidon) PVP ( g/mol) 15

16 Analýza výsledku Výsledky UV-vis spektroskopie (PVP-Pd částice jsou tmavě šedé, není zaznamenaná žlutá barva prekurzoru [PdCl 4 ] 2- ) Reakční podmínky PVP/Pd = 10 [ethanol] = 70 obj. % Průměr (nm) 4,9 Ethanol jako redukční činidlo PVP/Pd = 1.0, [ethanol] = 20 obj. % 3,4 Vliv množství ethanolu a PVP na průměr částic PVP-Pd nanoparticles TEM characterization and mean diameter (Teranishi and M. Miyake 5 ) PVP/Pd = 10 [ethanol] = 20 obj. % PVP/Pd =10 [ethanol] = 40 obj. % 2,4 2, obj. % ethanolu s přebytkem PVP vůči Pd Nejmenší NP Mnoho různých způsobů přípravy mnoha různých NP např. přehledný článek Sahoo, N. G.; Abbas, A.; Li, Ch. M. Micro/Nanoparticles Design and Fabrication for Pharmaceutical Drug Preparation and Delivery Applications, Current Drug Therapy, 3, 2, May 2008, pp Vize současné i budoucí výroba elektronických součástek po atomech modifikace na atomární úrovni v genetice, biotechnologii, nanoroboti = nanoboti... včetně dalších postupů jako příprava NP dispergací aglomerátů (např. mokré mletí), nebo precipitací (např. vymrazováním nebo vysolujícím činidlem) 16

17 Kontrolní otázky 1. Jaké existují dílčí kroky při fotolitografii? 2. Popište strukturu sebeskladné monovrstvy alkylthiolu. Na jakém podkladu dojde k jejímu vytvoření? 3. Jak je definována nanočástice? 4. Jakými dvěma postupy lze připravit nanoobjekty (stručně je popište)? 5. Jaké znáte allotropické modifikace uhlíku? 17