Vítejte v nanosvětě. J. Leitner Ústav inženýrstv. enýrství pevných látekl VŠCHT Praha

Transkript

1 Vítejte v nanosvětě J. Leitner Ústav inženýrstv enýrství pevných látekl VŠCHT Praha

2 1. Úvod Fenomén nano Nanostruktury v přírodě Nanotechnologie a nanomateriály (trocha historie) 2. Nano současnost Nano není revoluce ale evoluce Co všechno je nano Jak lze nano vyrobit Jak lze nano zkoumat 3. Proč je nano jiné Vliv velkého povrchu (počtu povrchových atomů) Vliv malého objemu (počtu všech atomů) 4. K čemu je nano dobré Nanokatalýza Nanomedicína Nanoelektronika 5. Nano (ne)bezpečnost nost Jak se nanomateriály dostávají do životního prostředí Jak jsou nanomateriály škodlivé

3 1886: Benz patentoval Motorwagen 1 (motorová tříkolka) 1913: Ford otevřel první linku na výrobu automobilů

4 Databáze Scopus Nanoscience and Nanotechnology svět: (USA, Čína, Japonsko, Německo) N ČR: 1622 (31/142 zemí) Počet publikací v databázi Scopus United States Western Europe Japan China Rok

5 Morpho didius Structural colours Barevný vjem je dán d n interakcí (interference, lom, difrakce) viditelného světla ( nm) a strukturovaného povrchu (200 nm). V mnoha případech p padech je tento vjem závislýz na úhlu, pod kterým objekt pozorujeme (iridescence, goniochromismus)

6 Lykurgův v pohár r (4. stol.) nanočástice Au a Ag Šavle z damascénsk nské oceli ( stol.) uhlíkové nanotrubky a vlákna z cementitu Fe 3 C

7 Elektronika Medicína Farmacie Chemický průmysl Paměťová média (oxidy, FePt, ) Si komponenty, polymery QDs (ZnS, CdSe), lasery, biosenzory Lékařská diagnostika (kontrastní media pro MR magnetické částice Fe 3 O 4, γ-fe 2 O 3 nebo Pt-Fe, pro XRCT Au, Ta 2 O 5, fluorescenční značky - QDs) Cílený transport léčiv (funkcionalizované CNT a fullereny, polymerní NP) Nanostrukturované biomateriály, nanomembrány pro dialýzu Katalyzátory a fotokatalyzátory Nanostrukturovaný uhlík Pigmenty, ferofluidy Energetika Li-iontové akumulátory (LiCoO 2, LiMn 2 O 4, Li 4 Ti 5 O 12, ) Fotovoltaika (ZnO, TiO 2 ) Auto. průmysl Ostatní Materiály pro akumulaci vodíku (hydridy, C-nanostruktury) Katalyzátory výfukových plynů Barvy a laky, ochranné povlaky Saze a ZnO při výrobě pneumatik Textilní nanovlákna, antibakteriální úprava textilií Kosmetika (deodoranty, antiperspiranty, prostředky na opalování) Nanomembrány pro čištění odpadních vod, Fe-NP pro čištění odpadních vod

8

9 Nano není revoluce, ale evoluce Cílené kroky v oblasti nanomateriálů a nanotechnologií Příprava koloidních částic Au (M. Faraday) 1871 Kelvinova rovnice (tenze par nad zakřiveným rozhraním) 1909 Snížen ení teploty tánít nanočástic (teoretické odvození P. Pawlow) 1931 Sestrojen první elektronový mikroskop (M. Knoll, E. Ruska) 1950 Navržen postup přípravy p pravy koloidních suspenzí nanočástic (V. LaMer, R. Dinegar) Snížen ení teploty tánít nanočástic (experimentáln lní potvrzení M. Takagi) 1959 Přednáška R. Feynmana (CIT) o nanotechnologiích 1981 Sestrojen první skenovací tunelový mikroskop (G. Binning, H. Rohrer) Připraveny QD ve skleněné matrici (A. Ekimov) 1985 Objev fullerenu (R. Smalley, H. Kroto, R. Curl) Připravena koloidní suspenze QD (L. Brus) 1991 Připraveny uhlíkov kové nanotrubky (S. Iijima) National 2000 Nanomateriály a nanotechnologie v předmp edmětech běžb ěžného života (spotřebn ební zboží a služby) Nanotechnology 2007 Viz semantic wave nanotech Initiative

10 Nanomateriály a nanotechnologie Individuáln lní nanoobjekty (jeden z rozměrů v rozmezí nm) 0D nanočástice (různý tvar/struktura, chemické složen ení,, funkcionalizace) 1D nanovlákna, nanopásky, nanotyčky, nanotrubky,... 2D nanovrstvy Kompaktní nanostrukturované materiály Nanokrystalické materiály Nanokompozity Nanoporézn zní materiály Nanotechnologie Postupy (technologie), kterými jsou cílenc leně vytvářeny, modifikovány nebo charakterizovány objekty s rozměry ry nm, které mají nové vlastnosti vyplývající z jejich rozměrů a tvarů. Manipulace na atomárn rní/molekulární úrovni.

11

12 ZnO SL grafen TiO2

13 Top-down Top-down Mechanické dělení (mletí,,...) Termické metody (napa( napařování,, naprašov ování, laserová ablace, pyrolýza, spalování,,...) Chemické a elektrochemické metody (leptání, anodická oxidace,...) Litografie (UVL, XRL, EBL,...) Bottom-up Bottom-up Chemické metody kapalná fáze (precipitace z roztoků,, hydrotermáln lní/solvotermální syntéze, sol-gel metody,...) Chemické metody plynná fáze (CVD, MOCVD, ALD, MBE,...)

14 Příprava nanostruktur pomocí litografie

15 Příprava nanodrátů Si, Ge a Si x Ge 1-x

16 Mikroskopické metody Spektroskopické metody Difrakční metody Další metody CLSM morfologie SEM topologie/morfologie povrchu EPMA lokální chemická analýza TEM/HRTEM tvar a velikost částic XRF chemické složení Fotoelektronová spektroskopie (XPS, AES) chemické složení povrchu RTG absorpční spektroskopie (XAS, EXAFS, XANES) lokální atomová a elektronová struktura (CN, NND) FTIR, RS, SERS RTG difrakce (XRD, SAXS) struktura, velikost nanočástic SAED lokální strukturní analýza (tání) RHEED struktura povrchu LEED struktura a vazebné poměry na povrchu (adsorpce) ND struktura STM, AFM topologie/morfologie povrchu DTA/DSC termofyzikální a termochemické vlastnosti BET stanovení velikosti povrchu SIMS chemické složení DLS velikost částic v suspenzích

17 AFM mikroskopie atomárn rních sil

18 HRTEM TEM s vysokým rozlišením HRTEM 10 nm TEM

19 Teplota tánít nanočástic Sn Sn

20 Na rozměrech rech a tvaru částic závisz visí: Hustota, koeficient teplotní roztažnosti, koeficient objemové stlačitelnosti Kohezní energie, mřížkovm ková energie Povrchová energie, povrchové napětí Teplota vypařov ování/sublimace, tání, t, strukturních transformací Entalpie vypařov ování/sublimace, tání, t, strukturních transformací Tenze nasycených par Entalpie, Gibbsova energie a rovnovážná konstanta chemických reakcí Rozpustnost a vzájemn jemná mísitelnost Aktivační energie adsorpce a aktivační energie chemických reakcí Katalytická aktivita a selektivita Debyeova teplota, molárn rní tepelné kapacity Energie vzniku vakancí,, aktivační energie difúze Tepelná vodivost Curiova teplota, Neélova teplota, teplota přechodu p do supravodivého stavu Šířka zakázan zaného pásu p polovodičů...

21 Obecná závislost vlastnosti na velikosti částic Vlastnost Velikost

22 Jednotlivé atomy Atomové klastry Nanoobjekty Makroobjekty (bulk( bulk) 1.0 Disperze (η = N σ /N ) r (nm) η = 3d at /r d Au = 0,288 nm Disperze η = N povrch /N celkem

23 0 0 η = 0,1 r = 8,64 nm η = 0,5 r = 1,73 nm η = 0,9 r = 0,96 nm d at = 0,288 nm Vážený průměr r vlastností povrchových a nepovrchových atomů 0 % 90 % 10 % 70 % 30 % 50 % 50 % 70 % 30 % 90 % 10 % 0 %

24 Nanočástice velká molekula Atom Na (Z = 11) el. konfigurace 1s2, 2s2, 2p6, 3s1 Nanočástice Na (Nat = 8) Jellium model (1s2, 1p6, 1d10, 2s2, 1f14, 2p6,...) el. konfigurace 1s2, 1p6 Magic numbers Nat = Nel = 2, 8, 18, 20, 34, 40, 58, 68, 70, 92, 106, 112, 138, 156,...

25 Magic numbers Stabilita atomových klastrů Cd N v závislostiz na počtu atomu Cd N el =..., 20, 34, 40, 58, 68, 70, 92, 106, 112, 138, 156,... N at = ½N el =..., 10,, 17, 20,, 26, 34, 35,, 46, 53, 56, 69,,...

26 Nanokatalýza + H 2 C 6 H 10 cyklohexen C 6 H 12 cyklohexan

27 Nanokatalýza

28 Nanomedicína na Oblasti využit ití Zobrazování (MRI, XRCT CT,, fluorescenční značky) Léčiva (kontrolované uvolňov ování,, cílený c transport) Terapie (magnetická hypertermie) Antibakteriáln lní a dezinfekční účinky Jaké nanočástice Kovy Ag, Au, Pt-Fe, Co-Fe, Další prvky Si, nanostrukturovaný n uhlík (fullereny, CNT, nanodiamanty) Oxidy - Fe 3 O 4, γ-fe 2 O 3, Ta 2 O 5 Další anorg. sloučeniny sloučeniny typu A II B VI (A II = Zn, Cd, B VI = S, Se, Te) Organické látky liposomy, Polymery PEG (poly-ethylenglykol, PDLA (poly-d-ml mléčná kyselina), PLL (poly-l-lysin), lysin),

29 Diagnostika MRI, XRCT Funkcionalizované nanočástice Fe 3 O 4 /TaO x RITC = izothiokyanat rhodaminu PEG = polyethylenglykol mg/kg 1 hod 2 hod 24 hod

30 Zlepšen ení biodostupnosti

31 Cílený transport léčivl

32 Toxicita nanočástic (nanomateriálů) Stále vzrůstající produkce nano a jejich nové aplikace vedou k zvýšené emisi a kontaminaci životního prostředí (vzduch, voda, půda). Výzkum v oblasti nano-toxicity (nano-bezpečnosti) dlouhou dobu zaostával za vývojem nových nanomateriálů a nanotechnologií. První studie o TiO 2 na počátku 90-tých let (G. Oberdörste, J. Ferin). Vzniká specifická legislativa, vyvíjí se jednotná metodika testování. EU- Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR): Risk Assessment of Products of Nanotechnologies (2009). Testy in-vitro a in-vivo, zjištěné akutní toxické účinky (cytotoxicita, zvýšená produkce volných radikálů a ROS,...). U pokusných zvířat poškozeny vnitřní orgány (plíce, játra, ledviny, slezina).

33 Koloběh nano v přírodp rodě

34

35 (A) slezina ledvina (B) LD 50 Cu 23,5 nm 413 mg/kg (nano) jako Cu 2+ >5000 mg/kg (mikro)

36 Cytotoxicita toxický účinek na buňky Oxidační stress zvýšená tvorba radikálů obsahujících kyslík (ROS)

37 ZnO v krémech na opalování 5 dní (ráno a v poledne) 2 3 g krému zjišťován poměr 68 Zn/ 64 Zn v krvi a moči NP ZnO (1 µm) 68 Zn 18,8 % 52 % 18 hm.% ZnO v krému

38 Děkuji za pozornost Ústav inženýrstv enýrství pevných látekl VŠCHT Praha