Pokroky v biomedicínském inženýrství

Transkript

1 Pokroky v biomedicínském inženýrství Důmyslné formy hmoty otvírající široký prostor převratnému vývoji vědy a novým technologiím Anton Fojtík *Faculty of Biomedical Engineering, Czech Technical University in Prague, Czech Republic * fojtiant@fbmi.cvut.cz

2 Ukázat NANO fenomén (na vlastních výsledcích) Ukázat nejvýraznější výsledky v oblasti nano (a jejich perspektivy)

3 V současné době je věda na takové úrovni, že nám umožňuje nejenom nahlížet do přírodních procesů, které se odehrávají uvnitř hmoty a ovlivňovat je, ale dovoluje s těchto prostorů vyjmout malé části hmoty a manipulovat s jejich fyzikálnimi a chemickými vlastnostmi. Tyto procesy se odehrávají v prostorové oblasti, kde se projevuje kvantová nerovnovážnost hmoty. Předpona nano znamená miliardtina (10-9 ) a v podstatě vystihuje to, o čem celá nanověda je, totiž o zkoumání struktur velikosti řádu nanometrů a posléze hledání užitečných aplikací Několikanásobným zvětšením prostoru zkoumáme jeho nanoskopické vlastnosti.

4 Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast Problematika nanostruktur je interdisciplinární oblast na překryvu chemie, fyziky, biologie a matematiky, eventuálně dalších, která zakládá možnost popisu, studia a využití v těchto směrech. Nanofyzika, nanochemie, nanobiologie a částicové nanostruktury jsou kategorie současné nanovědy, které tyto vlastnosti a procesy popisuje a studuje. F m 1 =Vm B H 2

5 Unikátní fyzikální a chemické vlastnosti, rozdílné od makrolátky, které se v makrosvětě nevyskytují. Železo Fe rozpustné, žluté. CdAs polovodič - červený až žlutý, svítí (luminiscence), rozpustný. Uhlík červený, rozpustný. Si polovodič - svítí (červená luminescene), rozpustný v org. kap. (chování jako supra tekutý) Nanokeramika vydrží teplotu přes 2000 C (Space shuttle, Space program). Nanovlákna (např uhlíkové) s makrolátkou vytvářejí nanokompozity Kevlar, Liberec s unikátními super-vlastnostmi (např.váhou 14x lehčí než ocel a s 10x větší pevností) Nebývalé optické, elektrické a magnetické vlastnosti!!!

6 Bgap- band gap- zakázaný pás ukázat! Částice TiO 2 Manipulace s velikosti Prostorová restrikce Nanočástice TiO 2

7 Energie a vlnová délka volného elektronu Maxwell-Boltzmann 3 E kt 2 E300 K 0.04 ev where E is the kinetic energy of the carrier, T is temperature in K, and k = JK-1. DeBroglie - duality of particles h 2mE h 3mkT where l is the wavelength of the carrier with mass m and h = Js. In case of thermal electron m = kg. at 300 K 62A

8 1959 (1984) V prosinci roku 1959 nastíil přední fyzik Richard Feynman v přednášce "Plenty of Room at the Bottom Popsal jeden z budoucích fyzikálních záměrů a to tvorbu, vizualizaci velmi malých molekulárních objektů a následně se zmínil, že za pár desetiletí toto již bude možné. Jako příklad toho, co by mohlo být možné, Feynman teoreticky demonstroval, že všechny dosud nashromážděné zapsané informace o tomto světě by mohli být zapsány na krychličku se stranou dlouhou půl milimetru, což je velké asi jako nepatrné zrnko písku, stěží rozeznatelné okem člověka. Feynman neřekl, jak se tohoto úkolu zhostit, ale přenechal ho jiným, a ti ho za 40 let, i přes původní skepsi většiny vědecké komunity, dovedli do současné podoby. Nanovědu bychom si mohli představit jako vědu, kde je realita úplně převrácená. Hlavní myšlenkou je dělat velké věci pomocí velmi malých věciček s odlišnými vlastnostmi od jejich velkých ekvivalentů, které důvěrně známe.

9 1915 Dr. Wolfgang Ostwald napsal v roce 1915 známou knihu koloidní chemie Svět zapomenutých rozměrů. V této knize se zabýval materiálními objekty, které leží mezi makrolátkou a molekulární strukturou malých částic až po úroveň jednotlivých molekul. Pojednává o rozměrové oblasti, fyzikálních a chemických vlastnostech malých koloidních částic. Změnu barvy a chemického chování. Nanovědu bychom si mohli představit jako vědu, kde je realita úplně převrácená. Hlavní myšlenkou je dělat velké věci pomocí velmi malých věciček s odlišnými vlastnostmi od jejich velkých ekvivalentů, které důvěrně známe.

10 1980 BERLIN (SRN) Hahn-Meitner-Institut

11 In the EUREKA framework I earlier 80th on the way of research to miniaturization of chips and integrated circuit. Scientists look very hardly for new materials. During the past three decades, small-particle research has become quite popular in various fields of physics and chemistry. By small particles are meant clusters of atoms or molecules of metals, semiconductors and others materials, ranging in size from < 1 nm to almost 10 nm or having agglomeration numbers from <10 up to a few hundred, i.e., species representing the neglected dimension between single atoms or molecules and bulk materials.

12 CdS CdS CdS A. Fojtik, H. Weller, U. Koch, and A. Henglein Photo-Physics of Extremely Small CdS Particles: Q-State CdS and Magic Agglomeration Numbers Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 88, (1984) Fojtik A.: Quantum State of Small Semiconductor Clusters- "Exciton". Radiat.Phys.Ch em. Vo1.28, No 5/6 (1986) p.463

13 CO JSOU TO NANOSTRUKTURY? Nanostruktury jsou 1-,2-3- dimenzionálně vymezené prostorové (nanorozměrové) útvary, vyplněné nebo obklopené hmotou,které mají takové unikátní vlastnosti, které se u makrolátky nevyskytují. CO JSOU TO NANOTECHNOLOGIE? Nanotechnologie - to jsou cesty přípravy a engineering těchto útvarů, a manipulace s nimi k vytváření nanomaterialů cílených vlastností pro praktické aplikace CO JSOU TO NANOMATERIÁLY? Nanomateriály jsou výsledkem cílené manipulace s nanostrukturami

14 Dveře k převratnému vývoji vědy a novým technologiím Kde jsou klíče ke dveřím?? 1 st Kíč otvírá dveře neobyčejným vlastnostem pro materialové aplikace Manipulace hlavně s rozměrem a tvarem 2 nd Kíč otvírá dveře biomedicínským aplikacím Manipulaci s tvarem a povrchem 3

15 NANO fenomén: výsledky výzkumu a aplikační možnosti 1) využití optických, elektrických a magnetických vlastností Příklady: aktívní mřížka s koeficientem zesílení světla větším něž 1, (energetický zisk na úkor čerpání ) optické vlákna,magnetické částice, mag.kapaliny 2) jako zdroje optického záření Křemíkové nanostruktury pro další čipovou generaci svítící Si-LED struktúry,čípové struktúry, 3) zázman informací Příklad: světlem řízený přenos náboje záznam informací na molekulární úrovni, počítačové čipy na molekulání úrovni 4) interakci s jinými strukturami a soubory molekul Příklad: uchovávaní optických informací, fotovoltaické procesy, 5) využití v medicíně a biologii Příklad: el.mag.ventil pro nekrotizaci tumorů, vychytávaní HIV virů in vitro, dopravníky a nosiče léků v biolog.systémech 6) čidla a detektory pro ochranu životního prostředí Příklad:čidla a detektory (schottkyho dioda) pro detekci plynů a virů. 7) nanostroje, nanopřítroje a mnohé další aplikace.

16 Využití v medicíně a biologii Příklad: el.mag.ventil pro nekrotizaci tumorů, vychytávaní HIV virů in vitro, dopravníky a nosiče léků v biolog.systémech

17 One particularly important application: F m 1 =Vm B H 2 physics NANOTECHNOLOGY <=> HUMAN BODY nanoparticles <=> pathogens chemistry Truck + Trailer Carrier + Charge biology