Výzkumná centra na UP

Transkript

1 Radek Zbořil Our planet's physical, chemical, and biological processes are influenced or driven by the properties of nanoparticles. M. F. Hochella, Science, 2008

2 Výzkumná centra na UP Operační program Výzkum a vývoj pro inovace BIOMEDREG - Ústav molekulární a translační medicíny RCPTM - Centrum pokročilých technologií a materiálů CR Haná - Centrum biotechnologického a zemědělského výzkumu Vědecká centra excelence realizující pravidelný transfer výsledků výzkumu do průmyslové a technologické praxe Centra s výrazným mezinárodním přesahem a unikátní přístrojovou infrastrukturou Intenzivní zapojení nejlepších studentů s možností uplatnění ve vědeckých skupinách Centra stejně jako v aplikační sféře

3 Co RCPTM nabízí? Start up dotace 110 mil. Kč mil. Kč na internacionalizaci centra až 50 nových pracovních míst zejména na pozicích Junior researcher realizace diplomových a doktorských prací s výrazným motivačním bonusem pro nejlepší studenty pod vedením špičkových odborníků dlouhodobé stáže na spolupracujících zahraničních pracovištích výzkum v mezinárodním týmu (pracovníci z USA, Izraele, Švýcarska, Řecka..) Dotace na vybudování infrastruktury Centra 430 mil. Kč nová budova Centra nanomateriálového výzkumu + unikátní přístrojové vybavení PPMS Cryo HRTEM In-field Mössbauer spectroscopy

4 Co RCPTM nabízí? Prof. R. Zbořil - ředitel Prof. P. Hobza koordinátor zahraniční spolupráce Týmová práce pod vedením špičkových odborníků na nejaktuálnějších tématech současného materiálového výzkumu multidisciplinární charakter výzkumu!!! Nanokrystalické oxidy kovů Doc. L. Machala Nanokovy Doc. L. Kvítek Nanouhlík Doc. M. Otyepka Doc. O. Haderka - VŘ Nanofotonika Komplexy Nanoinstrumentace Prof. M. Hrabovský Prof. Z. Trávníček Prof. K. Lemr

5 Nanohistorie 1959 R. Feynmen, APS meeting, Pasadena - vize nanotechnologického věku, předpověď paměťového čipu, metod nanomanipulace 1981 skenovací tunelová mikroskopie (STM) - možnost 3-D zobrazení s atomárním rozlišením, Nobelova cena Binning, Rohrer objev fulerenu C 60 Nature 318 (1985) , Nobelova cena - H. W. Kroto, R.E. Smalley R.F. Curl objev vícestěnných uhlíkových nanotrubiček C60 - fuleren S. Iijima: Nature 354 (1991) objev jednostěnných uhlíkových nanotrubiček S. Iijima, T. Ichihashi: Nature 363 (1993) objev grafenu - monoatomární grafitová vrstva, první stabilní 2D struktura Science 306 (2004) Nobelova cena K. Novoselov, A. Geim

6 v lidském těle feritin železo uchovávající protein Nanočástice tu byly, jsou a budou nižší organismy magnetotaktické bakterie ve vzduchu zdroje nanočástic: automobily, strojírenský průmysl, elektrárny, odpařování oceánů (NaCl, sírany) nano Fe 2 O 3 mimozemské nanočástice 20 nm 1µm Nanokrystalické oxidy železa na Marsu R. V. Morris, Science 305 (2004) D struktura feritinu ve vodě, nanominerály 50 nm

7 Co to jsou nanočástice a čím jsou výjimečné? objekty hmoty, u nichž alespoň jeden z rozměrů je menší než 100 nm klesající rozměr částic roste podíl atomů na povrchu částic, mění se struktura a vlastnosti hmoty povrchové jevy, jevy na fázovém rozhraní, kvantové jevy, jevy spojené s konečným rozměrem Povrchový atom Objemový atom nové formy hmoty (nové alotropy, polymorfy, nanokompozity) nové vlastnosti hmoty změněné vlastnosti hmoty (např. superparamagnetismus) (např. kvantové tečky) uhlíkové nanohrášky duté nanostruktury β-fe 2 O 3 nanočástice CdSe

8 Namlouvání, lekce první: květinou neurazíš aneb nanomateriály na bázi železa a jeho oxidů

9 Nanomateriály na bázi oxidů železa studium polymorfismu a mechanismu reakcí v pevné fázi magnetické nanočástice pro biomedicínu (kontrastní látky pro MRI, nosiče pro cílený transport léčiv, imobilizace enzymů) nanočástice železa v technologiích čištění vod nanomateriály v heterogenní katalýze a fotokatalýze Zboril et al. Chem. Mater. 14, (2002). Machala et al. J. Phys. Chem. B 111, (2007). Tucek et al. Chem. Mater. 22, (2010).

10 Nanomateriály na bázi oxidů železa atm., T Fe-prekurzor (s) Fe-O nanofáze (s) + VP (g, s) jednoduché, levné a realizovatelné v průmyslovém měřítku nanočástice vzácných strukturních forem studium polymorfismu jednokroková příprava funkcionalizovaných nanočástic, jestliže se syntéza provádí v přítomnosti povrchově stabilizující fáze možnost řízení krystalové struktury, velikosti a morfologie template methods klíčové parametry: atmosféra teplota, čas chemické složení a struktura prekurzoru morfologie a velikost částic prekurzoru vrstva materiálu vnější magnetické pole R. M. Erb et al. Nature 457 (2009) 999. Řízení reakcí v pevné fázi

11 Nanomateriály na bázi oxidů železa řízení morfologií prekurzoru C Vads / cm 3 g Fe 2 (C 2 O 4 ) 3 - hranolky 10 µm vzduch α-fe 2 O 3 2 µm ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 p/p C Fatální důsledky v povrchových, sorpčních a katalytických vlastnostech! vzduch FeC 2 O 4 - tyčinky 1 µm α-fe 2 O 3 2 µm 500 nm 180 C 3-5 nm vzduch FeC 2 O 4 - vrstvy 2 µm α-fe 2 O 3 2 µm 200 nm

12 Nanomateriály na bázi oxidů železa řízení vrstvou prekurzoru Iron(II) acetate, 245 C, Iron(II) acetate, 245 C, 50 mg, air 500 mg, air α-fe 2 O 3 γ-fe 2 O 3 Zásadní vliv vrstvy materiálu na mechanismus reakce v pevné fázi M. Hermanek and R. Zboril: Chem. Mater. 20 (2008) 5284.

13 Nanomateriály na bázi oxidů železa řízení velikostí částic prekurzoru Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 Prussian Blue 250 C, air β-fe 2 O 3 γ-fe 2 O 3 Zásadní vliv velikosti krystalu na mechanismus reakce v pevné fázi Fe 4 [Fe(CN) 6 ] /4 O 2 7/2 Fe 2 O (CN) 2 R. Zbořil et al.: Patent č (2006). Zboril et al.: Crystal Growth & Design 4 (2004) L. Machala et al. Effect of particle size on mechanism of solid-state reactions, in preparation.

14 Nanomateriály na bázi železa řízení atmosférou α-feo(oh) α-fe 2 O 3 + H 2 vzduch + H 2 O α-fe Fe FeOOH 20 nm + N 2 Fe/FeO FeO Vodíková pec + N 2 (2%O 2 ) α-fe

15 Nanomateriály na bázi železa aplikace Zavedení technologie velkokapacitní výroby nanočástic nulmocného Fe a jejich reálná aplikace v sanacích podzemních, odpadních i pitných vod vod (Nano Iron, s.r.o., LAC, s.r.o., Aquatest, a.s., Geotest, a.s., H+A Eco CZ, s.r.o) Úspěšná aplikace při sanaci podzemních vod na sedmi lokalitách v ČR. Pilotní instalace reaktoru na odstranění As a těžkých kovů (Maďarsko). J. Filip, R. Zbořil et al. EST 41, 4367 (2007). R. Zbořil et al.: Patent No: WO 2008/ A2. Vysoká účinnost odstranění As, Se, těžkých kovů, U, chlorovaných uhlovodíků, herbicidů, PO 4

16 Aplikace Fe/FeOOH nanočástic Stráž pod Ralskem B10 Nanomateriály na bázi železa aplikace Odbourání chlorovaných uhlovodíků s využitím Fe/Tween nanočástic (Písečná) V Al U Zn Cr As Ni Be Cd Cu 1% 10% 100% Klimkova et al. Chemosphere, 82, , 2011

17 Nanomateriály na bázi železa aplikace Nanočástice Fe multifunkční zbraň v boji se sinicemi Původní buňky sinic v přirozeném prostředí vysoká a selektivní toxicita vůči sinicím; o 2-3 řády nižší toxicita vůči dafniím, rostlinám a vodním živočichům Destrukce buněk po aplikaci nanofe Microcystin concentration (ug/l) přestože aplikace NZVI vede k destrukci buněk, po aplikaci nedochází k nárůstu microcystinu v systému Control 500mg/L 100mg/L 50 mg/l 10mg/L Paraquat 50 mg/l R. Zbořil, M. Mašláň, B. Maršálek, patentová přihláška vynálezu PV-2010/612

18 Nanomateriály na bázi oxidů železa aplikace Nanočástice α-fe 2 O 3 v heterogenní katalýze a fotokatalýze Nanokrystalické filmy hematitu dopované Sn jako vysoce účinné fotoelektrody pro přímé solární štěpení vody zásadní vliv teploty kalcinace Nanočástice hematitu jako doposud nejúčinnější katalyzátor rozkladu peroxidu vodíku zásadní vliv krystalinity částic M. Heřmánek, R. Zbořil et al. J. Am. Chem. Soc. 129, 10936, K. Sivula, R. Zbořil et al. J. Am. Chem. Soc. 132, 7436, 2010.

19 Nanomateriály na bázi oxidů železa aplikace Nové perorální kontrastní činidlo na bázi bentonit/γ-fe 2 O 3 pro MRI diagnostiku dutiny břišní (FN Olomouc, FN Banská Bystrica, Medihope, s.r.o.) γ-fe 2 O 3 Úspěšné klinické testy pacientů s onemocněními tenkého střeva, pankreatu a žlučových cest M. Mašláň, R. Zbořil et al: Patent č , K. Kluchová, R. Zboril et al. Biomaterials 30, 2855, 2009.

20 Nanomateriály na bázi oxidů železa aplikace Nová generace magneticlých nanonosičů pro cílený transport léčiv kys. palmitová γ-fe 2 O 3 30 nm R. Zboril, et al. Nanotechnology, 19 (2008) vysoká koloidní stabilita při velké iontové síle a zvýšené teplotě, nízká in-vitro cytotoxicita a kritická micelární koncentrace A. Bakandritsos, R. Zboril: Nanoscale 2 (2010)

21 Namlouvání, lekce druhá: pozvání do kavárny aneb nanomateriály na bázi stříbra

22 Nanomateriály na bázi stříbra řízená příprava nanočástic, jejich imobilizace na pevných substrátech studium antibakteriální aktivity, antimykotické aktivity, cytotoxicity cílený transport pro medicinální a desinfekční aplikace

23 Ag + + 2NH 3 [Ag(NH 3 ) 2 ] + n [Ag(NH 3 ) 2 ] + red. cukr Nanomateriály na bázi stříbra Řízená příprava nanoag, řízená krystalizace, povrchová stabilizace, SERS aplikace, antimykotické účinky (Ag) n Řízená krystalizace v prostředí 400 mm NaCl Ramanovo spektrum adeninu v přítomnosti aktivovaných nanočástic L. Kvitek et al. J. Phys. Chem. C 113 (2009) L. Kvitek et al. J. Phys. Chem. C 112 (2008) A. Panacek et al. J. Phys. Chem. B 110 (2006) R. Prucek et al. CrystEngComm 2011, DOI: /C0CE00776E Použití v IR-Vis! Ramanovo spektrum adeninu ve vodě

24 Nanomateriály na bázi stříbra Cílený magnetický antibakteriální transport kompozity oxid železa/nanoag možnost separace a opakovaného použití Prucek et al., Biomaterials, 2011, accepted P. Dallas et al., Adv. Funct. Mater. 20, , 2010

25 Namlouvání, lekce třetí: diamant zabere vždycky aneb rozmanitý svět uhlíkových nanostruktur

26 Uhlíkové nanostruktury Kvantové tečky na bázi uhlíku 0D materiály Uhlíkové nanotrubičky 1D materiály Grafen a jeho deriváty 2D materiály Nanodiamanty a uhlíkové nanolisty 3D nanostruktury Funkcionalizace uhlíkových nanostruktur a jejich aplikace Interakce uhlíkových nanostruktur s biomolekulami 0D 1D 2D 3D

27 Uhlíkové nanostruktury uhlíkové tečky a nanotrubice Uhlíkové nanotečky vykazující fluorescenci Superhydrofobní uhlíkové nanotrubičky pro aplikace v textilním průmyslu perfluoroalkylsilan A.B. Bourlinos, A. Stassinopoulos, D. Anglos, R. Zboril et al. Chem. Mater. 20(2008) A.B. Bourlinos, A. Stassinopoulos, D. Anglos, R. Zboril et al.: Small 4 (2008) 455. V. Georgakilas, A. Bourlinos, R. Zbořil et al. Chem. Mater. 20, 2884, 2008.

28 Uhlíkové nanostruktury grafen a jeho deriváty Nové metody přípravy grafenu chemickou exfoliací grafitu, funkcionalizace grafenu 0.6 nm 6 µm Fluorografen první stabilní stechiometrický derivát grafenu nejtenčí izolant na světě V. Georgakilas, A.B. Bourlinos, R. Zbořil, et al. Chem. Commun., 46, 1766, R. Zbořil, et al. Small. 6, , 2010.

29 Budoucnost Nanoželezo Nanostříbro Nanouhlík aplikace magnetosomů z magnetotaktických bakterií in vivo porovnání antibakteriální účinnosti nanostříbra s antibiotiky Interakce grafenu s biomolekulami Klinické testování chirurgických nití modifikovaných nanostříbrem SEM AFM 2 nm

30 Poděkování 1 Nanoželezo J. Tuček, L. Machala, M. Mašláň, J. Filip, I. Medřík, J. Pechoušek, D. Jančík, J. Frydrych, Z. Marková, K. Kluchová, E. Otyepková, I. Medřík, J. Čuda, Z. Marušák Nanostříbro L. Kvítek, R. Prucek, A. Panáček, J. Soukupová, K. Šišková Nanouhlík M. Otyepka, P. Hobza, K. Šafářová, F. Karlický, P. Jurečka a všem ostatním kolegům z RCPTM (KFC, CVN)!

31 Poděkování 2 A. B. Bourlinos, D. Petridis, V. Georgakilas, V. Bellesi NCSR Demokritos, Greece - E. P. Giannelis, P. Dallas Cornell University, USA A. Bakandritsos University of Patras, Greece A. Gedanken Bar-Ilan University, Ramat-Gan, Israel I. Cesar, K. Sivula, M. Gratzel - Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland D. Schüler, University of München, Germany Z. Homonnay - Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary V.K. Sharma - Florida Institute of Technology, USA K. Nomura, Ohkoshi University of Tokyo, Japan