SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ - 1

Transkript

1 SOUČASNÉ TRENDY ROZVOJE VYSPĚLÝCH TECHNOLOGIÍ - 1 doc. Dr. Ing. Miroslav Černík, CSc. Podpora přednášky kurzu Vyspělé technologie

2 Nanomateriály a jejich aplikace Miroslav Černík funkcionalizace nano 1

3 Technická univerzita v Liberci Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace funkcionalizace nano 2

4 funkcionalizace nano 3

5 funkcionalizace nano 4

6 Definice nano Můžeme nalézt různé definice nano (i velikostně). nejpovolanější je (samozřejmě) EK z : A natural, incidental or manufactured material containing particles, in an unbound state or as an aggregate or as an agglomerate and where, for 50 % or more of the particles in the number size distribution, one or more external dimensions is in the size range 1 nm nm. Přírodní materiál, materiál vzniklý jako vedlejší produkt nebo materiál vyrobený obsahující částice v nesloučeném stavu nebo jako agregát či aglomerát, ve kterém je 50 % nebo více částic ve velikostním rozdělení jeden nebo více vnějších rozměrů v rozmezí velikosti 1 nm nm funkcionalizace nano 5

7 Size matters Menší rozměry: molekuly 0,5 1 nm pory zeolitů 1 nm Větší rozměry: živé buňky (kvasinky 10 um) lidský vlas 50 um červená krvinka 2-5 um Srovnatelné: Viry, makromolekuly (DNA, bílkoviny), elektronika? funkcionalizace nano 6

8 Podrobnosti Definice pro zdravotní opatření podle Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR) Horní limit obecně přijímán (nemá racionální základ) Dolní limit obecně nepřijímám fullereny, grafeny, nanotrubičky mají 1 rozměr menší jsou nanomateriály Zdroj: wikipedia.org funkcionalizace nano 7

9 Podrobnosti 50% - obecně neplatí (zdravotní posouzení 1-50%) Alternativní pohled na 50% (v definici): pokud má nějaký materiál specifický povrch > 60 m 2 /cm 3 je to nanomateriál. V prosinci 2014 provede EK revizi definice!! zdroj.: Pechoušek UPOL funkcionalizace nano 8

10 Richard Feynman nano - z řečtiny malost, trpaslictví příroda pracuje na úrovni atomů a molekul a je prostor pro manipulaci s nimi Encyklopedie Britanica (24sv. hlavička špendlíku, písmena 1/25000) Feynmanova cena za nanotechnologie Size matters! Richard Feynman (1959): There is plenty of room at the bottom Tam dole je spousta místa! funkcionalizace nano 9

11 funkcionalizace nano 10

12 Nano Nobelovy ceny Physics: A. Geim and Konstantin (2010) Graphene sheet Chemistry: O. Shimomura, M. Chalfie, and R. Tsien (2008) GFP Physics: A. Fert, P. Grünberg (2007) Chemistry: G. Ertl (2007) Physics: Alferov, Kroemer, Kilbey (2000) integrated circuit Physics: Laughlin, Störmer, Tsui (1998) Chemistry: Kroto, Smalley, Curl (1996) fullerenes Medicine: Neher, Sakmann (1991) ion channels in cells Physics: Ruska, Binnig, Rohrer (1986) SEM and STM Physics: von Klitzing (1985) Hall effect Physics: Anderson, Mott, van Vleck (1977) Physics: Esaki, Giaever, Josephson (1973) Tunnel effect Medicine: Crick, Watson and Wilkins (1962) DNA Physics: Shockley, Bardeen, Brattain (1956) Transistor Chemistry, R. Zsigmondy (1925), colloids funkcionalizace nano 11

13 funkcionalizace nano 12

14 funkcionalizace nano 13

15 funkcionalizace nano 14

16 Současné a budoucí aplikace Nanoelektronika dnes nm technologie Spínače, optické prvky, kondenzátory, odpory, gyroskopy.. Detektory látek chem, bio Automobily dnes barvy na karosérie Nanotrubičky v karosériích pro vyšší pevnost Nanokovové keramické katalyzátory emise Palivové články H 2 a baterie (elektromobily?) Spotření zboží kosmetika (krémy na opalování) Samočistící oděvy, oděvy vyrábějící proud, Medicína, farmacie sekvenování genů (nanotechnologie) In vitro nano manipulátory k opravě poškozených tkání Cílená aplikace léčiv nanočástice Povrchová úprava umělých orgánů životnost, akceptace funkcionalizace nano 15

17 Nejstarší: Fullereny Grafit 2D struktury Diamant 3D struktura Fullereny objeveny 1985 Nobelova cena 1996 C-60 struktura funkcionalizace nano 16

18 poznámka Richard Buckminster Fuller Buckyballs, Fullereny funkcionalizace nano 17

19 Vlastnosti fullerenů C-60 až C-70 Velikost ~1 nm Příprava pyrolýzou (laserem) Pevnost: měkké jak graphite pod tlakem roste pevnost ( diamand) a kompresibilita ( diamand) nejpevnější známy material (nanodiamand) Polovodič v dutině atomy kovů (Metalofullereny) alkalické kovy vodič až supravodič Rozpustné v aromat. rozpouštědlech (toluen) Zdroj:wikipedia.org funkcionalizace nano 18

20 Chemické vlastnosti fullerenů Každý atom C má 4 elektrony konjugované dvojné vazby a nízkoenergetický neobsazený orbital snadný záchyt elektronů z volných radikálů (radikály? molekuly, ionty, atomy s neparovým elektronem Cl ) Zdroj:wikipedia.org Snadná hydrogenace (redukce) C 60 H 18, C 60 H 36 ztráta stability, úplná hydrogenace není možná Obtížná oxidace Možná halogenace, rekord C 60 F 48 (teoreticky možná a vypočtená plná fluorizace!) funkcionalizace nano 19

21 Aplikace Příklad: antioxidanty (zachytávají radikály 100x účinnější než vitamín E) buňky, konzervace potravin, křehnutí plastů, protikorozní ochrana kovů Medicína: Alzheimerova choroba (radikálové poškození nervových buněk), podobně proti HIV Transport látek v těle (např. LaC 2 ) uvnitř C 60 neoxiduje vodou a kyslíkem Alkalické metalofullereny katalytické vlastnosti Pt Palivové články ukládání H 2 fotovoltaika funkcionalizace nano 20

22 C-nanotrubičky (nanotubes) Tvořeny miliony atomů Kovové vlastnosti > Cu Polovodiče ~ Si Vodiči tepla ~ diamant Stálé do 1000 K C-vazby 100x pevnější > Fe vlákna, 6x lekčí Kvantové dráty (vodivé, lehké, nulová tep. vodivost) Obecně: Cena = 300 $/g 10$/kg funkcionalizace nano 21

23 příprava Teplota ( K) C z grafitu (sublimace) Laserová ablace Elektrický oblouk solární energie funkcionalizace nano 22

24 Výsledek laserové ablace Bez katalyzátoru: MWNT nanotrubičky, 300 nm dlouhé Množství a vlastnosti ~ T, příměsích Ni, Co SWNT Tyčovité útvary 5-20 nm x n.10-n.100 nm dlouhé funkcionalizace nano 23

25 Příprava v elektrickém oblouku Vypařování C v inertní atmosféře (Ar,He) Katalyzátory (Fe, Ni, Co, Y, B, Gd) Oblouk plasma (C, Ar, Metal) SWNT na katodě SWNT, MWNT, C60, PA, amorf. Vlákna, funkcionalizace nano 24

26 Solární příprava Původně k C60 Stejný princip- Ar, Me, C 400 K Produkce g/h 100 g/h (bud.) Mix SWNT, MWNT funkcionalizace nano 25

27 Chemické vlastnosti NT Zajímavé struktura stálá na bázi atomů! (norm. podmínek!) Měrný povrch až 2700 m2/g (prakticky vazby 400 m2/g)! Jedinečné sorpční vlastnosti: plyny v porech, povrchu, mezi paralelními trubičkami a na kontaktu trubiček (groove = rýha) Modifikované trubičky: C subst. B, N izolátor Plněné SWNT: Pb, Bi, TiC, YC2 (prvky), Bi, B, Al, Te (nanočástice) funkcionalizace nano 26

28 Funkcionalizace NT Chemická oxidace: C-OH (hydroxyl), C=0 (karbonyl), COOH (karboxylic) Plyn: Vyšší teplota + vzduch, O2, CO2 TGA analýza Aq: kys. Dusičná, dvojchroman, peroxid, hypermangan Zvýšení rozpustnosti (chloroform, aromatická rozp.) Vazba jiných látek (např. Fluorinace) funkcionalizace nano 27

29 Aplikace NT Carbon nanotube field-effect transistors (CNTFETs) dig. přepínač 1 elektronu (IBM 2001); paměti, obvody Drobné vodiče > Cu,Al Baterie šířky listu papíru NT elektrody H2 storage levnější než chlazení a zkapalnění Medicína - umístění v blízkosti nádorů a vlnové ohřátí katalyzátory funkcionalizace nano 28

30 Aplikace NT Chem. vlastnosti NT, C60, grafitu jsou si podobné Odlišnost od PAH tvar, struktura, rozměry Mikroskopie SPM, CPM plošné zářice TV, monitory (Samsung 1999) funkcionalizace nano 29

31 Aplikace NT -adsorpce Chemické senzory detekce plynů (NO2, NH2, O2, CO2) Skladování a separace plynů hlavně H2 NT jsou schopny vázat 6,5 w% H2 (63 kg /m3) alternativa k skladování v kapalném stavu (při -252 C) Předpokládá se, že deskovitá nanovlákna mohou pojmout až 75% H2 (pok. teplotě) Řízená adsorpce/desorpce (T,p,morfologie) separace plynů Elektronika Matriční materiály Kompozitní materiály funkcionalizace nano 30

32 Nanodráty (nanowires) Útvary které mají jeden makroskopický rozměr Vedou dobře el proud Různé optické, magentické a elektrické vlastnosti oproti 3-D útvarům funkcionalizace nano 31

33 Syntéza - membrány Syntéza do forem forma s velmi malými cylindrickými otvory vyplní se materiálem a vytvoří nanodráty Výroba anodickou oxidací Al filmů Velikost porů nm, porů/cm 2 Bombardování polykarbovátových membrán ionty funkcionalizace nano 32

34 Tlakové vstřikování Do mechanicky pevných membrán (T,p, chem stálých) Nanodráty o vysoké krystalinitě Tlakové vstřikování při teplotě nad bodem tání Kovy: Bi, In, Sn, Al; polovodiče: Se, Te, GaSb MPa tlak funkcionalizace nano 33

35 VLS metoda Polovodičové nanodráty pára-kapalina-pevná látka (Vapor-liquid-solid) mechanismus anisotropického růstu krystalů Mechanismus růstu drátů: absorpce materiálu z parní fáze na kapalném krystalizačním jádře (Au, Si) a následné tuhnutí Anisotropický růst funkcionalizace nano 34

36 Elektrodepozice Hrany vysoce orientovaného pyrolitického grafitu (katoda) Elektrochemická depozice MoO 2 Redukce na kovový Mo Zalití a přenos na PS funkcionalizace nano 35

37 Ukázky nanodrátů funkcionalizace nano 36

38 aplikace Mikroelektronika dnes technologie pod 100 nm (32 nm litografie 2009) FET- field effect transistors Ploché displaye snižování napětí Thermoelektrické součástky zatím jen lab. Optické přepínače nižší energie, vyšší rychlost LED diody (elektroluminescence, fotoluminiscence) Fotodetektory (vodivost 4x při UV osvitu optoelek. switche funkcionalizace nano 37

39 Laser aplikace ZnO nanodráty Nižší energie na excitaci (o řád) Nižší závislost λ na teplotě λ ~ vlastnostech nanodrátu (tuning) Např. λ = 385 nm >> průměr drátu funkcionalizace nano 38

40 Fotovoltaické články 12 kč/kwh (nepatří sem) Princip: organická látka [poly (3-ethylthiofenol)] a anorganická [CdSe] hybridní fotovoltaická cela Světlo způsobuje tvorbu volných elektronů a děr jak v anorg. krystalech tak okolních org. látce Anorg. látka je má vyšší afinitu k elektronům e; org. polymery mají nízkou mobilitu pro elektrony díry Elektrony a díry se pohybují k externím elektrodám Musejí dojít k elektrodám než rekombinují Účinnost 1.5 %!!! Nanodráty velký povrch, vysokou vodivost, vazbu na polymery funkcionalizace nano 39

41 Chemické a biologické senzory Princip změna vodivosti absorpcí látek Si-nanodrát povrchově modifikovaný určitou chemikálii Např. amine (-NH2) obsahující silan (-SiOH) detekuje ph Protonace a deprotonace Hustota povrchové náboje vodivost Lineárně ph =2-9 Biosenzory jedna látka a vazba s druhou funkcionalizace nano 40

42 Micro & nanoelektromechanické systémy Mechatronika MEMS micro electro mechanické systémy NEMS nano electro mechanické systémy Materiály založeny na Si funkcionalizace nano 41