Ppis pkusů napínavé bjevy překvapivé efekty názrné experimenty
2
Bezpečnstní pkyny 1. Pužití materiálů, které jsu k dispzici, je na vlastní nebezpečí. Za škdy a následná pškzení vzniklá pužitím materiálů, zejména chemikálií, nepřebírá NanBiNet žádnu záruku. 2. Při pkusech je třeba ddržvat platné předpisy pr chranu a zdraví při práci i běžná bezpečnstní patření při manipulaci s chemikáliemi. Infrmujte se příslušných bezpečnstních patřeních pr bezpečné zacházení s chemikáliemi. Infrmace bezpečnstních údajích a pkyny k rizikům i bezpečnsti najdete na CD. 3. V každém případě si pzrně přečtěte ppis pkusů, a t před jejich prvedením. 4. Pkud necháte žáky při vyučvání prvádět pkusy sami, platí: Pkusný kufřík je vhdný pr žáky d 14 let. Žáci, kteří pkusy prvádějí, musí být bezpdmínečně vybaveni ptřebnými chrannými prvky (pracvní plášť s dluhými rukávy a chranné brýle, ppř. rukavice). Žáky nenechte nikdy bez dzru. 5. I přes pečlivu kntrlu si vyhrazujeme práv na tiskvé chyby a myly. 6. Kufřík by neměl být skladván při tepltě vyšší než 20 C. Je třeba chránit jej před mrazem. 3
Obsah Předmluva...6 Úvd C je nantechnlgie?... 8 Kapitla 1 Od ltsvéh efektu k technickému pužití nanvrstev... 10 Pkus 1 Pkusy k ltsvému efektu...14 Pkus 2 Vytvření hydrfbníh pvrchu na dřevu neb na jiném minerálním materiálu... 16 Pkus 3 Vytvření hydrfbníh pvrchu na textiliích... 20 Pkus 4 Kuzelný inkust pr vytvření hydrfilníh pvrchu na skle (anti-fg)... 22 Kapitla 2 Funkčnst díky nantechnlgii... 24 Pkus 5 Krycí vrstva dlná prti pškrabání ze dřeva... 26 Pkus 6 Ochrana před pžárem... 29 Pkus 7 Zvýšení elektrické vdivsti xidem ITO... 32 Kapitla 3 Pužití xidu titaničitéh v nantechnlgii... 34 Dembjekt 1 Plkule s efektem flip-flp... 35 Pkus 8 Ftkatalýza s xidem titaničitým... 36 Kapitla 4 Fermagnetické kapaliny... 38 Pkus 9 Magnetické ple... 39 Pkus 10 Změna hustty ve fermagnetické kapalině... 42 4
Kapitla 5 Klidy zlata s nanrzměry... 44 Pkus 11 Prkázání klidů Tyndallvým efektem... 46 Pkus 12 Výrba zlata v nandimenzi... 48 Dembjekt 2 Těhtenský test... 50 Kapitla 6 Efekt tvarvé paměti... 52 Pkus 13 Kv s pamětí phyb atmu v nandimenzi... 54 Kapitla 7 Od písku k čipu... 56 Dembjekt 3 Křemičitý písek... 60 Dembjekt 4 Křemen... 60 Dembjekt 5 Křemičitý wafer... 61 Kapitla 8 Čím menší částice, tím větší účinek... 62 Pkus 14 Plivání hně s malými částicemi... 63 5
Předmluva Již d rku 2002 vyvíjí NanBiTech pkusy pr škly v blasti nantechnlgie. Prdukt NanTlBx, který vznikl v rce 2004, představuje první žákvský kufřík pr pkusy v blasti nantechnlgie v Evrpě. Díky dsavadním zkušenstem, pzrvání nvých prduktů na trhu, výzkumu a v nepslední řadě díky zpětné vazbě d učitelů, kteří se již v pkusech s nantechnlgiemi angažvali, se nám pdařil vyvinut tent nvý kufřík NanSchlBx. Finanční pdpru pr vytvření tht pkusnéh kufříku pskytl Ministerstv hspdářství splkvé země Sársk a Fnd Evrpské kmise pr reginální rzvj (EFRE). Ppisy pkusů Vám pmhu strávit něklik zajímavých hdin v nanksmu. Některé z prezentvaných pkusů jsu vhdné jak demnstrační experimenty, jiné mhu být pd vedením pedagga začleněny d výuky jak pkusy learning by ding i bez nákladné přípravy. Pkusy s NanSchlBx jsu určeny především pr výuku chemie. Na základě interdisciplinárníh charakteru nantechnlgie jsu však některé pkusy vhdné i pr výuku fyziky neb bilgie. Prtže se učební plány jedntlivých zemí liší, nemůžeme pskytnut univerzální dpručení, kdy má být příslušný pkus prveden. Zde se píráme důvěru v dbrné znalsti učitelů. Pkud byste chtěli pužít všechny pkusy kufříku NanSchlBx kmpaktně, dpručujeme Vám zařazení prjektvéh dne na Vaší škle, d něhž se mhu jak tým zapjit i sami žáci. Pkusy byly vyvinuty se záměrem srzumitelně přiblížit nantechnlgii žákům. Prt musí být c nejbezpečnější a transparentní, takže vystačí s pměrně jednduchými přírdvědnými základy. Prt sem byl zahrnut něklik pkusů, které s nan (tedy s pužitím nansystémů) přím nesuvisí. Přest reprezentují efektivní způsb ppsat a vysvětlit účinky v blasti nantechnlgií. 6 Budeme rádi, když se na nás brátíte se svými dtazy, pdněty i kritickými připmínkami, prtže bychm chtěli pkusy neustále rzvíjet a zlepšvat i v buducnu. NanBiNet představuje jak becně prspěšná instituce síť výzkumných ústavů, pdniků a spnzrů z blasti hspdářství a technlgie. Vedle krdinace sítě s více než 100 zařízeními rganizuje NanBiNet e.v. v rámci své infrmační a veřejné práce aktivity v blasti nan- a bitechnlgie, jak například další vzdělávání učitelů a stáže pr žáky, ale i vzdělávací akce pr labranty, techniky, akademiky a manažery.
Velkým přáním NanBiNet e.v. je vzbudit zájem fascinující svět nejnvějších technlgií u mladých lidí. Pkud se pdaří nadchnut mládež pr nantechnlgie a bitechnlgie, můžeme cíleně čelit nedstatku mladých vědeckých a technických pracvníků v tét blasti a přiblížit mladým lidem perspektivní pracvní blast. NanBiNet pskytuje svým členům mžnst navázat kntakty na různých úrvních a vyměňvat si pznatky. Máme neustálu radst z nvých členů, ať už t jsu instituce neb jedntlivci. Pkud jde nantechnlgie a bitechnlgie, jste u nás na správném místě. Martin Mnzel, jednatel NanBiNet e.v. NanBiNet přeje Vám i Vašim žákům hdně radsti při pkusech! 7
Úvd C je nantechnlgie? Zbrů fyzika, chemie, bilgie, medicína a nauka materiálech se v psledních desetiletích vyvinula mezidisciplinární věda nantechnlgie. Usiluje t, aby byly prcesy neb kmpnenty v nan-měřítku s technickými prstředky pužitelné v blasti vědy a průmyslu. Technlgické přístupy se dluh zaměřvaly na t, aby se miniaturizvaly struktury (přístup tp-dwn), například dstat nejmenší struktury z blku materiálu. Metda nantechnlgie je však úplně jiná. Zkumají se základní mechanismy a principy, které se pdle daných mžnstí techniky využívají tak, že vznikají nvé funkční systémy. Cílem je d základu načrtnut nejmenší struktury v blasti nantechnlgií a z nich pět vytvřit větší (metda bttm-up). Metda, kteru statně přírda praktikuje už miliardy let. Tak se v průběhu evluce vytvářely z aminkyselin prteiny, mikrrganismy a jednbuněčné útvary, ze kterých pzději vznikly mnhbuněčné a naknec vyšší rganismy. Tent vývj všem trval velmi dluh. Od pralátky p hm sapiens byl ptřeba něklika miliard let. Předpna nan je dvzena z řeckéh slva nans, cž znamená trpaslík neb trpasličí. Jde miliardtinu, tedy 10-9 = 0,000000001. Nanmetr dpvídá miliardtině metru, milióntině milimetru neb tisícině mikrmetru. Funkční vlastnsti materiálu jsu u velmi malých rzpínání závislé na rzměrech. Tak například vlastnsti jak tvrdst, elektrická vdivst, barva neb chemická reaktivita nejmenších částic libvlných materiálů závisí přím na průměru částice. Nančástice leží v rzmezí mezi izlvanými atmy a pevným tělesem. Nejsu už například schpny šířit viditelné světl, jsu příliš malé. Již dnes hrají nančástice důležitu rli ve farmaceutických systémech plhvání účinných látek, ve výrbě disperzních barev a v ksmetice či v ptimalizaci katalyzátrů. Nantechnlgie vlastně není nc nvéh. Částice s velmi malými rzměry jsu známé už dávn. V chemii klidů se například pracuje již dluh s nanmlekulami. Velmi malé částice vznikají v přírdě djakživa, například spečnu činnstí, v mři (erze), při větrných buřích, létání pylu, při pžárech lesů či křví. U přírdních zdrjů pžárů přitm mhu být částice menší než 1.000 nm. Částice, které se vyskytují v mřích, dsahují rzměrů až 10.000 nm. Dalšími zdrji částic jsu průmyslvé prcesy, získávání energie (zejména elektrárny a teplárny), dprava, stavebnictví a dmácnsti (vytápění dmů). Při spalvání tuhých paliv se uvlňují velmi malé částice v řádech až d 500 nm. Existvala tedy na naší zeměkuli nantechnlgie vždycky? Ne, prtže nantechnlgie pracuje s ještě menšími rzsahy. V nantechnlgii se dsahuje specifické funkčnsti zmenšením na charakteristické strukturální rzměry, které jsu menší než 100 nm. Pjem nantechnlgie je tedy suhrnným pjmem pr celu řadu technlgií. Je zalžen na rzsahu, který je stejný pr všechny výzkumné blasti nantechnlgie, d jedntlivéh atmu až p strukturu veliksti 100 nanmetrů (nm). Stanvení nanrzsahu na interval 1-100 nm je smysluplný, prtže v tmt délkvém rzsahu se bjevuje velký pčet zcela nvých funkcí. Pd nimi leží jedntlivé atmy a mlekuly, nad nimi mikrtechnlgie. Dnes se čast diskutuje tm, zda se mají nanvrstvy vylučit z definice nantechnlgie. Nanvrstvy dpvídají nanrzměrům jen v jedné dimenzi, a t v tlušťce. Omezením na nejméně dva nanrzměry (dvurzměrně: např. nandráty neb nanvlákna, 8
trjrzměrně: např. nančástice) by se vylučil, že byčejný film na pvrchu, který má tlušťku jen něklik nanmetrů, už značíme jak nantechnlgický prdukt. Úplně jednduchá však tat záležitst není: Pkud by byly v nějakém laku bsaženy nančástice, jednal by se už pět nantechnlgii ve třetí dimenzi. Aktuálně je všem velmi rzšířená definice nantechnlgie včetně prcesů s jednu dimenzí. Vidíme tedy, že dnes není tak snadné zařadit, c d nantechnlgie patří a c ne. C nantechnlgie naknec dělá, je cílené a multidisciplinární využívání přístupů k vytváření nansystémů. Jak prvníh skutečnéh průkpníka nantechnlgie z dnešníh phledu je třeba jmenvat americkéh fyzika a nsitele Nbelvy ceny Richarda Feynmana. Jeh úvahy byly vizinářské ptud, že se technická realizace Feynmanvých strjů (tj. velmi malých strjů a nanrbtů) jevila jak velmi dluhá, ale v něklika případech zcela nereálná. Sám Feynman pjem nantechnlgie nepužíval, ale v rce 1974 h zavedl Japnec Nri Taniguchi. Tent termín pužíval pr technlgie, které jsu vhdné k tmu, aby kntrlvaly nervnst pvrchu materiálů na sub-mikrmetrvých délkvých stupnicích. Mezníkem byl v rce 1981 vývj rastrvéh tunelvéh mikrskpu, prtže s tímt přístrjem se pprvé pdařil zbrazit jedntlivé atmy a nejen celu skupinu atmů. Gerd Binnig a Heinrich Rhrer z výzkumné labratře IBM byli v rce 1986 za vyvinutí přístrje vyznamenáni Nbelvu cenu za fyziku. Význam tht vynálezu spčívá v tm, že rastrvý tunelvý mikrskp se stal výchzím bdem pr řadu nástrjů, které umžňují analyzvat látky na úrvni mlekul a atmů a také s nimi zacházet. Dnes už si neumíme rastrvé sndážní mikrskpy jak standardní nástrje d výzkumu, vývje a výrby dmyslet. 9
Kapitla 1 Od ltsvéh efektu k technickému pužití nanvrstev Jak vzr pr nvé technlgie si bere člvěk rád takvé struktury, které vyvinula přírda v průběhu evluce. V binice a nantechnlgii se pr svůj dperlvací efekt na pvrchu svých listů dpuzující špínu a s tím spjeným půvabným vzhledem stal velmi známým lts. Tent takzvaný ltsvý efekt není náhdným dprvdným jevem vznikl jak výhda pr přežití rstliny v průběhu evluce. Rstliny jsu v přírdě vystaveny různým typům znečištění. Většina jich má anrganicku pvahu (různé druhy prachu, saze), ale jsu i bilgickéh půvdu (např. výtrusy hub, medvice, řasy). Anrganické látky mají hned něklik negativních účinků na živé tkáně rstliny, například větší zahřátí půsbením slunečníh záření, vyšší kyselintvrný účinek neb mžnst uzavření štěrbinvých tvrů, kterými rstlina realizuje svji výměnu plynů. Důležitu rli pr rstlinu dále hrají rganické částice, jak jsu výtrusy hub, bakterie neb řasy. Mhu vést k nemcnění neb pškzení pvrchu listů rstlin. Ltsvý efekt nabízí rstlině elegantní mžnst, aby se těcht prblémů zbavila. Zabraňuje tmu, že se látky na pvrchu vůbec mhu usadit. Déšť smývá spry, a pkud by někdy delší dbu nepršel, chybí nevítaným návštěvníkům ptřebná vda ke vzklíčení. Jak přesně prbíhá tt přirzené čištění? Všechny rstlinné pvrchy listů mají v pdstatě stejnu strukturu: Vnější buněčná vrstva (epidermis) je pkryta kutikulu, která chrání rstlinnu tkáň před ztrátu vdy a zvyšuje mechanicku pevnst epidermu. V ní jsu ulženy směsi různých lipidů, které značujeme také jak vsky. Ty činí kutikulu pr vdu neprpustnu a ve velké míře mezují prpustnst vdní páry. Vskem, který se v přírdě hjně nachází, je kutin, který se vyskytuje v krystalické frmě a čast je makrskpicky rzeznatelný jak bělavý, smývatelný pvlak, například na vinných hrznech. Listy rstlin se značně liší svjí schpnstí zvlhčení. Některé druhy mají listy, které nelze tekutinami zvlhčit. Na těcht listech se snižuje nejen adheze vdy na pvrchu, ale i adheze špíny. Pkud stéká vdní kapka p vlně přiléhajících částečkách špíny, drží se tyt částečky na pvrchu kapky. Kapka strhne částečky s sebu a dstraní je z listu. Mnh lidí si myslí, že čím je pvrch hladší, tím snáze se dá vyčistit. Když však pzrujeme list ltsu pd rastrvým mikrskpem, vidíme nervné krystalky vsku, které vlastně pvrch listu dělají hrubším. Krystalky nemůžeme vidět puhým kem, a nahmatat je také nemůžeme. V brázku přízeném elektrnvým mikrskpem jsu fantasticky půsbivé mikra nanstruktury, kterém jsu pr určité listy rstlin charakteristické. Neschpnst zvlhčení je v zásadě vždycky spjena s nanstrukturu pvrchu. Fyzikální příčinu nemžnsti zvlhčení je pměr mezníh pvrchvéh napětí vdy ke vzduchu., vdy k pevnému tělesu a pevnéh tělesa ke vzduchu. Příslušná knstelace pměrů mezi sebu určuje kntaktní úhel kapky k pevnému tělesu. Pdle fyzikální definice je pak pvrch hydrfilní tehdy, když je kntaktní úhel ke kapce menší než 90 stupňů. Pkud je úhel větší než 90 stupňů, pak je pvrch hydrfbní (dpuzující vdu, tedy nelze jej zvlhčit). Při úplné schpnsti zvlhčení tady je kntaktní úhel 0 stupňů vytvří vda na pvrchu pevnéh tělesa mnmlekulární film a kapka vdy je maximálně rzptýlena. 10
Při kntaktním úhlu 180 stupňů (ten se však v přírdě nevyskytuje) by se kapka dtýkala pvrchu pevnéh tělesa tereticky jen v jednm bdě. Pr běžné, vdu dpuzující pvrchy (např. tefln) je maximální kntaktní úhel 120 stupňů. Existují hydrfbní pvrchy, u kterých může kntaktní úhel dsáhnut 170 stupňů. Tyt pvrchy značujeme jak superhydrfbní. Vdní kapka se nemůže na těcht minimálně drsných, vdu dpuzujících pvrších rzprstřít. Na základě svéh vlastníh pvrchvéh napětí se stáhne d kuličky. Adheze, která kapku drží na pvrchu listu, je snížena na minimum. T umžní kapce, aby už při nejmenším sklnu pvrchu dkutálela z listu pryč. Snímek ltsvéh listu přízený rastrvým sndážním mikrskpem 130 Kntaktní úhel 130 Kapky na superhydrfbní plše Ft. Nan-X GmbH Saarbrücken 11
Kapitla 1 Vedle ltsu existuje ještě značné mnžství jiných rstlin, například leknín, zelí, kntryhel či řeřicha, které mají takt hydrfbní pvrch listů. Pdbný jev najdeme i ve světě zvířat. Tak například chrbák má takzvaný pvrch easy t clean. Tit živčichvé žijí v hrmadách hnje či půdy, tedy v bezprstředním klí vylučvání jiných zvířat. V tmt prstředí se t hemží tisíci mikrrganismy, které mhu chrbákvi škdit. T by se jim také téměř pdařil, prtže jeh nehebné a krátké knčetiny a velmi tuhý vnější skelet způsbují, že je tent bruk tak nebratný, že se sám nemůže čistit. Nemá šanci čistit svůj krunýř. Evluce t však s ním myslela dbře. Dala mu mžnst, aby i přes svůj nečistý živtní prstr zůstal čistý. A t funguje pmcí nantechnlgie. Když pzrujeme pvrch jeh krunýře elektrnvým mikrskpem, narazíme na perfektní nanstrukturu, která je velmi pdbná struktuře ltsu. Splečně s vskvitým sekretem si chrbák vytvřil pvrch, který se dá snadn čistit a na kterém se nemůže držet špína neb jiné mikrrganismy. Dalšími příklady pr výskyt nanpvrchů ve světě živčichů najdeme u křídel hmyzu, např. u vdních vážek neb mtýlů. Vědci se pkušejí využít vlastnstí pvrchů, které se v přírdě vyskytují, tím že realizují a mdifikují pdbnu fyzikálně-chemicku strukturu, aby ještě zvýšili pžadvaný efekt. Z těcht vědeckých přístupů vznikly krycí materiály s funkčními vlastnstmi. Krycí vrstva, která se nanáší na materiál, je silná jen něklik nanmetrů a skládá se v zásadě z rganické a anrganické slžky. Jak anrganické kmpnenty se čast pužívají xidy křemíku, zirknu neb titanu, které jsu začleněny d rganické matice (většinu rganické rzpuštědl). Navíc se mhu pdle pžadavků d matice vlžit nančástice ze stejných materiálů, pmcí nichž se dá dsáhnut různých typů funkčnstí. Tent systém nejdříve nevypadá nijak zvlášť kmplexně. Klíčem k úspěchu je přesné slžení látek, které pdle pměru směsi určí, jakých efektů je mžn dsáhnut. Tent pznatek si výzkumné ústavy a pdniky chrání jak pklad a nechávají si jej patentvat. Pmcí nanvrstev je dnes mžn dsáhnut mnha účinků, a tyt krycí vrstvy patří k nanprduktům první generace. V následujících pkusech se nejdříve budeme zabývat hydrfbními a hydrfilními vrstvami. 12
Pvrch chrbáka v různém pměru zvětšení. Ft: Sarastr GmbH, Göttelbrn Si Si Si Zr Ti Si Anrganické slžky matice Organické slžky matice Nančástice pr další mdifi kaci Příklady efektů v průmyslvém pužití Slžení nanvrstvy Grafi ka: Sarastr GmbH, Göttelbrn 13
Kapitla 1 Pkus 1: Pkusy k ltsvému efektu Ppis pkusu Materiál Cílem pkusu je zjistit, zda různé materiály bsahují hydrfbní pvrch. K tmu shrmážděte různé druhy papíru (např. vysce lesklý papír z tiskárny, kancelářský papír pr psaní na strji, papír pužívaný jak filtr při přípravě kávy) a různé části rstlin, jak např. listy trávy, řeřichy, kedlubny, kaučukvníku, hrznů, listy salátu či pampelišky. Pkud byste skutečně sehnali list ltsu, byl by t ptimální. Ale nemusí t být vždy lts! Materiál z kufříku: pipety Dplňkvé materiály (nejsu sučástí ddávky): různé druhy papíru listy rstlin pravítk s milimetrvým dělením jemný prach (jemně rzmělněná zahradní hlína), jemný ppel (např. cigaretvý) neb saze vda z vdvdu Můžete t prvést i s jinými pvrchy, jak je skl, dřev neb plast. 3. Průměr vdních kapek resp. skvrn měřte pravítkem. Čím víc je pvrch hydrfbní, tím menší je průměr kapky a tím větší je její vyklenutí. Vdní kapku zcela nasaje filtrvací papír, takže jde hydrfilní pvrch. Na vysce lesklém papíru je průměr kapek velmi malý, vyklenutí velmi značné. Najděte listy rstlin, které mají vyský třpytivý účinek. 4. Na ty rstlinné listy, které vykazují třpytivý účinek, dáme prach neb ppel. Na tyt znečištěné plchy pak nakapeme pmcí pipety něklik kapek vdy a papír naklníme tak, aby kapky mhly dkapávat. Špinavé částečky jsu zachycvány ve vdních kapkách. Kapka zanechá na znečištěném papíře čistu stpu. 5. Nyní třete prstem list rstliny (ne příliš silně, aby se nerztrhal!). Pkud teď znvu nanesete pipetami vdu na papír, zjistíte, že se třpytivý efekt značně snížil neb dknce úplně prušil. Bezpečnstní předpisy Prvedení žádné 1. Shrmážděte (ppř. se svu třídu) různé druhy papíru a listy rstlin. 2. Pkapejte vdními kapkami se stejným bjemem (pužijte pipety) papíry a listy různé struktury. 14