KUDY DO NANOSVĚTA Nanosvět K. Záruba Nanosvět Nanosvět nanověda nanotechnologie molekulární pinzety nanočástice kvantové tečky pseudoatomy tunelový efekt self-assembly (sebeskladba) fotonika spintronika a spousta dalších... 1
Význam nanotechnologií top - down informační technologie nanomanipulace nové materiály bottom - up výroba a skladování energie instrumentace medicinální aplikace životní prostředí bezpečnost Cesta zhora dolů (top-down approach) Litografie fotolitografie fotocitlivé polymery omezení vlnovou délkou záření litografie svazkem elektronů http://pages.unibas.ch/phys-meso/education/projektstudien/lithographie/litho-m1-lithography.html http://www.almaden.ibm.com 2
Litografie - UV Litografie - elektrony http://maepro.uta.edu http://www.almaden.ibm.com Litografie - UV Litografie - UV ASML 193nm ArF Stepper/Scanner http://www.lrsm.upenn.edu/~frenchrh/lithography.htm http://www.lrsm.upenn.edu/~frenchrh/lithography.htm 3
Cesta zdola nahoru (bottom-up approach) Ultratenké vrstvy spontánní tvorba ultratenkých vrstev Kontrola vlastností povrchu na molekulární (atomární) úrovni sebeskladba (self-assembly) tvorba nanoobjektů v roztoku a na povrchu vrstvy na rozhraní g l (LB filmy) vrstvy na rozhraní g s (sebeskladné monovrstvy) zkoušíme to, co příroda běžně používá LB filmy LB filmy Langmuir, Blodgettová 4
LB filmy LB filmy amfifilní deriváty O O P O H 2C CH CH 2 O O O O O N CO 2H NH N HO 2C N HN CO 2H CO 2H LB filmy SAM-thioly sorpce thiolů na zlatě, Nuzzo, Whitesides Thin Solid Films 340 (1999) 265-270 http://gmwgroup.harvard.edu/research_surfacescience.html 5
SAM-geometrie SAM-geometrie http://www.sigmaaldrich.com/etc/medialib/docs/aldrich/brochure/material_matters_v1n2.par.0001.file. tmp/material_matters_v1n2.pdf SAM-změna smáčivosti Shown is a pattern of hydrophobic squares in a checkerboard pattern fabricated by microcontact printing a hydrophilic SAM on the surface. A droplet of colored water rests upon each square. A hydrophobic SAM several microns in width separates the hydrophilic squares (and thus the water droplets) from each other. Image courtesy of Felice Frankel. On the surface of things, Felice Frankel, Chronicle Books 1997 http://www.seas.upenn.edu/~chenlab/pdf/58_alom%20ruiz_softmatter2007.pdf 6
Monovrstvy silanů SAM-změna smáčivosti + OH OH OH Si Cl Si Si Si O O O Science 1992 256 1539 Nanoobjekty Nanotečky na povrchu micely a dendrimery nanočástice kovů fullereny a nanotrubice kvantové tečky 1. Příprava povrchu sebeskladbou vhodného polymeru 2. Růst nanokrystalů pouze na ošetřených místech (epitaxe) polymerní templát 65 miliard teček na čtverečním cm http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/33010241.stm 7
Na velikosti záleží Na velikosti záleží S V r r 2 3 r 1 2 S 6n 12n 8 6 2 8 V n 1 3 N 1 1 1 3 N 3 3 6 N Size Matters: Why Nanomaterials Are Different. Roduner E.: Chem. Soc. Rev 2006, 35, 583-592. Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001 Na velikosti záleží Na velikosti záleží Size Matters: Why Nanomaterials Are Different. Roduner E.: Chem. Soc. Rev 2006, 35, 583-592. Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 1783 1791 8
Na velikosti záleží Příklady nanoobjektů Anal. Chem. 2008, 80, 6560 6566 Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 900E 2006 Materials Research Society Allotropické modifikace uhlíku Fullereny Vesmír, 2011 9
Buckminster Fuller Fullereny www.uochb.cas.cz/zpravy/postgrad2004/7_lhotak.pdf Fullereny Fullereny http://www.shimadzu.com.br/analitica/aplicacoes/cromatografos/lc_ms/lcms043.pdf www.uochb.cas.cz/zpravy/postgrad2004/4_lhotak.pdf 10
Fullereny Fullereny - nanotašky www.uochb.cas.cz/zpravy/postgrad2004/4_lhotak.pdf Murata et al. J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 7152-7153 Uhlíkové nanotrubice (CNT) Elektrická vodivost CNT 11
Nanolusky Uhlíkové cibule Molekulární elektronika Electrospinning 12
Nanospider Nanočástice kovů Nanočástice kovů Nanočástice zlata Redukcí solí kovů citrát K[AuCl 4 ] Au Nanočástice Kovů (Au, Ag, Cu, Zn, Ni, Pt, Pd) Oxidů (SiO 2, TiO 2 ) Sulfidů (CdS) Selenidů (CdSe) Bimetalické (Ag/Au, Ag/Pt) Polymerní (kopolymery, dendrimery) Snímek z TEM nanočástic zlata získaných redukcí citrátem různá velikost (tvar) nanočástic různé vlastnosti 13
Nanočástice zlata a stříbra Antibakteriální účinky koloidního stříbra desinfekce vody (studny) - AgCl 50 nm Nová kolekce Nanosilver Barvení skla koloidním zlatem a stříbrem: Rubínová barva koloid nanočástic zlata o průměru ca 10 nm Oranžová barva koloid nanočástic stříbra http://www.nanosilver.cz/ Příprava nanočástic Redukce soli daného prvku Redukční činidla: hydridoboritan, citrát,... Stabilizace koloidu nanočástic Agregace působením přitažlivých van der Waalsových sil Snadno se oxidující rozpouštědla (např. ethanol) mohou být sama o sobě redukčním činidlem Stabilizátor 14
Stabilizace koloidu nanočástic Příklad nanočástice palladia stabilizované polymerem Elektrostatická stabilizace Sterická stabilizace Vodný roztok H 2 PdCl 4 (2,0 mmol/l) připraven smísením 0,6 mmol of PdCl 2 6,0 ml HCl (0,2 mol/l) Steric stabilization using polymers 294 ml destilované vody Příklad nanočástice palladia stabilizované polymerem Ovlivnění distribuce velikostí připravených nanočástic Reflux 15 ml roztoku H 2 PdCl 4 (30 µmol Pd) a x ml vody, y ml ethanolu (x + y ) 35 ml Množství of PVP from 0,333 mg to 133 mg Koncentrace ethanolu ve směsi byla 10-70 obj. % Poly(vinylpyrrolidon) PVP (40 000 g/mol) 15
Analýza výsledku Výsledky UV-vis spektroskopie (PVP-Pd částice jsou tmavě šedé, není zaznamenaná žlutá barva prekurzoru [PdCl 4 ] 2- ) Reakční podmínky PVP/Pd = 10 [ethanol] = 70 obj. % Průměr (nm) 4,9 Ethanol jako redukční činidlo PVP/Pd = 1.0, [ethanol] = 20 obj. % 3,4 Vliv množství ethanolu a PVP na průměr částic PVP-Pd nanoparticles TEM characterization and mean diameter (Teranishi and M. Miyake 5 ) PVP/Pd = 10 [ethanol] = 20 obj. % PVP/Pd =10 [ethanol] = 40 obj. % 2,4 2,2 20-40 obj. % ethanolu s přebytkem PVP vůči Pd Nejmenší NP Mnoho různých způsobů přípravy mnoha různých NP např. přehledný článek Sahoo, N. G.; Abbas, A.; Li, Ch. M. Micro/Nanoparticles Design and Fabrication for Pharmaceutical Drug Preparation and Delivery Applications, Current Drug Therapy, 3, 2, May 2008, pp. 78 97. Vize současné i budoucí výroba elektronických součástek po atomech modifikace na atomární úrovni v genetice, biotechnologii, nanoroboti = nanoboti... včetně dalších postupů jako příprava NP dispergací aglomerátů (např. mokré mletí), nebo precipitací (např. vymrazováním nebo vysolujícím činidlem) 16
Kontrolní otázky 1. Jaké existují dílčí kroky při fotolitografii? 2. Popište strukturu sebeskladné monovrstvy alkylthiolu. Na jakém podkladu dojde k jejímu vytvoření? 3. Jak je definována nanočástice? 4. Jakými dvěma postupy lze připravit nanoobjekty (stručně je popište)? 5. Jaké znáte allotropické modifikace uhlíku? 17