MAGNETICKÉ NANOČÁSTICE Jana Chomoucká Investice do rozvoje vzdělávání
Obsah Úvod Vlastnosti MNPs Využití MNPs Metody přípravy MNPs na bázi oxidů železa
Co je to nanotechologie? Obor zabývající se tvorbou a využíváním technologií v řádu nanometrů (1-100 nm). Poměr velikosti fotbalového míče ke struktuře o rozměru 100 nm je přibližně stejný jako poměr velikosti zeměkoule k velikosti fotbalového míče.
Zástupci nanočástic Fullereny uhlíkové nanotrubky stříbrné nanočástice koloidní zlato oxid titaničitý kvantové tečky magnetické nanočástice (MNPs)
Oxidy železa Strategický materiál moderních nanotechnologií Magnetické, elektrické, optické, katalytické či sorpční vlastnosti Vysoká tvrdost, chemická a termická stabilita vzorec název výskyt FeO oxid železnatý wüstit Fe 3 O 4 oxid železnatoželezitý magnetit Fe 2 O 3 oxid železitý různé formy FeO(OH) hydroxid-oxid železitý goethit akaganeit lepidokrokit feroxyhyt a-fe 2 O 3 b-fe 2 O 3 g-fe 2 O 3 e-fe 2 O 3 a-fe 2 O 3 hexagonální, hematit kubický kubický spinelový maghemit kosočtverečný amorfní Fe 2 O 3.xH 2 O hydratovaný oxid železitý limonit (hnědel)
-10000-8000 -6000-4000 -2000 0 200 0 400 0 600 0 800 0 100 00 Magnetické vlastnosti veličina CGS jednotka SI jednotka intenzita mag. pole H = 1 Oe H = 1000/4p A. m -1 magnetická indukce B = 1 gauss B = 1 10-4 T magnetizace M = 1 erg.oe -1.cm -3 M = 1 10 3 A.m -1 Feromagnetikum χ m >>1 remanentní magnetizace koercivitní síla M saturační magnetizace M = f(h) B = f(h) magnetická susceptibilita χ m = M/H 40 M 30 20 10 hysterezní smyčka Paramagnetikum 0< χ m << 1 0-10 H -20-30 -40
Kde všude jsou důležité? Plynové senzory Magnetická záznamová média Katalyzátory Nanopigmenty Transformace solární energie Elektronika (ferofluidní technologie) Magnetické monitorování archeologických oblastí Aplikace v biomedicíně...
Oxidy železa biomedicína Nízká toxicita Atest US Food and Drug Administration Sofistikovaná struktura SiO2, polymer biomolekula Fe2O3 jádro
Biomedicínské aplikace In vivo terapeutické aplikace (Hypertermie, targeting) diagnostické aplikace (NMR) In vitro separace/labeling biomolekul
Cílená distribuce léčiv
Hypertermie magnetické field pole zahřívání
Magnetická rezonance
Magnetická separace
Metody přípravy Nanoprášek, nanokompozit, tenký film? Kontrolovaná struktura, velikost a morfologie nanočástic Výchozí fáze kapalná či plynná: Precipitace Hydrolýza Sonochemická syntéza Termická syntéza Sol-gel proces Mikroemulzní metoda Aerosolová pyrolýza Laserem či mikrovlnami indukovaná pyrolýza Fe-roztoků Výchozí fáze pevná: termicky indukované reakce
Precipitace Příprava γ-fe 2 O 3, Fe 3 O 4 Výchozí látky: Fe II /Fe III chloridy, dusičnany, sírany Koncentrace Teplota ph
Precipitace Příprava γ-fe 2 O 3 0,05 M FeCl 2 4H 2 O titrovat K 2 CO 3 (10 g/l) do ph 7 intenzivní míchání!!! Promýt deionizovanu vodou Přefiltrovat Vysušit při 80 C Rozetřít na jemný prášek Velikost částic 70 nm
Precipitace Příprava Fe 3 O 4 0,01 M FeCl 2 4H 2 O 0,02 M FeCl 3 6H 2 O titrovat 1,5 M NH 4 OH 50 C intenzivní míchání!!! ochranná atmosféra Promýt deionizovanu vodou Přefiltrovat Vysušit při 80 C Rozetřít na jemný prášek Velikost částic 20 nm Fe 2+ + 2Fe 3+ +8OH - Fe 3 O 4 + 4H 2 O Magnetit není velmi stabilní při normálních podmínkách snadno oxiduje na maghemit rozpouštění v kyselém prostředí
Sonochemická syntéza Ultrazvuk: přenos energie v kapalině akustická kavitace Kritická velikost bublin: rychlý rozpad drastický nárůst p, T Zhroucení kavity rozbití přítomných molekul (prekurzorů) za vzniku nových látek reakce v malém objemu bublinky: vznik nanočástic horké body: ~5000 K, ~ 101 MPa výhodné reakční podmínky
Sonochemická syntéza Sonolýza ve vysokovroucím rozpouštědle ))))) Fe 2 O 3 tris (acetylacetonát) železitý komplex ))))) Fe 2 O 3 Amorfní Fe 2 O 3 γ-fe 2 O 3 (žíhání při 300 C na vzduchu)
Termická syntéza Termický rozklad organokovových prekurzorů: železo-karbonylové komplexy (př. [Fe(acac) 3 ][Fe(CO) 5 ], [Fe{N[Si(CH 3 ) 3 ] 2 } 2 ], ) Vysokovroucí organické rozpouštědlo Stabilizační látky (surfaktanty: mastné kyseliny, hexadecylamin ) klíčový parametr: poměr výchozích látek velikost a morfologie nanočástic TEM analýza: Fe 3 O 4
Sol-gel proces 1. krok: hydrolýza (solvatace) 2. krok: koordinační polymerace 1 g FeCl 2.4H 2 O + 4 ml etanolu za stálého míchání Přidat 20 ml etoxidu křemičitého Přidat 16 ml deionizované vody Přidat 2 kapky HNO 3 (katalyzátor) Gelace 1 týden při lab. teplotě Drcení a mletí v kulovém mlýně Kalcinace 1 h při 400 C
Hydrotermální syntéza Reakce mokrou cestou Reakční teplota 130-250 C Tlak 0,3-4 MPa Prekurzor Fe (chloridy, sírany) H 2 O 2 oxidační činidlo Promýt deionizovanu vodou Přefiltrovat Vysušit při 80 C ve vakuu Rozetřít na jemný prášek Fe 2+ + 2OH - Fe(OH) 2 3Fe(OH) 2 + 2H 2 O 2 Fe 3 O 4 + 4 H 2 O
Srovnání metod Vždy nutná modifikace povrchu většinou během přípravy metoda syntéza teplota doba rozpouštědlo precipitace jednoduchá, okolní atmosféra termický rozklad složitá, inert 100-320 mikroemulzní metoda hydrotermální syntéza složitá, okolní atmosféra jednoduchá, vysoký tlak distribuce velikostí výtěžek 20-90 minuty voda relativně úzká velký hodiny/ dny organika velmi úzká velký 20-50 hodiny organika relativně úzká malý 220 hodiny/ dny voda-etanol velmi úzká střední
Poděkování: Budování výzkumných týmů a rozvoj univerzitního vzdělávání výzkumných odborníků pro mikro- a nanotechnologie (NANOTEAM) CZ.1.07/2.3/.00/09.0224 Investice do rozvoje vzdělávání 24
Děkuji Vám za pozornost