Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů.



Podobné dokumenty
Chování látek v nanorozměrech

Nanotechnologie a Nanomateriály na PřF UJEP Pavla Čapková

NANOTECHNOLOGIE ledna 2015 GYMNÁZIUM DĚČÍN

Techniky mikroskopie povrchů

Elektronová mikroskopie SEM, TEM, AFM

Mikroskopie rastrující sondy

Proč elektronový mikroskop?

Metody skenovací elektronové mikroskopie SEM a analytické techniky Jiří Němeček

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

Metody charakterizace

EXKURZE DO NANOSVĚTA aneb Výlet za EM a SPM. Pracovní listy teoretická příprava

Funkční nanostruktury Pavla Čapková

Elektronová Mikroskopie SEM

Elektronová mikroskopie a RTG spektroskopie. Pavel Matějka

4 ZKOUŠENÍ A ANALÝZA MIKROSTRUKTURY

Elektronová mikroskopie a mikroanalýza-2

Analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a podobných metod

ANALYTICKÝ PRŮZKUM / 1 CHEMICKÉ ANALÝZY DROBNÝCH KOVOVÝCH OZDOB Z HROBU KULTURY SE ZVONCOVÝMI POHÁRY Z HODONIC METODOU SEM-EDX

Krystalografie a strukturní analýza

3. Vlastnosti skla za normální teploty (mechanické, tepelné, optické, chemické, elektrické).

Zobrazovací metody v nanotechnologiích

Mikroskopie se vzorkovací sondou. Pavel Matějka

EM, aneb TEM nebo SEM?

Věra Mansfeldová. Ústav fyzikální chemie Jaroslava Heyrovského AV ČR, v. v. i.

Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm 1000 x víc než oko

Podivuhodný grafen. Radek Kalousek a Jiří Spousta. Ústav fyzikálního inženýrství a CEITEC Vysoké učení technické v Brně. Čichnova

ANALYTICKÝ PRŮZKUM / 1 CHEMICKÉ ANALÝZY ZLATÝCH A STŘÍBRNÝCH KELTSKÝCH MINCÍ Z BRATISLAVSKÉHO HRADU METODOU SEM-EDX. ZPRACOVAL Martin Hložek

METODY ANALÝZY POVRCHŮ

Difrakce elektronů v krystalech a zobrazení atomů

1 Teoretický úvod. 1.2 Braggova rovnice. 1.3 Laueho experiment

Mikroskopické techniky

Testování nanovlákenných materiálů

Nanotechnologie. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: devátý

DIFRAKCE ELEKTRONŮ V KRYSTALECH, ZOBRAZENÍ ATOMŮ

Nano a mikrotechnologie v chemickém inženýrství. Hi-tech VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE ÚSTAV CHEMICKÉHO INŽENÝRSTVÍ

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Difrakce elektronů v krystalech, zobrazení atomů

Elektronová mikroskopie II

Optika a nanostruktury na KFE FJFI

Nanotechnologie a jejich aplikace. doc. RNDr. Roman Kubínek, CSc.

ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE V TEXTILNÍ METROLOGII

SKENOVACÍ (RASTROVACÍ) ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Bakalářské studijní obory

NANOMATERIÁLY, NANOTECHNOLOGIE, NANOMEDICÍNA

Nanosvět očima mikroskopů

Přednáška č. 3. Strukturní krystalografie, krystalové mřížky, rentgenografické metody určování minerálů.

Testování nanovlákenných materiálů. Eva Košťáková KNT, FT, TUL

Testování nanovlákenných materiálů

Moderní nástroje pro zobrazování biologicky významných molekul pro zajištění zdraví. René Kizek

C Mapy Kikuchiho linií 263. D Bodové difraktogramy 271. E Počítačové simulace pomocí programu JEMS 281. F Literatura pro další studium 289

Využití nanomateriálů pro konzervaci mikrobiálních taxonů z životního prostředí

SLO/PGSZZ Státní doktorská zkouška Sdz Z/L. Povinně volitelné předměty 1 - jazyková průprava (statut bloku: B)

Metody analýzy povrchu

Laboratoř charakterizace nano a mikrosystémů: Elektronová mikroskopie

Otevírané studijní programy a obory v ak. roce

Nabídkový list spolupráce 2014

b) Studijní plány musí být odevzdány do daného akademického roku tajemníkovi OR.

Optická mikroskopie a spektroskopie nanoobjektů. Nanoindentace. Pavel Matějka

CHARAKTERIZACE MATERIÁLU POMOCÍ DIFRAKČNÍ METODY DEBYEOVA-SCHERREROVA NA ZPĚTNÝ ODRAZ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI. Název studijního oboru. P 3942 Nanotechnologie 3942V001 Nanotechnologie P, K FAKULTA STROJNÍ

Fyzikální sekce přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Praktikum z pevných látek (F6390)

Studium chemie na PřF UPOL. Mgr. Eva Schütznerová Katedra organické chemie

Moderní aplikace přírodních věd a informatiky. Břehová 7, Praha 1

Nanomateriály. Bohumil Kratochvíl Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. Praha, Od makra k nano - historie

Metody analýzy povrchu

Otevírané studijní programy a obory v ak. roce

Spektroskopie subvalenčních elektronů Elektronová mikroanalýza, rentgenfluorescenční spektroskopie

Charakterizace materiálů I KFY / P224. Martin Kormunda

Přírodovědecká fakulta bude mít elektronový mikroskop

Otevírané studijní programy a obory v ak. roce

Co je litografie? - technologický proces sloužící pro vytváření jemných struktur (obzvláště mikrostruktur a nanostruktur)

VETERINÁRNÍ A FARMACEUTICKÁ UNIVERZITA BRNO ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE PRO PŘEDMĚT INSTRUMENTÁLNÍ ANALYTICKÉ METODY VE FARMACEUTICKÉ TECHNOLOGII

České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská. Příloha formuláře C OKRUHY

Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2012

RTG difraktometrie 1.

TRANSMISNÍ ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

2. Určete frakční objem dendritických částic v eutektické slitině Mg-Cu-Zn. Použijte specializované programové vybavení pro obrazovou analýzu.

Optická konfokální mikroskopie a mikrospektroskopie. Pavel Matějka

Základy nanotechnologií KEF/ZANAN

Skenovací tunelová mikroskopie a mikroskopie atomárních sil

CHARAKTERIZACE MORFOLOGIE POVRCHU (Optický mikroskop, SEM, STM, SNOM, AFM, TEM)

Otevírané studijní programy a obory v ak. roce

Společná laboratoř optiky. Skupina nelineární a kvantové optiky. Představení vypisovaných témat. bakalářských prací. prosinec 2011

MIKROSKOPIE JAKO NÁSTROJ STUDIA MIKROORGANISMŮ

Seznam otázek pro zkoušku z biofyziky oboru lékařství pro školní rok

nano.tul.cz Inovace a rozvoj studia nanomateriálů na TUL

Elektronová mikroskopie

Chemie a fyzika pevných látek p2

Uhlíkové struktury vázající ionty těžkých kovů

Metody povrchové analýzy založené na detekci iontů. Pavel Matějka

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

PODPORA VÝZKUMU, VÝVOJE A INOVACÍ

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Struktura atomu. Beránek Pavel, 1KŠPA

Vybrané spektroskopické metody

Úvod. Mikroskopie. Optická Elektronová Skenující sondou. Mikroskopie je metod kterej dovoluje sledovat malé objekty a detaile jejích povrchů.

Mgr. Veronika Papoušková, Ph.D. Brno, 20. března 2014

SEZNAM AKREDITOVANÝCH STUDIJNÍCH PROGRAMŮ TUL

Transkript:

Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů. Pavla Čapková Přírodovědecká fakulta Univerzita J.E. Purkyně Březen 2014

UJEP PřF, PF, FF, FSE, FVTM, FZS, FUD

Nové objekty kampusu UJEP 2012 Kavárna-bufet Nové auly - knihovna

Studijní programy Přírodovědecké fakulty UJEP Učitelství přírodovědných předmětů: matematika, fyzika, chemie, geografie, Bakalářské a magisterské Biologie Bakalářské a magisterské Toxikologie a analýza škodlivin Bakalářské magisterské v řízení Geografie Bakalářské a magisterské Matematika Bakalářské, magisterské, doktorské Informační systémy bakalářské Aplikované Nanotechnologie Bakalářské, magisterské doktorské Počítačové modelování ve vědě a technice, bakalářské, magisterské, doktorské

Studijní program : Aplikované nanotechnologie Bakalářský Magisterský Doktorský Studium multidisciplinární s přesahem do fyziky, chemie, biologie Při studiu na PřF UJEP si může student zvolit jedno ze 4 zaměření své studentské práce: Bionanotechnologie nanomateriály pro biomedicinské aplikace Plazmové technologie nanomateriály připravené plazmovou technologií pro širokou škálu využití Studium nanovlákenných textilií připravených technologií nanospider Počítačový design nanomateriálů

Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů. I. Úvod do nanotechnologií (definice, vymezení pojmů, technické předpoklady pro nanotechnologie a charakterizaci nanomateriálů). II. Chování látek v nanorozměrech (vliv nanorozměru na vlastnosti pevných látek). III. Přehled nanotechnologií a nanomateriálů a jejich praktické využití (přehled metod přípravy nanomateriálů a jejich široká škála aplikací od vývoje nových lékových forem a biomedicínských aplikací, přes sorbenty, fotokatalyzátory, optoelektronické prvky až po konstrukční nanokompozitní materiály).

I. Úvod do nanotechnologií NANO svět 1nm = 10-9 m = 0.000 000 001 m 1m = 1 000 000 000 nm Vzdálenosti mezi atomy v pevných látkách: Kovy: 0.25nm (Cu), 0.28nm (Au), 0.32nm (Cd), 0.43nm (Ba) Diamant: 0.15nm Molekulární krystaly: 1 nm

Co je nanotechnologie? Nanotechnologie cílená manipulace na úrovni atomů a molekul, která vede k novým umělým strukturám s novými předem danými, požadovanými vlastnostmi. Nanomateriál uměle vytvořená nanostruktura, která má zásadní význam pro funkci a vlastnosti materiálu. Cíl materiálového výzkumu : design materiálů s požadovanými předem danými vlastnostmi!!!!!! Schopnost kontrolovat vlastnosti materiálů!!!!!!!

Hlavní výzvy pro nanovědy a nanotechnologie Richard Smalley laureát Nobelovy ceny za chemii z r. 1996 objevitel fullerenů - zformuloval hlavní globální problémy světa: 1. Energie (zdroje. transport, ukládání enegie baterie, palivové články, úspora energie molekulární elektronika) 2. Voda (odsolení mořské vody a úprava průmyslové znečištěné vody) 3. Potraviny 4. Životní prostředí selektívní sorbenty, nanofiltry filtry pro ochranu vody a vzduchu, samodegradující plasty 5. Chudoba 6. Terorismus 7. Choroby zdravá populace diagnostické metody, nové lékové formy, tkáňové inženýrství- regenerativní medicína 8. Vzdělání. Výzvy pro nanotechnologie a nanovědy!!!!!!!!!

Nanotechnologie z laboratoří do praxe : Elmarco, Nanovia, Kertak nanotechnology, Spur Zlín, Precheza a.s., Pardam, Spolchemie Využití nanomateriálů: Elektronika, optoelektronika, senzory Konstrukční materiály s mimořádnou pevností a tepelnou odolností Stavební a nátěrové hmoty samočistící Medicína diagnostika nádorů Medicína - likvidace nádorové tkáně Pharmacie vývoj nových lékových forem, cílená doprava léčiva v organismu, cílená doprava cytostatik pouze do nádorové tkáně Ochrana životního prostředí nanostrukturované materiály jako sorbenty, katalyzátory, filtrace odpadních vod a plynů. Nanotechnologie - multidisciplinární obor s přesahem do fyziky, chemie, biologie

Vztah struktury a vlastností saze Fullereny grafit Nanotrubky diamant Vztah struktury a vlastností vývoj nových materiálů stojí na pochopení tohoto vztahu kontrola struktury - kontrola vlastností

Struktury a vlastnosti léčiva Stimulátor myocardiální membrány I aktivn í I I I Krystalové struktury I I aktivní I V I I I I I I I V

Klíčem pro pochopení vztahů struktury a vlastností je znalost struktury Nástroje pro studium nanostruktur: 1895 - W.K. Röntgen objev RTG záření Řešení struktur krystalů - Princip: rentgenová difrakce Měříme intenzitu a rozložení difraktovaných svazků v prostoru Difrakční obraz monokrystal Difraktované svazky Dopadající svazek monochrom. záření rtg., synchrotron goniometr Vztah mezi difrakčním obrazem a strukturou Difrakční obraz umožňuje získat strukturu krystalické látky????jak????

Dopadající svazek rtg záření Princip rtg difrakce Difraktovaný svazek Interference difraktovaných svazků Krystal Podmínkou interference: Drahový a fázový rozdíl interferujících svazků Difrakční obraz je zobrazením struktury - uspořádání atomů Krystalové struktury 3D periodicita v uspořádání atomů Nutná podmínka pro vznik difrakčního obrazu je periodické prostředí krystalové mříže potřebujeme krystal

Příklady krystalových struktur triacylglyceridy Au korund Krystalové strukturní databáze Kyselina benzoová Diky rtg difrakci byly vyřešeny struktury: DNA, proteinů. Cambridge proteinová strukturní databáze - Cambridge RTG difrakce určí nanostrukturu ale potřebuji makroskopický krystal (dokonalou krystalickou látku s periodickým uspořádáním atomů) Proteiny Pokud do rtg svazku vložím nanočástice, difrakční obraz je silně rozmazaný s omezenu informací o struktuře. Nemáme šanci určit spořádání atomů, molekul v nanočásticích pomocí klasické difrakční metody. Kdy selhává klasická metoda řešení struktur pomocí difrakce????!!!!!!!!!!!! Nanočástice, neuspořádané struktury!!!!!!!!!! HIV

Revoluční krok v rozvoji nanotechnologií - Nobelova cena za fyziku v r. 1986 Heinrich Rohrer Ernst Ruska Gerd Binnig Za fundamentální práce v elektronové optice a design prvního elektronového mikroskopu, Za jejich design skenovacího tunnelovacího mikroskopu Tyto objevy vedly k zobrazení jednotlivých atomů

Podmínky pro rozvoj nanotechnologií: Mikroskopie přímé zobrazení nanostruktury HRTEM - High resolution transmission electron microscopy AFM atomic force microscopy STM Scanning tunneling microscopy SEM Scanning electron microscopy TEM Transmisní elektronová mikroskopie Nanočástice stříbra s přímým zobrazením jednotlivých atomů

Schema elektronového mikroskopu Zdrojem elektronů je elektronová tryska - nejčastěji wolframové žhavené vlákno, umístěné v tzv. Wehneltově válci. Elektrony jsou urychlovány směrem k vzorku urychlovacím napětím (běžně 40kV). Svazek elektronů (paprsek) je upravován, zaostřován elektromagnetickými čočkami. Tubus obsahuje zpravidla jednu nebo více kondenzorových čoček, objektivovou čočku, vychylovací cívky rastrů a cívky stigmátorů pro korekci astigmatismu. Dopad paprsku elektronů na vzorek způsobí emisi sekundárních elektronů, zpětně odražených elektronů, RTG záření a jiných signálů ze vzorku, které jsou pak detekovány a analyzovány.

Interakce dopadajícího svazku urychlených elektronů s materiálem vzorku Dopadající primární svazek elektronů Charakteristické RTG záření Spojité RTG záření Luminiscence Zpětně odražené (difraktované) elektrony Emise elektronů Augerovy elektrony (sekundární elektrony) vzorek Teplo Prošlé elektrony

Augerovy elektrony Pokud je elektron z vnitřních vrstev elektronového obalu atomu vyražen např. externím volným elektronem a v této vrstvě se tak vyskytne nezaplněná (energetická hladina), pak se elektron z vnějších vrstev přesune do této nezaplněné vnitřní slupky. Takto uvolněná energie může být vyzářena ve formě fotonu, ale v některých případech je předána jako kinetická energie některému elektronu ve vnější slupce, který tím získá dostatek energie k tomu, aby atom opustil. V takovém případě dojde uvolnění tohoto elektronu z atomu; Vyražené elektrony se označují jako Augerovy elektrony.

Rastrovací elektronový mikroskop: Rastrovací, nebo též řádkovací elektronový mikroskop (angl. scanning electron microscope, SEM) využívá k zobrazování pohyblivého svazku elektronů. Princip SEM: na každé místo vzorku je zaměřen úzký paprsek elektronů (prochází jej po řádcích). Interakci dopadajících elektronů s materiálem vzorku vznikají různé jevy. Jak paprsek putuje po vzorku, mění se podle charakteru povrchu úroveň signálu v detektoru. Z těchto signálů je pak sestavován výsledný obraz. Detektory SEM: SE detektor detektor sekundárních elektronů BSE detektor detektor zpětně odražených elektronů TE detektor detektor prošlých elektronů. EDS detektor charakteristického RTG záření (analýza chemického složení) EBDS detektor difraktovaných elektronů ( analýza krystalové struktury)

TEM Transmisní Elektronová Mikroskopie Elektrony pronikají pozorovaným preparátem a interakcemi s ním jsou odchylovány od původního směru, jímž se pohyboval hlavní svazek. Většina odchýlených elektronů je pomocí clony ze svazku vyloučeno. Obraz je tvořen dopadem převážně neodchýlených elektronů na zobrazovací systém. Zobrazovacím systémem může být stínítko z luminiscenčního materiálu, film, CCD kamera. Ernest Ruska v letech 1928-1933 navrhl elektromagnetickou čočku a roku 1931 sestavil první transmisní elektronový mikroskop, za jehož objev dostal v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku.

HRTEM Zobrazení na atomární škále - přímé zobrazení atomů Přímé zobrazení struktury GaN pomocí HRTEM mikroskopie Max. v současné době dosažitelné rozlišení HRTEM ~ setiny nm GeSi nanokrystal

AFM - mikroskopie Binnig, Quate, Gerber 1986 Konzole se silikonovým hrotem s poloměrem zakřivení ~ nm. Síly mezi hrotem a povrchem vzorku způsobují vychýlení konzole, které se detekuje pomocí odraženého laserového svazku. Hrot: Si, Si 3 N 4 Síly mezi hrotem a povrchem: Van der Waals, elektrostatické. Rozlišení: nejlepší dosažené 5nm, běžné 10-100nm Piezoelektrický posuv vzorku Povrch Chipu Povrch DVD

STM skenovací tunelovací mikroskopie Binnig, Rohrer 1979-1982 Reliéf atomové roviny 110 niklu Malá sonda mikrometrových rozměrů s ultra ostrým hrotem se pohybuje ve vakuu podél povrchu vzorku a emituje proud elektronů. Sebemenší změna vzdálenosti sondy od povrchu je zaznamenávána. STM obraz 7 nm x 7 nm, řetězce Cs atomů (červené) na GaAs(110) povrchu (modré).

Počítačový design nanomateriálů: Design nových funkčních nanostruktur: Nové lékové formy, ukotvení aktívních molekul na vhodných nosičích; Nanostruktury pro optoelektronické aplikace molekulární elektronika, chemické senzory, membrány; Nanostruktury pro katalýzu a fotokatalýzu; Selektívní sorbenty; Biomedicínské aplikace, tkáňové inženýrství substráty pro tkáňové kultury. Nástroj: Molekulové modelování - predikce struktury a vlastností šetří čas, energii a materiál technologům.

Obecný princip molekulového modelování Metoda molekulového modelování je založena na výpočtu nejstabilnějších konfigurací na základě energetické optimalizace struktur, t.zn. minimalizace energie systému. E Minimalizace energie systému - přístupy k řešení tohoto problému lze zhruba rozdělit do tří hlavních skupin: ab initio kvantově mechanické výpočty, semi-empirické výpočty molekulární mechanika empirické silové pole

Nanotechnologie na Přírodovědecké fakultě UJEP: Technologie Využíváme počítačový design nanomateriálů - molekulární modelování Schema strategie vývoje nanomateriálů Analýza povrchů Chromatografie RTG difrakce At.emisní absorpční a IČ spektr. El. mikroskopie AFM mikroskopie Molekulové modelování Struktura a vlastnosti

Dva přístupy k nanotechnologiím Top down Objemový materiál Částice prášku Nanočástice Shluky atomů - klastry Atomy, molekuly Bottom up

Nanotechnologie: Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Tváření ECAP Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních anostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod. Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám, s novými vlastnostmi

Zdroje a doporučená literatura ke studiu: Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Editor H. S. Nalva, American Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, 2004, ISBN: 1-58883-058-6/ Nanomaterials and nanochemistry Catherine Bréchignac, Philipe Houdy, Marcel Lahmani, editors, Springer,2006, ISBN 978-3-540-72992-1 Nanotechnology Science, Innovation and Opportunity, L.E. Foster, Pearson Education. Inc. 2006, ISBN: 0-13-70-2575-0 Nanotechnology, basic science and emerging technologies, 2002, ACRC Press company, M. Wilson, K. Kannangara, G. Smith, M Simmons, B. Raguse Nanostruktura uhlíkatých materiálů, Z. Weiss, G.Simha Martynková, O. Šustai, tisk Repronis Ostrava, 2005, ISBN 80-7329-083-9