Funkční nanostruktury Pavla Čapková Centrum nanotechnologií na VŠB-TU Ostrava.
Centrum nanotechnologií na VŠB-TUO Nanomateriály Sorbenty Katalyzátory a fotokatalyzátory Antibakteriální nanokompozity Nové lékové formy Nanokompozitní mateiály uhlíkaté a polymerní Nanotoxicita Environmentální riziko nanočástic Analytické metody a diagnostika nanomateriálů: Design a konstrukce aparatur pro testování kataluzátoru, fotokatalyzátorů on-line monitorování reakčních produktů. Počítačový design nanostruktur molekulární modelování s využitím empirických silových polí
Nanotechnologie: Syntéza nanočástic kovů a jejich oxidů pomocí mikroorganismů Zdrobňování: Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky Fyzikálně-chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Syntéza funkčních nanostruktur: Princip:Nanostavebnice Molekulární struktury Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vede k novým syntetickým nanostrukturám Nano vestavba atomů, molekul, nanočástic do krystalových struktur - skelet nanovrstvy Tato prezentace je spolufinancována
Využití nanomateriálů: Medicína: léčiva materiály pro krytí ran a dezinfekci destrukce nádorových tkání Ochrana životního prostředí: sorbenty pro průmyslové filtrace pro záchyt organických i anorganických znečišťujících látek ve vzduchu i vodním prostředí, katalyzátory pro rozklad oxidů dusíku fotokatalyzátory rozklad organických znečišťujících látek působením slunečního záření (UV) biocidní materiály (ničí bakterie a řasy) Konstrukční nanokompozitní materiály nové typy plastů, speciální keramika Nové typy samočistících stavebních materiálů.. Chemické senzory Fotofunkční jednotky - optoelektronika.
Cíle: Vývoj nových lékových forem Transport léčiva na určené místo v organismu Postupné uvolňování Potlačení vedlejších účinků, potlačení odporné chuti. Řešení: ukotvení molekuly léčiva na vhodný nosič transportér -Cyklodextrin jako nosič farmakologicky aktívních molekul
Polymerní nosiče léčiv cytostatika: Princip: Molekuly cytostatik navázané na polymerní řetězec, působením enzymů se molekula cytostatika odštěpí od polymerního nosiče. Polymerní řetězec Molekula cytostatika Výhody: Selektívní působení pouze v nádorové tkáni Možné vyšší dávky cytostatik, bez vedlejších účinků
Dendrimery Ukotvení molekuly léčiva na dendrimeru (rozvětvená makromolekula) pomocí chemické vazby Gelové nosiče molekul léčiva Gelové nanočástice, kde molekula léčiva je obalená gelovým nosičem z molekul surfaktantů.. Společný požadavek pro všechny nosiče farmakologicky aktívních molekul: 0 toxicita řízené uvolňování biodegradovatelnost nosiče
Možnost ladit elektrické i optické vlastnosti nanostruktur Supravodivost Zabudování molekul organických barviv do TaS 2 - Molekulární supravodiče zvýšení Tc - přechodu do supravodivého stavu Host: Metylénová modř Hostitel : vrstevnatá struktura TaS 2 Zvýšení kritické teploty přechodu do supravodivého stavu TaS 2 Tc = 0.6 K TaS 2 + metylén.modř Tc = 5.2 K
Vrstevnaté silikáty jako matrice pro funkční nanostruktury Jílové minerály - široké průmyslové využití: keramika, stavebnictví, plniva pro plasty, papír, kosmetické přípravky, sorbenty, katalyzátory. Výzva pro nové technologie - vhodné matrice pro ukotvení: organických molekul, organokovových komplexů, nanočístic kovů, jejich oxidů a sulfidů Využití: Sorbenty, katalyzátory, fotokatalyzátory, fotofunkční jednotky (optické spínače, laditelné laserové barvivo), antibakteriální a fungicidní materiály, nosiče farmakologicky aktívních molekul. Pozoruhodné krystalochemické vlastnosti!!!!!!!! Tetrahedral sheet Si Al Octahedral sheet montmorillonite Al Mg, (Fe) vermiculites Mg Al, (Fe, Ti) Substituce v tetraedrech a oktaedrech náboj vrstev!!!!!
Klasifikace vrstevnatých silikátů 2:1- silikáty Montmorillonit Vermikulit.. 1:1 silikáty Kaolinit silikátová vrstva: 2 vrstvy tetraedrů + 1 vrstva oktaedrů silikátová vrstva: 1 vrstvy tetraedrů + 1 vrstva oktaedrů T O T T O T T O OH skupiny Vyměnitelné kationty + (H 2 O)
1:1 silikáty di- a trioktaedrické Kaolinit : di-oktaedrický Si Al 0 mezivrstevní kationty, Náboj vrstev = 0 el Vrstvy vázané vodíkovou vazbou!!!!
Sorbenty a katalyzátory Zabudování interkalace vhodných anorganických, organických, organo-kovových komplexů sorbenty, katalyzátory Struktura vrstevnatého fylosilikátu 1 vrstva Vznikne pilířovaná nanopórézní struktura sorbentu resp. struktura s velkým sorpčním povrchem pro sorpce organických polutantů ve vodním prostředí resp. pro sorpci těžkých kovů
PL [arb. u.] PL [arb. u.] PL PL P P Optické vlastnosti Metyl-červeň ve vrstevnatých silikátech 442 nm 0 Pristine MR 500 600 700 800 900 1000 Fluorescence wavelength [nm] 1 MR 442 nm 0 1 300 0 0 Struktura MR-vermikulitu 1,0 400 500 600 700 800 900 1000 wavelength [nm] 5 náboj vrstvy -0.76 el /jedn.buńku 0,8 0,6 0,4 Struktura MR-montmorillonitu Náboj vrstvy: -0.50 el /jedn. buňku 0,2 1,0 400 500 600 700 800 900 1000 wavelength [nm] 0,8 0,6 Sample: MR- fine powder MR-VER MR-MMT max 800 645 565 0,4 0,2 400 500 600 700 800 900 1000 wavelength [nm]
Ukotvení nanočástic kovů, oxidů a sulfidů kovů na silikátové matrice Nanočástice Ag ukotvené na vrstevnatém silikátu montmorillonitu. Syntéza nanočástic přímo na povrchu silikátové matrice: Využití: Katalyzátory, fotokatalyzátory, antibakteriální materiály, otpicky aktívní materiály Výhody této technologie: Eliminace zdravotních rizik při manipulaci s nanočásticemi při zachování výhod nano-vlastností..
Nanočástice TiO 2 s různými dopanty na vrstevnatých silikátech Využití: Fotokatalyzátory Samočistící nanokompozitní materiály pro stavební a nátěrové hmoty po osvitu UV zářením rozkládá organické nečistoty Nanočástice TiO 2 ukotvené na vrstevnatých silikátech jsou účinnější fotokatalyzátory než stejně připravené volné nanočástice!!!!!!!!!!! Nanočástice Ag na vrstevnatých silikátech - účinná antibakteriální media Anibakteriální aktivita se mění s typem silikátové matrice!!!!!!! Významná role složení a náboje vrstev a vliv na vlastnosti nanokompozitu!!!!!!! montmorillonit kaolinit
Otázky v molekulárních nanotechnologiích: Vytvoří molekuly komplex?? Jak bude stabilní? Jak se budou se molekuly hosta kotvit na povrchu a uvnitř hostitelské vrstevnaté krystalové struktury?? Jakou vytvoří strukturu???? Jaká bude adheze nanočástic na povrchu krystalické matrice??? Molekulární modelování s využitím empirických silových polí nástroj pro predikci struktury a vlastností
Molekulární modelování optimalizace struktury a vazební geometrie pomocí minimalizace, kde energie je popsána pomocí empirických silových polí Koncept empirických silových polí je prostý: Celková energie systému: Nevazební energie: E tot = E bond + E nonbond E nonbond = E Coul + E VDW + (E HB ) Bonding energy : E bond =E bs + E ang + E tor + E inv + E UB!!!!! Všechny složky energie jednoduché analytické výrazy, jako vunkce vazebních délek, vazebních, torzních a inverzních úhlů Parametry silových polí silové konstanty ve výrazech pro energii Klíčová role modelovací strategie - stavba modelů, volba silových polí, minimalizačních algoritmů pro nalezení globálního minima!!!nutná kooperace s experimentem při tvorbě modelovací strategie!!!
Výhody molekulárního modelování Predikce struktury a vlastností velkých supramolekulárních systémů Úspora času, energie a materiálů v technologii Technologie Strategie molekulárních nanotechnologií Termogravimetrie Diffraction El. mikroskopie At.emisní absorpční a IČ spektr. chromatorgafie AFM mikroskopie Molekulové modelování Struktura a vlastnosti