75
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ НАНОТЕХНОЛОГИИ Профессор Н.Г. Рамбиди Профессор Н.Г. Рамбиди

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Embed Size (px)

DESCRIPTION

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ. Профессор Н.Г. Рамбиди. 11. Нанохимия. Молекулярный дизайн. - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕОСНОВЫОСНОВЫ

НАНОТЕХНОЛОГИИНАНОТЕХНОЛОГИИ

Профессор Н.Г. Профессор Н.Г. РамбидиРамбиди

Page 2: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

11. Нанохимия11. Нанохимия

Page 3: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Молекулярный дизайнМолекулярный дизайн

Page 4: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Были подробно рассмотрены:Были подробно рассмотрены:-молекулярные аспекты -молекулярные аспекты синтеза природного каучука,синтеза природного каучука,-принципы конструирования -принципы конструирования молекулы хироптицена – молекулы хироптицена – переключающегося переключающегося молекулярного элемента,молекулярного элемента,-молекулярная память на -молекулярная память на основе молекул ротаксанов.основе молекул ротаксанов.

Page 5: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Краун эфирыКраун эфиры

Negative charge concentrated in the cavity of the Negative charge concentrated in the cavity of the moleculemolecule

Forms stable lewis acid / lewis base with complexForms stable lewis acid / lewis base with complex

O

O

O

O

O

O

Cs+

Page 6: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Formation of CalixarenesFormation of Calixarenes

Phenol is reacted Formaldehyde and NaOH then Phenol is reacted Formaldehyde and NaOH then heatedheated

OHHO

HOOH

CH2

O

+

HO

Page 7: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Calixarene ConfigurationCalixarene Configuration

Page 8: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Molecular bindingMolecular binding The facing pairs of aromatic rings of The facing pairs of aromatic rings of

the calixarene in this conformation the calixarene in this conformation form two cavities that are each pre-form two cavities that are each pre-organized for partial organized for partial insertion of a insertion of a Cs+ ion. Cs+ ion.

Crystal structures of model Crystal structures of model complexes with cesium salts havecomplexes with cesium salts have demonstrated a significant dual pi-demonstrated a significant dual pi-interaction between the facing interaction between the facing aromatic rings and the guest Cs+ ion.aromatic rings and the guest Cs+ ion.

Cs+

OH

OH

HO

HO

Cs+

Page 9: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ФуллереныФуллерены

Page 10: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ФуллереныФуллерены

Page 11: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ФуллереныФуллерены

Page 12: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Nontraditional Fullerenes enclosing metal atom clusters.

- Three fused pentagons in the C68 cage: Violation of the Isolated Pentagon Rule (IPR).- Strong gain of stability upon incorporation of NSc3 in the C68 cage

Sc3N@C68

Use of Fullerenes enclosing metal atom clusters as Novel Magnetic Resonance Imaging contrast agents ?

Page 13: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Fullerenes with incorporated Helium Clusters

He2@C60 ( D2d)

He@He20@C60 (Ih)

- NMR studies on noble gas atoms enclosed in fullerene shells ( M. S. Syamala et al., JACS 124, 6216, 2002 ).- Hen encapsulated fullerenes of extraterestial detected in geological sediments ( L. Becker et al., Science 291 1530 2001 ).

Hen configurations in fullerene cages?

Page 14: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ССложные ложные молекулярные системымолекулярные системы

Page 15: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Organic, polymer/biopolymer

synthesis

O O

O

OO

O OO O OO OO

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

PO

O

O O

O

OO

O OO O OO OO

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

O

S

PO

O

Building blocks with natural and synthetic components for site directed self assembly into functional nanostructure

Page 16: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Organic synthesis: from single molecules to molecular assemblies, building block libraries, self-assembling components, liquid crystals, electroactive materials, photonic materials, chromophores, sensor elements… Combinatorial synthesis: libraries of ligands or catalysts, lead discovery and exploitation. Polymer synthesis: polymers with controlled sequence and/or architecture, dendrimers, porous and reactive media, surface coatings. Hybrid materials: organic-inorganic, biological-artificial.

Page 17: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Light harvesting: natural and synthetic ring antennae

Rings of chlorophylls and carotenoids funnel harvested energy to reaction center (RC). Subsequent energy transfer steps

lead to the production of ATP.

Page 18: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Self-assembly of a receptor from H-bonded molecular building blocks

Reinhoudt et al.

Guest =

Page 19: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Электроактивные материалыЭлектроактивные материалы

Page 20: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Электроактивные материалы

Page 21: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 22: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 23: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Governing Equation of Dielectric Elastomers

p=0E2

• Where: – p is effective compressive stress– is relative dielectric constant

– 0 is permittivity of free space (a constant)

– E is strength of electric field between diodes

Page 24: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 25: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Искусственная рука

Page 26: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Протезы сердца

Page 27: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 28: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Микро-насос

Page 29: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Applications: Heel-Strike Generator

• DoD is using dielectric elastomers to develop a heel-strike generator to go in soldiers boots that would generate electricity just from walking

• A dielectric elastomer generator works like an actuator in reverse (mechanical-to-electrical instead of electrical-to-mechanical energy)

Page 30: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Responsive materialsResponsive materials

Page 31: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 32: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 33: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 34: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 35: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 36: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Основные пути формирования Основные пути формирования сложных молекулярных системсложных молекулярных систем

Page 37: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

СамоорганизующиесяСамоорганизующиесяамфифильныеамфифильные

системысистемы

Page 38: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Surfactant Molecules: Oil-Water Building Blocks

Monolayer formationMicelles - nano-reactors, drug delivery vehicles, and cleaning agents

Oil-Water Interface

Oil

Water

Surfactant

Polar head group

Non polar tail

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

OSO3-

Page 39: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Micelles in the Bulk Solution

Formation of stable aggregates at the cmc.

low concentration high concentration

Page 40: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Micelles

“Polar” water-like surface

“Apolar” oil-like interior

10-100 nm

Normal in water Reversed in oil SolubilizationNanoreactorsOil RecoveryDrug Delivery

Page 41: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Monolayer formationSurfactants can also adsorb at the air-water interface

Adsorption at the air-water interface

Page 42: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Amphiphiles

phosphatidyl choline lyso- phosphatidyl choline

dodecylsulphate

Polar

Non-polar

Page 43: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Critical micelle conc

Page 44: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Micelles/Monolayers/Bilayers

polar

non-polar

polarnon-polar

polar

non-polar

Page 45: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Lamellar phase Amphiphiles

PC - forms lamellar phases = bilayers of biology

Get x-ray/nmr data

Page 46: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Lipid bilayersLipid bilayers

Page 47: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Hexagonal phase Amphiphiles

PE -forms hexagonal phase = fusion regions of biology

Page 48: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Пленки Ленгмюра-Пленки Ленгмюра-БлоджетБлоджет

Page 49: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Langmuir Films

Spread on water. Not equilibrium adsorption. Film can be compressed

Water subphase

Air

Langmuir film

Page 50: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

On Water

0

10

20

30

40

50

200 220 240 260 280 300

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500 600

S-Azo-C18 Isotherm

Stearic Acid Isotherm

Area (cm2 )

Su

rfac

e P

ress

ure

(m

N/c

m2 )

Area (cm2 )

Su

rfac

e P

ress

ure

(m

N/c

m2 )

Water

Gas

Gas

Water

Liquid

Liquid

Water

Solid

Solid

Page 51: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Langmuir-Schaeffer Films

Water subphaseWater subphase

Solid substrate

Page 52: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Langmuir-Blodgett DepositionHydrophobic Surface (OTS)

Water

Hydrophilicsurface

Hydrophobic Surface

Page 53: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Multilayer

~ 10 nm

Head to headTail to tail

Head to tailTail to head

XY Z

Page 54: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

The InstrumentThe Instrument

Page 55: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Хемосорбированные слоиХемосорбированные слои

Page 56: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ChemisorptionChemical reaction between the building block and the solid substrate

X

X

X

X

X

X

X

X X X X X X X X XReactive site

Spontaneousirreversible Functionalized surface

Page 57: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

X X X X X X X X X X X XX X X X X X X X X X X X

3D-Representation

Page 58: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

OTS on Glass

Si

ClClCl

Si

ClClCl

Si

ClClCl

Si

ClClCl

OTS– octadecyltrichlorosilane

OHOH OHOH

Page 59: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

OTS on Glass

Si

ClClCl

Si

ClClCl

Si

ClClCl

Si

ClClCl

OHOH OHOH

OTS coated substrate surface

Page 60: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 61: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Membrane Structure

Page 62: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Types of membrane proteins

Page 63: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Membrane Protein Structure

Page 64: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Формирование Формирование заданной заданной

последовательности последовательности аминокислот в аминокислот в

молекуле белка.молекуле белка.Синтез МеррифилдаСинтез Меррифилда

Page 65: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Solid phase peptide Solid phase peptide synthesis (SPPS)synthesis (SPPS)

The Nobel Prize in Chemistry 1984The Nobel Prize in Chemistry 1984 --for his development of methodology for --for his development of methodology for

chemical synthesis on a solid matrix chemical synthesis on a solid matrix

Robert Bruce MerrifieldRockefeller University

Page 66: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Традиционный химический синтез

Page 67: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Синтез Меррифилда

Page 68: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 69: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 70: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Easier!!

Page 71: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Prepare fully protected peptide!

Page 72: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ
Page 73: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ABI 433A Peptide Synthesizer

Page 74: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Синтез Меррифилда

Page 75: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Coupling efficiency and final Coupling efficiency and final yieldyield

  Yield (%)

efficiency (%)

10-mer 20-mer 30-mer 40-mer 50-mer 60-mer

99 90 82 74 67 61 55

98 82 67 55 45 36 30

95 60 36 21 13 8 5

80 11 1 0 0 0 0