Funkční nanostrukturyPavla Čapková

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.

Centrum nanotechnologií na VŠB-TU Ostrava

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

■ Analytické metody a diagnostika nanomateriálů: Design a konstrukce aparatur pro

testování kataluzátoru, fotokatalyzátorů – on-line monitorování reakčních produktů …….

■ Nanomateriály

Sorbenty

Katalyzátory a fotokatalyzátory

Antibakteriální nanokompozity

Nové lékové formy

Nanokompozitní mateiály uhlíkaté a

polymerní

■ Počítačový design nanostruktur – molekulární modelování s využitím empirických

silových polí

■ Nanotoxicita Environmentální riziko

nanočástic

Centrum nanotechnologií na VŠB-TUO

Nanotechnologie:

Syntéza funkčních nanostruktur:Princip:Nanostavebnice

Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových strukturna nano-úrovni, vede k novým syntetickým nanostrukturám Nano vestavba atomů, molekul, nanočástic do krystalových struktur - skelet

Zdrobňování:Příprava nanočásticzdrobňováním struktur:

Mechanické postupy:různé mlecí technikyFyzikálně-chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...)

nanovrstvy

Molekulární struktury

Tato prezentace je spolufinancovánaTato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Syntéza nanočástic kovů a jejich oxidů pomocí mikroorganismů

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

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…….

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Vývoj nových lékových forem

Cíle:• 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

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Polymerní nosiče léčiv – cytostatika:

Molekuly cytostatik navázané na polymerní řetězec,

působením enzymů se molekula cytostatika odštěpí

od polymerního nosiče.

Princip:

Výhody:

■ Selektívní působení

pouze v nádorové tkáni

■ Možné vyšší dávky

cytostatik, bez vedlejších

účinků

Polymerní řetězec

Molekula cytostatika

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

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

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Zabudování molekul organických barviv do TaS2 - Molekulární supravodiče zvýšení Tc - přechodu do supravodivého stavu

Host: Metylénová modř

Zvýšení kritické teploty přechodu do supravodivého stavu

TaS2 Tc = 0.6 K

TaS2 + metylén.modř Tc = 5.2 K

Supravodivost

Hostitel : vrstevnatá struktura TaS2

Možnost ladit elektrické i optické vlastnosti nanostruktur

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

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 sheetSi Al

Octahedral sheet

montmorilloniteAl Mg, (Fe)

vermiculitesMg Al, (Fe, Ti) Substituce v tetraedrech a oktaedrech →

→ → → → → → → → → náboj vrstev !!!!!

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

2:1- silikátyMontmorillonitVermikulit ……..

1:1 – silikátyKaolinit…

O

T

T

silikátová vrstva:

2 vrstvy tetraedrů + 1 vrstva oktaedrů

silikátová vrstva:

1 vrstvy tetraedrů + 1 vrstva oktaedrů

T

O

Vyměnitelné kationty

OH skupiny

Klasifikace vrstevnatých silikátů

+(H2O)

T

T

O

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

1:1 silikáty

di- a trioktaedrické

Kaolinit : di-oktaedrický

Si

Al

0 mezivrstevní kationty, Náboj vrstev = 0 el

Vrstvy vázané vodíkovou vazbou !!!!

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Sorbenty a katalyzátory 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

Zabudování – interkalace vhodných anorganických, organických, organo-kovových komplexů

→ sorbenty, katalyzátory

Struktura vrstevnatého fylosilikátu

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Metyl-červeň ve vrstevnatých silikátechFluorescence

Pristine MR

400 500 600 700 800 900 1000

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

PL

[a

rb. u

.]

wavelength [nm]

400 500 600 700 800 900 1000

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

PL

[a

rb. u

.]

wavelength [nm]

500 600 700 800 900 1000

0

1

300 400 500 600 700 800 900 1000

0

1

400 500 600 700 800 900 1000

0

1

PL

wavelength [nm]

MR+HCL

442 nm

PL

wavelength [nm]

OCMA + MR

442 nm325 nm

PL

wavelength [nm]

MR

442 nm

500 600 700 800 900 1000

0

1

PL

wavellength [nm]

VER + MR

442 nm

Struktura MR-vermikulitu

náboj vrstvy -0.76 el /jedn.buńku

Struktura MR-montmorillonitu

Náboj vrstvy: -0.50 el /jedn. buňku

Sample: MR- fine powder MR-VER MR-MMT

max 800 645 565

Optické vlastnosti

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

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 …..

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Fotokatalyzátory – Samočistící nanokompozitní materiály pro stavební a nátěrové hmoty po osvitu UV zářením rozkládá organické nečistoty

Využití:

Nanočástice TiO2 s různými dopanty na vrstevnatých silikátech

Nanočástice TiO2 ukotvené na vrstevnatých silikátech jsou účinnější fotokatalyzátory než stejně připravené volné nanočástice !!!!!!!!!!!

Nanočástice Ag na vrstevnatých silikátech - účinná antibakteriální mediaAnibakteriální aktivita se mění s typem silikátové matrice!!!!!!!

montmorillonitkaolinit

Významná role složení a náboje vrstev a vliv na vlastnosti nanokompozitu!!!!!!!

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

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???

Otázky v molekulárních nanotechnologiích:

Molekulární modelování s využitím empirických silových polí nástroj pro predikci struktury a vlastností

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Molekulární modelování optimalizace struktury a vazební

geometrie pomocí minimalizace, kde energie je popsána pomocí

empirických silových polí

Koncept empirických silových polí je prostý:

Enonbond = ECoul + EVDW + (EHB)

Ebond=Ebs+ Eang+ Etor+ Einv+ EUB

Nevazební energie:

Bonding energy :

Etot = Ebond + Enonbond

!!!!! 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 !!!

Celková energie systému:

Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Výhody molekulárního modelování

Predikce struktury a vlastností velkých supramolekulárních systémů

Úspora času, energie a materiálů v technologii

Diffraction

At.emisníabsorpční

a IČ spektr.

chromatorgafie

El.mikroskopie

AFMmikroskopie

Molekulovémodelování

Technologie

Struktura a vlastnosti

Termo-gravimetrie

Strategie

molekulárních

nanotechnologií