KCH/NANTM

Přednáška 8Nanomateriály na bázi jílů, polymerní nanokompozity, využití NT

Nanokompozity založené na jílových minerálech◦ Interkaláty

Pilarizace◦ Nosiče nanočástic

Polymerní nanokompozity Primární aplikace nanotechnologií Další aspekty nanotechnologií

Jílové nanokompozityJílové nanokompozity

Jílové nanokompozity - interkalátyJílové nanokompozity - interkaláty

Umístění různých molekul do mezivrství◦ Organické molekuly◦ Polymery◦ Komplexní ionty

Modifikace struktury◦ Hostitelská struktura◦ Host

Cíle◦ Změna fyzikálních a chemických

vlastností

Jílové nanokompozity - interkalátyJílové nanokompozity - interkaláty Přírodní jílové minerály

◦ Ca2+, Na+, K+, Mg2+

◦ Voda Interkaláty

◦ Komplexní molekuly hosta (iontovýměna)◦ Původní mezivrstevné kationy + polární neutrální molekuly

hosta (ion-dipólová interakce) Vlastnosti řízeny koncentrací a druhem hosta Interkalační reakce

◦ Laboratorní a vyšší teploty◦ Normální / zvýšený tlak◦ Mikrovlné pole


Především vznik organicko-anorganických kompozitů

Vývoj nových materiálů s předem danými vlastnostmi

Často interkalace polymery Označení: Jílový nanokompozit Různé typy nanokompozitů


Anorganické◦ Monoiontové formy◦ Kysele aktivované materiály◦ Komplexní kationy◦ Pilarizace

mezivrství s hydratovanými kationty

pilíř [Al13O4(OH)24(H2O)12]

7+

teplota 450 °C

tetraedrická vrstva oktaedrická vrstva

tetraedrická vrstva Al13

7 polykatin (Kegginův) tetraedrická vrstva

a) b)


Anorganické◦ Katalyzátory◦ Porézní materiály◦ Sorbenty◦ Molekulová síta


Organické◦ Kationy

Tenzidy Barviva

◦ Polymery

N+

CH3

CH3

CH3

CH3

Br-

N+

CH3

Cl-


Metody přípravy◦ In-situ polymerizace◦ Interkalace z roztoku◦ Interkalace tavením◦ Srážení polymeru a jílu

Delaminované struktury◦ Homogenní rozptyl jílu


Selektivní sorbenty a katalyzátory◦ Velké komplexní kationy◦ Selektivita řízena velikostí kationu

Nosiče opticky aktivních látek◦ Organizovaný uspořádaný 2D supramolekulární

systém◦ Fotoluminiscence◦ Fotochromní systémy◦ Nelineární optické efekty◦ Řízení vlastností volbou páru host-hostitel


Nejčastější mechanismus◦ Kationtová výměna – anorganické a organické

kationy Vlastnosti JM ovlivňující aplikace

◦ Čistota◦ Chemické složení◦ Velikost specifického povrchu◦ Kationtová výměnná kapacita◦ Hustota a rozložení náboje

Tloušťka vrstev JM < 1 nm


Hustota rozložení náboje◦ Uspořádání interkalátů


Organické barvy◦ Interkalace organických barviv◦ Mayská modř – indigo interkalované do

palygorskitu nebo sepiolitu◦ Zkoumány optické vlastnosti barev v průběhu

interkalace (fotokatalýza)◦ Použití různých druhů barviv

Kationtová Porhyriny Azosloučeniny


Organické barvy◦ Zvýšení stability organických barviv◦ Kov-organické komplexy

Přechodné kovy v mezivrství Interkalace aromatických a dalších molekul

◦ Použití i pro charakterizaci jílů MB – povrchy, CEC Povrchová kyselost/zásaditost

◦ Fotosenzitivní vlastnosti◦ Rhodaminy – laserová technika

Jílové nanokompozity – nosiče NČJílové nanokompozity – nosiče NČ

Nosiče nanočástic◦ Ag◦ ZnS, CdS◦ Magnetické◦ TiO2

Velký povrch a porozita – i interkalace

◦ Fotokatalýza◦ Magnetické nanokompozity◦ Antibakteriální materiály

Polymerní nanokompozityPolymerní nanokompozity

Polymerní nanokompozityPolymerní nanokompozity Kompozit – materiál z více komponent Kompozity s jíly

◦ Polymerní matrice◦ Vkládání nanočástic na nanomateriálů do této

matrice◦ Lepší účinek úpravy než u ostatních kompozitů◦ Zlepšení mechanických a tepelných vlastností

kompozitů při malém obsahu jílu◦ Nárůst velikosti povrchu◦ Nové vlastnosti polymerů

Optické a mechanické

Polymerní nanokompozityPolymerní nanokompozity Různé systémy pro kompozity s jíly

◦ Vinylové polymery◦ Kondenzační polymery◦ Polyolefiny◦ Speciální polymery

Polypyroly, polyaromáty◦ Biodegradabilní polymery

Mechanické vlastnosti◦ Pevnost, tvrdost, pružnost, tepelná stabilita,

snížená hořlavost

Nanopolymerní strukturyNanopolymerní struktury Změna struktury samotných polymerů

Dendrimery◦ Soustavy molekulových kaskád◦ Vysoká uspořádanost

Primární aplikace nanotechnologiíPrimární aplikace nanotechnologií

Houževnaté materiály Odolné materiály Ochranné vrstvy Magnetické senzory Katalyzátory

Primární aplikace nanotechnologiíPrimární aplikace nanotechnologií 3 základní aplikační oblasti

◦ Nanorobotika (NEMS) Samostatný vývoj a sebereprodukce „hudba budoucnosti“

◦ Materiálové inženýrství Nové materiály ovlivnění molekulární struktury Letecký a vesmírný průmysl Stavebnictví, medicína Samoopravné materiály Uhlíkatá vlákna

◦ Molekulární nanotechnologie Chemie + mechanika Molekulární stroje – nanomotory, manipulátory Biotechnologie


Nanotechnologie v elektronice

Oblast počítačů a sítí◦ Vysokokapacitní záznamová média◦ Logické obvody

Telekomunikace Vysokokapacitní akumulátory Nanovrstvy Palivové články Snaha o snížení energetických ztrát


Aplikace v elektronice

Nanosenzory◦ Vysoce citlivé◦ Kombinace s biotechnologiemi◦ Fyzikální chemické a biologické účely◦ Přírodní nanosenzory

Komunikace mezi organismy Molekulární senzory – otáčení za sluncem

◦ Umělé biosenzory Malé, rychle reagující Senzory virů či proteinů Identifikace extrémně nízkých koncentrací Detekce krevní glukózy Nanotubulární uhlík



Nanotranzistory a čipy◦ Molekulární tranzistory◦ Nanotrubičky◦ Vysoká pracovní rychlost (frekvence)◦ Problémy se sériovou výrobou◦ Vývoj i na bázi Si



Spintronika◦ Manipulace se spinovými proudy◦ Spin – vnitřní moment hybnosti◦ Spin spjat s magnetismem

Magnetotronika◦ Vektor magnetického momentu elektronu je

rovnoběžný se spinem◦ Spintronická zařízení – usměrnění toku elektřiny

pomocí spinu



Spintronika◦ Orientace spinů v externím magnetickém poli◦ Změna elektrického odporu způsobená

magnetickým polem◦ Vysokokapacitní pevné disky◦ 3 kategorie

Počítačové prvky na bázi kovů Spin jako nosič informace Manipulace se spiny – kvantové počítače


Aplikace v materiálovém inženýrství

Povrchy s nanovrstvami◦ Zvýšená energetická účinnost◦ Lepší užitné vlastnosti◦ Delší životní cyklus◦ Antiadhezivní vrstvy◦ Vrstvy s nízkým nebo vysokým třením◦ Frikční materiály s extrémní tepelnou odolností



Vrstvy s nízkým koeficientem tření◦ Náhrada kuličkových ložisek kluznými◦ Vysoká spolehlivost◦ Porézní kovy + PTFE v nanodisperzi◦ Celková tloušťka vrstev v řádu mikronů◦ Nanostruktura



Materiály s velmi malým elektrickým odporem◦ 2x lepší vodivost než měď◦ Založeno na nanotrubičkách

Nanokompozitní materiály◦ Základní materiál vyztužený na nanočásticemi◦ Magnetické, optické a elektrické vlastnosti◦ Mechanické, tepelné, chemické a biologické vlastnosti◦ Polymerní nanokompozity

Vysoká tvarová a rozměrová stabilita



Tenké filmy/vrstvy◦ Ochranné filmy

Povrchová odolnost Optické vlastnosti

◦ Tvrdé filmy◦ Nanolitografie



Samoopravné/replikující materiály◦ Samo/sebereplikace

Inspirace v přírodě (např. brambor) Foresight - nanotovárna

◦ Samoopravné materiály na bázi polymerů Dokáže se sám automaticky opravit Samoopravné laky v automobilovém průmyslu Povlaky z nanočástic



Samouspořádané materiály◦ Self-assembly◦ Samooprava materiálů◦ Skutečnost samouspořádání materiálů◦ Struktura materiálů◦ 3 základní pojmy

Brownian uspořádání – neuspořádaný pohyb molekul – afinity vazebných poloh

Interakce, kdy se složky spontánně uspořádavají Proces jímž se systém s neživou chemickou stavbou stává

živým biologickým systémem



Samouspořádané materiály◦ První impuls v přírodě (proteiny, DNA)◦ V současnosti

Slitiny Plasty Polovodiče

◦ Vodíkové vazby, Van der Waalsovy síly, hydrofilní a hydrofobní interakce, dipólové interakce

◦ Monovrstvy


Aplikace v biomedicíně/nanomedicíně

Přesně kontrolované nanosytémy pro léčbu Sledování, opravování, stavbu a kontrolu člověka

na molekulové úrovni ◦ Nanoroboti◦ Sebereplikace◦ Samooprava◦ Bioimplantáty - biokompatibilita◦ Cílená doprava léčiv◦ Desinfekce◦ Kontrastní látky◦ Hypertermie


Elektromechanické systémy

MEMS◦ Kromě vrstevnatých struktur i mechanické části◦ 1 mikron – 1 mm

NEMS◦ Velikost pod 1 mikron

Top-down◦ Litografie

Bottom-up◦ Nanochemie


Elektromechanické systémy

Aplikovatelnost◦ Mechanické oblasti◦ Informačně komunikační oblasti◦ Chemické a biologické oblasti


MEMS

Akcelerometry Tlakové, proudové a plynové senzory Lineární a rotační členy Převody, motory Trysky Čerpadla Chemické senzory


MEMS

BioMEMS – biočipy Optická komunikační technika – WDM Optické přepínače


NEMS

Příprava oběma přístupy nanotechnologií Nanozařízení AFM hroty Biologické motory (DNA) Měření extrémně malých obsahů a sil


Další aplikace

Vojenský průmysl Textilní průmysl

◦ NanoSonic – kovová pryž◦ NanoSilver prádlo◦ Nanospider – vlákna – Liberec

Další aspekty nanotechnologiíDalší aspekty nanotechnologií Nanotechonologie neznamenají jen přínos,

ale i rizika Dopady výroby, využití, likvidace, dopravy Sledování životního prostředí

◦ Až paranoidní – velmi nízké koncentrace◦ Etické otázky◦ Politické otázky

Pronikání nanočástic buněčnými stěnami

Další aspekty nanotechnologiíDalší aspekty nanotechnologií

Hrozba nanočástic

Nanočástice ve vzduchu, vodě, i půdě Vliv nanostrukturních látek na životní

prostředí Rochester (NY, USA)

◦ Potkani – zauhlení mozku při vdechování uhlíkatých nanočástic

◦ 35 nm velké částice v čichovém laloku mozku◦ Nanočástice se nedostávaly z krve, ale přes

čichový nerv


Hrozba nanočástic

Vodní živočichové◦ Perloočky◦ Vystavení fullerenům◦ Do 48 hodin poškození mozku podobné

Alzheimerově chorobě Toxické účinky velmi málo prozkoumané

◦ Zplodiny dieselových motorů 25 milionů těchto částic s každým nádechem

◦ Nelze filtrovat◦ Prostup membránami


Zneužití nanočástic

Vojenské aplikace◦ Sebereplikace◦ Nanoroboti◦ Nové materiály – nové zbraně


Etické a sociální aspekty

Financování VaV Interakce společnosti a technologického vývoje Možnosti sledovat vývoj Vývoj lidských postojů a potřeb – směrování inovací Sociální aspekty

◦ Zavedení nanotechonologií do společenského života◦ Zdraví, konkurence, rozvoj trhů◦ Pokusy o eliminaci vlivu na společenský život


Etické a sociální aspekty

Přepracování zákonů◦ Ochrana životního prostředí◦ Bezpečnost zaměstnanců◦ Kontrola výzkumu

Přepracování mezinárodních dohod


Financování nanotechnologií

V současnosti nedostatečné◦ Vývoj by mohl být rychlejší◦ Nedostatečná infrastruktura◦ Nedostatečný počet školících pracovišť◦ Nedostatečný transfer do aplikační sféry

Pro dnešek vše

Documents

KCH/NANTM