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

Biologie Bakalářské a magisterské

Aplikované Nanotechnologie Bakalářské, magisterské

doktorské

Matematika Bakalářské,

magisterské,

doktorské

Učitelství přírodovědných předmětů: matematika, fyzika, chemie,

geografie, Bakalářské a magisterské

Geografie Bakalářské a magisterské

Toxikologie a analýza škodlivin

Bakalářské magisterské v řízení

Informační systémy bakalářské

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).

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

I. Úvod do nanotechnologií

Nanotechnologie – cílená manipulace na úrovni atomů a

molekul, která vede k novým umělým

strukturám s novými předem danými,

požadovanými vlastnostmi.

Co je nanotechnologie ?

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 !!!!!!!!!

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 – z laboratoří do praxe : Elmarco, Nanovia, Kertak

nanotechnology, Spur Zlín, Precheza a.s., Pardam, Spolchemie……

Nanotechnologie - multidisciplinární obor s přesahem do fyziky, chemie, biologie

Vztah struktury a vlastností → vývoj nových materiálů stojí na pochopení tohoto vztahu →

→ kontrola struktury - kontrola vlastností

diamant grafit saze

Fullereny Nanotrubky

Vztah struktury a vlastností

Struktury a vlastnosti

léčiva

Krystalové struktury

I I V

I I

I I I

Stimulátor myocardiální membrány

aktivní

aktivní

I

I I

I I I

I V

Nástroje pro studium nanostruktur:

1895 - W.K. Röntgen objev RTG záření

Řešení struktur krystalů - Princip: rentgenová difrakce

Vztah mezi difrakčním obrazem a strukturou

Difrakční obraz umožňuje získat strukturu krystalické látky

????JAK ????

Dopadající svazek

monochrom. záření rtg.,

synchrotron

Difraktované

svazky

monokrystal

goniometr

Měříme intenzitu

a rozložení

difraktovaných

svazků v prostoru

↓↓↓ Difrakční obraz

Klíčem pro pochopení vztahů struktury a vlastností je znalost struktury

Nutná podmínka pro vznik difrakčního obrazu je

periodické prostředí krystalové mříže –

potřebujeme krystal

Podmínkou interference:

Drahový a fázový rozdíl

interferujících svazků

Dopadající svazek

rtg záření

Krystal

Difraktovaný svazek

Princip rtg difrakce

Difrakční obraz je zobrazením struktury -

uspořádání atomů

Interference

difraktovaných

svazků

Krystalové struktury – 3D periodicita v uspořádání atomů

Příklady krystalových struktur

RTG difrakce určí nanostrukturu ale potřebuji

makroskopický krystal (dokonalou krystalickou látku

s periodickým uspořádáním atomů)

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.

Diky rtg difrakci byly vyřešeny struktury: DNA, proteinů….

Krystalové strukturní databáze

Cambridge proteinová strukturní

databáze - Cambridge

Au

triacylglyceridy

Kyselina benzoová korund

HIV

Proteiny

Kdy selhává klasická metoda řešení struktur pomocí difrakce ????

!!!!!!!!!!!! Nanočástice, neuspořádané struktury !!!!!!!!!!

Revoluční krok v rozvoji nanotechnologií - Nobelova cena za fyziku v r. 1986

Ernst Ruska Gerd Binnig

Heinrich Rohrer

Za fundamentální práce v elektronové optice a design prvního elektronového mikroskopu,

Za jejich design skenovacího tunnelovacího mikroskopu

Tyto objevy vedly k zobrazení jednotlivých atomů

HRTEM - High resolution transmission

electron microscopy

AFM – atomic force microscopy

STM – Scanning tunneling microscopy

SEM – Scanning electron microscopy

TEM – Transmisní elektronová

mikroskopie

Podmínky pro rozvoj nanotechnologií:

Mikroskopie – přímé zobrazení nanostruktury

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.

vzorek

Dopadající primární svazek elektronů

Prošlé elektrony

Teplo

Augerovy elektrony (sekundární elektrony)

Emise elektronů

Zpětně odražené (difraktované) elektrony

Luminiscence

Spojité RTG záření

Charakteristické RTG záření

Interakce dopadajícího svazku urychlených elektronů s materiálem vzorku

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.

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.

Zobrazení na atomární škále - přímé zobrazení atomů

Max. v současné době dosažitelné rozlišení HRTEM ~ setiny nm

Přímé zobrazení struktury GaN pomocí HRTEM mikroskopie

GeSi nanokrystal

HRTEM

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, Si3N4

Síly mezi hrotem a povrchem: Van der Waals, elektrostatické ….

Piezoelektrický posuv vzorku

Povrch Chipu Povrch DVD

Rozlišení: nejlepší dosažené 5nm, běžné 10-100nm

STM – skenovací tunelovací mikroskopie

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.

Binnig, Rohrer 1979-1982

Reliéf atomové roviny 110 niklu

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

Schema strategie

vývoje nanomateriálů

RTG difrakce

At.emisní absorpční a IČ spektr.

Chromato- grafie

El. mikroskopie

AFM mikroskopie

Technologie

Struktura a vlastnosti

Analýza povrchů

Využíváme počítačový design nanomateriálů - molekulární

modelování

Molekulové modelování

Nanotechnologie

na Přírodovědecké fakultě UJEP:

Top down

Bottom up

Dva přístupy k nanotechnologiím

Objemový materiál

Částice prášku

Nanočástice

Atomy, molekuly

Shluky atomů - klastry

Nanotechnologie:

Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních anostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod.

Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám , s novými vlastnostmi

Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky – tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Tváření ECAP

Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie

Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie

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