1

”There is plenty of room at the bottom …”Richard Feynman (laureat nagrody Nobla z fizyki)

2

Zajęcia laboratoryjne:

CHEMIA: czwartki, 10:15 – 14:00TECHNOLOGIA CHEMICZNA: czwartki, 15:15 – 19:00

Miejsce zajęć (zgodnie z podanym planem):

Katedra Fizyki Molekularnej(dr hab. Piotr Wojciechowski, prof. PŁ)

lubMiędzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej (sala 213)

(dr Sławomir Kadłubowski, dr hab. Piotr Ulański)

3

Zajęcia laboratoryjne:

30 godzin, każdy student wykonuje 5 ćwiczeń po 4 h

Podział na 12 grup cztero- lub pięcioosobowychA1, A2, A3; B1, B2, B3; C1, C2, C3; D1, D2, D3Sprawozdanie składa grupa

Grupy A i B pracują w 1 połowie semestruGrupy C i D pracują w 2 połowie semestru

Na końcu wszyscy zdają kolokwium

4

Tydzień Data KFM MITR Uwagi

Ćwicz. 1 Ćwicz. 2 Ćwicz. 3 Ćwicz. 4 Ćwicz. 5 Ćwicz. 6

1 25 lutego Wykład dla wszystkich grup

2 4 marca A1 A2 A3 B1 B2 B3

3 11 marca A2 A3 A1 B2 B3 B1

4 18 marca A3 A1 A2 B3 B1 B2

5 25 marca B1 B2 B3 A1 A2 A3

6 8 kwietnia B2 B3 B1 A2 A3 A1

7 15 kwietnia C1 C2 C3 D1 D2 D3

8 22 kwietnia C2 C3 C1 D2 D3 D1

9 29 kwietnia C3 C1 C2 D3 D1 D2

10 6 maja D1 D2 D3 C1 C2 C3

11 13 maja D2 D3 D1 C2 C3 C1

12 20 maja Zaliczenie I termin

13 27 maja Termin rezerwowy

14 10 czerwca Zaliczenie termin poprawkowy

15

5

Nano = 10-9 (jedna miliardowa część)Z greckiego νᾶνος (nanos) - karzeł

Nanosekunda = 1 × 10-9 sBardzo szybkie reakcje chemiczneW ciągu 1 ns światło przebywa drogę 30 cm,a dźwięk w powietrzu 0,00033 mm (0,33 mikrona)

Nanogram = 1 × 10-9 g (obiekty o wymiarach ok. 10 mikronów,około 1/300 masy ziarenka maku)

Nanometr = 1 × 10-9 m = 10 ÅDługość wiązania C-C około 1,5 Å, czyli 0,15 nmWiele cząsteczek organicznych ma wielkość około nanometra

6

Średnica włosa ok. 100 µm

Kropla wody w chmurze ok. 10 µm

Średnica naczyń włosowatych ok. 4 µm

Bakterie 0,5 – 5 µm

Wirusy 20 – 450 nm (HIV: 90 nm)

Długość fali światła widzialnego 390 – 750 nm

Cząsteczka DNA średnica 2,5 nm, długość do 20 cm

Białka kilka – kilkadziesiąt nm

Grubość błony komórkowej 6 – 10 nm

7

DVD pit layout

CzasWymiary

The Antikythera mechanism

8

(nano) Słowniczek:

Nanomateriały – rozmiar (lub rozmiar elementów strukturalnych) przynajmniej w jednym wymiarze < 100 nm [1 µm]

Nanotechnologie – sposoby i techniki tworzenia struktur o rozmiarach nanometrycznych

Nanonauka – dziedzina nauki zajmująca się badaniem materiałówi zjawisk w nanoskali (naukowa podstawa nanotechnologii)

Nanomedycyna – interdyscyplinarny dział nauki zajmujący sięmedycznym zastosowaniem nanomateriałów i nanotechnologii

Chemia supramolekularna – dział chemii organicznej zajmującej sięstrukturami złożonymi z wielu podjednostek, które powstają samorzutnie na skutek słabych oddziaływań międzycząsteczkowych

9

Dlaczego nano ?Prosty efekt skali

np. powierzchnia kuli - napełniacz do polimeru)np. dyski, tranzystory – miniaturyzacja, prawo Moore’aIm mniejsze urządzenie, tym mniej energii zużywaMniejsze zużycie materiałów

Inne efekty – na przykład kwantowe – zupełnie nowe właściwości materiiInne – nowe możliwości (medycyna – komórki, jądra kom., naczynia krwionośne)10 miliardów dolarów rocznie na badania (miejsca pracy !)Duże firmy (na przykład IBM, HP, 3M) inwestują w nano 1/3 swoich nakładów na badaniaWiele wyrobów na rynku (od pralek i dezodorantów do obuwiapo materiały konstrukcyjne i budowlane)Rakiety tenisowe, ramy rowerów, kije golfowe - nanorurki

10

Nanomateriały jedno-, dwu- i trójwymiarowe(np. formy węgla, nanodiamenty, nanorurki, arkusze - grafen, fulereny)

Fulereny – Harold Kroto, Richard Smalley, Robert Curl – Nobel 1996

Nanorurki – wytrzymałość na rozciąganie 10 x wyższa od stali – napełniacze, głównie do tworzyw polimerowych, nanoelektronika

11

Nanodiamenty

– nadawanie twardości powierzchniom, doskonała biozgodność (np. zastawki serca)prof. Mitura PŁ –Centrum Doskonałości NANODIAM

Nanodruty

- Do nanoelektroniki- Możliwe efekty kwantowe

12

Nanomateriały z pojedynczych cząsteczek (np. nanożele)

Ogólnie – wiele cząsteczek lub atomów (nanocząstki, nanosfery, nanokapsułki),a także nanomateriały makroskopowe (o strukturze w skali nano)

Dwa podejścia:

Bottom-up

konstruowanie chemiczne / fizyczne

self-assembly, chemia supramolekularna)

Top-down

micro-, nanomachining, nanolitografia;

np. fotolitografia, litografia wiązką elektronów

13

Nanomateriały makroskopowe (nanostruktura)

Na przykład: mikroelektronika i nanoelektronikaRozmiary tranzystorów w układach scalonych – ok. 32 nm– wkrótce zmiany technologii (EBL, nanorurki ?)

14

Fragmenty sieci polimerowej o średnicy < 100 nm

Wewnętrznie usieciowane kłębki polimerowe(oddzielna klasa topologiczna makrocząsteczek)

15

Idea of gene therapy based on virus as a DNA-carrying vector

S. Vinogradov T.K. Bronich, A.V. Kabanov Adv. Drug Delivery Rev. 2002, 54, 135.

Zastosowanie nanożeli do terapii genowej

16

Przykłady nanomateriałów wchodzących do użytku

Kosmetyka – transport i uwalnianie witamin

Nanocząstki srebra – pokrywanie powierzchni (pralki, lodówki, farby, lakiery)

Okulary – filtry UV, warstwy odporne na zarysowanie

Tekstylia do kamizelek kuloodpornych

Lakiery samochodowe odporne na zarysowania (krzemionka)

Głowice do drukarek atramentowych

Głowice dysków magnetycznych

Nanokompozyty

17

Jak to oglądać ? (o tym, jak to mierzyć – kolejny wykład)

18

19

Jak to oglądać ? (o tym, jak to mierzyć – kolejny wykład)

Mikroskop optyczny – do 1500 x (teoretycznie 200 nm)Ale uwaga – nowe wynalazki (Sarfus – może i do 2 nm ?)

Mikroskopia elektronowa

Skaningowa (SEM) – powierzchnia

Transmisyjna (TEM) – wnętrze/przekrój (cienkiego) materiału

Mikroskopia ze skanującą sondą (SPM)

Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM)

Mikroskopia sił atomowych (AFM)

Mikroskopia optyczna bliskiego pola (SNOM)

X w. ArabowieXIV w. Europa

IV w. p.n.e. GrecyXIII w. Europa

XVI/XVII wiek

20

21

22

Pentacen, C22H14

23

Mikro- i nanoźródłaenergiiMikro- i nanomotorySilniki molekularne (naturalne i sztuczne)

24

Nanomedycyna – kilka przykładów

Terapia genowa,

LOC (lab on a chip)

Układy do kontrolowanego dostarczania leków (DDS), nanocząstki magnetyczne

Obserwacja żywych obiektów ESEM

Markery molekularne - diagnostyka

Inżynieria warstw komórkowych

Inżynieria tkankowa

25

Ryzyko związane z nanotechnologią

Oddziaływania na organizm człowiekaNanocząstkiNanowłóknaNanomateriały stosowane w medycynie

Manipulacje biologiczne w skali nanonp. GMO

Regulacje prawne – Rezolucja Parlamentu Europejskiego dotycząca Nanonauki i Nanotechnologii (2005)Wskazówki etyczne dla nanotechnologii (CNRS Ethics Committee)

26

Termosterowalne powierzchnie (nanowarstwy)do hodowli komórek i tkanek

CH2 CH

C

NH

O

CHH3C CH3

PNIPAAm

37 ºC

25 ºC

27

Termosterowalne powierzchnie (nanowarstwy)do hodowli komórek i tkanek

28

Termosterowalne powierzchnie (nanowarstwy)do hodowli komórek i tkanek

29

Przyszłość – nanoroboty ?

Jeśli w krwioobiegu - rozmiary poniżej 4 mikronów (nanotechnologia)Połączenie elementów mechanicznych, elektronicznych i chemicznych Nanoroboty wykorzystujące inteligentne materiały (biodegradowalne) ?

30

Respirocyty (sztuczne czerwone krwinki)

Odwracalne wiązanie tlenu i dwutlenku węgla (zatrucia, transfuzje, inne operacje, anemia, choroby układu oddechowego, niektóre nowotwory, ratunkowe operacje podwodne)

31

Respirocyty (sztuczne czerwone krwinki)

32

Sztuczne białe krwinki (fagocyty)

Wiązanie patogenów za pomocą specyficznych receptorów, przemieszczaniedo komory (nanomanipulatory), mechaniczne lub/i enzymatyczne zniszczenieLeczenie sepsy i infekcji wirusowych

33

Perspektywy