Upload
aldis
View
57
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Základní principy nanotechnologií. (s ohledem na nanobio...). prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně. TECHNOLOGIE. NANO. („řecký “ trpaslík). slova na úvod. NANOTECHNOLOGIE. kde leží svět malých rozměrů. NANOmetr = 10 –9 m. slovo na úvod. NANOTECHNOLOGIE = - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
Základní principy
nanotechnologií
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně
(s ohledem na nanobio...)
NANOTECHNOLOGIE
NANOTECHNOLOGIE
(„řecký“ trpaslík)
slova na úvod
NANOmetr = 10–9 m
kde leží svět malých rozměrů
NANOTECHNOLOGIE
=
TECHNOLOGIE VE
SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ
slovo na úvod
voda a svět malých rozměrů
0,275 nm
svět malých rozměrů
nanometry
10–1 1 10 102 103 104 105 106 107 108
voda • protilátka • baktérie • tečka • tenisák
NANOTECHNOLOGIE
glukosa • virus • rak.buňka
= NANO =
MAKRO
• • •
staré vtipy?
KOLOIDNÍ chemie
staré vtipy?
KOLOIDNÍ chemie
jako
předchůdce a základ
NANOTECHNOLOGIÍ
koloidy jsou všude
(1944)
KOLOIDNÍ
KOLLA
řecky KLÍH
další slovo
1861 Thomas Graham
*21.12.1805 Glasgow
†1869 Londýn
Thomas Graham
fyzikální chemik širokého záběru:
• difúze plynů (Grahamův zákon)
• absorpce plynů dřevěným uhlím
• rozpustnost plynů
• koloidy, emulze
Thomas Graham
• sloučeniny fosforu
• polární záře
• absorpce vodíku palladiem
• falšování kávy rostlinnými příměsemi
• produkce alkoholu při výrobě chleba
• zkoumání difúze přes pergamenovou
membránu (dialýza)
• roztoky klihu a podobných látek
procházejí velmi pomalu
• nejdou separovat filtrací ani
gravitačním usazováním
Thomas Graham a koloidy
• odlišují se od krystaloidů
• velikost odhadl na nejvýše ca 1 μm
• jsou to jako by dva odlišné světy hmoty
• avšak není mezi nimi náhlý přechod a
jasná hranice
Thomas Graham a koloidy
inkousty, nátěry
mléko, majonézy, jogurty
prací a čistící prostředky
aerosoly – barvy, léčiva
pěny
příklady koloidů
biopolymery (v roztoku)
bílkoviny, NK, polysacharidy
buňky a jejich membrány
biotekutiny
koloidy & bio
koloidy & bio
1. „dvoufázovostí“
2. velikostí (jedné z fází)
charakteristika koloidů
Koloidy jsou typické dvěma
základními charakteristikami:
1. Dvoufázovost
charakteristika koloidů
koloidní částice jsou rozptýleny
(dispergovány) v disperzním
prostředí
částice
prostředí
2. Velikost
charakteristika koloidů
částice jsou koloidních rozměrů,
tj. řádu nano až mikrometrů
Co je tedy tak veliké, že může tvořit
koloidní částici (nanočástici)?
koloidní částice
1. shluk molekul
(atomů)
2. makromolekula
emulze
typy koloidů
suspenze
sol
pěna
aerosol
pasta
typy koloidů
emulze
l v l suspenze
s v l
pěna
g v l nebo s
poněkud historické ale užitečné rozlišení
typy koloidů a ještě něco
lyofilních a lyofobních koloidů
• „násilná“ příprava
• nestálé
• „koloidní“ roztoky
• stálé
Dva základní způsoby tvorby koloidů:
vznik či příprava koloidů
DISPERGACE KONDENZACE
Příklady:
vznik či příprava koloidů
DISPERGACE KONDENZACE
• významný vliv (molekul) povrchu
na vlastnosti
• specifický typ kolektivního
chování
čím jsou koloidy zvláštní
• • •
Mezimolekulové interakce leží
v základech vzniku koloidů
i jejich vlastností
a
jsou hlavním pojítkem
s nanotechnologiemi
koloidy a interakce
interakce
CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY
• silné
• tvoří molekuly
• slabé
• mezi molekulami
• může být velký počet
Možné interakce jsou dány
stavebními kameny,
které tvoří molekuly, to jest atomy,
resp. jejich elektronovým obalem
mezimolekulové interakce – typy
Struktura atomu určuje
podstatu mezimolekulových interakcí
mezimolekulové interakce – podstata dopadu
Mezimolekulové interakce (spolu)určují
umístění* v prostoru,
tedy strukturu koloidů (nanokoloidů)
a její stabilitu
*molekul, koloidních částic
mezimolekulové interakce – přehled
ATOM
jádro elektronový
obal+ –
podstata většiny interakcí
spočívá v působení mezi náboji
mezimolekulové interakce – přehled
1. Překryvové repulze
2. Přenos náboje
3. Interakce mezi nabitými částicemi
(multipól-multipól)
4. Interakce mezi permanentním a
indukovaným multipólem
5. Disperzní interakce
překryvové repulze
na jednom místě jen jedna
molekula (atom)
energie ~ 1/rn
přenos náboje
jedna molekula (donor) poskytne
„přebytečné“ elektrony jiné
molekule (akceptor), které se
„nedostávají“
(volné páry O, N
a σ* orbitaly N-H)
interakce multipólové
Multipól – něco, co má „multi“náboj
Monopól – ion
Dipól – molekula s oběma typy
nábojů (+ a –)
interakce náboj-náboj
• částice se stálým nábojem
(ionty)
• klasická elektrostatika
(Coulomb)
+ +
r
energie ~ 1/r
interakce náboj-dipól
• částice se stálým nábojem (ion)
a bez náboje, ale elektricky
nevyvážená (polární)
• klasická elektrostatika
r+
(
+
)
(–)
energie ~ 1/r2
interakce dipól-dipól
• částice bez náboje, ale
elektricky nevyvážené (polární)
• klasická elektrostatika
r
(
+
)
(–)
(
+
)
(–)
energie ~ 1/r3
interakce ion-indukovaný dipól
• ion elektricky rozhodí původně
nepolární molekulu = indukuje dipól
• klasická elektrostatika
r
+(+
)(–)
energie ~ 1/r4
interakce dipól-indukovaný dipól
• dipól elektricky rozhodí původně
nepolární molekulu = indukuje dipól
• klasická elektrostatika (Debye)
r
(+
)(–)
energie ~ 1/r6
(
+
)
(–)
tepelný pohyb a interakce dipól-dipól
• slabé elektrostatické interakce
„narušuje“ tepelný pohyb
• klasická elektrostatika + Brownův
pohyb/Boltzmann
• kompromis mezi náhodným a
uspořádaným rozmístěním (Keesom)
energie ~ 1/r6
vodíkový můstek
• zvláštní případ elektrostatické
interakce
• důsledek struktury vodíkového atomu:
vodíkový můstek
• elektronová hustota vodíkového
atomu je už tak nízká
• a vazba vodíku na atom jako je N, O,
F ji ještě snižuje
• překryvové repulze jsou oslabeny a
jiné atomy se mohou přiblížit na ca
0,2 nm
vodíkový můstek
• pak je možná silná elektrostatická
interakce zejména s atomy s vysokou
elektronovou hustotou (N, O, F)
• která se vyznačuje i směrovostí
O H
O
vodíkový můstek – směrovost
dipolární
elstatic.
součet
vodíkový můstek
• zásadní význam pro bio
• H. CON
• slabší než kovalentní, ale převáží
tepelný pohyb v bio stabilní
• voda! + hydrofobní efekt
• stabilizace biostruktur, molekulární
rozpoznávání
disperzní interakce
• kvantově mechanická podstata
• kvantová mechanika dipólu
• ani u nepolárních molekul není náboj
jádra atomu a jeho elektronů přesně
a ve všech směrech vyvážen
• struktura atomu tak zakládá existenci
stálého, časově proměnného dipólu
disperzní interakce
disperzní interakce
• vždy a všude, přitažlivé
• např. příčina koheze kapalin, tuhých
látek
• aditivita, malá selektivita
• London
energie ~ 1/r6
van der Waalsovy síly
Souhrnné označení pro „pánské“
interakce:
• Debye + Keesom + London
• přitažlivé síly
interakce a koloidní částice
• koloidní částice jsou tvořeny mnoha
molekulami
• i když stále výrazně menším počtem
než tělesa makroskopická
• mezimolekulové interakce se pak
„v nich sčítají“
interakce a koloidní částice
• sčítání mezimolekulových interakcí
mění jejich dosah
• např. disperzní interakce:
energie ~ 1/r6
energie ~ 1/r2
MEZIMOLEKULOVÉKOLOIDNÍ
interakce, koloidy a elektrolyty
• koloidní částice mohou být nabité
• a podstatou (téměř všech) interakcí
je elektrostatika
• koloidní částice jsou rozptýleny v
disperzním prostředí
interakce, koloidy a elektrolyty
• a disperzní prostředí může ovlivňovat
elektrostatické pole kolem částic
• zejména pokud je polární, obsahuje
elektrolyty (ionty)
• dielektrikum
interakce, koloidy a elektrolyty
COULOMB
interakce, koloidy a elektrolyty
• se ve vodném prostředí rozpadají na
ionty
• které dále mohou interagovat s
koloidními částicemi
ELEKTROLYTY
interakce, koloidy a elektrolyty
Např. NaCl
+
•••
Asociativní koloidy jsou hlavní
inspirací pro nanobiotechnologie
základy asociace, agregace
Koloidní částice je vytvářena
shlukováním molekul vyvolaným
interakcemi (s prostředím i mezi
oněmi molekulami)
základy asociace, agregace
Ve vodném prostředí asociují
molekuly, které obsahují souvislé
hydrofobní části
kompromis mezi fázovou separací a rozpuštěním
základy asociace, agregace
Vzniká stabilní útvar – micela
(koloidní částice) – uvnitř hydrofobní,
na povrchu hydrofilní
může a nemusí být kulová
tvar micely
Tvar určuje („geometrická“)
struktura molekuly:
(délka, objem, plocha)
tvar micely
...takže koule:
další tvary agregátů
Přehled:
Amfifily typu válečku
dvojvrstvy, membrány
dutina
Bio: hlavně fosfolipidy a glykolipidy...
dvojvrstvy, membrány
...ale také malá polární část
dvojvrstvy, membrány
monoglycerid
nebo mastný alkohol či
kombinace + a –
srovnání vlastností
Vlastnost Micelární útvary Dvojvrstvy
rozpustnost monomeru
ca 10–2 mol/l 10–5 – 10–10 mol/l
střední doba výměny monomeru
10–3 – 10–6 s 102 – 10–3 s
střední doba života asociátu
10–1 – 10–3 s dny až roky
směrovost struktury všechny směry rovnocenné
podélná difúze rychlá, příčné překlápění pomalé
charakter asociace dobře definované útvary při definované kritické koncentraci
základní strukturní jednotka může tvořit různé výsledné útvary
další vlastnosti dvojvrstev
Uspořádanost řetězců (kapalně)
krystalická struktura
L L
P
funkce biodvojvrstev
• bariéra transportu (difúzi) malých
molekul (ionty, cukry, metabolity) i
makromolekul (nukleové kyseliny,
bílkoviny, polysacharidy)
• specifické prostředí pro rozpuštění
speciálních biomolekul, zejména
membránových bílkovin
funkce biodvojvrstev
• vnitřní organizace buněk
(membrány organel uvnitř buněk)
• difúze malých molekul ca 10 μm/s
(ca rozměr buněk)
• tloušťka membrány ca 3-4 nm
potlačuje difúzi např. iontů
bílkoviny a membrány
• 25-75% hmotnosti membrány
+ + + + +
Vzájemné interakce
bílkoviny a membrány
• lipoproteiny a glykoproteiny
• fixace struktury
• ochranná sacharidová vrstva
(reakce cukrů s bílkovinami)
• solubilizace enzymů
•••
NANOBIOTECHNOLOGIE
≈ inspirace přírodou a jejími
koloidy/nanostrojky
nanobiotechnologie
biotechnologie v nanoměřítku
Právě v každém pracuje ca 10 tisíc
nano(bio)struktur...
nano(bio)technologie – zvláštnosti
...
• Ani gravitace ani setrvačnost
• Atomy!
• Tepelný pohyb!!
• Vyžadují vodné prostředí
Co potřebuje každá technologie?
nano(bio)technologie – pilíře
• Základní stavební prvky (materiál,
z čeho)
• Postupy konstrukce, vytváření (jak)
• Prostředky konstrukce (čím tvořit,
spojovat, konstruovat)
• Funkční principy (jak to bude
pracovat)včetně regulace
Čtyři základní (molekulární) kameny:
nanobiotechnologie – základní prvky
1. Bílkoviny
2. Nukleové kyseliny
3. Lipidy
4. Polysacharidy
bio „nanostrojky“
• Univerzální strukturní prvek
• Tvoří nanostruktury, nanosenzory,
„nanostrojky“
• Řetězce aminokyselin, poskládané
do specifických struktur
• Tuhá amidová vazba s planární
konformací
bílkoviny
• Dvě základní, stabilní konformace:
α-šroubovice, β-plát s minimem
překryvů a maximem H-vazeb mezi
vystrčenými amidovými atomy
• Rozmanitost bočních řetězců dělá
z bílkovin strukturní materiál (glycin
nemá = ohebný, prolin = tuhá smyčka,
alanin = docela tuhý hydrofob)
bílkoviny
Vaječný bílek:
• koncentrovaný koloidní roztok
bílkoviny
• viskózní charakter
• zahřátím denaturuje (neprůhledný)
• vysušením se získá ve vodě
rozpustný prášek
bílkoviny
• Řetězce nukleotidů
• Mnohem ohebnější mnohem více
konformací
• Základem 4 chemicky podobné
báze, ale liší se H-můstkovými
interakcemi
• Informační médium bionanoúrovně
nukleové kyseliny
• Vytvářejí infrastrukturu agregací
malých molekul amfifilní struktury
• Membrány a globule
• Neprostupné pro ionty a velké
polární molekuly
• Uhlíkaté molekuly, včetně
ethanolu, pronikají snadno
lipidy
• Specializované strukturní úkoly
• Nejvíce molekulárně heterogenní
• Široká variabilita struktur
polysacharidy
• Vysoký obsah OH skupin
• Mohou interagovat s vodou a oddělovat jednotlivé řetězce gelovité struktury ochraňující buňky
• Mohou propojovat jednotlivé řetězce a tvořit pevné struktury nebo zásobárny energie
polysacharidy
1. Kovalentní syntéza
• klasická chemická syntéza malých
molekul (vitamín B12)
• rozmanitost výsledku (do ca stovek
atomů)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
2. Kovalentní polymerace
• spojování základní jednotky do
lineárních nebo rozvětvených řetězců
• mohou se tvořit obrovské, ale dané
makromolekuly (PE, DNA)
• enzymy umožňují jemné „biosyntézy“
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
3. Samoorganizující syntéza
• spojování základní jednotky pomocí
nekovalentních vazeb
• např. kapalné krystaly nebo krystaly
cukrů či bílkovin
• např. micely nebo dvojvrstvy
• oblíbená v současných nanotechno-
logiích (nanokuličky, nanokompozity)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(3. samoorganizující syntéza)
• výsledná struktura je energetické
minimum interakcí
• termodynamická stabilita (podmínky)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
4. Samosložení
• spontánní skládání molekul do
strukturovaných, stabilních agregátů
pojených nekovalentními vazbami
• např. skládání proteinů nebo
globulárních jednotek do definovaných
řetězcových komplexů
• termodynamické minimum
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(4. Samosložení)
• neexistuje na makroúrovni (auto)
• modularita (velké struktury z
identických modulů)
• jedinečné interakce mezi jednotkami
(vyloučení nežádoucího „křížení“,
např. vedlejší účinky „malých“ léčiv)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(4. Samosložení)
• specifická geometrie interakcí, pomocí tvarování povrchu (struktury definované geometrie)
• spontaneita (hledá termodynamické minimum, není nutná vnější informace, konstrukční plán)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(4. Samosložení - příklady)
• nanotrubičky z cyklických peptidů
• vodíkové vazby nad a pod kruhem
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(4. Samosložení - příklady)
• kanál řízen počtem aminokyselin (8/0,45 nm; 10/0,9 nm)
• hydrofobní/filní aminokyseliny regulují interakce s membránou – membránové rafty pomocí střídajících se pruhů
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(4. Samosložení - příklady)
• rotoxany
• nanopohyb řízený elektrostaticky
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
zásaditý roztok
kyselý roztok
• Organické molekuly jsou stavebním
materiálem dodávajícím definovanou
strukturu a geometrii kovalentními
vazbami a
• umožňujícím různé způsoby
nevazebných interakcí s různou silou
• Disperzní a repulzní interakce definují
prostorové uspořádání molekul
nanobiotechnologie – konstrukční prostředky
• Vodíkové můstky a elektrostatické
interakce dodávají specificitu a
stabilitu
• Hydrofobní efekt stabilizuje kompaktní
agregáty uhlíkových molekul ve
vodném prostředí
nanobiotechnologie – konstrukční prostředky
1. Nanoinformatika
• Každá technologie potřebuje informace řídící syntézu výsledného produktu z výchozích surovin
• Informace uložena v DNA (výstavba bílkovin) – buňky
• Nanostrojky pro ukládání, redigování, kopírování, opravu
nanobiotechnologie – funkční principy
2. Energetika
• Síla (energie) usměrňující proces žádaným směrem
a) Tvoření chemických vazeb – a rušení jiných – (chemická energie)
b) Pohlcování světla – fotochemie, fotofyzika (světelná energie)
nanobiotechnologie – funkční principy
(2. Energetika)
c) Spojení oddělených nábojů (elektrická energie)
• Makro – obvykle teplo ve velkém množství (spalovací motory)
• Nano – teplo rychle rozptýleno, energie v malých dávkách
nanobiotechnologie – funkční principy
(2. Energetika)
• Propojením dvou procesů – hnacího a hnaného (např. syntéza ATP)
• Žene buď „neochotnou“ chemickou reakci, nebo usměrněný pohyb
nanobiotechnologie – funkční principy
(2. Energetika – ad chemická energie)
• ATP je oblíbená „palivová“ molekula
• Nestabilní, oddělení fosfátu (P) je snadné, ale jeho vazba není „energetická konzerva“
• Energie je schována v celé sloučenině a její reakci – energie výchozích látek je vyšší než produktů
nanobiotechnologie – funkční principy
(2. Energetika – ad chemická energie)
• Ne pouhé štěpení vazby, ale její hydrolýza – vazby nejen zanikají, ale i vznikají, a tím se energie uvolňuje
nanobiotechnologie – funkční principy
• Hydrolýza na ADP: Ao = 30 až 50 kJ/mol
• fosforylace glukosy: Ao = –14 kJ/mol
• Hlavní příčinou nižší energie produktů hydrolýzy je zřejmě jejich solvatace = hydratace; význam vody (dielektrikum)!!
3. Chemické přeměny
• Bio – vysoká specificita enzymy
nanobiotechnologie – funkční principy
Příklad – izomerasa TPI (triosa-fosfát)
velký dimer identických jednotek
substrát
(3. Chemické přeměny - příklad)
nanobiotechnologie – funkční principy
fosforečnan substrátu interaguje
s aminokyselinami enzymu
lysin stabilizuje přechodový stav reakce
(3. Chemické
přeměny - příklad)
nanobiotechnologie – funkční principy
podstata izomerace – přesun dvou vodíkových atomů
(3. Chemické přeměny)
• Souhra, ne boj, mezi interakcemi a náhodným pohybem (konfigurací) – mezi entalpií a entropií
nanobiotechnologie – funkční principy
• Náhodný pohyb uprostřed interakcí
4. Regulace
• Řízení a ovládání nanostrojků
• Silou (dodávání/vypnutí energie), přepínáním (Zap/Vyp), fyzickou zábranou – podobně jako v makro-
• Např. kovalentní modifikace nebo štěpení blokující vazby
nanobiotechnologie – funkční principy
•••
nakonec – příklady
doprava
nakonec – příklady
nanoelektronika
nakonec – příklady
senzorika
podnět
nakonec – příklady
buňka =
nanotovárna
DÍKY
ZA...
...VYSLECHNUTÍ