Nanofizika, nanotechnológia és
anyagtudomány
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Útközben A BME kutatóegyetemi pályán
Kolloid rendszerek a nanotechnológiában
Nanorészecskék, bevonatok, tömbi anyagok
Hórvölgyi Zoltán
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Kolloidkémia Csoport
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Kolloid rendszerek
Két fő komponens diszperziós közeg (folytonos) és diszperz rész (a kolloid részecskék)
(pl. köd, levegőben apró vízcseppek)
A kolloid részecskék mérete: 1-500 nm (1-1000 nm)
A kolloidika a kolloid rendszerek kémiájával és fizikájával foglalkozik. A kolloid jelenségek fontosak mind az élettelen, mind az élő világban.
A kolloidika interdiszciplináris tudomány.
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
HOMOGÉN amikroszkópos (valódi oldat)
KOLLOID
szubmikroszkópos (kolloid) 1-1000 nm-es részecskék
HETEROGÉN Durva mikroheterogén (ülepedő homokszemcsék)
Wolfgang Ostwald diszperzrendszer elmélete
Diszperz rendszer: egyik komponens a másikban diszpergált (eloszlatott) formában van jelen
A kolloidokat a homogén (molekuláris, atomi szintű keveredés)
és heterogén rendszerek közé helyezi el
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A kolloid részecskék Brown-mozgása (eloszlási és aggregatív állandóság)
A nanoanyagok előállításában általában a gélképződésnek van jelentősége
Nanoanyagok előállítása
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A kolloid részecskék gélesedése végbemehet tömbfázisban (3D) és határfelületeken (2D)
Határfelületen bevonatok, vékonyrétegek, tömbfázisban tömbi anyagok állíthatók elő
A nanoszerkezetű anyag előállítása alulról építkezve („bottom up”) valósulhat meg:
1.Előállítjuk a kívánt méretű és alakú nanoméretű (kolloid) részecskét (nukleáció)
2. A részecskékből nanoszerkezetű anyagot létesítünk (önszerveződéssel) 3. Utókezelések (kondicionálás, stabilizálás, szerkezetmódosítás)
Nanoanyagok előállítása
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A kolloid rendszerek definíciószerűen olyan nanoléptékben strukturált anyagok (nanoanyagok), amelyek a nanotechnológiák kiindulási anyagai vagy éppen
megfelelő átalakítások utáni végtermékei.
A kolloidkémia, mivel a nanoanyagok előállításával és jellemzésével, valamint viselkedésük értelmezésével foglalkozik, óhatatlanul a nanotechnológiák
megalapozásának egyik legfontosabb tudományterülete.
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Nanorészecskék előállítása nedves, kémiai eljárással
Előállítás homogén fázisban: kontrollált hidrolízis, majd kondenzáció (pl. SiO2 előállítás): (EtO)4Si + víz etanolban NH3 jelenlétében: „Stöber szilika”
Elektronmikroszkópos felvétel: részecskeméret: 40, 100 és 350 nm.
Szabályozható a méret!
NANORÉSZECSKÉK
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Thioflavin T
ca. 300 nm, ca. 70 nm és ca. 40 nm átmérőjű részecskék
Fluoreszcencia
(Hórvölgyi Z, Söptei B., 2009-2010)
Festékkel jelzett szilika nanorészecskék bioanalitikai alkalmazásokra
Funkcionalizált nanorészecskék
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A tüdőben levő hörgők felveszik a poralakban bejuttatott, színezékkel jelzett részecskéket
(Csányi E., Söptei B., Hórvölgyi Z., 2010)
Funkcionalizált nanorészecskék
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Mezopórusos és üreges szilika nanorészecskék
Hatóanyagtárolás és -leadás. Mag-héj típusú részecskék
(Söptei B., Hórvölgyi Z, 2010)
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
2 3 4 5 6
200
300
400
átm
érő
[nm
]
pH
Jelentős, reverzibilis térfogatváltozás a pH függvényében
0,1 1 10 100 1000 100000
4
8
12
16
inte
nzitás [%
]
Hidrodinamikai átmérő (nm)
PASP-DAB
Poliaminosav gélek: pH-érzékeny gél nanogyöngyök
(Gyarmati B., Némethy Á., Szilágyi A., 2011)
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Langmuir-Blodgett (LB) típusú rétegek
Langmuir típusú réteg LB-réteg
1. Terítés (spreading) víz-levegő határfelületen
2. A részecskés - Langmuir – réteg
összenyomása (tömör és monorétegű)
1. Filmhúzás: LB-technika (a hordozó mindkét oldalára) 2. Többrétegű bevonatokat is („layer-by-layer” technika)
BEVONATOK
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A réteget különböző típusú részecskék alkotják (kevert rétegek).
Az LB-film különböző rétegekből épül fel (kevert filmek), etc..
A réteg azonos részecskékből (mag-héj típusú is lehet) épül fel (egykomponensű rétegek).
A Langmuir-Blodgett típusú rétegek összetétele és szerkezete
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
37 és 100 nm
(Detrich et al., Langmuir, 2010)
Megnövekedett fényáteresztés
A Langmuir-Blodgett típusú szilikarétegek optikai tulajdonsága
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Filmmérleg és kapcsolt technikák
Számítógépes szimuláció Molekuladinamikai, 2D és 3D, oldalnyomás a viriál-tételből, kísérletileg nyert kölcsönhatásokból
ji
ijij
N
i
ii rFAD
vmAD ,1
2 11
(Gomm et al., 1967, Clint et al., 1992-1993) Vékonyréteg optikai modellek, effektív törésmutató és vastagság
)2cos(21
)2cos(22
12
2
01
2
12
2
01
1201
2
12
2
01
rrrr
rrrrR
A részecskés rétegek kísérleti tanulmányozása (kölcsönhatás, szerkezet, nedvesíthetőség)
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
1. A prekurzor szol készítése
2. Rétegképzés
3. Szárítás
4. Kondicionálás
A prekurzor szolban végbemenő folyamatok:
1. fémsó (pl. Zn-acetát) oldódása, majd hidrolízise
2. A fémhidroxid polikondenzációja
Lánc-, ill. gócképződés, majd gócnövekedés és gélesedés
Szol-gél (SG) bevonatok
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Mártás ( „Dip coating”)
Az összetétel, vastagság és szerkezet szabályozható.
Mechanikailag stabil bevonat.
2/16/1
3/2
94,0g
Ud
Levich-egyenlet:
„Slip casting”
Szol-gél (SG) bevonatok
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A szol öregedésének hatása a porozitásra
Aging before deposition (t/tg)
Porosity (%)
Average pore diameter (nm)
Specific surface area (m
2/g)
0 - 0.15 - < 0.4 1 - 2
0.15 16 3.0 146
0.33 24 3.2 220
0.66 33 3.8 263
1 52 6.0 245
Szilika szol (Brinker et al.)
Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 1
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A sav- és báziskatalízis szerepe
sav
Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 2
bázis
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Micellás sablon (templát): szabályos pórusrendszer
Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 3
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Bevonatok morfológiája
Szuperhidrofób bevonat: Kis felületi energia Speciális érdesség
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
A penetráció optikai mérések, míg a morfológia AFM-vizsgálatok alapján becsülhető.
Az LB- és a szol-gél-technika egymást követő alkalmazása: nanomorfológia
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
100 nm 20 nm
a) b)
100 nm100 nm 20 nm20 nm
a) b)
A szol-gél- és az LB-technika egymást követő alkalmazása: nanomorfológia, az LB-réteg rögzítése
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Biológiai ioncsatornák (2003 Nobel díj)
Szilárdtest ioncsatornák (arany nanopórusokban)
-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1
150
200
250
300
350
400
450
500
550
0 5 10 15 20 25
200
300
400
500
6.810-9 M
E (
mV
)
log aAg
+
59.16 mV
10-3
10-4
10-5
10-6
10-7
10-8
10-9
E (
mV
)
Idő, perc
10-10
Nanopórusos érzékelés: ioncsatornák
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Extrém kis sűrűség (< 0,1 g/cm3) Széles tartományban változtatható pórusszerkezet Hőszigetelés és elektromos vezetés Fémekkel adalékolhatók: katalizátorok
Széngélek
Polimergél: 8-20 nm-es pórusok Széngél: 6-14 nm-es pórusok
A molibdén adalék hatása
TÖMBI ANYAGOK
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Poliaminosav gélek: redox érzékeny polimeroldat – polimer gél
polimeroldat polimer gél
H2O
redukció
(ditiotreitol)
néhány perc
oxidáció
(KBrO3)
néhány perc
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100 kioldódás DTT nélkül
kioldódás DTT-vel
DT
T k
on
verz
ió (
%)
t (min)
kio
ldó
do
tt h
ató
anya
g (
%)
0
20
40
60
80
100
Reszponzív polimer gélek, mint hatóanyag-hordozó, -leadó rendszerek: Biokompatibilis Biológiailag lebontható (toxikus melléktermékek nélkül)
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
(Gyarmati B., Némethy Á., Szilágyi A., 2011)
Cikkek
Lautner G, Kaev J, Reut J, Öpik A, Rappich J, Syritski V, Gyurcsányi RE. Selective artificial receptors based on micropatterned surface-imprinted polymers for label-free detection of proteins by SPR imaging. Advanced Functional Materials. 2011;21:591-597 (IF: 6,990)
Jágerszki G, Takács Á, Bitter I, Gyurcsányi RE. Solid-state ion channels for potentiometric sensing. Angewandte Chemie International Edition. 2011;50:1656-1659 (IF: 11,829)
Lindfors T, Szűcs J, Sundfors F, Gyurcsányi RE. Polyaniline nanoparticle-based solid-contact silicone rubber ion-selective electrodes for ultratrace measurements. Anal. Chem. 2010;82:9425-9432 (IF:5,214)
Könyvfejezet Lindner E, Gyurcsányi R.E, Pretsch E. (2011) “Potentiometric Ion Sensors: Host–Guest Supramolecular Chemistry in Ionophore-Based Ion-Selective Membranes” in Applications of Supramolecular Chemistry, Hans-Jörg Schneider, ed. : Taylor&Francis (beküldve, szerkesztés alatt)
TDK eredmények, szakdolgozatok és diplomamunkák
Monográfia Hórvölgyi Z.: Anorganikus részecskék folyadék-fluidum határrétegbeli diszperziói és szilárd hordozós filmjei, MTA doktori értekezés, 2011
Eredmények demonstrálása
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány
Új Széchenyi Terv (TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002).
Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA CK 78629)
BIOSPONA
Köszönetnyilvánítás
Gyurcsányi Róbert Nagyné László Krisztina
Szilágyi András
Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány