Základní principy nanotechnologií

Prezentace na téma: "Základní principy nanotechnologií"— Transkript prezentace:

1 Základní principy nanotechnologií
(s ohledem na nanobio...) prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně

2 NANOTECHNOLOGIE NANO TECHNOLOGIE
slova na úvod NANOTECHNOLOGIE NANO TECHNOLOGIE („řecký“ trpaslík)

3 kde leží svět malých rozměrů
NANOmetr = 10–9 m

4 NANOTECHNOLOGIE = TECHNOLOGIE VE SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ
slovo na úvod NANOTECHNOLOGIE = TECHNOLOGIE VE SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ

5 voda a svět malých rozměrů
0,275 nm

6 svět malých rozměrů

7 MAKRO = NANO =

8 • • •

9 staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie

10 předchůdce a základ NANOTECHNOLOGIÍ
staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie jako předchůdce a základ NANOTECHNOLOGIÍ

11 koloidy jsou všude (1944)

12 další slovo KOLOIDNÍ 1861 Thomas Graham KOLLA řecky KLÍH

13 *21.12.1805 Glasgow †1869 Londýn fyzikální chemik širokého záběru:
Thomas Graham * Glasgow † Londýn fyzikální chemik širokého záběru: • difúze plynů (Grahamův zákon) • absorpce plynů dřevěným uhlím • rozpustnost plynů • koloidy, emulze

14 • absorpce vodíku palladiem • falšování kávy rostlinnými příměsemi
Thomas Graham • sloučeniny fosforu • polární záře • absorpce vodíku palladiem • falšování kávy rostlinnými příměsemi • produkce alkoholu při výrobě chleba

15 • zkoumání difúze přes pergamenovou membránu (dialýza)
Thomas Graham a koloidy • zkoumání difúze přes pergamenovou membránu (dialýza) • roztoky klihu a podobných látek procházejí velmi pomalu • nejdou separovat filtrací ani gravitačním usazováním

16 • odlišují se od krystaloidů • velikost odhadl na nejvýše ca 1 μm
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

17 mléko, majonézy, jogurty prací a čistící prostředky
příklady koloidů inkousty, nátěry mléko, majonézy, jogurty prací a čistící prostředky aerosoly – barvy, léčiva pěny

18 biopolymery (v roztoku) bílkoviny, NK, polysacharidy
koloidy & bio biopolymery (v roztoku) bílkoviny, NK, polysacharidy buňky a jejich membrány biotekutiny

19 koloidy & bio

20 Koloidy jsou typické dvěma základními charakteristikami:
charakteristika koloidů Koloidy jsou typické dvěma základními charakteristikami: „dvoufázovostí“ velikostí (jedné z fází)

21 koloidní částice jsou rozptýleny (dispergovány) v disperzním prostředí
charakteristika koloidů Dvoufázovost koloidní částice jsou rozptýleny (dispergovány) v disperzním prostředí prostředí částice

22 částice jsou koloidních rozměrů, tj. řádu nano až mikrometrů
charakteristika koloidů Velikost částice jsou koloidních rozměrů, tj. řádu nano až mikrometrů

23 shluk molekul (atomů) makromolekula
koloidní částice Co je tedy tak veliké, že může tvořit koloidní částici (nanočástici)? shluk molekul (atomů) makromolekula

24 suspenze emulze sol pěna aerosol pasta
typy koloidů suspenze emulze sol pěna aerosol pasta

25 typy koloidů emulze l v l suspenze s v l pěna g v l nebo s

26 lyofilních a lyofobních koloidů
typy koloidů a ještě něco poněkud historické ale užitečné rozlišení lyofilních a lyofobních koloidů • „koloidní“ roztoky • stálé • „násilná“ příprava • nestálé

27 Dva základní způsoby tvorby koloidů:
vznik či příprava koloidů Dva základní způsoby tvorby koloidů: DISPERGACE KONDENZACE

28 Příklady: DISPERGACE KONDENZACE
vznik či příprava koloidů Příklady: DISPERGACE KONDENZACE

29 • významný vliv (molekul) povrchu na vlastnosti
čím jsou koloidy zvláštní • významný vliv (molekul) povrchu na vlastnosti • specifický typ kolektivního chování

30 • • •

31 jsou hlavním pojítkem s nanotechnologiemi
koloidy a interakce Mezimolekulové interakce leží v základech vzniku koloidů i jejich vlastností a jsou hlavním pojítkem s nanotechnologiemi

32 CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY
interakce CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY • silné • tvoří molekuly • slabé • mezi molekulami • může být velký počet

33 Možné interakce jsou dány stavebními kameny,
mezimolekulové interakce – typy Možné interakce jsou dány stavebními kameny, které tvoří molekuly, to jest atomy, resp. jejich elektronovým obalem Struktura atomu určuje podstatu mezimolekulových interakcí

34 Mezimolekulové interakce (spolu)určují umístění* v prostoru,
mezimolekulové interakce – podstata dopadu Mezimolekulové interakce (spolu)určují umístění* v prostoru, tedy strukturu koloidů (nanokoloidů) a její stabilitu *molekul, koloidních částic

35 podstata většiny interakcí spočívá v působení mezi náboji
mezimolekulové interakce – přehled ATOM elektronový obal jádro + – podstata většiny interakcí spočívá v působení mezi náboji

36 Interakce mezi nabitými částicemi (multipól-multipól)
mezimolekulové interakce – přehled Překryvové repulze Přenos náboje Interakce mezi nabitými částicemi (multipól-multipól) Interakce mezi permanentním a indukovaným multipólem Disperzní interakce

37 na jednom místě jen jedna molekula (atom)
překryvové repulze na jednom místě jen jedna molekula (atom) energie ~ 1/rn

38 přenos náboje jedna molekula (donor) poskytne „přebytečné“ elektrony jiné molekule (akceptor), které se „nedostávají“ (volné páry O, N a σ* orbitaly N-H)

39 Multipól – něco, co má „multi“náboj
interakce multipólové Multipól – něco, co má „multi“náboj Monopól – ion Dipól – molekula s oběma typy nábojů (+ a –)

40 + • částice se stálým nábojem (ionty)
interakce náboj-náboj • částice se stálým nábojem (ionty) • klasická elektrostatika (Coulomb) + r energie ~ 1/r

41 interakce náboj-dipól
• částice se stálým nábojem (ion) a bez náboje, ale elektricky nevyvážená (polární) • klasická elektrostatika (+) (–) + r energie ~ 1/r2

42 • částice bez náboje, ale elektricky nevyvážené (polární)
interakce dipól-dipól • částice bez náboje, ale elektricky nevyvážené (polární) • klasická elektrostatika (+) (–) (+) (–) r energie ~ 1/r3

43 + • ion elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól
interakce ion-indukovaný dipól • ion elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól • klasická elektrostatika (+) (–) + r energie ~ 1/r4

44 • dipól elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól
interakce dipól-indukovaný dipól • dipól elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól • klasická elektrostatika (Debye) (+) (–) (+) (–) r energie ~ 1/r6

45 • slabé elektrostatické interakce „narušuje“ tepelný pohyb
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

46 • zvláštní případ elektrostatické interakce
vodíkový můstek • zvláštní případ elektrostatické interakce • důsledek struktury vodíkového atomu:

47 • elektronová hustota vodíkového atomu je už tak nízká
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

48 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

49 vodíkový můstek – směrovost
součet dipolární elstatic.

50 • zásadní význam pro bio • H. CON
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

51 • kvantově mechanická podstata • kvantová mechanika dipólu
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

52 disperzní interakce

53 • vždy a všude, přitažlivé
disperzní interakce • vždy a všude, přitažlivé • např. příčina koheze kapalin, tuhých látek • aditivita, malá selektivita • London energie ~ 1/r6

54 Souhrnné označení pro „pánské“ interakce:
van der Waalsovy síly Souhrnné označení pro „pánské“ interakce: • Debye + Keesom + London • přitažlivé síly

55 • koloidní částice jsou tvořeny mnoha molekulami
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“

56 • sčítání mezimolekulových interakcí mění jejich dosah
interakce a koloidní částice • sčítání mezimolekulových interakcí mění jejich dosah • např. disperzní interakce: MEZIMOLEKULOVÉ KOLOIDNÍ energie ~ 1/r6 energie ~ 1/r2

57 • koloidní částice mohou být nabité
interakce, koloidy a elektrolyty • koloidní částice mohou být nabité • a podstatou (téměř všech) interakcí je elektrostatika • koloidní částice jsou rozptýleny v disperzním prostředí

58 • zejména pokud je polární, obsahuje elektrolyty (ionty)
interakce, koloidy a elektrolyty • a disperzní prostředí může ovlivňovat elektrostatické pole kolem částic • zejména pokud je polární, obsahuje elektrolyty (ionty) • dielektrikum

59 interakce, koloidy a elektrolyty
COULOMB

60 • se ve vodném prostředí rozpadají na ionty
interakce, koloidy a elektrolyty ELEKTROLYTY • se ve vodném prostředí rozpadají na ionty • které dále mohou interagovat s koloidními částicemi

61 interakce, koloidy a elektrolyty
Např. NaCl +

62 •••

63 Asociativní koloidy jsou hlavní inspirací pro nanobiotechnologie
základy asociace, agregace Asociativní koloidy jsou hlavní inspirací pro nanobiotechnologie Koloidní částice je vytvářena shlukováním molekul vyvolaným interakcemi (s prostředím i mezi oněmi molekulami)

64 základy asociace, agregace
Ve vodném prostředí asociují molekuly, které obsahují souvislé hydrofobní části kompromis mezi fázovou separací a rozpuštěním

65 základy asociace, agregace
Vzniká stabilní útvar – micela (koloidní částice) – uvnitř hydrofobní, na povrchu hydrofilní může a nemusí být kulová

66 Tvar určuje („geometrická“) struktura molekuly:
tvar micely Tvar určuje („geometrická“) struktura molekuly: (délka, objem, plocha)

67 tvar micely ...takže koule:

68 další tvary agregátů Přehled:

69 dvojvrstvy, membrány Amfifily typu válečku dutina

70 Bio: hlavně fosfolipidy a glykolipidy...
dvojvrstvy, membrány Bio: hlavně fosfolipidy a glykolipidy...

71 ...ale také malá polární část
dvojvrstvy, membrány ...ale také malá polární část monoglycerid nebo mastný alkohol či kombinace + a –

72 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

73 Uspořádanost řetězců  (kapalně) krystalická struktura
další vlastnosti dvojvrstev Uspořádanost řetězců  (kapalně) krystalická struktura

74 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

75 • vnitřní organizace buněk (membrány organel uvnitř buněk)
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

76 • 25-75% hmotnosti membrány
bílkoviny a membrány Vzájemné interakce • 25-75% hmotnosti membrány

77 • lipoproteiny a glykoproteiny • fixace struktury
bílkoviny a membrány • lipoproteiny a glykoproteiny • fixace struktury • ochranná sacharidová vrstva (reakce cukrů s bílkovinami) • solubilizace enzymů

78 •••

79 NANOBIOTECHNOLOGIE ≈ inspirace přírodou a jejími koloidy/nanostrojky
biotechnologie v nanoměřítku

80 Právě v každém pracuje ca 10 tisíc nano(bio)struktur...
nano(bio)technologie – zvláštnosti Právě v každém pracuje ca 10 tisíc nano(bio)struktur... ... • Ani gravitace ani setrvačnost • Atomy! • Tepelný pohyb!! • Vyžadují vodné prostředí

81 Co potřebuje každá technologie?
nano(bio)technologie – pilíře Co potřebuje každá technologie? • Základní stavební prvky (materiál, z čeho) • Postupy konstrukce, vytváření (jak) • Prostředky konstrukce (čím tvořit, spojovat, konstruovat) • Funkční principy (jak to bude pracovat) včetně regulace

82 Čtyři základní (molekulární) kameny:
nanobiotechnologie – základní prvky Čtyři základní (molekulární) kameny: bio „nanostrojky“ Bílkoviny Nukleové kyseliny Lipidy Polysacharidy

83 • Univerzální strukturní prvek
bílkoviny • Univerzální strukturní prvek • Tvoří nanostruktury, nanosenzory, „nanostrojky“ • Řetězce aminokyselin, poskládané do specifických struktur • Tuhá amidová vazba s planární konformací

84 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)

85 • koncentrovaný koloidní roztok bílkoviny
Vaječný bílek: • koncentrovaný koloidní roztok bílkoviny • viskózní charakter • zahřátím denaturuje (neprůhledný) • vysušením se získá ve vodě rozpustný prášek

86 • Mnohem ohebnější  mnohem více konformací
nukleové kyseliny • Řetězce nukleotidů • Mnohem ohebnější  mnohem více konformací • Základem 4 chemicky podobné báze, ale liší se H-můstkovými interakcemi • Informační médium bionanoúrovně

87 • Vytvářejí infrastrukturu agregací malých molekul amfifilní struktury
lipidy • Vytvářejí infrastrukturu agregací malých molekul amfifilní struktury • Membrány a globule • Neprostupné pro ionty a velké polární molekuly • Uhlíkaté molekuly, včetně ethanolu, pronikají snadno

88 • Specializované strukturní úkoly • Nejvíce molekulárně heterogenní
polysacharidy • Specializované strukturní úkoly • Nejvíce molekulárně heterogenní • Široká variabilita struktur

89 • Vysoký obsah OH skupin
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

90 • klasická chemická syntéza malých molekul (vitamín B12)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy 1. Kovalentní syntéza • klasická chemická syntéza malých molekul (vitamín B12) • rozmanitost výsledku (do ca stovek atomů)

91 2. Kovalentní polymerace
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“

92 3. Samoorganizující syntéza
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)

93 (3. samoorganizující syntéza)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy (3. samoorganizující syntéza) • výsledná struktura je energetické minimum interakcí • termodynamická stabilita (podmínky)

94 • termodynamické minimum
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

95 • neexistuje na makroúrovni (auto)
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)

96 nanobiotechnologie – konstrukční postupy
(4. Samosložení) • specifická geometrie interakcí, pomocí tvarování povrchu (struktury definované geometrie) • spontaneita (hledá termodynamické minimum, není nutná vnější informace, konstrukční plán)

97 (4. Samosložení - příklady) • nanotrubičky z cyklických peptidů
nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení - příklady) • nanotrubičky z cyklických peptidů • vodíkové vazby nad a pod kruhem

98 (4. Samosložení - příklady)
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

99 (4. Samosložení - příklady) • rotoxany
nanobiotechnologie – konstrukční postupy (4. Samosložení - příklady) • rotoxany • nanopohyb řízený elektrostaticky zásaditý roztok kyselý roztok

100 • umožňujícím různé způsoby nevazebných interakcí s různou silou
nanobiotechnologie – konstrukční prostředky • 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

101 nanobiotechnologie – konstrukční prostředky
• Vodíkové můstky a elektrostatické interakce dodávají specificitu a stabilitu • Hydrofobní efekt stabilizuje kompaktní agregáty uhlíkových molekul ve vodném prostředí

102 • Informace uložena v DNA (výstavba bílkovin) – buňky
nanobiotechnologie – funkční principy 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

103 • Síla (energie) usměrňující proces žádaným směrem
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)

104 c) Spojení oddělených nábojů (elektrická 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

105 • Propojením dvou procesů – hnacího a hnaného (např. syntéza ATP)
nanobiotechnologie – funkční principy (2. Energetika) • Propojením dvou procesů – hnacího a hnaného (např. syntéza ATP) • Žene buď „neochotnou“ chemickou reakci, nebo usměrněný pohyb

106 (2. Energetika – ad chemická energie)
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

107 (2. Energetika – ad chemická energie)
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 • 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)!!

108 • Bio – vysoká specificita  enzymy
nanobiotechnologie – funkční principy 3. Chemické přeměny • Bio – vysoká specificita  enzymy Příklad – izomerasa TPI (triosa-fosfát) velký dimer identických jednotek substrát

109 (3. Chemické přeměny - příklad)
nanobiotechnologie – funkční principy (3. Chemické přeměny - příklad) fosforečnan substrátu interaguje s aminokyselinami enzymu lysin stabilizuje přechodový stav reakce

110 (3. Chemické přeměny - příklad) podstata
nanobiotechnologie – funkční principy (3. Chemické přeměny - příklad) podstata izomerace – přesun dvou vodíkových atomů

111 • Náhodný pohyb uprostřed interakcí
nanobiotechnologie – funkční principy (3. Chemické přeměny) • Souhra, ne boj, mezi interakcemi a náhodným pohybem (konfigurací) – mezi entalpií a entropií • Náhodný pohyb uprostřed interakcí

112 • Řízení a ovládání nanostrojků
nanobiotechnologie – funkční principy 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

113 •••

114 nakonec – příklady doprava

115 nakonec – příklady nanoelektronika

116 nakonec – příklady podnět senzorika

117 nakonec – příklady buňka = nanotovárna

118 DÍKY ZA... ...VYSLECHNUTÍ