Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

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

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Základní principy nanotechnologií prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně (s ohledem na nanobio...)"— Transkript prezentace:

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

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

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

4 NANOTECHNOLOGIE = TECHNOLOGIE VE SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ slovo na úvod

5 voda a svět malých rozměrů 0,275 nm

6 svět malých rozměrů

7 = NANO = MAKRO

8

9 staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie

10 staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie jako předchůdce a základ NANOTECHNOLOGIÍ

11 koloidy jsou všude (1944)

12 KOLOIDNÍ KOLLA řecky KLÍH další slovo 1861 Thomas Graham

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

14 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) roztoky klihu a podobných látek procházejí velmi pomalu nejdou separovat filtrací ani gravitačním usazováním Thomas Graham a koloidy

16 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

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

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

19

20 1.„dvoufázovostí“ 2.velikostí (jedné z fází) charakteristika koloidů Koloidy jsou typické dvěma základními charakteristikami:

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

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

23 Co je tedy tak veliké, že může tvořit koloidní částici (nanočástici)? koloidní částice 1.shluk molekul (atomů) 2.makromolekula

24 emulze typy koloidů suspenze sol pěna aerosol pasta

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

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

27 Dva základní způsoby tvorby koloidů: vznik či příprava koloidů DISPERGACEKONDENZACE

28 Příklady: vznik či příprava koloidů DISPERGACEKONDENZACE

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

30

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

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

33 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

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

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

36 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

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

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

40 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/r 2

42 interakce dipól-dipól částice bez náboje, ale elektricky nevyvážené (polární) klasická elektrostatika r (+) (–) (+) (–) energie ~ 1/r 3

43 interakce ion-indukovaný dipól ion elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól klasická elektrostatika r + (+) (–) energie ~ 1/r 4

44 interakce dipól-indukovaný dipól dipól elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól klasická elektrostatika (Debye) r (+) (–) energie ~ 1/r 6 (+) (–)

45 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/r 6

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

47 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 O

49 vodíkový můstek – směrovost dipolární elstatic. součet

50 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 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 např. příčina koheze kapalin, tuhých látek aditivita, malá selektivita London energie ~ 1/r 6

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

55 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 interakce a koloidní částice sčítání mezimolekulových interakcí mění jejich dosah např. disperzní interakce: energie ~ 1/r 6 energie ~ 1/r 2 MEZIMOLEKULOVÉ KOLOIDNÍ

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

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

61 interakce, koloidy a elektrolyty Např. NaCl +

62

63 Asociativní koloidy jsou hlavní inspirací pro nanobiotechnologie základy asociace, agregace 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 micely Tvar určuje („geometrická“) struktura molekuly: (délka, objem, plocha)

67 tvar micely...takže koule:

68 další tvary agregátů Přehled:

69 Amfifily typu válečku dvojvrstvy, membrány dutina

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

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

72 srovnání vlastností VlastnostMicelární útvaryDvojvrstvy rozpustnost monomeru ca 10 –2 mol/l10 –5 – 10 –10 mol/l střední doba výměny monomeru 10 –3 – 10 –6 s10 2 – 10 –3 s střední doba života asociátu 10 –1 – 10 –3 sdny až roky směrovost strukturyvšechny směry rovnocenné podélná difúze rychlá, příčné překlápění pomalé charakter asociacedobře definované útvary při definované kritické koncentraci základní strukturní jednotka může tvořit různé výsledné útvary

73 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 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 bílkoviny a membrány 25-75% hmotnosti membrány Vzájemné interakce

77 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 nanobiotechnologie biotechnologie v nanoměřítku

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

81 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

82 Čtyři základní (molekulární) kameny: nanobiotechnologie – základní prvky 1.Bílkoviny 2.Nukleové kyseliny 3.Lipidy 4.Polysacharidy bio „nanostrojky“

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

84 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

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

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

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

88 Specializované strukturní úkoly Nejvíce molekulárně heterogenní Široká variabilita struktur polysacharidy

89 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

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

91 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

92 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

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

94 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

95 ( 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

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

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

98 ( 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

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

100 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

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

102 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

103 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

104 ( 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

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

106 ( 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

107 ( 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: A o = 30 až 50 kJ/mol fosforylace glukosy: A o = –14 kJ/mol Hlavní příčinou nižší energie produktů hydrolýzy je zřejmě jejich solvatace = hydratace; význam vody (dielektrikum)!!

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

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

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

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

112 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

113

114 nakonec – příklady doprava

115 nakonec – příklady nanoelektronika

116 nakonec – příklady senzorika podnět

117 nakonec – příklady buňka = nanotovárna

118 DÍKY ZA......VYSLECHNUTÍ


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

Podobné prezentace


Reklamy Google