KCH/NANTM

Základní informace, požadavky KCH/NANTM Nanotechnologie a nanomateriály 2+0 Zkouška: písemná+ústní Pro postup k ústní části alespoň 60% bodů Kl. 2190 C510 martin.mucha@osu.cz

Náplň předmětu Definice pojmů Historie Přírodní nanotechnologie Analytické metody užívané při zkoumání nanomateriálů Nanomateriály Na bázi uhlíku Na bázi jílových minerálů Ostatní kompozity Aplikace nanotechnologií Rizika spojená s nanotechnologiemi

Definice základních pojmů Nanoměřítko: 1.10-9 m Nanostruktury: alespoň 1 rozměr < 100 nm Nanomateriály: základní strukturní jednotkou jsou nanostruktury Virus: 100 – 1 nm 1 nm – 3-4 atomy Metr Decimetr Centimetr Milimetr Mikrometr Nanometr

Definice základních pojmů Nanověda Studium hmoty na atomární a molekulové úrovni (výrazně odlišné vlastnosti) Nanotechnologie Aplikace znalostí nanovědy při vytváření materiálů, struktur a zařízení. Schopnost práce na molekulární a atomové úrovni. Výzkum látek s částicemi pod hranicí 100 nm. Struktury materiálů na úrovni nanorozměrů. „Výpočetní“ nanotechnologie

Definice základních pojmů 2 přístupy: Top-down Bottom-up Nanomateriály (nanostrukturní materiály, nanočástice) Stavební jednotka – nanočástice s definovanými vlastnostmi Stavební jednotky uspořádané do makroskopických multiklastrových materiálů – vhodnější pro technické aplikace

Definice základních pojmů Nanomateriál Vlastnosti určeny charakteristickými znaky (částice, klastry, dutiny) o rozměrech 1-100 nm. Nanostruktura Dostatečně malá, aby se mohly uplatňovat kvantové jevy Neobvyklé vlastnosti nanostruktur Odlišná elektronová struktura Transportní vlastnosti Výrazné uplatňování přitažlivých van der Waalsových sil a odpudivých elektrostatických sil

Zařazení nanotechnologií Vysoce interdisciplinární obor Vycházejí z přírodních věd Chemie Fyzika Biologie Matematika Zasahují do: Přírodních věd Medicíny Elektroniky Letecké a kosmické techniky Materiálového designu

Historie nanotechnologií Richard Philips Feynman 1959 „There is Plenty of Room at the Bottom“ Manipulace s atomy a molekulami Nobelova cena za fyziku Mikrotechnologie Norio Taniguchi 1974 první použití pojmu „Nanotechnologie“ Obrábění s tolerancí menší než 1 nm K. Eric Drexler Základní stavební kameny – proteiny Navázal na Feynmana

Historie nanotechnilogií 80. léta 20. století skenovací tunelová mikroskopie Zobrazení jednotlivých atomů Objev fullerenů (C60) Pomocí STM napsán název firmy IBM na niklový plát s použitím 35 atomů xenonu 90. léta 20. století Příprava uhlíkových nanotrubiček Příprava nanodrátků Vedení elektrického proudu jednou molekulou Tranzistor z uhlíkatých nanotrubic.

Historie nanotechnologií http://www.nano.gov/nanotech-101/what/working-nanoscale

Nanotechnologie v přírodě Nanotechnologie nejsou „lidským výmyslem“ Příroda využívá nanotechnologie od svého vzniku: Každá chemická reakce DNA Proteiny Koloidní roztoky

Nanotechnologie v přírodě Lotosový efekt Lotos, řeřicha nanorozměrné chmýří odpuzující vodu Gekon Nanochloupky/lamely Van der Waalsova vazba Slávky jedlé Micely „lepidla“ Přichycení k podložce

Nanotechnologie v přírodě Svaly Svalová vlákna  myofibrily  aktinové a myozinové vlákno (tato vlákna jsou tvořena proteiny  nanorozměry) Šlachy Aminokyseliny (0,6 nm) protein kolagen (1nm)  šroubovice vláknité struktury – mikrofibrily (3,5 nm). Tyto struktury se pak dále spojují do větších struktur, až vzniká fibrila (50-500 nm). Dále pak vznikají svazky těchto vláken a konečně výsledná šlacha. Vlasy Alfa-šroubovice (0,15 nm)  protofibrila (2nm)  mikrofibrila (8 nm)  makrofibrila (200 nm)  buňka (2µm)  vlas (20 µm)

Nanotechnologiev přírodě Biomineralizace Mikroskopické biogenní minerály Schránky, vnitřní kostry Kalcit, apatit, aragonit Schránky mlžů Aragonit – křehký Proteiny – dodávají elasticitu 3 hm. % stačí, aby schránka byla pevnější než krystal vápence

Nomenklatura nanotechnologií Nanomateriály Příprava nanopráškových materiálů, nanočástic, kvantových teček, nanovláken. Příprava kompozitních materiálů s obsahem nanočástic. Uhlíkaté materiály (fullereny, nanotrubice). Modifikované jílové minerály (anorganickými i organickými molekulami). nanostrukturní kovy, nanokeramika a také např. nanokompozity na bázi polymerů.   Nanotechnologie pro ukládání a přenos informací, mikro- a nanoelektronika Nanoelektronika a materiály a zařízení v ní používané. Nanofotonika, vývoj optických a magnetických materiálů. Nanobiotechnologie, nanomedicína Problematika zacílení účinků léků jejich zapouzdřováním a cílenou dopravou k postiženým tkáním. Problematika tkáňového inženýrství. Příprava biokompatibilních materiálů a rozhraní, Molekulární analýzou, diagnostikou a rozpoznáváním.

Nomenklatura nanotechnologií Nanotechnologie pro aplikaci v senzorech Vývoj velmi citlivých senzorů. Vývoj biomolekulárních senzorů.   Nanotechnologie pro (elektro)chemické technologie zpracování Problematika vývoje nových materiálů pro účinnější zpracování materiálů. Vývoj nových filtrů, membrán, molekulových sít, příp. umělých zeolitů. Přípravě nových katalyzátorů a nanostrukturních elektrod. Dlouhodobý výzkum s širokou oblastí aplikace Široká oblast často na rozmezí předchozích zmíněných. Samouspořádání (self-assembly). Kvantová fyzika. Chemické materiály a procesy (nanochemie). Ultrapřesné (nanopřesné) inženýrství, např. i obrábění kovových předmětů.

Nomenklatura nanotechnologií Přístroje a zařízení, výzkum a aplikace technologií Vývoj nových metod analýzy. Nové analytické přístroje a metody. Vývoj nových metod přípravy nanomateriálů. Metody a zařízení na přípravu nanoprášků, nanovrstev a povlaků. Zařízení pro ultrapřesné obrábění.   Zdravotní, ekologické, etické, sociální a jiné aspekty nanotechnologií Toxicitou nanočástic. Ekologické aspekty. Sociální a etické aspekty. Patentová, popularizační problematika. Ekonomická problematika – obchod s nanovýrobky.

Pro dnešek vše 