KCH/NANTM Přednáška 8 Nanomateriály na bázi jílů, polymerní nanokompozity, využití NT

Obsah Nanokompozity založené na jílových minerálech Interkaláty Pilarizace Nosiče nanočástic Polymerní nanokompozity Primární aplikace nanotechnologií Další aspekty nanotechnologií

Jílové nanokompozity

Jílové nanokompozity - interkaláty Umístění různých molekul do mezivrství Organické molekuly Polymery Komplexní ionty Modifikace struktury Hostitelská struktura Host Cíle Změna fyzikálních a chemických vlastností

Jílové nanokompozity - interkaláty Přírodní jílové minerály Ca2+, Na+, K+, Mg2+ Voda Interkaláty Komplexní molekuly hosta (iontovýměna) Původní mezivrstevné kationy + polární neutrální molekuly hosta (ion-dipólová interakce) Vlastnosti řízeny koncentrací a druhem hosta Interkalační reakce Laboratorní a vyšší teploty Normální / zvýšený tlak Mikrovlné pole

Jílové nanokompozity - interkaláty Především vznik organicko-anorganických kompozitů Vývoj nových materiálů s předem danými vlastnostmi Často interkalace polymery Označení: Jílový nanokompozit Různé typy nanokompozitů Navíc ještě koagulované

Jílové nanokompozity - interkaláty Anorganické Monoiontové formy Kysele aktivované materiály Komplexní kationy Pilarizace

Jílové nanokompozity - interkaláty Anorganické Katalyzátory Porézní materiály Sorbenty Molekulová síta

Jílové nanokompozity - interkaláty Organické Kationy Tenzidy Barviva Polymery

Jílové nanokompozity - interkaláty Metody přípravy In-situ polymerizace Interkalace z roztoku Interkalace tavením Srážení polymeru a jílu Delaminované struktury Homogenní rozptyl jílu

Jílové nanokompozity - interkaláty Selektivní sorbenty a katalyzátory Velké komplexní kationy Selektivita řízena velikostí kationu Nosiče opticky aktivních látek Organizovaný uspořádaný 2D supramolekulární systém Fotoluminiscence Fotochromní systémy Nelineární optické efekty Řízení vlastností volbou páru host-hostitel

Jílové nanokompozity - interkaláty Nejčastější mechanismus Kationtová výměna – anorganické a organické kationy Vlastnosti JM ovlivňující aplikace Čistota Chemické složení Velikost specifického povrchu Kationtová výměnná kapacita Hustota a rozložení náboje Tloušťka vrstev JM < 1 nm

Jílové nanokompozity - interkaláty Hustota rozložení náboje Uspořádání interkalátů

Jílové nanokompozity - interkaláty Organické barvy Interkalace organických barviv Mayská modř – indigo interkalované do palygorskitu nebo sepiolitu Zkoumány optické vlastnosti barev v průběhu interkalace (fotokatalýza) Použití různých druhů barviv Kationtová Porhyriny Azosloučeniny

Jílové nanokompozity - interkaláty Organické barvy Zvýšení stability organických barviv Kov-organické komplexy Přechodné kovy v mezivrství Interkalace aromatických a dalších molekul Použití i pro charakterizaci jílů MB – povrchy, CEC Povrchová kyselost/zásaditost Fotosenzitivní vlastnosti Rhodaminy – laserová technika

Jílové nanokompozity – nosiče NČ Nosiče nanočástic Ag ZnS, CdS Magnetické TiO2 Velký povrch a porozita – i interkalace Fotokatalýza Magnetické nanokompozity Antibakteriální materiály

Polymerní nanokompozity

Polymerní nanokompozity Kompozit – materiál z více komponent Kompozity s jíly Polymerní matrice Vkládání nanočástic na nanomateriálů do této matrice Lepší účinek úpravy než u ostatních kompozitů Zlepšení mechanických a tepelných vlastností kompozitů při malém obsahu jílu Nárůst velikosti povrchu Nové vlastnosti polymerů Optické a mechanické

Polymerní nanokompozity Různé systémy pro kompozity s jíly Vinylové polymery Kondenzační polymery Polyolefiny Speciální polymery Polypyroly, polyaromáty Biodegradabilní polymery Mechanické vlastnosti Pevnost, tvrdost, pružnost, tepelná stabilita, snížená hořlavost

Nanopolymerní struktury Změna struktury samotných polymerů Dendrimery Soustavy molekulových kaskád Vysoká uspořádanost

Primární aplikace nanotechnologií Houževnaté materiály Odolné materiály Ochranné vrstvy Magnetické senzory Katalyzátory

Primární aplikace nanotechnologií 3 základní aplikační oblasti Nanorobotika (NEMS) Samostatný vývoj a sebereprodukce „hudba budoucnosti“ Materiálové inženýrství Nové materiály ovlivnění molekulární struktury Letecký a vesmírný průmysl Stavebnictví, medicína Samoopravné materiály Uhlíkatá vlákna Molekulární nanotechnologie Chemie + mechanika Molekulární stroje – nanomotory, manipulátory Biotechnologie

Primární aplikace nanotechnologií Nanotechnologie v elektronice Oblast počítačů a sítí Vysokokapacitní záznamová média Logické obvody Telekomunikace Vysokokapacitní akumulátory Nanovrstvy Palivové články Snaha o snížení energetických ztrát

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v elektronice Nanosenzory Vysoce citlivé Kombinace s biotechnologiemi Fyzikální chemické a biologické účely Přírodní nanosenzory Komunikace mezi organismy Molekulární senzory – otáčení za sluncem Umělé biosenzory Malé, rychle reagující Senzory virů či proteinů Identifikace extrémně nízkých koncentrací Detekce krevní glukózy Nanotubulární uhlík Kombinace NT s DNA

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v elektronice Nanotranzistory a čipy Molekulární tranzistory Nanotrubičky Vysoká pracovní rychlost (frekvence) Problémy se sériovou výrobou Vývoj i na bázi Si

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v elektronice Spintronika Manipulace se spinovými proudy Spin – vnitřní moment hybnosti Spin spjat s magnetismem Magnetotronika Vektor magnetického momentu elektronu je rovnoběžný se spinem Spintronická zařízení – usměrnění toku elektřiny pomocí spinu

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v elektronice Spintronika Orientace spinů v externím magnetickém poli Změna elektrického odporu způsobená magnetickým polem Vysokokapacitní pevné disky 3 kategorie Počítačové prvky na bázi kovů Spin jako nosič informace Manipulace se spiny – kvantové počítače

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Povrchy s nanovrstvami Zvýšená energetická účinnost Lepší užitné vlastnosti Delší životní cyklus Antiadhezivní vrstvy Vrstvy s nízkým nebo vysokým třením Frikční materiály s extrémní tepelnou odolností

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Vrstvy s nízkým koeficientem tření Náhrada kuličkových ložisek kluznými Vysoká spolehlivost Porézní kovy + PTFE v nanodisperzi Celková tloušťka vrstev v řádu mikronů Nanostruktura

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Materiály s velmi malým elektrickým odporem 2x lepší vodivost než měď Založeno na nanotrubičkách Nanokompozitní materiály Základní materiál vyztužený na nanočásticemi Magnetické, optické a elektrické vlastnosti Mechanické, tepelné, chemické a biologické vlastnosti Polymerní nanokompozity Vysoká tvarová a rozměrová stabilita

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Tenké filmy/vrstvy Ochranné filmy Povrchová odolnost Optické vlastnosti Tvrdé filmy Nanolitografie

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Samoopravné/replikující materiály Samo/sebereplikace Inspirace v přírodě (např. brambor) Foresight - nanotovárna Samoopravné materiály na bázi polymerů Dokáže se sám automaticky opravit Samoopravné laky v automobilovém průmyslu Povlaky z nanočástic

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Samouspořádané materiály Self-assembly Samooprava materiálů Skutečnost samouspořádání materiálů Struktura materiálů 3 základní pojmy Brownian uspořádání – neuspořádaný pohyb molekul – afinity vazebných poloh Interakce, kdy se složky spontánně uspořádavají Proces jímž se systém s neživou chemickou stavbou stává živým biologickým systémem

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v materiálovém inženýrství Samouspořádané materiály První impuls v přírodě (proteiny, DNA) V současnosti Slitiny Plasty Polovodiče Vodíkové vazby, Van der Waalsovy síly, hydrofilní a hydrofobní interakce, dipólové interakce Monovrstvy

Primární aplikace nanotechnologií Aplikace v biomedicíně/nanomedicíně Přesně kontrolované nanosytémy pro léčbu Sledování, opravování, stavbu a kontrolu člověka na molekulové úrovni Nanoroboti Sebereplikace Samooprava Bioimplantáty - biokompatibilita Cílená doprava léčiv Desinfekce Kontrastní látky Hypertermie

Primární aplikace nanotechnologií Elektromechanické systémy MEMS Kromě vrstevnatých struktur i mechanické části 1 mikron – 1 mm NEMS Velikost pod 1 mikron Top-down Litografie Bottom-up Nanochemie

Primární aplikace nanotechnologií Elektromechanické systémy Aplikovatelnost Mechanické oblasti Informačně komunikační oblasti Chemické a biologické oblasti

Primární aplikace nanotechnologií MEMS Akcelerometry Tlakové, proudové a plynové senzory Lineární a rotační členy Převody, motory Trysky Čerpadla Chemické senzory

Primární aplikace nanotechnologií MEMS BioMEMS – biočipy Optická komunikační technika – WDM Optické přepínače

Primární aplikace nanotechnologií NEMS Příprava oběma přístupy nanotechnologií Nanozařízení AFM hroty Biologické motory (DNA) Měření extrémně malých obsahů a sil

Primární aplikace nanotechnologií Další aplikace Vojenský průmysl Textilní průmysl NanoSonic – kovová pryž NanoSilver prádlo Nanospider – vlákna – Liberec

Další aspekty nanotechnologií Nanotechonologie neznamenají jen přínos, ale i rizika Dopady výroby, využití, likvidace, dopravy Sledování životního prostředí Až paranoidní – velmi nízké koncentrace Etické otázky Politické otázky Pronikání nanočástic buněčnými stěnami

Další aspekty nanotechnologií Hrozba nanočástic Nanočástice ve vzduchu, vodě, i půdě Vliv nanostrukturních látek na životní prostředí Rochester (NY, USA) Potkani – zauhlení mozku při vdechování uhlíkatých nanočástic 35 nm velké částice v čichovém laloku mozku Nanočástice se nedostávaly z krve, ale přes čichový nerv

Další aspekty nanotechnologií Hrozba nanočástic Vodní živočichové Perloočky Vystavení fullerenům Do 48 hodin poškození mozku podobné Alzheimerově chorobě Toxické účinky velmi málo prozkoumané Zplodiny dieselových motorů 25 milionů těchto částic s každým nádechem Nelze filtrovat Prostup membránami

Další aspekty nanotechnologií Zneužití nanočástic Vojenské aplikace Sebereplikace Nanoroboti Nové materiály – nové zbraně

Další aspekty nanotechnologií Etické a sociální aspekty Financování VaV Interakce společnosti a technologického vývoje Možnosti sledovat vývoj Vývoj lidských postojů a potřeb – směrování inovací Sociální aspekty Zavedení nanotechonologií do společenského života Zdraví, konkurence, rozvoj trhů Pokusy o eliminaci vlivu na společenský život

Další aspekty nanotechnologií Etické a sociální aspekty Přepracování zákonů Ochrana životního prostředí Bezpečnost zaměstnanců Kontrola výzkumu Přepracování mezinárodních dohod

Další aspekty nanotechnologií Financování nanotechnologií V současnosti nedostatečné Vývoj by mohl být rychlejší Nedostatečná infrastruktura Nedostatečný počet školících pracovišť Nedostatečný transfer do aplikační sféry

Pro dnešek vše 