KCH/NANTM Přednáška 11 Shrnutí

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

Analytické metody v NT

Mikroskopické metody

Mikroskopické metody používané NT Optická mikroskopie Elektronová mikroskopie SEM TEM Mikroskop atomárních sil (AFM) Skenovací tunelový mikroskop (STM) Skenovací sondový mikroskop (SPM) Chemický silový mikroskop (CFM)

Optická mikroskopie Světelný (optický) mikroskop Paralelní zařízení Zvětšený obraz Rozeznávání detailů Přímo pozorovatelný/fotografovatelný obraz Obraz je zvětšován dvěma sadami spojených čoček Objektiv Okulár Největší zvětšení v obyčejném světle – 1500 x Konstrukce Tubus

Elektronová mikroskopie Mnohem větší rozlišovací schopnost U světelné mikroskopie limitována vlnovou délkou Elektronová mikroskopie – často < 1 Å Základní parametry Pozorování a zvětšování velmi malých předmětů Funkčně podobný světelnému mikroskopu Použití svazku urychlených elektronů Použití elektromagnetických čoček Nevýhody Vysoká pořizovací cena Výhody Velmi velké zvětšení (řádově 1.106 x) Vysoké rozlišení (0,1 nm) Velká hloubka ostrosti Nejen topografie, ale i materiálové složení

Elektronová mikroskopie Transmisní (prozařovací, TEM) Svazek elektronů prochází vzorkem Průchod elektronů najednou Fluorescenční stínítko Ultratenké řezy (50 nm) Skenovací (rastrovací, SEM, REM) Povrchy „tlustých“ vzorků Skenování (rastrování) povrchu po řádcích Rastrovací-transmisní Kombinace obou předchozích Environmentální rastrovací Nižší vakuum

Skenovací sondové mikroskopie Neoptické mikroskopie SPM AFM STM Zobrazení povrchu Nutné kalibrace Pohyb sondy v těsné blízkosti povrchu (několik nm) Velmi jemný pohyb sondy pomocí piezokrystalu Prodloužení či smrštění v závislosti na napětí Možnost manipulace

Skenovací sondové mikroskopie Nepoužívá se pojem zvětšení Nutná kalibrace rozměrů Mechanická část Stolek k upevnění vzorku Polohovací zařízení Sonda Elektrická část Napájení Zpětná vazba Sběr signálu Ovládání pohybu Tlumení mechanických vibrací

Analytické metody v NT

Rentgenová prášková difrakce Studium krystalů RTG záření Pronikavost (roste s frekvencí) Schopnost ionizace prostředí Luminiscenční účinky Fotochemické účinky Biologické účinky Spojité a Charakteristické záření Detektory Ionizační Scintilační Polovodičové Fotografické

XRD Difrakce především na elektronech Braggova rovnice

Vibrační spektroskopie Infračervená spektroskopie Absorpce (800 nm – 1 mm) NIR, MIR, FAR Musí dojít je změně dipólmomentu – asymetrické molekuly Typy vibrací Fundamentální, overtony, horké přechody Valenční, deformační Instrumentace Disperzní přístroje FT přístroje Měřící techniky Na průchod Odrazné

Vibrační spektroskopie Ramanova spektroskopie Rozptyl (UV, VIS, NIR) Rayleighův Stokesův Anti-stokesův Změna polarizovatelnosti Symetrické molekuly Instrumentace Disperzní přístroje FT přístroje Měřící techniky Různé úhly zachycování záření

Struktura a vlastnosti NM

Struktura a vlastnosti NM Rozměr Tvar Atomová struktura Krystalinita Mezifázové rozhraní Chemické složení Rozměry Molekuly – pevné částice < 100nm Vlastnosti určeny charakteristickými znaky Částice Klastry Dutiny 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

Struktura a vlastnosti NM Závislost vlastností Vlastnosti nanočástic Uspořádání nanočástic Vznik vnitřních struktur Přístupy Top – down Fotolitografie v elektronice Bottom – up Dispergované a kondenzované systémy Self-assembly

Struktura a vlastnosti NM Nanočástice Nanostrukturní materiály Nanstrukturní vrstvy

Nanomateriály v polovodičích Kvantové vrstvy 2D systém Třetí rozměr 1 - 3 nm Kvantové drátky 1D systém Kvantové tečky Kvantové klastry Zvláštní struktura

Self-assembly Samouspořádání struktur Souvisí s: Pokles volné energie Van der Waalsovými silami (přitažlivé) Coulombickými silami (odpudivé) Vodíkové můstky Hydrofilní/hydrofobní interakce Pokles volné energie Biologické struktury Polymery Slitiny Samouspořádání při vzniku Samoopravné materiály

Metody přípravy NM

Metody přípravy NM Individuální přístup k různým materiálům Výsledné struktury je vždy nutné analyzovat Technonologie často spojována se vznikem polovodičových struktur P/N přechod Vytváření horizontálních struktur – litografie Vytváření vertikálních struktur – epitaxe Sol-gel metoda

Litografie Hromadné chemicko-fyzikální zpracování Hladký povrch Substráty Si Sklo GaAs Horizontálně členěné struktury Členění: EUV/RTG litografie Fotolitografie Elektronová litografie Iontová projekční litografie Reaktivní iontové leptání

Epitaxe Velmi často aplikovaná Vertikální nanostruktury Přesně kontrolovaná výstavba materiálů a povrchů Křemíkový substrát Dělení Homoepitaxe – substrát i vrstva stejné makrosložení Heteroepitaxe – různé makrosložení Rheotaxe – Podložka je kapalina-tavenina, vrstva – tuhá Grafoepitaxe – (diataxe, umělá epitaxe), substrát je amorfní (sklo) s upraveným povrchem

Epitaxe Typy Z pevné fáze Z kapalné fáze Z plynné fáze PVD CVD Epitaxe z molekulových svazků (MBE)

Sol-gel metoda Amorfní, amorfně-krystalické i krystalické materiály Homogenizace výchozích složek v roztoku Přechod Sol-gel Zůstává zachována homogenita 3 fáze Příprava solu – nízkomolekulární prekurzory Gelace solu Odstranění rozpouštědla Materiály s velkou variabilitou vlastností Jemné prášky Monolitická keramika a skla Keramická vlákna Anorganické membrány Tenké filmy Aerogely

Nanomateriály na bázi uhlíku

Uhlíkaté nanomateriály Uhlík v přírodě Amorfní Krystalický Uhlíkaté NM Fullereny Sférické molekuly Uhlíkaté nanotrubičky Prodloužené fullereny Uhlíkaté nanopěny Zahřátí pulsním laserem na extrémní teplotu (10000 °C) Extrémně lehká Feromagnetická Grafen Uhlíkaté aerogely

Fullereny Nejčastěji C60 Laserová ablace grafitu Prudké ochlazení Výskyt v přírodě Saze Uhelné vrstvy Fulgurity Meteority Plamen svíčky – žlutá část Laboratorní příprava C60 Vysoké výtěžky (50 %) Obloukový výboj (C elektrody)

Fullereny 20 a více atomů uhlíku Mnohostěny „kulovitého“ tvaru Nejstabilnější C60 Průměr 1 nm Extrémní odolnost vůči vnějším fyzikálním vlivům Další struktury Fullerity Dimery/polymery Filleridy

Uhlíkaté nanotrubičky Podobný způsob přípravy jako fullereny (CVD metody) Velmi dlouhé (mikrony) Průměr několik nm Čistě uhlíkaté Čestičlenné kruhy Různé typy Duté, plné, vícevrstvé… Jednovrstvé/vícevrstvé Uzavřené/otevřené

Grafen Jedna nebo několik málo grafitických vrstev Příprava CVD metoda Chemicko-mechanická dekompozice grafitu Oxidace grafitu (KMnO4 + H2SO4) Oddělení vrstev v ultrazvuku Zpětná redukce Metoda Lepící pásky

Aerogely Přechodná oblast Podstatnou část tvoří vzduch Organické Uhlíkaté Anorganické Si, Ti, Al Podstatnou část tvoří vzduch Velmi nízká hustota Vysoká pevnost Příprava metodou Sol-gel

NM na bázi jílů

NM na bázi jílů Přírodní materiály Některé rozměry v nanoměřítku Jíl Materiál s obsahem jílových minerálů (aluminosilikátů) Materiál s částicemi < 2 µm Časté směsi dvou a více jílových minerálů Schopnost sorpce a iontové výměny Schopnost vázat vodu Chování při zahřívání Reakce s organickými látkami

NM na bázi jílů Vrstevnatá struktura Nejstudovanější Tetraedrické a oktaedrické sítě 1:1, 2:1 Nejstudovanější Kaolinity Montmorillonit Vermikulity Značné využití už u surových materiálů

NM na bázi jílů - interkaláty Umístění různých molekul do mezivrství Organické molekuly Polymery Komplexní ionty Anorganické interkaláty Monoiontové formy Kysele aktivované materiály Komplexní kationy Pilarizace

NM na bázi jílů - interkaláty Organické Kationy Tenzidy Barviva Polymery Polymery – zvláštní případ Polymer – matrice Interkalace až exfoliace Lepší pevnostní vlastnosti

Polymerní kompozity

Polymerní NM S jíly S uhlíkatými NM Samotné

Aplikace NM

Primární aplikace NT 3 základní aplikační oblasti Nanorobotika (NEMS) Materiálové inženýrství Molekulární nanotechnologie Aplikace v elektronice Materiály Spintronika Senzory

Primární aplikace NT Materiálové inženýrství Medicína Vrstvy Kompozitní materiály Samoopravné materiály Medicína Cílená doprava léčiv Nové léčebné postupy Biokompatibilita

Hrozba NT Neznámá toxicita nanočástic a nanomateriálů Vliv na životní prostředí Vliv na společnost Možnost zneužití

Pro dnešek vše 