NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočástice, nanostruktúry-důmyslné formy hmoty) Důmyslné formy hmoty otvírající široký prostor převratnému vývoji vědy a novým technologiím Anton Fojtík *Faculty of Biomedical Engineering, Czech Technical University in Prague, Czech Republic * fojtiant@fbmi.cvut.cz 1

between single atoms or molecules and bulk materials. NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 In the EUREKA framework I earlier 80th on the way of research to miniaturization of chips and integrated circuit. Scientists look very hardly for new materials. Počátek v neúspěchu!! During the past three decades, “small-particle” research has become quite popular in various fields of physics and chemistry. By “small particles” are meant clusters of atoms or molecules of metals, semiconductors and others materials, ranging in size from < 1 nm to almost 10 nm or having agglomeration numbers from <10 up to a few hundred, i.e., species representing the „ neglected dimension „ between single atoms or molecules and bulk materials. 2

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 CdS CdS CdS Weller H., Fojtik A., Henglein A.: Photochemistry of Semiconductor Colloids:Properties of Extremely Small particles of Cd3P2 and Zn3P2. Chem.Phys.LettVoI.117, No.5 (June 1985) p.485 3

Optické nelineární vlastnosti nanočástic. NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 Optické nelineární vlastnosti nanočástic. Na mřížkách dochází k odrazu a zesílení o 20-30 procent. Mřížky jsou známé tím, že pod určitým úhlem odrážejí světlo podobně jako zrcadla (účinnost je obvykle 30-70%). V nanostrukturách je možno pomocí zkřížených laserových paprsků vytvořit mřížku, která odráží z opačné strany světlo s účinností větší než 100% (obvykle 100-120%). Zesílením světla na těchto strukturách je možné rekonstruovat porušené kosmické signály nebo zvyšovat výkon laseru vícenásobným odrazem (využití ve vojenské technice). 4

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 Fojtik A.: Quantum State of Small Semiconductor Clusters-"Exciton". Radiat.Phys.Chem. Vo1.28, No 5/6 (1986) p.463

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 8

Exciton je vázaný stav elektronu a díry v izolátoru nebo polovodiči - je to vlasně Coulombická interakce páru electron-díra.Je to záklaní excitace v pevní látce.Představa vzniku excitonu je následující: foton po absorbci v polovodiči excituje electron z valenčního pásu do vodivostního pásu.Místo které opustil electron ve valenčním pásu je kladně nabité, nazýva se díra a vytváři podstatu Coulumbické síly. Exciton se vytvoří vazbou elektronu s dírou s energii nepatrně menší než je volný nevázaný electron a díra. Vlnová funkce tohoto vázaného stavu vychází ze stejného popisu jako u atomu vodíku. Avšak vazební energie je mnohem menší a rozměr mnohem větší něž vodíkový atom v důsledku efetku stínění a efektívních hmot ( nosičů náboje) v uvažovaném materialu. Exciton může byt chápan ve dvou limitních modelech,které závisejí na vlasnostech studovaného materialu. V polovodičích je dialektrická konstanta všeobecně velká a má za následek stínící nebo zeslabující vliv na Coulumbickou interakci mezi elektronem a dírou.Modelem je Mott-Wannierův exciton, který má poloměr mnohem větší něž rozměr mřížky (mřížkové konstanty).Když zde uvažujeme malou efektívní hmnotu elektronu a díry , dostaneme vazební energii mnohem menší něž u vodíkového atomu,typicky kolem 0.1 eV. V izolátorech má exciton snahu byt mnohem menší,s rozměrem stějně velkým jako rozměr mřížky,takže electron a díra sedí na stejnom místě ( v rozměrum mřížky).Tento model je nazývan Frenklův exciton. Pravděpodobnost,že electron spadně do díry (anihiluje s ní) je limitováno potížemi pri strátě (vyzáření) rekombinační energie,což má za následek relativně dlouhý poločas rekombinace.(Poločas kolem několika milisekud byl pozorován u oxidu mědi CuO).Dalším limitujícím faktorem pravděpodobnosti rekombinace je prostorový překryv vlnové funkce elektronu a díry (podmínky rekombinace elektronu a diry).Tento překryv je malý pro “lehké” elektrony a “lehke” díry a take pro vyšší excitované stavy. Existence excitonových stavů může byt odvozená z absorbce světla, spojenou z jejich excitací..Exciton je typicky pozorován nepatrně pod “band gapem”. Podobně můžeme si exciton představit jako excitovaný stav atomu nebo iontu a jeho pohyb po krystalové mřížce. Exciton se může vázat z druhým excitonem a vytvářet biexciton, analogicky jako vodíkové molekuly. Když je populace excitonů (jejich hustota) v látce veliká,mohou mezi sebou interagovat a vytvářet electron-děrovou kapalinu. (Viz.pozitronium)

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 10

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 ž 14

l nm 206 246 274 Seznam polohy naměřených maxim u nanočástic CdS 302 NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 Seznam polohy naměřených maxim u nanočástic CdS l nm 206 246 274 302 324 342 360 370 381 395 Fojtik A.,Weller H.,Koch U.,Henglein A.: Phochernistry of Colloidal Metal Sulphides.Photo-physics of extrernly srnall CdS parisles:Q -state CdS and Magic Agglomeration Numbers. Ber.Buns.Phys.Chem. 88,969 (1984)   Fojtik A., Weller H., Henglein A.: Photochernistry of Serniconductor Colloids: Size Quantization Effects in Q-Cadmium Arsenide. Chem.Phys.Letters VoI.120,No.6 (October 1985) p.552

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 Henglein A., Fojtik A., Weller H.: Reaction on Colloidal Semiconductor Particles. Ber.Buns. Phys.Chem. 91, 441, (1987) Weller H., Schmidt H.M., Koch U., Fojtik A., Henglein A.: Photochemistry of Colloidal Semiconductors. Onset of Light Absoption as a Function of Size of Extremely Small CdS Particles. Chem.Phys.Letters 124, 557 (1986) m 12 18 24 32 40 48 56 64 72 84 l nm 206 246 274 302 324 342 360 370 381 395

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 1959 (1984) V prosinci roku 1959 nastíil přední fyzik Richard Feynman v přednášce "Plenty of Room at the Bottom„ Popsal jeden z budoucích fyzikálních záměrů a to tvorbu, vizualizaci velmi malých molekulárních objektů a následně se zmínil, že za pár desetiletí toto již bude možné. Jako příklad toho, co by mohlo být možné, Feynman teoreticky demonstroval, že všechny dosud nashromážděné zapsané informace o tomto světě by mohli být zapsány na krychličku se stranou dlouhou půl milimetru, což je velké asi jako nepatrné zrnko písku, stěží rozeznatelné okem člověka. Feynman neřekl, jak se tohoto úkolu zhostit, ale přenechal ho jiným, a ti ho za 40 let, i přes původní skepsi většiny vědecké komunity, dovedli do současné podoby. Nanovědu bychom si mohli představit jako vědu, kde je realita úplně převrácená. Hlavní myšlenkou je dělat velké věci pomocí velmi malých věciček s odlišnými vlastnostmi od jejich velkých ekvivalentů, které důvěrně známe.

Dr. Wolfgang Ostwald napsal v roce 1915 známou knihu koloidní chemie NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 1915 Dr. Wolfgang Ostwald napsal v roce 1915 známou knihu koloidní chemie „Svět zapomenutých rozměrů“. V této knize se zabýval materiálními objekty, které leží mezi makrolátkou a molekulární strukturou malých částic až po úroveň jednotlivých molekul. Pojednává o rozměrové oblasti, fyzikálních a chemických vlastnostech malých koloidních částic. Změnu barvy a chemického chování. Nanovědu bychom si mohli představit jako vědu, kde je realita úplně převrácená. Hlavní myšlenkou je dělat velké věci pomocí velmi malých věciček s odlišnými vlastnostmi od jejich velkých ekvivalentů, které důvěrně známe.

1980 BERLIN (SRN) Hahn-Meitner-Institut NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 1980 BERLIN (SRN) Hahn-Meitner-Institut Feynman 1959, Oswald 1915 19

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 V současné době je věda na takové úrovni, že nám umožňuje nejenom nahlížet do přírodních procesů, které se odehrávají uvnitř hmoty a ovlivňovat je, ale dovoluje s těchto prostorů vyjmout malé části hmoty a manipulovat s jejich fyzikálnimi a chemickými vlastnostmi. Tyto procesy se odehrávají v prostorové oblasti, kde se projevuje kvantová nerovnovážnost hmoty. Předpona “nano” znamená miliardtina (10-9) a v podstatě vystihuje to, o čem celá “nanověda” je, totiž o zkoumání struktur velikosti  řádu nanometrů a posléze hledání užitečných aplikací Několikanásobným zvětšením prostoru zkoumáme jeho nanoskopické vlastnosti. 20

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 Nanostruktury představují oblast, kterou poznává věda a technika v posledních letech. Je to rozšíření našich obzorů o přírodě kolem nás do větších detailů. V rozměrové oblasti můžeme nano-strukturu přiblížit představou hledání zrnka máku na cestě z Aše do Košíc, nebo golfového míčku straceného na cestě kolem rovníku. Golf ball 21

Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 Nanotechnologie je interdisciplinární vědecká oblast Problematika nanostruktur je interdisciplinární oblast na překryvu chemie, fyziky, biologie a matematiky, eventuálně dalších, která zakládá možnost popisu, studia a využití v těchto směrech. Nanofyzika, nanochemie, nanobiologie a částicové nanostruktury jsou kategorie současné nanovědy, které tyto vlastnosti a procesy popisuje a studuje. 22

nanočástice a nanostruktúry mají společný fenomén: NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 nanočástice a nanostruktúry mají společný fenomén: unikátní fyzikální a chemické vlastnosti, které jsou rozdílné od makrolátky a jsou hlavně takové, které se v makrosvětě nevyskytují.   Železo – Fe – rozpustné, žluté. CdAs – polovodič - červený až žlutý, svítí (luminiscence), rozpustný. Uhlík – červený, rozpustný. Si – polovodič - svítí (luminescene), rozpustný v org. kap., bl. žlutý a pod. Nebývalé optické, elektrické a magnetické vlastnosti!!! Nanoceramika vydrží teplotu přes 2000°C (Space shuttle) . Nanovlákna (např uhlíkové) s makrolátkou vytvářejí nanokompozity Kevlar Liberec s unikátními super-vlastnostmi (např.váhou 14x lehčí než ocel a s 10x větší pevností) Unikátní vlastnosti vyplývají z jejich fyzikální podstaty a ta je dána jejich rozměrovým vymezením – jinými slovy – prostorem, ve kterém vznikají. 23

NANO – fascinující fenomén současnosti (nanočastice, nanostruktury-důmyslné formu hmoty. ČVUT FJFI Praha 5.3.2015 KONEC 1. ČÁSTI 24