Od sazí k nanotrubičkám a ještě kousek dál…

Prezentace na téma: "Od sazí k nanotrubičkám a ještě kousek dál…"— Transkript prezentace:

1 Od sazí k nanotrubičkám a ještě kousek dál…
Václav Slovák Gabriela Hotová katedra chemie, Přírodovědecká fakulta Ostravská univerzita v Ostravě

2 Uhlík a my počátek letopočtu – let … využívání ohně

3 Uhlík a my počátek letopočtu asi 50 000 let … schopnost rozdělat oheň
– let … využívání ohně

4 Uhlík a my počátek letopočtu
asi let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi let … schopnost rozdělat oheň – let … využívání ohně

5 Uhlík a my počátek letopočtu asi 5 000 let
… cílená výroba dřevěného uhlí (střelný prach, železo) … využívání kamenného uhlí asi let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi let … schopnost rozdělat oheň – let … využívání ohně

6 Uhlík a my počátek letopočtu asi 4 000 let … grafit asi 5 000 let
… cílená výroba dřevěného uhlí (střelný prach, železo) … využívání kamenného uhlí asi let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi let … schopnost rozdělat oheň – let … využívání ohně

7 Uhlík a my počátek letopočtu asi 3 000 let … diamanty
asi let … grafit asi let … cílená výroba dřevěného uhlí (střelný prach, železo) … využívání kamenného uhlí asi let … jeskynní malby (dřevěné uhlí, saze) asi let … schopnost rozdělat oheň – let … využívání ohně

8 Uhlík a my asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

9 Uhlík a my 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí
počátek letopočtu

10 Uhlík a my 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky
koksárny na Ostravsku od 40. let 19. stol 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

11 Uhlík a my 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík
17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

12 Uhlík a my 19. stol. … aktivní uhlí, živočišné uhlí, saze
18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

13 Uhlík a my 1953 … umělé diamanty
19. stol. … aktivní uhlí, živočišné uhlí, saze 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

14 Uhlík a my ? 2004 … grafen 1991?… uhlíkové nanotrubičky
1989 … uhlíkaté aerogely 1985 … fullereny 1953 … umělé diamanty 19. stol. … aktivní uhlí, živočišné uhlí, saze 18. stol. … grafit a diamant jsou uhlík 17. stol. … výroba koksu 16. stol. … grafitové tužky asi 13. stol. … těžba uhlí počátek letopočtu

15 Uhlíkaté aerogely Gel = pevná struktura (síť) vyplněná tekutinou

16 Uhlíkaté aerogely Aerogel = pevná struktura (síť) vyplněná vzduchem (až 99,9%)

17 Uhlíkaté aerogely Jak vysušit gel? normální sušení (xerogel)
mrazové sušení = lyofilizace (kryogel) superkritické sušení (CO2) (aerogel)

18 Uhlíkaté aerogely Aerogely z SiO2 („zmrzlý dým“)

19 Uhlíkaté aerogely Příprava organický gel sušení pyrolýza
reakce vhodných organických látek v roztoku sušení pyrolýza zahřátí v inertním plynu

20 Uhlíkaté aerogely Vlastnosti porézní charakter!!! velký vnitřní povrch
velké i malé póry lze kontrolovat velký vnitřní povrch elektrická vodivost odolnost při vysokých teplotách chemicky stálé dobré mechanické vlastnosti

21 Uhlíkaté aerogely

22 Uhlíkaté aerogely Otazníky Výzvy definovaná příprava !?
cena výchozích surovin a zpracování (superkritické sušení) Výzvy modifikace uhlíkaté kostry jinými atomy nebo povrchovými skupinami kovy

23 Fullereny Buckminster Fuller architekt

24 Fullereny Fulleren = forma uhlíku tvořená kulovitými molekulami (šesti- a pětiúhelníky) 1996 Nobelova cena za chemii

25 Fullereny příprava elektrický oblouk mezi grafitovými elektrodami
vyluhování z vhodně upravených sazí

26 Fullereny

27 Fullereny Vlastnosti a použití stabilita × reaktivita (záření) …
transport léčiv umělá fotosyntéza supravodivé materiály solární články… …

28 Fullereny Vlastnosti a použití
antioxidanty a „lapače“ volných radikálů

29 Fullereny Velká očekávání × málo reálných aplikací
Fullereny vedly k objevu uhlíkových nanotrubiček výzkum se „rozředil“

30 Uhlíkaté nanotrubičky
= forma uhlíku tvořená válcovitými molekulami (jen šestiúhelníky) jednostěnné, vícestěnné příprava podobná fullerenům katalýza kovy

31 Uhlíkaté nanotrubičky
Vlastnosti pevnější než ocel tvrdší než diamant skvělé vodiče (podél trubičky) skvělé izolanty (kolmo na trubičky)

32 Uhlíkaté nanotrubičky
Použití (současnost) kompozitní materiály místo uhlíkových vláken

33 Uhlíkaté nanotrubičky
Použití (současnost) elektromateriály vodivé polymery baterie elektrody

34 Uhlíkaté nanotrubičky
Použití (budoucnost???) umělé svaly superpevná lana

35 Uhlíkaté nanotrubičky
Hledání nových tvarů = funkcí

36 Grafen

37 Grafen Historie 1947, P. R. Wallace 1987 2004, A. Geim a K. Novoselov
teorie grafenu 1987 zaveden termín grafen 2004, A. Geim a K. Novoselov izolace grafenu pomocí lepící pásky 2010, A. Geim a K. Novoselov Nobelova cena (fyzika)

38 Grafen Grafen = forma uhlíku, jejíž struktura se skládá z jedné vrstvy atomů uhlíků uspořádaných v šestiúhelníkové mřížce -- 3 miliony graphene sheets na sebe  crystal of graphite, 1 mm thick

39 0D 1D 2D 3D Grafen fulleren uhlíkatá nanotrubička grafen grafit
Graphene is a two-dimensional (2D) material in the form of carbon on the honeycomb lattice that is the "mother" of all other allotropic forms of carbon: zero-dimensional (0D) fullerenes or buckyballs, one-dimensional (1D) carbon nanotubes, and three-dimensional (3D) graphite. Graphene was discovered in 2004 by Andre Geim's group at Manchester University in England. The electronic properties of graphene are very unusual because the elementary excitations are not ordinary electrons but Dirac fermions, relativistic particles that propagate with a velocity which is 300 times smaller than the speed of light. Hence, graphene can be used as a bench-top particle-physics laboratory to study fundamental interactions in matter. Furthermore, graphene can be studied to be used as electronic devices such as atomically thin transistors, electronic waveguides, and sensitive chemical sensors. Read more here: uhlíkatá nanotrubička grafen grafit

40 Grafen Příprava Zdola nahoru Shora dolů
CVD – chemická depozice uhlovodíků z plynné fáze Epitaxní růst na SiC Chemickou přeměnou Rozbalením uhlíkaté nanotrubičky Organickou syntézou Odlupování vrstvy grafenu z grafitu Redukcí (chemická, tepelná) oxidu grafenu CVD je chem.proces vyuzivany pro pripravu tenkych filmu. Pro depozici se vyuziva smes chem.reaktivních plynů (methan, ethan) zahratou na teplotu °C. Smes je privadena v plynne fazi na substrat, na jehož povrchu vzniká vrstva pozadovaneho materialu. Substrat (Fe, Cu) Epitaxni rust – proces, při kterem na povrchu substratu roste tenka krystalicka vrstva. Krystalicka mrizka nove vznikajici vrstvy navazuje na krystalickou mrizku substratu. CVD SiC

41 Grafen Vlastnosti nejtenčí nejpevnější lehký
tvrdší než diamant a 300 krát tvrdší než ocel elektricky i tepelně vodivý (lépe než měď) pružný (může být protáhnut až o 20% své délky) velký měrný povrch (~3000 m2/g) nepropustný pro plyny Grafen je vyborny vodič, elektrony jsou schopny prochazet skrz grafen snadněji než přes měď

42 Grafen Použití Flexibilní elektronika
Flexibilní transparentní elektrody Plynové detektory Solární články Automobily, letadla, brnění Antibakteriální účinky

43 Grafen

44 „Graphene will have its place, but it will just take longer than people think.“
Peter L. Antoinette „Budoucnost uhlíkových nanotrubiček skončila v roce 2004 – okamžikem přípravy grafenu!“ anonym

45 Budoucnost??? Chaoit = bílý uhlík
místa dopadu velkých meteoritů do grafitu forma uhlíku, kterou neumíme připravit zajímavé elektrické vlastnosti

46 Budoucnost??? bct-uhlík (2010) T-uhlík (2011) M-uhlík ???
krychlový uhlík (2008?)

47 Budoucnost??? Diamant Lucy průměr asi 4000 km uhlík + kyslík

48 Budoucnost???