KCH/NANTM Přednáška 11 Shrnutí.

Prezentace na téma: "KCH/NANTM Přednáška 11 Shrnutí."— Transkript prezentace:

1 KCH/NANTM Přednáška 11 Shrnutí

2 Definice základních pojmů
Nanoměřítko: 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

3 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

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

5 Analytické metody v NT

6 Mikroskopické metody

7 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)

8 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

9 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 x) Vysoké rozlišení (0,1 nm) Velká hloubka ostrosti Nejen topografie, ale i materiálové složení

10 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

11 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

12 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

13 Analytické metody v NT

14 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

15 XRD Difrakce především na elektronech Braggova rovnice

16 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

17 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

18 Struktura a vlastnosti NM

19 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

20 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

21 Struktura a vlastnosti NM
Nanočástice Nanostrukturní materiály Nanstrukturní vrstvy

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

23 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

24 Metody přípravy NM

25 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

26 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

27 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

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

29 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

30 Nanomateriály na bázi uhlíku

31 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

32 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)

33 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

34 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

35 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

36 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

37 NM na bázi jílů

38 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

39 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

40 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

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

42 Polymerní kompozity

43 Polymerní NM S jíly S uhlíkatými NM Samotné

44 Aplikace NM

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

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

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

48 Pro dnešek vše 