Transcript KCH/NANTM

Přednáška 8
Nanomateriály na bázi jílů, polymerní nanokompozity, využití NT

Nanokompozity založené na jílových minerálech
◦ Interkaláty
 Pilarizace
◦ Nosiče nanočástic



Polymerní nanokompozity
Primární aplikace nanotechnologií
Další aspekty nanotechnologií

Umístění různých molekul do mezivrství
◦ Organické molekuly
◦ Polymery
◦ Komplexní ionty

Modifikace struktury
◦ Hostitelská struktura
◦ Host

Cíle
◦ Změna fyzikálních a chemických
vlastností

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





Především vznik organicko-anorganických
kompozitů
Vývoj nových materiálů s předem danými
vlastnostmi
Často interkalace polymery
Označení: Jílový nanokompozit
Různé typy nanokompozitů

Anorganické
◦
◦
◦
◦
Monoiontové formy
Kysele aktivované materiály
Komplexní kationy
Pilarizace
a)
mezivrství
s hydratovanými
kationty
teplota 450 °C
pilíř
[Al13O4(OH)24(H2O)12]7+
b)
tetraedrická vrstva
oktaedrická vrstva
tetraedrická vrstva
Al137 polykatin
(Kegginův)
tetraedrická vrstva

Anorganické
◦
◦
◦
◦
Katalyzátory
Porézní materiály
Sorbenty
Molekulová síta

Organické
◦ Kationy
H 3C
N
H 3C
CH3
Br
-
CH3
 Tenzidy
 Barviva
◦ Polymery
+
Cl
N
+
-
CH3

Metody přípravy
◦
◦
◦
◦

In-situ polymerizace
Interkalace z roztoku
Interkalace tavením
Srážení polymeru a jílu
Delaminované struktury
◦ Homogenní rozptyl jílu

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

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

Hustota rozložení náboje
◦ Uspořádání interkalátů

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

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

Nosiče nanočástic
◦
◦
◦
◦
Ag
ZnS, CdS
Magnetické
TiO2
 Velký povrch a porozita – i interkalace
◦ Fotokatalýza
◦ Magnetické nanokompozity
◦ Antibakteriální materiály


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

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

Změna struktury samotných polymerů

Dendrimery
◦ Soustavy molekulových kaskád
◦ Vysoká uspořádanost





Houževnaté materiály
Odolné materiály
Ochranné vrstvy
Magnetické senzory
Katalyzátory

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
Nanotechnologie v elektronice

Oblast počítačů a sítí
◦ Vysokokapacitní záznamová média
◦ Logické obvody





Telekomunikace
Vysokokapacitní akumulátory
Nanovrstvy
Palivové články
Snaha o snížení energetických ztrát
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
Aplikace v elektronice

Nanotranzistory a čipy
◦
◦
◦
◦
◦
Molekulární tranzistory
Nanotrubičky
Vysoká pracovní rychlost (frekvence)
Problémy se sériovou výrobou
Vývoj i na bázi Si
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
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
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
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
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
Aplikace v materiálovém inženýrství

Tenké filmy/vrstvy
◦ Ochranné filmy
 Povrchová odolnost
 Optické vlastnosti
◦ Tvrdé filmy
◦ Nanolitografie
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
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
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
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
Elektromechanické systémy

MEMS
◦ Kromě vrstevnatých struktur i mechanické části
◦ 1 mikron – 1 mm

NEMS
◦ Velikost pod 1 mikron

Top-down
◦ Litografie

Bottom-up
◦ Nanochemie
Elektromechanické systémy

Aplikovatelnost
◦ Mechanické oblasti
◦ Informačně komunikační oblasti
◦ Chemické a biologické oblasti
MEMS







Akcelerometry
Tlakové, proudové a plynové senzory
Lineární a rotační členy
Převody, motory
Trysky
Čerpadla
Chemické senzory
MEMS



BioMEMS – biočipy
Optická komunikační technika – WDM
Optické přepínače
NEMS





Příprava oběma přístupy nanotechnologií
Nanozařízení
AFM hroty
Biologické motory (DNA)
Měření extrémně malých obsahů a sil
Další aplikace


Vojenský průmysl
Textilní průmysl
◦ NanoSonic – kovová pryž
◦ NanoSilver prádlo
◦ Nanospider – vlákna – Liberec



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
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
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
Zneužití nanočástic

Vojenské aplikace
◦ Sebereplikace
◦ Nanoroboti
◦ Nové materiály – nové zbraně
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
Etické a sociální aspekty

Přepracování zákonů
◦ Ochrana životního prostředí
◦ Bezpečnost zaměstnanců
◦ Kontrola výzkumu

Přepracování mezinárodních dohod
Financování nanotechnologií

V současnosti nedostatečné
◦
◦
◦
◦
Vývoj by mohl být rychlejší
Nedostatečná infrastruktura
Nedostatečný počet školících pracovišť
Nedostatečný transfer do aplikační sféry
Pro dnešek vše 