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