Transcript Nanotechnologie v přírodě


KCH/NANTM
Nanotechnologie a nanomateriály
2+0

Zkouška: písemná+ústní


◦ Pro postup k ústní části alespoň 60% bodů



Kl. 2190
C510
[email protected]





Definice pojmů
Historie
Přírodní nanotechnologie
Analytické metody užívané při zkoumání
nanomateriálů
Nanomateriály
◦ Na bázi uhlíku
◦ Na bázi jílových minerálů
◦ Ostatní kompozity


Aplikace nanotechnologií
Rizika spojená s nanotechnologiemi



Nanoměřítko: 1.10-9 m
Nanostruktury: alespoň 1 rozměr < 100 nm
Nanomateriály: základní strukturní jednotkou
jsou nanostruktury
◦ Virus: 100 – 1 nm
◦ 1 nm – 3-4 atomy
Metr
Decimetr
Centimetr
Milimetr
Mikrometr Nanometr

Nanověda
 Studium hmoty na atomární a molekulové úrovni
(výrazně odlišné vlastnosti)

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

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

Nanomateriál
 Vlastnosti určeny charakteristickými znaky (částice,
klastry, dutiny) o rozměrech 1-100 nm.

Nanostruktura
 Dostatečně malá, aby se mohly uplatňovat kvantové
jevy

Neobvyklé vlastnosti nanostruktur
 Odlišná elektronová struktura
 Transportní vlastnosti
 Výrazné uplatňování přitažlivých van der Waalsových
sil a odpudivých elektrostatických sil



Vysoce interdisciplinární obor
Vycházejí z přírodních věd
◦
◦
◦
◦
Chemie
Fyzika
Biologie
Matematika
◦
◦
◦
◦
◦
Přírodních věd
Medicíny
Elektroniky
Letecké a kosmické techniky
Materiálového designu
Zasahují do:

Richard Philips Feynman





1959 „There is Plenty of Room at the Bottom“
Manipulace s atomy a molekulami
Nobelova cena za fyziku
Mikrotechnologie
Norio Taniguchi
 1974 první použití pojmu „Nanotechnologie“
 Obrábění s tolerancí menší než 1 nm

K. Eric Drexler
 Základní stavební kameny – proteiny
 Navázal na Feynmana

80. léta 20. století
◦ skenovací tunelová mikroskopie
 Zobrazení jednotlivých atomů
◦ Objev fullerenů (C60)
◦ Pomocí STM napsán název firmy IBM na niklový plát
s použitím 35 atomů xenonu

90. léta 20. století
◦
◦
◦
◦
Příprava uhlíkových nanotrubiček
Příprava nanodrátků
Vedení elektrického proudu jednou molekulou
Tranzistor z uhlíkatých nanotrubic.

http://www.nano.gov/nanotech-101/what/working-nanoscale


Nanotechnologie nejsou „lidským výmyslem“
Příroda využívá nanotechnologie od svého
vzniku:




Každá chemická reakce
DNA
Proteiny
Koloidní roztoky

Lotosový efekt
 Lotos, řeřicha
 nanorozměrné chmýří odpuzující vodu

Gekon
 Nanochloupky/lamely
 Van der Waalsova vazba

Slávky jedlé
 Micely „lepidla“
 Přichycení k podložce

Svaly
 Svalová vlákna  myofibrily  aktinové a myozinové vlákno
(tato vlákna jsou tvořena proteiny  nanorozměry)

Šlachy
• Aminokyseliny (0,6 nm) protein kolagen (1nm) 
šroubovice vláknité struktury – mikrofibrily (3,5 nm). Tyto
struktury se pak dále spojují do větších struktur, až vzniká
fibrila (50-500 nm). Dále pak vznikají svazky těchto vláken a
konečně výsledná šlacha.

Vlasy
 Alfa-šroubovice (0,15 nm)  protofibrila (2nm) 
mikrofibrila (8 nm)  makrofibrila (200 nm)  buňka (2µm)
 vlas (20 µm)

Biomineralizace
 Mikroskopické biogenní minerály
 Schránky, vnitřní kostry
 Kalcit, apatit, aragonit
◦ Schránky mlžů
 Aragonit – křehký
 Proteiny – dodávají elasticitu
 3 hm. % stačí, aby schránka byla pevnější než krystal
vápence

Nanomateriály
◦
◦
◦
◦
◦

Příprava nanopráškových materiálů, nanočástic, kvantových teček, nanovláken.
Příprava kompozitních materiálů s obsahem nanočástic.
Uhlíkaté materiály (fullereny, nanotrubice).
Modifikované jílové minerály (anorganickými i organickými molekulami).
nanostrukturní kovy, nanokeramika a také např. nanokompozity na bázi polymerů.
Nanotechnologie pro ukládání a přenos informací, mikro- a
nanoelektronika
◦ Nanoelektronika a materiály a zařízení v ní používané.
◦ Nanofotonika, vývoj optických a magnetických materiálů.

Nanobiotechnologie, nanomedicína
◦ Problematika zacílení účinků léků jejich zapouzdřováním a cílenou dopravou
k postiženým tkáním.
◦ Problematika tkáňového inženýrství.
◦ Příprava biokompatibilních materiálů a rozhraní,
◦ Molekulární analýzou, diagnostikou a rozpoznáváním.

Nanotechnologie pro aplikaci v senzorech

Nanotechnologie pro (elektro)chemické technologie zpracování
◦ Vývoj velmi citlivých senzorů.
◦ Vývoj biomolekulárních senzorů.
◦ Problematika vývoje nových materiálů pro účinnější zpracování materiálů.
 Vývoj nových filtrů, membrán, molekulových sít, příp. umělých zeolitů.
 Přípravě nových katalyzátorů a nanostrukturních elektrod.

Dlouhodobý výzkum s širokou oblastí aplikace
◦ Široká oblast často na rozmezí předchozích zmíněných.




Samouspořádání (self-assembly).
Kvantová fyzika.
Chemické materiály a procesy (nanochemie).
Ultrapřesné (nanopřesné) inženýrství, např. i obrábění kovových předmětů.

Přístroje a zařízení, výzkum a aplikace technologií
◦ Vývoj nových metod analýzy.
 Nové analytické přístroje a metody.
◦ Vývoj nových metod přípravy nanomateriálů.
 Metody a zařízení na přípravu nanoprášků, nanovrstev a povlaků.
 Zařízení pro ultrapřesné obrábění.

Zdravotní, ekologické, etické, sociální a jiné aspekty
nanotechnologií
◦
◦
◦
◦
◦
Toxicitou nanočástic.
Ekologické aspekty.
Sociální a etické aspekty.
Patentová, popularizační problematika.
Ekonomická problematika – obchod s nanovýrobky.
Pro dnešek vše 