Nanotechnologie v přírodě
Download
Report
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