Univerzita J.E. Purkyně v Ústí nad Labem
Chování látek v nanorozměrech Pavla Čapková Přírodovědecká fakulta Univerzita J.E. Purkyně v Ústí nad Labem Březen 2014
Chování látek v nanorozměrech: Co se děje když zmenšujeme rozměr materiálů z makro → nanorozměrům ???????
Změna fyzikálních a chemických vlastností
Změna počtu povrchových atomů vzhledem k celkovému počtu atomů
2 nm
1 nm
0.75 nm
Při přechodu od makro- a mikro- k nanočásticím se dramaticky mění plocha povrchu k celkovému objemu vzorku a počet atomů na povrchu vzhledem k
celkovému počtu atomů
vliv
na fyzikální a chemické vlastnosti látek
Poměr počtu povrchových atomů Ns a celkového počtu atomů Nv - Ns/Nv pro kulovou částici, obsahující celkem Nv atomů.
1. Vliv nanorozměrů na strukturu Povrchové atomy – slabě vázané menší počet vazeb ???? Důsledky????? Kontrakce mřížových parametrů s klesajícím rozměrem nanočástice
2. Vliv nanorozměru částic na chemickou reaktivitu a vlastnosti dané velikostí povrchů. Přímým důsledkem zmenšení velikosti je obrovský nárůst povrchové plochy na jednotku hmotnosti. Zvětšení povrchové plochy (na jednotku hmotnosti) má za následek zvýšenou chemickou reaktivitu.
Katalýza, fotokatalýza, oxidace, rozpustnost ………… Vyšší účinnost katalytických procesů, rozpustnost, mísitelnost…..
3. Vliv nanorozměru na tepelné vlastnosti Vliv na teplotu tání Závislost teploty tání na velikosti nanočástic Sn
Závislost teploty tání na velikosti nanočástic Au
Au Tt pro Au 1319°K
4. Vliv nanorozměru na teplotu fázových přechodů Příklad: ZrO2 v makro-objemu při atmosferickém tlaku a pokojové teplotě má monoklinickou strukturu a při teplotě 1100°C dojde k fázovému přechodu na tetragonální strukturu. V nanorozměrech je tetragonální forma stabilní už při pokojové teplotě.
Teplota fázového přechodu ZrO2 jako funkce průměru nanočástice monoklinická
5. Vliv nanorozměru na optické vlastnosti Vlnová délka světla dopadajícího na nanočástici rozměr částice
Oblast, ve které dochází k maximální absorpci fotonů, se liší pro různě velké částice, a proto se v závislosti na velikosti mohou částečky zlata jevit jako červené, modré nebo zlaté. Pět roztoků s nanokrystaly různé velikosti bylo excitováno UV zářením stejné vlnové délky. Barva roztoků je určena rozměry nanočástic.
Pásová teorie pevných látek Překryv dvou p orbitalů atomů stejného prvku – dva nové orbitaly
V pevné látce: Pokud místo dvou orbitalů, použijeme N orbitalů, kde N je velmi velké číslo, získáme soubor N nových orbitalů, které vytvoří v podstatě souvislý energetický pás .
Vodivostní pás Energie elektronů v pevné látce Zakázaný pás
Pásová struktura: a) kovů, b) izolátorů a c) polovodičů
Valenční pás
Vliv nanorozměru na elektronovou struktutru
nanočástice
pevná látka
Kvantové tečky
Schopnost pracovat s jednotlivými fotony!!!!!
Fluorescence nanočástic polovodiče CdSe ozářeného UV stejné vlnové délky
Rostoucí velikost nanočástic od 1 do 20 nm
Nanotechnologie v historii Lykurgovy poháry: pocházejí ze 4. stol. n.l. z období Římské říše (nyní v Britském muzeu) Je-li pohár pozorován v odraženém světle, např. denním světle, je zelený. Je-li zdroj světla umístěn dovnitř poháru, pohár je červený. Je známo jen několik těchto pohárů, všechny jsou římské. Chemická analýza pohárů ukázala, že sklo obsahuje 73 % SiO2, 14 % Na2O a 7 % CaO, tedy složení podobné moderním sklům. Sklo pohárů však obsahuje malé množství zlata (cca 40 ppm) a stříbra (cca 300 ppm). Tyto kovy se ve skle nacházejí ve formě nanokrystalů o rozměru cca 70 nm. Nanokrystaly v pohárech jsou slitinou zlata a stříbra v poměru 3:7. Není známo, jakou technologii výroby těchto pohárů a podobných artefaktů římští skláři používali.
Glazury renesanční keramiky obsahují nanočástice mědi a stříbra.
Nanočástice kolem nás Zdroje nanočástic v ovzduší: • • • •
průmyslové výroby požáry ohňostroje doprava
Riziko při vdechování (azbest, nanotrubky, uhlíkaté nanomateriály) Vliv na zdraví a životní prostředí je stále předmětem výzkumu Nanočástice x Nanostrukturovaný materiál
Zdroje a doporučená literatura ke studiu: •
“Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology”, Editor H. S. Nalva, American Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, 2004, ISBN: 1-58883-058-6/
•
“Nanomaterials and nanochemistry” Catherine Bréchignac, Philipe Houdy, Marcel Lahmani, editors, Springer,2006, ISBN 978-3-540-72992-1
•
“Nanotechnology – Science, Innovation and Opportunity”, L.E. Foster, Pearson Education. Inc. 2006, ISBN: 0-13-70-2575-0
•
“Nanotechnology, basic science and emerging technologies”, 2002, ACRC Press
company, M. Wilson, K. Kannangara, G. Smith, M Simmons, B. Raguse •
Nanostruktura uhlíkatých materiálů, Z. Weiss, G.Simha Martynková, O. Šustai, tisk Repronis Ostrava, 2005, ISBN 80-7329-083-9
