Funkční nanostruktury Pavla Čapková
Centrum nanotechnologií na VŠB-TU Ostrava
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Centrum nanotechnologií na VŠB-TUO
■ Nanomateriály Sorbenty Katalyzátory a fotokatalyzátory Antibakteriální nanokompozity Nové lékové formy Nanokompozitní mateiály uhlíkaté a polymerní
■ Nanotoxicita Environmentální riziko nanočástic ■ Analytické metody a diagnostika nanomateriálů: Design a konstrukce aparatur pro testování kataluzátoru, fotokatalyzátorů – on-line monitorování reakčních produktů ……. ■ Počítačový design nanostruktur – molekulární modelování s využitím empirických silových polí
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Nanotechnologie: Zdrobňování: Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky Fyzikálně-chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...)
Syntéza funkčních nanostruktur: Princip:Nanostavebnice
Syntéza nanočástic kovů a jejich oxidů pomocí mikroorganismů
Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vede k novým syntetickým nanostrukturám Nano vestavba atomů, molekul, nanočástic do krystalových struktur - skelet
Molekulární struktury
nanovrstvy
Tato prezentace je spolufinancována Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Využití nanomateriálů: Medicína: léčiva materiály pro krytí ran a dezinfekci destrukce nádorových tkání Ochrana životního prostředí: sorbenty pro průmyslové filtrace pro záchyt organických i anorganických znečišťujících látek ve vzduchu i vodním prostředí, katalyzátory pro rozklad oxidů dusíku fotokatalyzátory rozklad organických znečišťujících látek působením slunečního záření (UV) biocidní materiály (ničí bakterie a řasy) Konstrukční nanokompozitní materiály – nové typy plastů, speciální keramika Nové typy samočistících stavebních materiálů……..
Chemické senzory…… Fotofunkční jednotky - optoelektronika…….
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Vývoj nových lékových forem Cíle: • Transport léčiva na určené místo v organismu • Postupné uvolňování • Potlačení vedlejších účinků, potlačení odporné chuti….
Řešení: ukotvení molekuly léčiva na vhodný nosič – transportér
-Cyklodextrin jako nosič farmakologicky aktívních molekul
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Polymerní nosiče léčiv – cytostatika: Princip:
Molekuly cytostatik navázané na polymerní řetězec, působením enzymů se molekula cytostatika odštěpí od polymerního nosiče.
Výhody: ■ Selektívní působení pouze v nádorové tkáni ■ Možné vyšší dávky Molekula cytostatika
cytostatik, bez vedlejších účinků
Polymerní řetězec Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Dendrimery Ukotvení molekuly léčiva na dendrimeru (rozvětvená makromolekula) pomocí chemické vazby
Gelové nosiče molekul léčiva Gelové nanočástice, kde molekula léčiva je obalená gelovým nosičem z molekul surfaktantů……..
Společný požadavek pro všechny nosiče farmakologicky aktívních molekul:
0 toxicita řízené uvolňování biodegradovatelnost nosiče
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Možnost ladit elektrické i optické vlastnosti nanostruktur Supravodivost Zabudování molekul organických barviv do TaS2 - Molekulární supravodiče zvýšení Tc - přechodu do supravodivého stavu Host: Metylénová modř
Hostitel : vrstevnatá struktura TaS2
Zvýšení kritické teploty přechodu do supravodivého stavu TaS2 Tc = 0.6 K TaS2 + metylén.modř Tc = 5.2 K Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Vrstevnaté silikáty jako matrice pro funkční nanostruktury Jílové minerály - široké průmyslové využití: keramika, stavebnictví, plniva pro plasty, papír, kosmetické přípravky, sorbenty, katalyzátory…….
Výzva pro nové technologie - vhodné matrice pro ukotvení: organických molekul, organokovových komplexů, nanočístic kovů, jejich oxidů a sulfidů……
Využití: Sorbenty, katalyzátory, fotokatalyzátory, fotofunkční jednotky (optické spínače, laditelné laserové barvivo), antibakteriální a fungicidní materiály, nosiče farmakologicky aktívních molekul……….
Pozoruhodné krystalochemické vlastnosti !!!!!!!!
Tetrahedral sheet Si Al Octahedral sheet
montmorillonite Al Mg, (Fe)
vermiculites Mg Al, (Fe, Ti)
Substituce v tetraedrech a oktaedrech → → → → → → → → → → náboj vrstev !!!!!
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Klasifikace vrstevnatých silikátů 2:1- silikáty Montmorillonit Vermikulit ……..
1:1 – silikáty Kaolinit…
silikátová vrstva:
silikátová vrstva:
1 vrstvy tetraedrů + 1 vrstva oktaedrů
2 vrstvy tetraedrů + 1 vrstva oktaedrů
T
T
T
O
O
O
T
T OH skupiny Vyměnitelné kationty
+ (H2O)
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
1:1 silikáty di- a trioktaedrické
Kaolinit : di-oktaedrický
Si Al
0 mezivrstevní kationty, Náboj vrstev = 0 el
Vrstvy vázané vodíkovou vazbou !!!! Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Sorbenty a katalyzátory
Struktura vrstevnatého fylosilikátu 1 vrstva
Zabudování – interkalace vhodných anorganických, organických, organo-kovových komplexů
→
sorbenty, katalyzátory
Vznikne pilířovaná nanopórézní struktura sorbentu resp. struktura s velkým sorpčním povrchem pro sorpce organických polutantů ve vodním prostředí resp. pro sorpci těžkých kovů
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
442 nm 0
Optické vlastnosti
0
Pristine MR 500
600
700
800
900
1000
300
Fluorescence wavelength [nm]
Metyl-červeň ve vrstevnatých silikátech 1
MR
1
PL
PL
442 nm
0
0 400 1,0
náboj vrstvy -0.76 el /jedn.buńku
0,8
PL [arb. u.]
Struktura MR-vermikulitu
500
600
700
800
900
1000
wavelength [nm]
0,6
0,4
0,2
Struktura MR-montmorillonitu
400
500
600
700
800
900
1000
wavelength [nm]
Náboj vrstvy: -0.50 el /jedn. buňku
1,0
PL [arb. u.]
0,8
0,6
0,4
Sample:
MR- fine powder
MR-VER
MR-MMT 0,2
max
800
645
565
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
400
500
600
700
wavelength [nm]
800
900
1000
5
Ukotvení nanočástic kovů, oxidů a sulfidů kovů na silikátové matrice
Nanočástice Ag ukotvené na vrstevnatém silikátu –montmorillonitu.
Syntéza nanočástic přímo na povrchu silikátové matrice: Využití: Katalyzátory, fotokatalyzátory, antibakteriální materiály, otpicky aktívní materiály…… Výhody této technologie: Eliminace zdravotních rizik při manipulaci s nanočásticemi při zachování výhod nano-vlastností …..
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Nanočástice TiO2 s různými dopanty na vrstevnatých silikátech Využití: Fotokatalyzátory – Samočistící nanokompozitní materiály
pro stavební a nátěrové hmoty po osvitu UV zářením rozkládá organické nečistoty
Nanočástice TiO2 ukotvené na vrstevnatých silikátech jsou účinnější fotokatalyzátory než stejně připravené volné nanočástice !!!!!!!!!!! Nanočástice Ag na vrstevnatých silikátech - účinná antibakteriální media Anibakteriální aktivita se mění s typem silikátové matrice!!!!!!!
Významná role složení a náboje vrstev a vliv na vlastnosti nanokompozitu!!!!!!! montmorillonit
kaolinit
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Otázky v molekulárních nanotechnologiích: Vytvoří molekuly komplex ?? Jak bude stabilní?
Jak se budou se molekuly hosta kotvit na povrchu a uvnitř hostitelské vrstevnaté krystalové struktury ?? Jakou vytvoří strukturu????
Jaká bude adheze nanočástic na povrchu krystalické matrice???
Molekulární modelování s využitím empirických silových polí nástroj pro predikci struktury a vlastností Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Molekulární modelování optimalizace struktury a vazební geometrie pomocí minimalizace, kde energie je popsána pomocí empirických silových polí Koncept empirických silových polí je prostý: Celková energie systému: Nevazební energie: Bonding energy :
Etot = Ebond + Enonbond Enonbond = ECoul + EVDW + (EHB)
Ebond=Ebs+ Eang+ Etor+ Einv+ EUB
!!!!! Všechny složky energie – jednoduché analytické výrazy, jako vunkce vazebních délek, vazebních, torzních a inverzních úhlů… Parametry silových polí – silové konstanty ve výrazech pro energii Klíčová role modelovací strategie - stavba modelů, volba silových polí, minimalizačních algoritmů pro nalezení globálního minima …
!!!Nutná kooperace s experimentem při tvorbě modelovací strategie !!! Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
Výhody molekulárního modelování Predikce struktury a vlastností velkých supramolekulárních systémů Úspora času, energie a materiálů v technologii
Technologie
Strategie Diffraction
molekulárních nanotechnologií
Termogravimetrie
El. mikroskopie At.emisní absorpční a IČ spektr. AFM mikroskopie
chromatorgafie
Molekulové modelování
Struktura a vlastnosti Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky
