KUDY DO NANOSVĚTA Nanosvět. Nanosvět. Nanosvět. K. Záruba. a spousta dalších... nanotechnologie molekulární pinzety. nanověda

21.10.2013

ÚVOD DO NANO- A MIKROTECHNOLOGIÍ


Nanosvět

KUDY DO NANOSVĚTA

K. Záruba



Nanosvět

Nanosvět nanotechnologie nanověda

molekulární pinzety nanočástice

kvantové tečky

pseudoatomy

tunelový efekt

fotonika spintronika

self-assembly (sebeskladba)

a spousta dalších...

1

21.10.2013



top - down

Význam nanotechnologií nanomanipulace

informační technologie

bottom - up

nové materiály

instrumentace výroba a skladování energie

medicinální aplikace

životní prostředí

bezpečnost


Cesta „zhora dolů“ (top-down approach)


Litografie

• fotolitografie • fotocitlivé polymery • omezení vlnovou délkou záření • litografie svazkem elektronů

http://pages.unibas.ch/phys-meso/Education/Projektstudien/Lithographie/Litho-M1-Lithography.html

http://www.almaden.ibm.com

2

21.10.2013



Litografie - UV

Litografie - elektrony

http://maepro.uta.edu


http://www.almaden.ibm.com


Litografie - UV

Litografie - UV ASML 193nm ArF Stepper/Scanner

http://www.lrsm.upenn.edu/~frenchrh/lithography.htm

http://www.lrsm.upenn.edu/~frenchrh/lithography.htm

3

21.10.2013



Cesta „zdola nahoru“ (bottom-up approach)

• spontánní tvorba ultratenkých vrstev

Ultratenké vrstvy Kontrola vlastností povrchu na molekulární (atomární) úrovni

• sebeskladba (self-assembly) • vrstvy na rozhraní g – l (LB filmy) • tvorba nanoobjektů v roztoku a na povrchu

• vrstvy na rozhraní g –s (sebeskladné monovrstvy)

• zkoušíme to, co příroda běžně používá



LB filmy

LB filmy

• Langmuir, Blodgettová

4

21.10.2013



LB filmy – amfifilní deriváty

LB filmy

O H2C O O

CH

O P CH2 O

O

N CO2H

O O

NH HO2C

N

N HN

CO2H

CO2H



LB filmy

SAM-thioly • sorpce thiolů na zlatě, Nuzzo, Whitesides

Thin Solid Films 340 (1999) 265-270

http://gmwgroup.harvard.edu/research_surfacescience.html

5

21.10.2013



SAM-geometrie

SAM-geometrie

http://www.sigmaaldrich.com/etc/medialib/docs/Aldrich/Brochure/material_matters_v1n2.Par.0001.File. tmp/material_matters_v1n2.pdf



SAM-změna smáčivosti

Shown is a pattern of hydrophobic squares in a checkerboard pattern fabricated by microcontact printing a hydrophilic SAM on the surface. A droplet of colored water rests upon each square. A hydrophobic SAM several microns in width separates the hydrophilic squares (and thus the water droplets) from each other. Image courtesy of Felice Frankel. On the surface of things, Felice Frankel, Chronicle Books 1997

http://www.seas.upenn.edu/~chenlab/pdf/58_Alom%20Ruiz_SoftMatter2007.pdf

6

21.10.2013



Monovrstvy silanů

OH

OH

SAM-změna smáčivosti

OH

+ Si

Si

Cl

O

Si O

Si O

Science 1992 256 1539



Nanoobjekty

micely a dendrimery nanočástice kovů

kvantové tečky fullereny a nanotrubice

Nanotečky na povrchu 1. Příprava povrchu sebeskladbou vhodného polymeru 2. Růst nanokrystalů pouze na ošetřených místech (epitaxe)

65 miliard teček na čtverečním cm

polymerní templát

http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/33010241.stm

7

21.10.2013



Na velikosti záleží S V

r2 r3

r

S V

1

6n2 12n 8 n3

6 N

1

1 3

Na velikosti záleží 2 N

1

8 3

6N

1

3

Size Matters: Why Nanomaterials Are Different. Roduner E.: Chem. Soc. Rev 2006, 35, 583-592.


Na velikosti záleží

Size Matters: Why Nanomaterials Are Different. Roduner E.: Chem. Soc. Rev 2006, 35, 583-592.

Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001



Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 1783–1791

8

21.10.2013




Příklady nanoobjektů

Anal. Chem. 2008, 80, 6560–6566

Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 900E © 2006 Materials Research Society


Allotropické modifikace uhlíku

Fullereny

Vesmír, 2011

9

21.10.2013



Fullereny

Buckminster Fuller

www.uochb.cas.cz/Zpravy/PostGrad2004/7_Lhotak.pdf



Fullereny

http://www.shimadzu.com.br/analitica/aplicacoes/cromatografos/lc_ms/lcms043.pdf

Fullereny


10

21.10.2013



Fullereny

Fullereny - nanotašky



Uhlíkové nanotrubice (CNT)

Murata et al. J. AM. CHEM. SOC. 2003, 125, 7152-7153


Elektrická vodivost CNT

11

21.10.2013



Nanolusky


Molekulární elektronika

Uhlíkové cibule


„Electrospinning“

12

21.10.2013



Nanospider


Nanočástice kovů


Nanočástice kovů

Nanočástice zlata

• Redukcí solí kovů K[AuCl4]

citrát

Au

• Nanočástice Kovů (Au, Ag, Cu, Zn, Ni, Pt, Pd) Oxidů (SiO2, TiO2) Sulfidů (CdS) Selenidů (CdSe) Bimetalické (Ag/Au, Ag/Pt)

Snímek z TEM nanočástic zlata získaných redukcí citrátem

různá velikost (tvar) nanočástic – různé vlastnosti

Polymerní (kopolymery, dendrimery)

13

21.10.2013



Nanočástice zlata a stříbra

Antibakteriální účinky koloidního stříbra • desinfekce vody (studny) - AgCl

50 nm

• Nová kolekce Nanosilver®

Barvení skla koloidním zlatem a stříbrem: Rubínová barva – koloid nanočástic zlata o průměru ca 10 nm Oranžová barva – koloid nanočástic stříbra

http://www.nanosilver.cz/

Příprava nanočástic • Redukce soli daného prvku

Stabilizace koloidu nanočástic Agregace • působením přitažlivých van der Waalsových sil

• Redukční činidla: hydridoboritan, citrát, ... • Snadno se oxidující rozpouštědla (např. ethanol) mohou být sama o sobě redukčním činidlem • Stabilizátor

14

21.10.2013

Stabilizace koloidu nanočástic • Elektrostatická stabilizace • Sterická stabilizace

Příklad – nanočástice palladia stabilizované polymerem Vodný roztok H2PdCl4 (2,0 mmol/l) připraven smísením • 0,6 mmol of PdCl2 • 6,0 mL HCl (0,2 mol/l) • 294 mL destilované vody

Steric stabilization using polymers

Příklad – nanočástice palladia stabilizované polymerem

Ovlivnění distribuce velikostí připravených nanočástic

• Reflux 15 mL roztoku H2PdCl4 (30 µmol Pd) a

• Množství of PVP from 0,333 mg to 133 mg

• x mL vody, • y mL ethanolu • (x + y ) 35 mL

• Koncentrace ethanolu ve směsi byla 10 - 70 obj. %

• Poly(vinylpyrrolidon) PVP (40 000 g/mol)

15

21.10.2013

Analýza výsledku • UV-vis spektroskopie (PVP-Pd částice jsou tmavě šedé, není zaznamenaná žlutá barva prekurzoru [PdCl4]2- )

PVP-Pd nanoparticles TEM characterization and mean diameter (Teranishi and M. Miyake5)

Výsledky

Reakční podmínky

Průměr (nm)

PVP/Pd = 10 [ethanol] = 70 obj. %

4,9

PVP/Pd = 1.0, [ethanol] = 20 obj. %

3,4

PVP/Pd = 10 [ethanol] = 20 obj. %

2,4

PVP/Pd =10 [ethanol] = 40 obj. %

2,2

• Ethanol jako redukční činidlo • Vliv množství ethanolu a PVP na průměr částic 20-40 obj. % ethanolu s přebytkem PVP vůči Pd  Nejmenší NP


Mnoho různých způsobů přípravy mnoha různých NP např. přehledný článek Sahoo, N. G.; Abbas, A.; Li, Ch. M. „Micro/Nanoparticles Design and Fabrication for Pharmaceutical Drug Preparation and Delivery Applications“, Current Drug Therapy, 3, 2, May 2008, pp. 78–97.

Vize – současné i budoucí • výroba elektronických součástek po atomech • modifikace na atomární úrovni v genetice, biotechnologii, … • nanoroboti = nanoboti

... včetně dalších postupů jako příprava NP dispergací aglomerátů (např. mokré mletí), nebo precipitací (např. vymrazováním nebo vysolujícím činidlem)

16

21.10.2013


Kontrolní otázky 1. Jaké existují dílčí kroky při fotolitografii? 2. Popište strukturu sebeskladné monovrstvy alkylthiolu. Na jakém podkladu dojde k jejímu vytvoření? 3. Jak je definována nanočástice? 4. Jakými dvěma postupy lze připravit nanoobjekty (stručně je popište)? 5. Jaké znáte allotropické modifikace uhlíku?

17

KUDY DO NANOSVĚTA Nanosvět. Nanosvět. Nanosvět. K. Záruba. a spousta dalších... nanotechnologie molekulární pinzety. nanověda

Recommend Documents