Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů. Pavla Čapková Přírodovědecká fakulta Univerzita J.E. Purkyně Březen 2014
UJEP – PřF, PF, FF, FSE, FVTM, FZS, FUD
Nové objekty kampusu UJEP 2012
Kavárna-bufet
Nové auly - knihovna
Studijní programy Přírodovědecké fakulty UJEP Učitelství přírodovědných předmětů: matematika, fyzika, chemie, geografie, Bakalářské a magisterské
Biologie Bakalářské a magisterské
Matematika Bakalářské, magisterské,
Toxikologie a analýza škodlivin Bakalářské magisterské v řízení
Informační systémy bakalářské
doktorské
Aplikované Nanotechnologie Bakalářské, magisterské
doktorské
Geografie Bakalářské a magisterské
Počítačové modelování ve vědě a technice, bakalářské, magisterské,
doktorské
Studijní program : Aplikované nanotechnologie Bakalářský → Magisterský → Doktorský Studium multidisciplinární s přesahem do fyziky, chemie, biologie Při studiu na PřF UJEP si může student zvolit jedno ze 4 zaměření své studentské práce:
Bionanotechnologie – nanomateriály pro biomedicinské aplikace
Plazmové technologie – nanomateriály připravené plazmovou technologií pro širokou škálu využití…
Studium nanovlákenných textilií připravených technologií „nanospider“
Počítačový design nanomateriálů
Nanotechnologie a nanomateriály ve výuce přírodovědných oborů. I.
Úvod do nanotechnologií (definice, vymezení pojmů, technické předpoklady pro nanotechnologie a charakterizaci nanomateriálů).
II. Chování látek v nanorozměrech (vliv nanorozměru na vlastnosti pevných látek). III. Přehled nanotechnologií a nanomateriálů a jejich praktické využití (přehled metod přípravy nanomateriálů a jejich široká škála aplikací od vývoje nových lékových forem a biomedicínských aplikací, přes sorbenty, fotokatalyzátory, optoelektronické prvky až po konstrukční nanokompozitní materiály).
I. Úvod do nanotechnologií
NANO svět
1nm = 10 -9 m = 0.000 000 001 m 1m = 1 000 000 000 nm Vzdálenosti mezi atomy v pevných látkách:
Kovy:
0.25nm (Cu), 0.28nm (Au), 0.32nm (Cd), 0.43nm (Ba)…
Diamant: 0.15nm
Molekulární krystaly: 1 nm
Co je nanotechnologie ? Nanotechnologie – cílená manipulace na úrovni atomů a
molekul, která vede k novým umělým strukturám s novými předem danými, požadovanými vlastnostmi. Nanomateriál – uměle vytvořená nanostruktura, která má zásadní význam pro funkci a vlastnosti materiálu. Cíl materiálového výzkumu : design materiálů s požadovanými předem danými vlastnostmi !!!!!! Schopnost kontrolovat vlastnosti materiálů !!!!!!!
Hlavní výzvy pro nanovědy a nanotechnologie Richard Smalley – laureát Nobelovy ceny za chemii z r. 1996 – objevitel fullerenů - zformuloval hlavní globální problémy světa: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Energie (zdroje. transport, ukládání enegie baterie, palivové články, úspora energie molekulární elektronika) Voda (odsolení mořské vody a úprava průmyslové znečištěné vody) Potraviny Životní prostředí selektívní sorbenty, nanofiltry filtry pro ochranu vody a vzduchu, samodegradující plasty Chudoba Terorismus Choroby – zdravá populace diagnostické metody, nové lékové formy, tkáňové inženýrství- regenerativní medicína Vzdělání…….
Výzvy pro nanotechnologie a nanovědy !!!!!!!!!
Nanotechnologie – z laboratoří do praxe : Elmarco, Nanovia, Kertak nanotechnology, Spur Zlín, Precheza a.s., Pardam, Spolchemie……
Využití nanomateriálů: • Elektronika, optoelektronika, senzory • Konstrukční materiály s mimořádnou pevností a tepelnou odolností • Stavební a nátěrové hmoty – samočistící
• Medicína – diagnostika nádorů • Medicína - likvidace nádorové tkáně • Pharmacie – vývoj nových lékových forem, cílená doprava léčiva v
organismu, cílená doprava cytostatik pouze do nádorové tkáně • Ochrana životního prostředí – nanostrukturované materiály jako sorbenty, katalyzátory, filtrace odpadních vod a plynů…….
Nanotechnologie - multidisciplinární obor s přesahem do fyziky, chemie, biologie
Vztah struktury a vlastností
saze Fullereny
grafit
diamant
Nanotrubky
Vztah struktury a vlastností → vývoj nových materiálů stojí na pochopení tohoto vztahu → → kontrola struktury - kontrola vlastností
Stimulátor myocardiální membrány
Struktury a vlastnosti léčiva
I III
Krystalové struktury I
aktivn í
II
aktivní
IV
II
III
IV
Klíčem pro pochopení vztahů struktury a vlastností je znalost struktury
Nástroje pro studium nanostruktur: 1895 - W.K. Röntgen objev RTG záření Řešení struktur krystalů - Princip: rentgenová difrakce
monokrystal
Měříme intenzitu a rozložení difraktovaných svazků v prostoru
↓↓↓ Difrakční obraz
Difraktované svazky
Dopadající svazek monochrom. záření rtg., synchrotron goniometr Vztah mezi difrakčním obrazem a strukturou Difrakční obraz umožňuje získat strukturu krystalické látky ????JAK ????
Princip rtg difrakce Dopadající svazek rtg záření
Krystal
Difraktovaný svazek
Interference difraktovaných svazků Podmínkou interference: Drahový a fázový rozdíl interferujících svazků
Difrakční obraz je zobrazením struktury uspořádání atomů Krystalové struktury – 3D periodicita v uspořádání atomů Nutná podmínka pro vznik difrakčního obrazu je periodické prostředí krystalové mříže – potřebujeme krystal
triacylglyceridy
Příklady krystalových struktur
Au
korund
Kyselina benzoová
Krystalové strukturní databáze
Proteiny
Diky rtg difrakci byly vyřešeny struktury: DNA, proteinů….
Cambridge proteinová strukturní databáze - Cambridge RTG difrakce určí nanostrukturu ale potřebuji makroskopický krystal (dokonalou krystalickou látku s periodickým uspořádáním atomů) Pokud do rtg svazku vložím nanočástice, difrakční obraz je silně rozmazaný s omezenu informací o struktuře. Nemáme šanci určit spořádání atomů,
molekul v nanočásticích pomocí klasické difrakční metody.
Kdy selhává klasická metoda řešení struktur pomocí difrakce ???? !!!!!!!!!!!! Nanočástice, neuspořádané struktury !!!!!!!!!!
HIV
Revoluční krok v rozvoji nanotechnologií - Nobelova cena za fyziku v r. 1986
Heinrich Rohrer
Ernst Ruska
Gerd Binnig
Za fundamentální práce v elektronové optice a design prvního elektronového mikroskopu, Za jejich design skenovacího tunnelovacího mikroskopu
Tyto objevy vedly k zobrazení jednotlivých atomů
Podmínky pro rozvoj nanotechnologií:
Mikroskopie – přímé zobrazení nanostruktury HRTEM - High resolution transmission electron microscopy AFM – atomic force microscopy STM – Scanning tunneling microscopy SEM – Scanning electron microscopy TEM – Transmisní elektronová mikroskopie
Nanočástice stříbra – s přímým zobrazením jednotlivých atomů
Schema elektronového mikroskopu Zdrojem elektronů je elektronová tryska - nejčastěji wolframové žhavené vlákno, umístěné v tzv. Wehneltově válci. Elektrony jsou urychlovány směrem k vzorku urychlovacím napětím (běžně 40kV). Svazek elektronů (paprsek) je upravován, zaostřován elektromagnetickými čočkami. Tubus obsahuje zpravidla jednu nebo více kondenzorových čoček, objektivovou čočku, vychylovací cívky rastrů a cívky stigmátorů pro korekci astigmatismu. Dopad paprsku elektronů na vzorek způsobí emisi sekundárních elektronů, zpětně odražených elektronů, RTG záření a jiných signálů ze vzorku, které jsou pak detekovány a analyzovány.
Interakce dopadajícího svazku urychlených elektronů s materiálem vzorku Dopadající primární svazek elektronů
Charakteristické RTG záření
Zpětně odražené (difraktované) elektrony
Spojité RTG záření
Emise elektronů Augerovy elektrony (sekundární elektrony)
Luminiscence
vzorek
Prošlé elektrony
Teplo
Augerovy elektrony Pokud je elektron z vnitřních vrstev elektronového obalu atomu vyražen – např. externím volným elektronem – a v této vrstvě se tak vyskytne nezaplněná (energetická hladina), pak se elektron z vnějších vrstev přesune do této nezaplněné vnitřní slupky. Takto uvolněná energie může být vyzářena ve formě fotonu, ale v některých případech je předána jako kinetická energie některému elektronu ve vnější slupce, který tím získá dostatek energie k tomu, aby atom opustil. V takovém případě dojde uvolnění tohoto elektronu z atomu; Vyražené elektrony se označují jako Augerovy elektrony.
Rastrovací elektronový mikroskop: Rastrovací, nebo též řádkovací elektronový mikroskop (angl. scanning electron microscope, SEM) využívá k zobrazování pohyblivého svazku elektronů. Princip SEM: na každé místo vzorku je zaměřen úzký paprsek elektronů (prochází jej po řádcích). Interakci dopadajících elektronů s materiálem vzorku vznikají různé jevy. Jak paprsek putuje po vzorku, mění se podle charakteru povrchu úroveň signálu v detektoru. Z těchto signálů je pak sestavován výsledný obraz. Detektory SEM: SE detektor – detektor sekundárních elektronů
BSE detektor – detektor zpětně odražených elektronů TE detektor – detektor prošlých elektronů. EDS – detektor charakteristického RTG záření (analýza chemického složení)
EBDS – detektor difraktovaných elektronů ( analýza krystalové struktury)
TEM – Transmisní Elektronová Mikroskopie Elektrony pronikají pozorovaným preparátem a interakcemi s ním jsou odchylovány od původního směru, jímž se pohyboval hlavní svazek. Většina odchýlených elektronů je pomocí clony ze svazku vyloučeno. Obraz je tvořen dopadem převážně neodchýlených elektronů na zobrazovací systém. Zobrazovacím systémem může být stínítko z luminiscenčního materiálu, film, CCD kamera…. Ernest Ruska v letech 1928 - 1933 navrhl elektromagnetickou čočku a roku 1931 sestavil první transmisní elektronový mikroskop, za jehož objev dostal v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku.
HRTEM
Zobrazení na atomární škále přímé zobrazení atomů
Přímé zobrazení struktury GaN pomocí HRTEM mikroskopie GeSi nanokrystal Max. v současné době dosažitelné rozlišení HRTEM ~ setiny nm
AFM - mikroskopie
Binnig, Quate, Gerber 1986
Konzole se silikonovým hrotem s poloměrem zakřivení ~ nm. Síly mezi hrotem a povrchem vzorku způsobují vychýlení konzole, které se detekuje pomocí odraženého laserového svazku. Hrot: Si, Si3N4 Síly mezi hrotem a povrchem: Van der Waals, elektrostatické …. Rozlišení: nejlepší dosažené 5nm, běžné 10-100nm
Piezoelektrický posuv vzorku
Povrch Chipu
Povrch DVD
STM
– skenovací tunelovací mikroskopie
Binnig, Rohrer 1979-1982
Reliéf atomové roviny 110 niklu
Malá sonda mikrometrových rozměrů s ultra ostrým hrotem se pohybuje ve vakuu podél povrchu vzorku a emituje proud elektronů. Sebemenší změna vzdálenosti sondy od povrchu je zaznamenávána.
STM obraz 7 nm x 7 nm, řetězce Cs atomů (červené) na GaAs(110) povrchu (modré).
Počítačový design nanomateriálů: Design nových funkčních nanostruktur: • • • • •
Nové lékové formy, ukotvení aktívních molekul na vhodných nosičích; Nanostruktury pro optoelektronické aplikace – molekulární elektronika, chemické senzory, membrány; Nanostruktury pro katalýzu a fotokatalýzu; Selektívní sorbenty; Biomedicínské aplikace, tkáňové inženýrství – substráty pro tkáňové kultury….
Nástroj: Molekulové modelování - predikce struktury a vlastností – šetří čas, energii a materiál technologům.
Obecný princip molekulového modelování Metoda molekulového modelování je založena na výpočtu nejstabilnějších konfigurací na základě energetické optimalizace struktur, t.zn. minimalizace energie systému.
E
Minimalizace energie systému - přístupy k řešení tohoto problému lze zhruba rozdělit do tří hlavních skupin: • ab initio kvantově mechanické výpočty, • semi-empirické výpočty
• molekulární mechanika – empirické silové pole
Nanotechnologie na Přírodovědecké fakultě UJEP:
Technologie
Využíváme počítačový design nanomateriálů - molekulární modelování
RTG difrakce Analýza povrchů
Schema strategie vývoje nanomateriálů
El. mikroskopie At.emisní absorpční a IČ spektr.
Chromatografie
AFM mikroskopie Molekulové modelování
Struktura a vlastnosti
Dva přístupy k nanotechnologiím
Top down
Objemový materiál
Částice prášku
Nanočástice
Shluky atomů - klastry
Atomy, molekuly Bottom up
Nanotechnologie: Zdrobňování: Desintegrace Příprava nanočástic zdrobňováním struktur: Mechanické postupy: různé mlecí techniky – tryskové mletí Chemické postupy (delaminace vrstevnatých struktur...) Tváření ECAP
Využití mikroorganismů k syntéze nanočástic - nanobiotechnologie
Příprava nanočástic, nanovláken, nanovrstev a funkčních anostruktur: kombinací fyzikálních a chemických metod.
Příprava funkčních nanostruktur metodami supramolekulární chemie
Cílená manipulace přírodních a syntetických krystalových struktur na nano-úrovni, vedoucí k novým syntetickým nanostrukturám , s novými vlastnostmi
Zdroje a doporučená literatura ke studiu: •
“Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology”, Editor H. S. Nalva, American Scientific publishers, Stevenson Ranch, California, USA, 2004, ISBN: 158883-058-6/
•
“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
