NANOTECHNOLOGIE sny a skute nost Roman Kubínek
Olomoucký fyzikální kaleidoskop 25. listopadu 2005, P írodov decká fakulta UP
Nanometr – 10-9 m (miliardtina metru) 380-780 nm rozsah λ viditelného sv tla
– obor 21. století, odv tví, které zm ní život lov ka Molekuly a atomy jako konstruk ní prvky „nanotechnologií“
Richard Philips Feynman (1918-1988) 1965 Nobelova cena za kvantovou elektrodynamiku Historická p ednáška r.1959 “There‘s Plenty of Room at the Bottom”, Téma: v budoucnosti lov k dokáže sestavovat neoby ejn miniaturní za ízení schopná manipulovat s jednotlivými atomy. “Pro ješt neumíme zapsat všech dvacet ty i svazk Encyklopedie Britannika na špendlíkovou hlavi ku?” Celá živá p íroda pracuje na úrovni atom a molekul. lov k nedávno poodhalil tajemství DNA – genetického kódu P íroda však dokáže miliony let “stav t” obrovské množství organism , od bakterií až po samotného lov ka.
Feynman položil užaslému v deckému sv tu otázku: „jestliže to zvládne p íroda, pro ne my?“
! #! $
" "
%
"
& SPM – Scanning Probe Microscopy
1981 – STM – Skenovací tunelovací mikroskopie Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
1986 1986 Nobelova Nobelova cena cena 1986 Atomic Force ) 1986 –– AFM AFM ((Atomic Force Microscopy Microscopy)
Mikroskopie árních sil Mikroskopie atom atomárních sil
'
(
) )
* ++,
-. ( 4 "
$
5
6
/ 01" 2 7
3 8
9
: 9
&
&
– umíst ní mechanické sondy do blízkosti povrchu vzorku – ízení pohybu ve sm ru x – y, z signálem zp tné vazby piezoelektricky (rozlišení 10-10 m)
Podmínka: ostrý vodivý hrot a vodivý vzorek
Pravd podobnost pr chodu energetickou d bariérou (tunelování) 2
2 m [U ( x )− E ]dx
−
Tunelovací proud & ) 9
Re Režžim konstantní konstantní vý výššky • rychlej rychlejší ší • vhodný pro hladké hladké povrchy
P≈e 0 1 −b.ϕ 2 . d I = a.U .e 5
Režžim konstantní Re konstantního proudu • asov náro n jší m en eníí • p esn jší pro lenit lenitéé povrchy
Si (111),10x10 nm
;
<
;9
4 " ;#
&) 0
A
5
.
= >?@
%*
5
/
)
)
#@B
;'
C %
)
)
D D D
9
E 9
9 )
& E > 8? ≈ ,, ≈ , F ≈ >,, E @,, ! .
tuhé vzorky
m kké, pru žné (biologické) vzorky
? 6 9 ,
<'" <'"
))
štíhlost hrotu – 1 : 3 speciá speciáln lníí hroty – 1 : 10 (schopnost zobrazit ostré ostré hrany a hluboké hluboké zá ezy)
0,2 – 2 µm
10 µm
monokrystal Si r ≈ 5 nm
hrot – Si3N4
nanotrubi ky WS2
leptaný hrot
<'"
G
()
'
>
4
(
)
Použití nanoprášk : •• TiO TiO22 ,, ZrO ZrO22 –– kosmetika kosmetika (krémy (krémy na na obli obli ej, ej, opalovací opalovací krémy), krémy), separace separace tekutin, tekutin, išt išt ní ní odpadních odpadních tekutin tekutin (zachycování (zachycování tt žkých žkých kov kov ii bioorganism bioorganism ). ). •• Nano Nano ástice ástice Al, Al, Hf Hf pro pro pohon pohon raket raket (lepší (lepší ho ho ení ení aa vznícení vznícení ástic). ástic). •• Fe Fe22O O33 –– (hematit) (hematit) základ základ ervených ervených barev, barev, markry markry pro pro MRI. MRI. •• TiO TiO22 –– laky laky ss reflexními reflexními vlastnostmi. vlastnostmi. •• Nanostrukturní Nanostrukturní ot ot ruvzdorné ruvzdorné povlaky povlaky ezných ezných nástroj nástroj ,, korozivzdornost. korozivzdornost. •• Povrchové Povrchové filmy filmy zz nano nano ástic, ástic, na na kterých kterých se se nedrží nedrží voda voda ani ani špína. špína.
Informa ní technologie - nanoelektronika •• Depozice Depozice vrstevných vrstevných struktur struktur o o tlouš tlouš ce ce n n kolik kolik atom atom (1 (1 nm) nm) -- (výroba (výroba menších, menších, rychlejších rychlejších aa energeticky energeticky ú ú inn inn jších jších tranzistor tranzistor ). ). •• tecí tecí hlavy hlavy standardních standardních harddisk harddisk využívají využívají díky díky vrstevnatým vrstevnatým heterostrukturám heterostrukturám velkého velkého magnetického magnetického odporu, odporu, což což zvyšuje zvyšuje pam pam ovou ovou kapacitu kapacitu (snižuje (snižuje cenu). cenu).
4
(
)
Technologie optické výroby: • Nano ástice pro chemomechanické lešt ní (karbidy Si, C, B) – „drsnost“ 1-2 nm d ležitá pro rozvoj optoelektronických systém . Keramické nanomateriály. Polovodi ové krystaly – kvantové te ky: • Výzkumy fotonických krystal (fotonických prvk ), které v nanorozm rech zvyšují výkonnost komunika ních sítí. • Kvantová te ka po osv tlení vydává sv tlo specifické barvy v závislosti na svých rozm rech (možnost sledování biologických reakcí v organismu, testování DNA a protilátek).
4
(
)
V oblasti biomedicíny: • Nov strukturované struktury-liposomy (lipidové koule o d=100 nm) –cílená distribuce lé iv (zapouzd ení protirakovinných lék ). • Analýza mo i, krve a jiných t lních tekutin pomocí magnetických nano ástic. Možnost separace škodlivých látek z krve – „dialýza v krabi ce“. • Fluorescen ní nano ástice jako základ nových detek ních technologií (analýza infek ních a genetických chorob, výzkum lé iv).
1
) #
*>,,H%
Oblast informa ních technologií a nanoelektroniky: Vývoj nanotranzistor pro výrobu analytického po íta e pro rychlé modelování genomu. Oblast materiál a výroby: Hromadný prodej uhlíkových nanotrubic, textilní látky odolávající vod , špín a ma kání, nové laky a barvy (odolávající ohni…), kosmetické p ípravky, biosenzory, ot ruvzdorné polymery,… Oblast medicíny a farmacie: Separace fragment DNA (rychlé sekvencování ), senzory pro farmakogenetiku, výzkum lék , Oblast životního prost edí a energetiky: Využití uhlíkových nanotrubic pro usklad ování vodíku pro palivové lánky, odstra ování ultrajemných ne istot z biologických odpad (jejich zapouzd ením), biodegradabilní chemické látky pro p stitelství a ochranu proti hmyzu
