Velká věda o malých věcech

Velká věda o malých věcech





„nanos“ je řecky trpaslík



nano- znamená miliardtinu celku, takže 1 nanometr = 10-9 metru

Co je to nanosvět?  území částic a struktur přibližně o velikosti v rozmezí 1 – 100 nm



pro představu:  struktura o rozměru 100 nm je svojí velikostí v takovém poměru

k fotbalovému míči, jako je fotbalový míč k zeměkouli

Prnka a Šperlink, 2004



Jaká je šířka lidského vlasu?  asi 80 000 nm

http://www.semguy.com/gallery.html



Jaký je průměr molekuly vody?  asi 0,3 nm



atomy jsou menší než 1 nm  do jednoho nanometru se „vejde“ asi šest atomů uhlíků, či deset

atomů vodíku 

některé molekuly (tj. skupiny atomů poutané chemickou vazbou) jsou větší než 1 nm



molekuly o velikosti od 1 do 100 nm jsou už nanostrukturami



nanočástice a nanostruktury jsou základními stavebními jednotkami nanomateriálů



jsou vytvářeny přírodou  např. DNA, bílkoviny či viry

model DNA http://www.reason.com/ blog/show/129978.html

struktura hemoglobinu http://www.molecularstation.com/molecular -biology-images/505-protein-pictures/47structure-hemoglobin.html

virus chřipky (úsečka představuje 100 nm) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ICTVdb/Images/ Safrica/flu3s.htm



jsou vyráběny člověkem, např.:  jednoelektronové tranzistory, které dnes měří pouze asi 20 nm  uhlíkové nanotrubice o průměru cca 1,2 nm  různé nanočástice používané kupříkladu v kosmetických a opalovacích

krémech

25nm FD-SOI tranzistor

model uhlíkové nanotrubice

http://www.advancedsubstratenews.com/v9/ articles/soi-in-action/lab-news.php

http://homepage.mac.com/jhgowen/research/ nanotube_page/nanotubes.html

nanokrém http://herbal-organix.com/products.html



hmota v měřítku nanometrů může mít nové, unikátní vlastnosti zcela odlišné od vlastností pozorovaných v makrosvětě



studiem vlastností a výrobou nanočástic a nanostruktur se zabývají různé obory nanotechnologie a nanovědy, zejména nanofyzika a nanochemie



nanofyzika studuje fyzikální vlastnosti nanočástic a nanostruktur a jevy probíhající na úrovni nanometrů (např. tunelový jev, efekt obřího magnetického odporu (GMR) apod.)



nanochemie je zaměřena na přípravu nanočástic a nanostruktur a popis jejich chemických a fyzikálně-chemických vlastností



o vlastnostech materiálů rozhoduje nejen chemické, ale i strukturní složení



chování nanočástic a nanostruktur ovlivňují atomové síly, vlastnosti chemických vazeb a kvantové jevy



u velmi malých částic se začíná projevovat jejich vlnová povaha



to má za následek projev neobvyklých fyzikálních, chemických a biologických vlastností, které jsou využitelné v praxi



změny mechanických vlastností  pevnost: uhlíkové nanotrubice jsou stokrát pevnější než ocel, ale

šestkrát lehčí

ocel versus uhlíková nanotrubice

http://www.ferrotip.cz/betonarska_ocel.aspx

http://cs.wikipedia.org/wiki/Uhlík

 tvrdost: nanočástice požívané v metalurgii jsou zodpovědné

za zvyšování tvrdosti a životnosti kovů  tažnost, superplasticita atd.



změny magnetických, elektrických a optických vlastností  např. oblast, ve které dochází k maximální absorpci fotonů, se liší

pro různě velké částice, a proto se v závislosti na velikosti mohou nanočástice jevit jako červené, zlaté nebo modré

praktické aplikace

optické vlastnosti nanokrystalů nakresleno podle Prnky a Šperlinka, 2006

světlo emitující diody (LED) http://www.physlink.com/News /071403QuantumDotLED.cfm



Lykurgovy poháry  nanočástice zlata a stříbra způsobují unikátní zbarvení skla

http://www.britishmuseum.org/explore/highlights/highlight_objects/pe_mla/t/the_lycurgus_cup.aspx



s klesající velikostí částic dochází k poklesu bodu tání  rozdíl v teplotě tání zlata v kompaktním stavu a ve formě nanočástic

o velikosti 2 nm je 1000 stupňů

závislost bodu tání zlata na velikosti částic Buffat a Borel, 1976



zmenšení velikosti → nárůst povrchové plochy částic

S = 6 cm2

S = 12 cm2

S = 24 cm2

l = 1 cm

l = 0,5 cm

l = 0,25 cm

S = 6000 m2 l = 1 nm http://jhaas.sblog.cz/



nárůst povrchové plochy → zvýšená chemická reaktivita  nanomateriály jako třeba zeolity používají jako výborné katalyzátory

zeolit

struktura zeolitu

http://www.alibaba.com/productgs/220054396/Zeolite.html

http://jcwinnie.biz/word press/?p=1935



baktericidní vlastnosti nanočástic stříbra

rané římské stříbrné mince stříbrný pohár z 2. století př. n. l. http://www.samshoblo.net/obchod /index.php?main_page=page_3

http://p-numismatika.cz/index.php?get=vyvoj_italie



pokud je alespoň jeden rozměr struktury materiálu v rozměrové oblasti 10-9 – 10-7 m, mohou se objevit významné změny ve vlastnostech tohoto nanomateriálu → praktické aplikace nemlživá zrcadla

samočisticí povrchy

antibakteriální ponožky

http://www.nanosilver.cz/

http://www.themirrus.com/easyweb3/W EBID-339661-ep_code-anti_fog_mirror

http://thegreenconcept.net/titanium_ dioxide_benefits.html

nanotextilie – revoluční nemačkavé materiály

Nokia Morph – flexibilní telefon

http://www.trendsnow.net/trends_now_/2008/02/nokia-morph.html



postupy „top-down“ versus „bottom-up“  „top-down“ (odshora dolů)

– fyzikální postup – postupná miniaturizace – litografie, leptání apod. → nanočipy  „bottom-up“ (odzdola nahoru)

Ozin, 1992

– chemický postup – samosestavování a samoorganizace z atomů a molekul – v přírodě tvorba biologických struktur – rozvoj v budoucnosti?



okem, lupou nebo mikroskopem?  elektronovým mikroskopem (EM)  mikroskopem se skenující sondou (SPM) http://www.iabc.cz/scripts/detail.php?id=10967

nakresleno podle Albertse et al., 1998



funkčně podobný světelnému mikroskopu (SM)



EM k zobrazování předmětů využívá svazek elektronů urychlených pomocí elektrického pole  vložením urychlujícího napětí lze regulovat vlnovou délku elektronu

tak, aby byla i o několik řádů menší než vlnová délka fotonů viditelného světla → nejmenší rozměr rozlišitelný EM je až tisíckrát menší než u SM



EM používá elektromagnetické čočky (tj. různé typy cívek)



1931 – Ernst Ruska a Max Knoll: konstrukce prvního EM

Ernst Ruska http://www.microscopy.ethz.ch/history.htm



http://www.nndb.com/people/ 975/000099678/

1933 – Ernst Ruska: konstrukce prvního EM s lepší rozlišovací schopností než má SM (1986 NC)



TEM



transmisní elektronový mikroskop

upraveno podle http://steve.gb.com/science/electron_microscopy.html

SEM skenující elektronový mikroskop



TEM



SEM

transmisní elektronový mikroskop

skenující elektronový mikroskop

 zobrazuje velmi tenké vzorky

 zobrazení povrchu předmětů

 dosahuje rozlišení okolo 0,2 nm

 rozlišení „pouze“ kolem 1 nm

virus chřipky

pylové zrno mučenky obří

(úsečka představuje 100 nm)

(úsečka představuje 20 μm)

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ICTVdb/Images/Safrica/flu3s.htm

http://www.passionflow.co.uk/passiflora-passion-flower-SEM.htm



v biologii, chemii, fyzice, mineralogii apod.



TEM



transmisní elektronový mikroskop

http://www.jeol.com/PRODUCTS/ElectronOptics/TransmissionElectron MicroscopesTEM/200kV/JEM2100LaB6/tabid/123/Default.aspx

SEM skenující elektronový mikroskop

http://www.nanocenter.umd.edu/new_facilities/NispLab.php



soubor experimentálních metod určených k 3D studiu struktury povrchů s atomárním rozlišením

nakresleno podle Kubínka et al., 2003

 

STM = skenovací tunelová mikroskopie AFM = mikroskopie atomárních sil



SPM metody fungují na základě postupného měření interakcí mezi povrchem vzorku a hrotem sondy mikroskopu



měřenou veličinou je/jsou:  tunelový proud u STM  atomární síly u AFM

Kočka, 2004

 není zapotřebí žádného externího zdroje částic  rozlišení mikroskopu závisí na velikosti sondy a na konkrétním

vzorku  3D obraz je sestavován v reálném čase  možnost zobrazovat v různých prostředích (vakuum, vzduch,

kapalina) je výhodou především pro zobrazování biologických vzorků in vitro a in vivo  metody nejsou citlivé na chemickou podstatu atomů  nevýhodou je velké množství artefaktů (např. zobrazení hrotu,

zdvojení obrazu)



1981 – Gerd Binnig a Heinrich Röhrer (1986 NC)

http://www.nanoworld.org/WS03_04/0400Reibung/frictionmodule/content/0300reibungs mikroskopie/?lang=en



umožňuje pozorovat jednotlivé atomy a molekuly a dokonce s nimi manipulovat

http://www.specs.com/products/stm/STM-lrg.htm

http://www.fz-juelich.de/ibn/microscope_e



činnost založena na tzv. tunelovém jevu  vodivý musí být hrot sondy mikroskopu i vzorek

vodivý hrot STM http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_27_pic.html

http://www.observatory.cz/news/ detail.php?page=&id=85&pda=1



režim konstantní výšky  tunelový proud se mění

v závislosti na vzdálenosti povrchu vzorku od hrotu

nakresleno podle Kubínka a Půlkrábka, 2007



režim konstantního proudu  využívá zpětné vazby tak, aby

byla udržena konstantní hodnota tunelového proudu



1986 – Gerd Binnig, Calvin Quate a Christoph Gerber



měření silových interakcí mezi povrchem vzorku a ostrým hrotem sondy, umístěným na konci pružného raménka

raménko AFM s hrotem http://www.observatory.cz/news/detail.ph p?page=&id=85&pda=1

http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_27_pic.html http://www.contrib.andrew.cmu.edu/~jamess3/ JWSfac.htm



kontaktní režim



http://monet.physik.unibas.ch/famars/statanim.htm

nekontaktní a poklepový režim

http://monet.physik.unibas.ch/famars/dyn_anim.htm

odpudivá síla

přitažlivá síla



studium topografie povrchů a povrchových procesů, metrologie, úprava povrchů, tvorba nanočipů, zobrazování biologických vzorků



STM skenovací tunelový mikroskop

nanočástice mědi Janda, 2007



AFM mikroskop atomárních sil

slída

lidské chromosomy



1990 – Donald Eigler a Erhard Schweizer: první „psaní“ s atomy

Eigler a Schweizer, 1990



oficiální logo „Czech Nanoteam“

Kočka, 2004



technologie, která pracuje v nanosvětě



perspektivní multi-, inter- a transdisciplinární obor, který se celosvětově intenzivně rozvíjí nejen ve vědě, ale i ve výzkumu a v praxi



aplikace nachází v elektronice, výpočetní technice, medicíně, strojírenství, stavebnictví, chemickém průmyslu, kosmetice, oděvnictví, sportu, potravinářství, ochraně životního prostředí, kosmickém výzkumu, vojenství a mnoha dalších oblastech



Nanotechnologie je výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrové škále přibližně 1 – 100 nm. Je to též vytváření a používání struktur, zařízení a systémů, které mají v důsledku svých malých nebo intermediárních rozměrů nové vlastnosti a funkce. Je to rovněž dovednost manipulovat s objekty na atomové úrovni.



Nanotechnologie je soubor různých technologií a postupů, které mají společný cíl: řízenou manipulací s atomy, molekulami nebo jejich malými skupinami vytvářet materiály, zařízení a funkční systémy s výjimečnými vlastnostmi, vyplývajícími z vlastností hmoty v rozměru nanometrů.



zahrnuje různé oblasti lidských činností, jež mají společné v zásadě pouze jedno: práci s hmotou v měřítku nanometrů

fyzika

nanobiotechnologie

biologie

NANOTECHNOLOGIE

nanomateriály

nanomedicína

NANOTECHNOLOGIE inženýrské postupy

chemie

a) použití pojmu nanotechnologie v singuláru (a) versus v plurálu (b)

nanoelektronika

nanooptika

b)



podobně jako nanotechnologie je nanověda nová oblast soustřeďující klasické vědní obory jako jsou fyzika pevných látek, chemie, molekulární biologie apod.



nanověda se zabývá výzkumem jevů a materiálových vlastností na nanometrické úrovni



vytváří teoretickou základnu pro následné praktické využití získaných poznatků pomocí nanotechnologie



Richard Feynman  1959 - přednáška „There’s Plenty

of Room at the Bottom“  příroda pracuje na úrovni atomů

a molekul  zákony fyziky nejsou v rozporu

s možností manipulovat s hmotou atom po atomu http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku =2003062018



Eric Drexler  v článku o molekulárním inženýrství

navrhl využít proteiny jako základní stavební kameny molekulárních zařízení  upozornil na pozitivní i negativní

stránky molekulární nanotechnologie  popsal možnou budoucnost světa

nanorobotů a vytvořil pojem „grey goo“ http://www.insidenanotech.com/ked.htm



většina životních procesů probíhá v nanorozměrech



biologické nanosystémy jsou schopny přeměňovat energii, ukládat informace, rozpoznávat, pohybovat se, samostatně se uspořádávat a reprodukovat



přírodní materiály se samy utvářejí, mohou být hierarchické, multifunkční, kompozitní, adaptivní, samoopravitelné a biodegradabilní



biomimetika = obor, který se zabývá napodobováním přírodních materiálů a struktur



z atomů a molekul hierarchicky způsobem bottom-up

písmena

atomy uhlík

C, H, O, N, P, S

slova

malé organické molekuly AMP

sacharidy, mastné kyseliny, aminokyseliny, nukleotidy

věty

makromolekuly = nanostruktury polysacharidy, lipidy, proteiny, nukleové kyseliny, ribosomy

knihy

DNA

vyšší celky a živé systémy membrány → organely → buňky → tkáně → orgány → organismy

http://sagan.blog.cz/ 0807/puvod-zivota2-3



uplatňuje se:  samosestavování (self-assembly)  samoorganizace (self-organization)

nakresleno podle Prnky a Šperlinka, 2006



samosestavování (self-assembly)  např. složení ribosomu z velké a malé podjednotky na základě

preferovaných chemických interakcí + velká podjednotka

malá podjednotka

→ ribosom

http://www.bioc.uzh.ch/nanowelt/Molekuele/010_Ribosom/pdb10_2.html



samoorganizace (self-organization)  např. reorganizace cytoskeletu



biologické „nanostroje“  ribosomy  receptory membrán

translace – tvorba proteinu na ribosomu http://www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/

 enzymy fungující jako katalyzátory

fixace dusíku nitrogenázou signalizační kaskáda

enzym funguje jako katalyzátor

http://www.jbc.org/content/vol279/issue33/cover.shtml



biologické „nanostroje“  molekulární kanály  molekulární pumpy

sodno-draselná pumpa a glukoso-sodný symport

iontové kanály

ATP-syntáza pracuje jako iontová pumpa



biologické „nanostroje“  molekulární motory  DNA jako buněčná paměť

princip funkce motorového proteinu

molekulární motory kinesin a dynein http://en.wikipedia.org/wiki/DNA



biologické „nanostroje“  molekulární motory  DNA jako buněčná paměť

DNA a tvorba kompaktnějších struktur http://en.wikipedia.org/wiki/DNA https://eapbiofield.wikispaces.com/cellcycle+review+tate?f=print



biomineralizace = tvorba biogenních minerálů  CaCO3 – ulita plže ušně mořské (Haliotis tuberculata)

vrstvy nanobloků CaCO3 Prnka a Šperlink, 2006

ulita ušně



biomineralizace = tvorba biogenních minerálů  CaCO3 – ulita ušně mořské  SiO2 – zpevnění pokožky přesličky

přeslička největší (Equisetum telmateia) http://www.cambridge2000.com/gallery/html/P6296719e.html



biomineralizace = tvorba biogenních minerálů  CaCO3 – ulita ušně mořské  SiO2 – zpevnění pokožky přesličky  SiO2 . n H2O – schránka rozsivek (tzv. frustula)

schránky rozsivek

http://www.princeton.edu/~pccm/outreach/environme ntors/summer/2000/symposium/diatoms/pesticide.html

http://www.olympusmicro.com/primer/ techniques/hoffmangallery/diatom.html



biomineralizace = tvorba biogenních minerálů  CaCO3 – ulita ušně mořské

Magnetospirillum gryphiswaldense

 SiO2 – zpevnění pokožky přesličky  SiO2 . n H2O – schránka rozsivek (tzv. frustula)  Fe3O4 – magnetosomy magnetotaktických bakterií

nanokrystaly magnetitu (úsečka představuje 100 nm) http://magnum.mpi-bremen.de/magneto/research/index.html



biomineralizace = tvorba biogenních minerálů  CaCO3 – ulita ušně mořské  SiO2 – zpevnění pokožky přesličky

kost stehenní – pes http://www.onemedicine.tuskegee.edu/Canine Osteology/Pelvic_limb/ThighFemur.html

 SiO2 . n H2O – schránka rozsivek (tzv. frustula)  Fe3O4 – magnetosomy magnetotaktických bakterií  Ca5(PO4)3OH – kosti a zuby

zuby http://www.pycomall.com/product.php? productid=16234&cat=258&bestseller=Y



biomineralizace = tvorba biogenních minerálů  CaCO3 – ulita ušně mořské  SiO2 – zpevnění pokožky přesličky  SiO2 . n H2O – schránka rozsivek (tzv. frustula)  Fe3O4 – magnetosomy magnetotaktických bakterií  Ca5(PO4)3OH – kosti a zuby  CaC2O4 . H2O – močové kameny

močový kámen želvy http://www.daylife.com/photo/06ilgJsaVValD



nanomateriály



nanoelektronika a nanooptika

HEAD Nano.Ti Boast squashová raketa http://www.sport365.cz/head-nano-ti-boast-squashova-raketa/



nanobiotechnologie a bionanotechnologie

Sungju TangoX Nano

iPod Nano

nanooblek

http://eeesite.net/2008/02/tangox-thinkcloudbook-but-with.html

http://digiweb.ihned.cz/c1-27418470jobs-predstavil-novy-ipod-nano

http://bengoshisan.wordpress.com/2008/06/09/new-crysisnanosuit-revealed-drool-now/



materiály, jejichž fyzikální a/nebo chemické (příp. i biologické) vlastnosti jsou odlišné od vlastností objemových (bulk) materiálů stejného chemického složení



stavebními jednotkami jsou částice a struktury o velikosti cca 1 – 100 nm



klasifikace:  nanočástice, klastry (shluky) nanočástic, nanovlákna, nanodrátky, nanotrubice,

nanokompozity, nanovrstvy a nanostrukturní filmy 

uplatnění: 

v elektronice, zdravotnictví, kosmetice, strojírenství, stavebnictví, chemickém a textilním průmyslu, optickém a elektrotechnickém průmyslu, automobilovém, komickém, vojenském průmyslu, ochraně životního prostředí,…



nanočástice zlata a stříbra  barvení skla, biomolekulární

detekční metody  antimikrobiální vlastnosti Ag (fasády, omítky, ponožky nanosilver)

nanočástice zlata

nanočástice stříbra

Liz-Marzan, 2004

princip funkce antibakteriálních ponožek nanosilver http://www.nanosilver.cz/



nanočástice oxidu křemičitého  kosmetické přípravky, zubní pasty http://www.furukawa.co.jp/english/ what/2007/070618_nano.htm

http://www.leorexcosmetics.com/products.html



nanočástice oxidu titaničitého  nemlživá skla, samočisticí vrstvy, kosmetika, laky

s reflexními vlastnostmi http://www.infomapjapan.com/ hstore/200512-infospecial.phtml

http://imagearchive.psu.edu/displ ayimage.php?album=1559&pos=0

http://www.nanoprotect.co.uk/photocatalyst.html

http://www.cetime.cn/products.php?sid=35&sid1=34&subname=Self-cleaning%20paint%20series

http://www.themirrus.com/easyweb3/W EBID-339661-ep_code-anti_fog_mirror



nanočástice oxidu železitého  přísada do rtěnek a líčidel, detoxikace území



nanočástice hydroxyapatitu  implantáty kostí a zubů



magnetické nanočástice

http://www.thedailygreen.com/envi ronmental-news/latest/valentinesday-47021401?click=main_sr

 paměťová média, diagnostická medicína

magnetické nanočástice http://www.physorg.com/news7426.html

http://nnput.com/week/bio20.cfm



vlákna s průměrem menším než 1 μm

porovnání tloušťky vlasu a nanovláken http://www.hemcon.com/Technologie s/NanofiberSpinningTechnology.aspx



http://www.nanostatics.com

výroba tenkých, lehkých, pevných textilií  využití v medicíně (krycí a obvazový materiál)  výborná absorpce zvuku http://www.letectvi.cz/letectvi/Article62168.html



proces využívající silného elektrického pole pro zvlákňování vodných roztoků polymerů

http://www.coe.berkeley.edu/ labnotes/0607/spinoff.html

elektrospining - animace

http://www.27bslash6.com/overdue.html



český patent (Technická univerzita v Liberci, 2003)



technologie, která umožňuje výrobu netkaných nanovlákenných textilií

http://www.technicaltextiles.net/htm/s20060915.035330.htm

vytváření nanovlákna http://aktualne.centrum.cz/veda/foto .phtml?id=81445&cid=518850

http://www.inovace.cz/novetechnologie/elmarco--vyrobce-nanovlaken-posiluje-vyzkum/



materiály s póry menšími než 100 nm



vyrobeny např. z uhlíku, křemíku, (hlinito)křemičitanů či polymerů



zvětšená povrchová plocha zlepšuje jejich katalytické, absorpční a adsorpční vlastnosti



nejpoužívanější jsou zeolity

zeolit

3 strukturní typy zeolitů http://chemeducator.org/sbibs/s0004003/spapers/430114wv.htm



přírodní



 saze, diamant, grafit

umělé  fullereny, uhlíkové nanotrubice, nanopěna

http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2003062018



nejznámější a nejpoužívanější uhlíkový nanomateriál



částice amorfního uhlíku o velikosti 10 – 500 nm



výroba:

http://www.csfd.cz/uzivatel/ 34308-madchick/

 nedokonalé spalování organických látek

bohatých na uhlík 

užití:

http://rokycansky.denik.cz/pozary/ hasici-likviduji-pozary-sazi-stalecasteji20090117.html

 gumárenský průmysl, barvivo, plasty



potenciálně karcinogenní http://www.azpneu.sk/index.php?goto=detaily &link=kleber_krisalp_HP

http://www.bostonaudio.com/tuneblocks_whitepaper.html



diamant





krychlová soustava  hybridizace sp3  nejtvrdší přírodní látka, nejvyšší známá tepelná vodivost, nevodič, průhledný, vysoký index lomu  řezné a vrtné nástroje, klenotnictví

http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanoq uest/carbon/index.html

http://fyzmatik.pise.cz/77140jak-z-lidi-vybrousitdiamanty.html

grafit (tuha)    



šesterečná soustava hybridizace sp2 vrstevnatá struktura měkký, černošedý, neprůsvitný, s kovovým leskem, elektricky a tepelně vodivý výroba elektrod, žáruvzdorných materiálů, tužek, mazadel a pigmentů



první uměle připravená alotropická modifikace uhlíku



1985 – Harold Kroto, Robert Curl a Richard Smalley: fullereny připraveny laserovým odpařováním grafitu v atmosféře helia (1996 NC)

http://sciences.aum.edu/~nthomas9/nobelsmalley.html http://www.chem.wisc.edu/~newtrad/CurrRef /BDGTopic/BDGtext/BDGBucky.html



dnes výroba metodou řízeného spalování organických látek v obloukovém výboji x vysoká cena

)



obří molekuly složené ze sudého počtu uhlíkových atomů (minimálně dvaceti), umístěných ve vrcholech různých mnohostěnů víceméně kulovitého tvaru

http://www.chem.wisc.edu /~newtrad/CurrRef/BDGTop ic/BDGtext/BDGBucky.html



C60, C70, C72, C76, C78, C80, C84, C90 atd.

C60



C70

použití:  superpevné materiály nízké hmotnosti, ochranná skla, součást

tuhého paliva pro rakety, fluorované fullereny jako mazadla, nosiče jiných molekul, baterie  organické deriváty fullerenů = nekovové magnety http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1996/illpres/carbon.html



Richard Buckminster Fuller  americký architekt  geodetické kopule http://relationary.wordpress.com/2008/12/17 /buckminster-fuller-the-billionaires-ofspaceship-earth/?referer=sphere_search

US-pavilon EXPO´67 v Montrealu

fullereny C60, C70, C76, C84

http://www.portlandspaces.net/blog/the-burnsideblog/2008/10/17/the-history-and-mystery-of-the-universe

http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/unwin/Fullerenes.html



molekula roku 1991



tvar komolého ikosaedru: 12 pětiúhelníků a 20 šestiúhelníků rozložených jako v plášti fotbalového míče

http://en.wikipedia.org/wiki/Fullerene

http://www.wiiwii.tv/2008/07/



krystalický C60  krychlová soustava  krystaly hnědočerné, lesklé

 hybridizace sp2  vysoká pevnost x nízká tvrdost  polovodič, ale může být i supravodivý

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon



1991 – Sumio Iijima



cylindrické struktury vytvořené ze stočených grafitových rovin; na koncích mohou být uzavřené fullereny

http://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/agallery/agallery.html



jednovrstvé (SWCNT)

http://www.sciencemag.org/sciext /globalvoices/bai/slide07.html

http://www.photon.t.utokyo.ac.jp/~maruyama/agallery/ agallery.html

http://www.univie.ac.at/spectroscopy/fks/ forschung/ergebnisse/nanotubes.htm



vícevrstvé (MWCNT)

http://neurophilosophy.wordpress.com/2006/08/31/car bon-nanotubes-stimulate-single-retinal-neurons/



extrémně velký poměr délky ku šířce



pevné, pružné a teplotně stabilní, (polo)vodivé



užití:

http://www.observatory.cz/news/ detail.php?page=&id=284&pda=1

 vodiče, v molekulární elektronice jako tranzistory a paměti,

palivové články, nosiče katalyzátoru, úložiště energie, brusné materiály, kompozity, média pro uchovávání a transport vodíku

The Royal Society and The Royal Academy of Engineering



1997 – Andrei Rode: působení výkonného laserového pulzního systému na uhlíkový terčík v argonové atmosféře



uhlíkové klastry (shluky) o průměru kolem 6 – 9 nm náhodně pospojované do jakési „pavučiny“



vlastnosti:  nízká hustota (2 – 10 mg.cm-3)  obrovská povrchová plocha (300 – 400 m2/g)  při teplotě do 90 K para- a ferromagnetické chování http://www.abc.net.au/science/news/stories/s1072968.htm



nanoelektronika  zkoumá různé strategie využití elektronických vlastností

nanostruktur v celé řadě aplikací budoucích informačních technologií 

nanooptika (nanofotonika)  pokládá základy optických vysokorychlostních komunikačních

technologií, nových zdrojů laserového světla a optických systému pro široká použití 

nejrychleji se rozvíjející oblasti nanotechnologie



nové odvětví elektroniky, kde se pro přenos, zpracovávání a uchování informace využívá kromě náboje elektronu také jeho spin



spinově citlivé jevy vznikají vzájemnou interakcí mezi nosičem náboje a magnetickými vlastnostmi materiálu



spin elektronu  souvisí s vlnově-mechanickou povahou elektronu  má charakteristickou hodnotu a může mít jen dvě

orientace vůči zvolené ose – ty lze vyjádřit kvantovým číslem ms s hodnotami +½ a –½ (často označovány šipkami ↑ a ↓) http://www.physics.sfsu.edu/~senglish/ research/spinrelaxation.html



spintronický jev



1988 – Albert Fert a Peter Grünberg (2007 NC) http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/



ve velmi tenkých ferromagnetických vrstvách (např. 1 nm železa), oddělených nemagnetickým materiálem (např. chromem nebo mědí), dochází vlivem působení vnějšího magnetického pole k prudké změně elektrického odporu

http://www.aldebaran.cz/bulletin/2007_41_nob.php



aplikace:  vysokokapacitní harddisky  ultracitlivé magnetické senzory v medicíně  senzory pro monitorování pohybu mechanických součástí motorů

pevný disk 2,5" s GMR hlavami a kapacitou 500 GB http://www.aldebaran.cz/bulletin/2007_41_nob.php

http://www.root.cz/clanky/soucasnosta-budoucnost-pevnych-disku/



MRAM (magnetic random-access memory)  nový typ počítačových pamětí se spintronickou technologií

záznamu  výhody: nízká cena, malé rozměry, energetická nenáročnost a zároveň velká rychlost

A3P-MRAM http://domain-tec.com/a3pmram.html



mikroprocesory a kvantové počítače



ohraničená polovodičová oblast (z InAs, CdSe, CdTe apod.) o průměru kolem 30 nm a výšce cca 8 nm, zabudovaná v polovodiči odlišného typu (např. GaAs)

http://cmt.phys.ncl.ac.uk/research/dot.php

vrstva kvantových teček z InAs, zobrazená metodou AFM http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_18_qua.php



fungují jako „past“ na elektrony



elektrony lokalizovány pouze ve stavech s určitými hodnotami energie  při přechodu z vyšší energetické hladiny na nižší je vyzářeno světlo

určité vlnové délky (u velkých teček v červené části spektra, u malých v modré)

http://uwnews.org/uweek/article.aspx?id=42599



aplikace v optoelektronice  lasery  displeje  optické zesilovače  světlo emitující diody (LED)

 detektory

displeje založené na kvantových tečkách http://www.oled-display.net/technology/quantum-dots

LED využívající kvantové tečky http://www.physlink.com/News/ 071403QuantumDotLED.cfm

struktura jednofotonového detektoru využívajícího kvantové tečky http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_18_qua.php



aplikace v biologii  označování proteinů a nukleových kyselin  detekce nádorů http://jama.ama-assn.org/cgi/content/extract/292/16/1944



oblasti překryvu nanotechnologie s biologií a biotechnologií



nanobiotechnologie  odvětví nanotechnologie, které má biologické nebo

biochemické aplikace http://programujte.com/index.php?akce=clanek& cl=2005120303-nanotechnologie-v-medicine



bionanotechnologie  vytváření nových přístrojů, systémů a materiálů

v nanorozměrech na základě biologických principů  využití biomolekul (buněčných nanostruktur) jako praktických součástí těchto zařízení http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2003062018



nanomedicína (molekulární medicína)



nanofarmacie (biofarmacie)



potravinářský průmysl



textilní průmysl



kosmetika



zemědělství a lesnictví



ochrana životního prostředí



energetika



bezpečnost



biomolekulární elektronika

http://nanofood.khu.ac.kr/postdoc.html



diagnostika a terapie rakoviny  Abraxane ▪ první protirakovinný preparát připravený na bázi nanotechnologie (2005) http://www.cvs.com/CVSApp/health/medication_ detail_images.jsp?ndc=68817013450

 zlaté „nanostřely“ ▪ křemíkové nanokuličky potažené 10 nm vrstvičkou zlata se vpraví k nádoru ▪ působením laseru se nanokuličky ohřejí (modrá barva na obr. zachycuje místa se zvýšenou teplotou) ▪ nádorové buňky jsou zničeny uvolněným teplem dva nádory v těle myši se zlatými „nanostřelami“ ozářenými laserovým paprskem http://www.osel.cz/index.php?clanek=456



cílená dodávka léků do organizmu  nanonosiče (např. liposomy)  nanosystémy (NEMS)  koloidní roztoky ve spreji

liposom http://www.britannica.com/EBchecked/top ic-art/457489/92244/Phospholipids-canbe-used-to-form-artificial-structures-calledliposomes



kovové „nanosvaly“

nanosval NM70 Actuator http://www.futurashop.it/allegato/7250NANOMUSCLE.asp?L2=LEGHE%20A%20MEMORIA%20DI%20FORMA%20&L1=NUOVE%20TECNOLOGIE&L3 =APPLICAZIONI%20FLEXINOL&cd=7250-NANOMUSCLE&nVt=&d=19,00

http://uber-life.net/technology/liposomes.shtml



změny ve výrobních procesech způsobené objevením nové technologie

http://www.morganhilltimes.com/opinion/246167editorial-cartoons-the-discovery-of-fire



http://www.pbase.com/ccs_alumni/ image/46236248

http://www.columbianacoema.com/bvps.html

přináší společenské, ekonomické, vojenské a politické změny



pozitivní dopady  nanomateriály s novými, lepšími  

  



vlastnostmi léčba jinak neléčitelných nemocí snížení výrobních nákladů zvýšení trvanlivosti některých výrobků lepší výkonnost produktů v dopravě a energetice zvýšení bezpečnosti eliminace ekologické zátěže



negativní dopady  ohrožení zdraví člověka a životního 





  

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:No_Nano_Grenoble_P1150729.jpg

prostředí (nanotoxicita) zánik současných výrobních postupů a s tím související nezaměstnanost destabilizaci sociální, kulturní, ekonomické a politické situace způsobená nerovným přístupem k některým aplikacím neetické užití (zneužití) vysoké náklady na vývoj obtížný a drahý monitoring a kontrola negativních dopadů možné selhání technologie



nanosvět  prostor částic a struktur o velikosti cca 1 – 100 nm



hmota v měřítku nanometrů může vykazovat nové, unikátní vlastnosti zcela odlišné od vlastností pozorovaných v makrosvětě  nanočástice způsobují např. unikátní zbarvení Lykurgových pohárů



nanotechnologie  zaměřuje se na řízenou manipulaci s atomy, molekulami a jejich shluky

a na hledání způsobů využití unikátních vlastností nanočástic a nanostruktur v praxi pro tvorbu nových, lepších materiálů, zařízení a systémů 

nanověda  zkoumá jevy odehrávající se v nanosvětě a jejich vliv na vlastnosti materiálů



Richard Feynman  průkopník nanotechnologie (polovina 20. století)  zákony fyziky nejsou v rozporu s možností

manipulovat s hmotou atom po atomu  v přírodě odpradávna probíhá většina životních procesů v nanorozměrech 

strategie tvorby biologických struktur inspirací pro NT  hierarchické sestavování atomů a molekul způsobem bottom-up  samosestavování (self-assembly)  samoorganizace (self-organization)



3 Nobelovy ceny za práci v nanosvětě:  Binnig a Röhrer: skenovací tunelový mikroskop (STM)  Kroto, Curl a Smalley: fullereny  Fert a Grünberg: efekt obřího magnetického odporu (GMR)



Přijde nanotechnologická revoluce?



Nanotechnologie nabízí mnohé již dnes:



Pozor na (skryté) hrozby nanotechnologie!

© Zdeňka Hájková, 2009

Tento materiál je součástí diplomové práce „Návrh implementace nových poznatků z interdisciplinárního oboru „nanotechnologie“ do výuky přírodovědných předmětů na SŠ“ vypracované na Katedře učitelství a didaktiky chemie na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze pod vedením RNDr. Petra Šmejkala, Ph.D.