Radek Zbořil
„Our planet's physical, chemical, and biological processes are influenced or driven by the properties of nanoparticles.“ M. F. Hochella, Science, 2008
Výzkumná centra na UP Operační program Výzkum a vývoj pro inovace
BIOMEDREG - Ústav molekulární a translační medicíny
RCPTM - Centrum pokročilých technologií a materiálů
CR Haná - Centrum biotechnologického a zemědělského výzkumu
Vědecká centra excelence realizující pravidelný transfer výsledků výzkumu do průmyslové a technologické praxe Centra s výrazným mezinárodním přesahem a unikátní přístrojovou infrastrukturou Intenzivní zapojení nejlepších studentů s možností uplatnění ve vědeckých skupinách Centra stejně jako v aplikační sféře
Co RCPTM nabízí? Start up dotace – 110 mil. Kč + 100 mil. Kč na internacionalizaci centra až 50 nových pracovních míst zejména na pozicích „Junior researcher“ realizace diplomových a doktorských prací s výrazným motivačním bonusem pro nejlepší studenty pod vedením špičkových odborníků dlouhodobé stáže na spolupracujících zahraničních pracovištích výzkum v mezinárodním týmu (pracovníci z USA, Izraele, Švýcarska, Řecka..)
Dotace na vybudování infrastruktury Centra – 430 mil. Kč nová budova Centra nanomateriálového výzkumu + unikátní přístrojové vybavení
PPMS
Cryo HRTEM
In-field Mössbauer spectroscopy
Co RCPTM nabízí? Prof. R. Zbořil - ředitel
Prof. P. Hobza – koordinátor zahraniční spolupráce
Doc. O. Haderka - VŘ
Týmová práce pod vedením špičkových odborníků na nejaktuálnějších tématech současného materiálového výzkumu – multidisciplinární charakter výzkumu!!! Nanokrystalické oxidy kovů
Nanokovy
Nanouhlík
Doc. L. Machala
Doc. L. Kvítek
Doc. M. Otyepka
Nanofotonika
Komplexy
Nanoinstrumentace
Prof. M. Hrabovský
Prof. Z. Trávníček
Prof. K. Lemr
Nanohistorie 1959 – R. Feynmen, APS meeting, Pasadena - vize nanotechnologického věku, předpověď paměťového čipu, metod nanomanipulace
1981 – skenovací tunelová mikroskopie (STM) - možnost 3-D zobrazení s atomárním rozlišením, Nobelova cena – Binning, Rohrer - 1986
1985 – objev fulerenu C60 Nature 318 (1985) 162-163, Nobelova cena - H. W. Kroto, R.E. Smalley R.F. Curl – 1996
1991 – objev vícestěnných uhlíkových nanotrubiček S. Iijima: Nature 354 (1991) 56-58.
1993 – objev jednostěnných uhlíkových nanotrubiček S. Iijima, T. Ichihashi: Nature 363 (1993) 603-605.
2004 – objev grafenu - monoatomární grafitová vrstva , první stabilní 2D struktura Science 306 (2004) 666-669. Nobelova cena – K. Novoselov, A. Geim - 2010
C60 - fuleren
Nanočástice tu byly, jsou a budou… v lidském těle
nižší organismy
feritin – železo uchovávající protein
magnetotaktické bakterie
ve vzduchu
nano Fe2O3
mimozemské nanočástice 20 nm
1µm 3D struktura feritinu
ve vodě, nanominerály
50 nm
zdroje nanočástic: automobily, strojírenský průmysl, elektrárny, odpařování oceánů (NaCl, sírany)
Nanokrystalické oxidy železa na Marsu R. V. Morris, Science 305 (2004) 833-836.
Co to jsou nanočástice a čím jsou výjimečné ? objekty hmoty, u nichž alespoň jeden z rozměrů je menší než 100 nm klesající rozměr částic → roste podíl atomů na povrchu částic, mění se struktura a vlastnosti hmoty povrchové jevy, jevy na fázovém rozhraní, kvantové jevy, jevy spojené s konečným rozměrem nové formy hmoty
nové vlastnosti hmoty
Povrchový atom Objemový atom
změněné vlastnosti hmoty
(nové alotropy, polymorfy, (např. superparamagnetismus) (např. kvantové tečky) nanokompozity) uhlíkové nanohrášky
„duté“ nanostruktury β-Fe2O3 nanočástice CdSe
Namlouvání, lekce první: květinou neurazíš…
…aneb nanomateriály na bázi železa a jeho oxidů
Nanomateriály na bázi oxidů železa studium polymorfismu a mechanismu reakcí v pevné fázi
magnetické nanočástice pro biomedicínu (kontrastní látky pro MRI, nosiče pro cílený transport léčiv, imobilizace enzymů) nanočástice železa v technologiích čištění vod nanomateriály v heterogenní katalýze a fotokatalýze
Zboril et al. Chem. Mater. 14, 969-982 (2002).
Machala et al. J. Phys. Chem. B 111, 4003-4018 (2007).
Tucek et al. Chem. Mater. 22, 6483-6505 (2010).
Nanomateriály na bázi oxidů železa Fe-prekurzor (s)
atm., T
Fe-O nanofáze (s) + VP (g, s)
• jednoduché, levné a realizovatelné v průmyslovém měřítku • nanočástice vzácných strukturních forem → studium polymorfismu • jednokroková příprava funkcionalizovaných nanočástic, jestliže se syntéza provádí v přítomnosti povrchově stabilizující fáze • možnost řízení krystalové struktury, velikosti a morfologie → „template methods“ • klíčové parametry: atmosféra teplota, čas chemické složení a struktura prekurzoru morfologie a velikost částic prekurzoru vrstva materiálu vnější magnetické pole
R. M. Erb et al. Nature 457 (2009) 999.
Řízení reakcí v pevné fázi
Nanomateriály na bázi oxidů železa – řízení morfologií prekurzoru 250
Vads / cm3g-1
200
150
100
180 °C
Fe2(C2O4)3 - hranolky
10 µm
50
vzduch
α-Fe2O3
2 µm
0 0,0
0,2
vzduch 1 µm
α-Fe2O3
2 µm 500 nm
180 °C
3-5 nm
vzduch
FeC2O4 - vrstvy
2 µm
p/p0
0,6
0,8
1,0
Fatální důsledky v povrchových, sorpčních a katalytických vlastnostech !
180 °C
FeC2O4 - tyčinky
0,4
α-Fe2O3
2 µm
200 nm
Nanomateriály na bázi oxidů železa – řízení vrstvou prekurzoru Iron(II) acetate, 245 °C,
Iron(II) acetate, 245 °C,
50 mg, air
500 mg, air
α-Fe2O3
γ-Fe2O3
Zásadní vliv vrstvy materiálu na mechanismus reakce v pevné fázi M. Hermanek and R. Zboril: Chem. Mater. 20 (2008) 5284.
Nanomateriály na bázi oxidů železa – řízení velikostí částic prekurzoru Fe4[Fe(CN)6]3 Prussian Blue
250 °C, air
β-Fe2O3 γ-Fe2O3
Zásadní vliv velikosti krystalu na mechanismus reakce v pevné fázi
Fe4[Fe(CN)6]3 + 21/4 O2
7/2 Fe2O3 + 9 (CN)2
R. Zbořil et al.: Patent č. 296748 (2006). Zboril et al.: Crystal Growth & Design 4 (2004) 1317. L. Machala et al. Effect of particle size on mechanism of solid-state reactions, in preparation.
Nanomateriály na bázi železa – řízení atmosférou α-Fe2O3
α-FeO(OH)
+ H2
vzduch
α-Fe
+ H2O Fe + N2 + N2(2%O2)
Vodíková pec
FeOOH
Fe/FeO
20 nm
FeO α-Fe
Nanomateriály na bázi železa – aplikace Zavedení technologie velkokapacitní výroby nanočástic nulmocného Fe a jejich reálná aplikace v sanacích podzemních, odpadních i pitných vod vod (Nano Iron, s.r.o., LAC, s.r.o., Aquatest, a.s., Geotest, a.s., H+A Eco CZ, s.r.o) Úspěšná aplikace při sanaci podzemních vod na sedmi lokalitách v ČR. Pilotní instalace reaktoru na odstranění As a těžkých kovů - 2010 (Maďarsko).
J. Filip, R. Zbořil et al. EST 41, 4367 (2007). R. Zbořil et al.: Patent No: WO 2008/125068 A2.
Vysoká účinnost odstranění As, Se, těžkých kovů, U, chlorovaných uhlovodíků, herbicidů, PO4
Nanomateriály na bázi železa – aplikace Odbourání chlorovaných uhlovodíků s využitím Fe/Tween nanočástic (Písečná)
Aplikace Fe/FeOOH nanočástic – Stráž pod Ralskem B10 Al Zn Ni Cd Be U V Cu Cr As
1%
10%
100%
Klimkova et al. Chemosphere, 82, 1178-1184, 2011
Nanomateriály na bázi železa – aplikace Nanočástice Fe ⇒ multifunkční zbraň v boji se sinicemi Původní buňky sinic v přirozeném prostředí
• vysoká a selektivní toxicita vůči sinicím; o 2-3 řády nižší toxicita vůči dafniím, rostlinám a vodním živočichům
Destrukce buněk po aplikaci nanoFe Microcystin concentration (ug/L)
16 14 12 10 8 6
• přestože aplikace NZVI vede k destrukci buněk, po aplikaci nedochází k nárůstu microcystinu v systému
4 2 0 Control
500mg/L
100mg/L
50 mg/L
10mg/L
Paraquat 50 mg/L
R. Zbořil, M. Mašláň, B. Maršálek, patentová přihláška vynálezu PV-2010/612
Nanomateriály na bázi oxidů železa – aplikace Nanočástice α-Fe2O3 v heterogenní katalýze a fotokatalýze Nanokrystalické filmy hematitu dopované Sn jako vysoce účinné fotoelektrody pro přímé solární štěpení vody ⇒ zásadní vliv teploty kalcinace Nanočástice hematitu jako doposud nejúčinnější katalyzátor rozkladu peroxidu vodíku ⇒ zásadní vliv krystalinity částic
M. Heřmánek, R. Zbořil et al. J. Am. Chem. Soc. 129, 10936, 2007.
K. Sivula, R. Zbořil et al. J. Am. Chem. Soc. 132, 7436, 2010.
Nanomateriály na bázi oxidů železa – aplikace Nové perorální kontrastní činidlo na bázi bentonit/γ-Fe2O3 pro MRI diagnostiku dutiny břišní (FN Olomouc, FN Banská Bystrica, Medihope, s.r.o.) γ-Fe2O3
Úspěšné klinické testy 100 pacientů s onemocněními tenkého střeva, pankreatu a žlučových cest M. Mašláň, R. Zbořil et al: Patent č. 300445, 2009.
K. Kluchová, R. Zboril et al. Biomaterials 30, 2855, 2009.
Nanomateriály na bázi oxidů železa – aplikace Nová generace magneticlých nanonosičů pro cílený transport léčiv
kys. palmitová
γ-Fe2O3
vysoká koloidní stabilita při velké iontové síle a zvýšené teplotě, nízká in-vitro cytotoxicita a kritická micelární koncentrace
30 nm R. Zboril, et al. Nanotechnology, 19 (2008) 095602.
A. Bakandritsos,…R. Zboril: Nanoscale 2 (2010) 564-572.
Namlouvání, lekce druhá: pozvání do kavárny…
…aneb nanomateriály na bázi stříbra
Nanomateriály na bázi stříbra řízená příprava nanočástic, jejich imobilizace na pevných substrátech
studium antibakteriální aktivity, antimykotické aktivity, cytotoxicity cílený transport pro medicinální a desinfekční aplikace
Nanomateriály na bázi stříbra Řízená příprava nanoAg, řízená krystalizace, povrchová stabilizace, SERS aplikace, antimykotické účinky Ag+ + 2NH3
[Ag(NH3)2]+
n [Ag(NH3)2]+ red. cukr
(Ag)n
Řízená krystalizace v prostředí 400 mM NaCl Ramanovo spektrum adeninu v přítomnosti aktivovaných nanočástic L. Kvitek et al. J. Phys. Chem. C 113 (2009) 4296. L. Kvitek et al. J. Phys. Chem. C 112 (2008) 5825. A. Panacek et al. J. Phys. Chem. B 110 (2006) 16248. R. Prucek et al. CrystEngComm 2011, DOI: 10.1039/C0CE00776E
Použití v IR-Vis! Ramanovo spektrum adeninu ve vodě
Nanomateriály na bázi stříbra Cílený magnetický antibakteriální transport – kompozity oxid železa/nanoAg – možnost separace a opakovaného použití
P. Dallas et al., Adv. Funct. Mater. 20, 2347-2354, Prucek et al., Biomaterials, 2011, accepted
2010
Namlouvání, lekce třetí: diamant zabere vždycky…
…aneb rozmanitý svět uhlíkových nanostruktur
Uhlíkové nanostruktury Kvantové tečky na bázi uhlíku – 0D materiály Uhlíkové nanotrubičky – 1D materiály Grafen a jeho deriváty – 2D materiály Nanodiamanty a uhlíkové nanolisty – 3D nanostruktury Funkcionalizace uhlíkových nanostruktur a jejich aplikace Interakce uhlíkových nanostruktur s biomolekulami
1D
2D
0D
3D
Uhlíkové nanostruktury – uhlíkové tečky a nanotrubice Uhlíkové nanotečky vykazující fluorescenci
Superhydrofobní uhlíkové nanotrubičky pro aplikace v textilním průmyslu
perfluoroalkylsilan
A.B. Bourlinos, A. Stassinopoulos, D. Anglos, R. Zboril et al. Chem. Mater. 20(2008) 4539. A.B. Bourlinos, A. Stassinopoulos, D. Anglos, R. Zboril et al.: Small 4 (2008) 455. V. Georgakilas, A. Bourlinos, R. Zbořil et al. Chem. Mater. 20, 2884, 2008.
Uhlíkové nanostruktury – grafen a jeho deriváty Nové metody přípravy grafenu chemickou exfoliací grafitu, funkcionalizace grafenu
0.6 nm 6 µm
Fluorografen – první stabilní stechiometrický derivát grafenu – nejtenčí izolant na světě
V. Georgakilas, A.B. Bourlinos, R. Zbořil, et al. Chem. Commun., 46, 1766, 2010.
R. Zbořil, et al. Small. 6, 2285-2291, 2010.
Budoucnost Nanoželezo
Nanostříbro
Nanouhlík
in vivo porovnání aplikace magnetosomů z Interakce grafenu s magnetotaktických antibakteriální účinnosti biomolekulami bakterií nanostříbra s antibiotiky Klinické testování chirurgických nití modifikovaných nanostříbrem
SEM
AFM
2 nm
Poděkování 1 Nanoželezo – J. Tuček, L. Machala, M. Mašláň, J. Filip, I. Medřík, J. Pechoušek, D. Jančík, J. Frydrych, Z. Marková, K. Kluchová, E. Otyepková, I. Medřík, J. Čuda, Z. Marušák
Nanostříbro – L. Kvítek, R. Prucek, A. Panáček, J. Soukupová, K. Šišková
Nanouhlík – M. Otyepka, P. Hobza, K. Šafářová, F. Karlický, P. Jurečka
…a všem ostatním kolegům z RCPTM (KFC, CVN)!
Poděkování 2 A. B. Bourlinos, D. Petridis, V. Georgakilas, V. Bellesi – NCSR Demokritos, Greece -
E. P. Giannelis, P. Dallas – Cornell University, USA
A. Bakandritsos – University of Patras, Greece A. Gedanken – Bar-Ilan University, Ramat-Gan, Israel I. Cesar, K. Sivula, M. Gratzel - Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland D. Schüler, University of München, Germany Z. Homonnay - Eötvös Loránd University, Budapest, Hungary V.K. Sharma - Florida Institute of Technology, USA K. Nomura, Ohkoshi – University of Tokyo, Japan
