ZANAN

Základy nanotechnologií

Základy nanotechnologií KEF/ZANAN 23. 9. Úvod do nanomateriálů a nanotechnologií 1 30. 9. Úvod do nanomateriálů a nanotechnologií 2 7. 10. Mikroskopické metody pro nanotechnologie 14. 10. Uhlíkové nanostruktury 21. 10. Struktura nanomateriálů – rentgenová difrakce 4. 11. Fotonické nanostruktury 11. 11. Pevnolátková příprava nanočástic oxidů železa 18. 11. Aplikace nanotechnologií v medicíně 25. 11. Aplikace nanočástic v životním prostředí 2. 12. Rizika nanotechnologií 9. 12. Nanolitografické techniky 16. 12. kolokvium

Vůjtek Vůjtek Vůjtek Tuček Kašlík Soubusta Machala Poláková Filip Dědková Vůjtek Vůjtek

http://fyzika.upol.cz/cs/predmety-kef-slo/rozpis-prednasek-zanan Počet účastí: 7 (C), 9 (A, B), test

Základy nanotechnologií Úvod

Nanotechnologie 1 nanometr: jedna miliardtina metru, 10−9 m vnímání „běžného“ světa hmotnosti: g – kg (85 kg ∼ 9 · 1030 elektronů) rozměry: 0,2 mm – m


Definice nanotechnologií různé definice Nanotechnologické aplikace zahrnují výzkum a rozvoj technologií přípravy částic a struktur s velikostmi v rozsahu 1 nm až 100 nm. Nanotechnologické aplikace vytváří a používají struktury, které mají nové fyzikálně chemické vlastnosti v důsledku jejich malého rozměru. Nanotechnologické aplikace vyvíjejí schopnost kontrolovat nebo manipulovat materiály na atomovém měřítku. Nanotechnologie je návrh, charakterizace, produkce a aplikace struktur, zařízení a systémů ovládáním jejich tvaru a velikosti v rozměru nanometrů. Nanotechnologie jsou postupy vedoucí k vytvoření užitečných funkčních materiálů, zařízení a systémů v oblasti nanometrických rozměrů, materiálů, zařízení a systémů, které mají nové fyzikální, chemické, biologické vlastnosti.


Nanotechnologie nanotechnologie jsou interdisciplinární

fenomén od konce 90. let nej-faktor (nejmenší, nejpevnější, nejtvrdší)

velká grantová podpora spousta dostupných výrobků, některé i užitečné marketingový nástroj

aplikace: využití systémů s nanorozměry


Historické aplikace Lykurgovy poháry Řím 4. století nanokrystaly Au a Ag, cca 70 nm

barvení okenních skel glazovaná keramika barvení vlasů 2000 př. K. Egypt a Řím 5nm částice PbS usadí se v kutikule a kortexu a změní optické vlastnosti


Historie nanotechnologie 1857 – Faraday vysvětlil vliv nanočástic kovů na barvu skla 1959 – R. Feymann There is plenty of room at the bottom 1974 – termín „nanotechnologie“, Taniguchi 1981 – Binnig, Röhrer, skenovací tunelovací mikroskopie, NC 1986 1985 – Smalley, Curl, Heath, Kroto, uhlíkový fuleren C60 , NC 1996 1991 – Iijima, uhlíkové nanotrubičky 1991 – Jablonovič, 3D fotonický krystal 2004 – Novoselov, grafen, NC 2010


Aplikace ve fázi fantazie Nanoroboti K. Eric Drexler Nanosystems: Molecular Machinery Manufacturing and Computation, 1992 představa asembleru, který sestavuje atom po atomu zřejmě nereálné, bližší molekulární i lidské tělo je molekulární stroj představa nanobotů opravujících lidské tělo rozšíření molekulární biotechnologie do umělých struktur

Výtah do vesmíru levné vynášení kosmických lodí podél „tyče“ žádný běžný materiál nemá takovou pevnost, aby udržel svou váhu jediná výjimka – uhlíková nanotrubička zřejmě nerealizovatelné

Chytré obaly potravin, inteligentní senzory


Existující aplikace Elektronika – velký tahoun nanotechnologií mikroelektronika od 70. let, postupně přechází do nano Moorův zákon – zdvojnásobení výkonu každé dva roky už dnešní procesory patří do nanotechnologií


Další využití nanomateriálů chemie – barviva, katalyzátory, sorbenty medicína – kontrastní látky, transport léčiv, hypertermie, náhrada tkání, dezinfikující se plochy životní prostředí – čištění odpadních, povrchových i podzemních vod strojírenství – supertvrdé povrchy, superplastické materiály, metody obrábění stavebnictví – nové izolační materiály, samočistící fasádní nátěry, lehké konstrukce potravinářství – účinnější potravinové doplňky (lepší vstřebatelnost), antibakteriální obaly vojenství – detektory bojových plynů, výzvědné systémy


Spotřebitelské produkty

přehled na http: //www.nanotechproject.org/cpi/products/ letmý výběr: čistící a ochranné prostředky (proti špíně či vodě) antibakteriální nádobí či hračky nepřilnavé či adhezivní povrchy oblečení sportovní vybavení


Úvodní literatura a zdroje

knihy Hošek, J.: Úvod do nanotechnologie, ČVUT 2011 Prnka, T.; Šperlink, K.: Bionanotechnologie, nanobiotechnologie, nanomedicína, 2006 Murty, B. S.; Shankar, P.; Raj, B.; Rath, B. B.; Murday, J.: Textbook of Nanoscience and Nanotechnology, Springer 2013

odkazy http://nanoyou.eu http://sustainable-nano.com/ http://www.nano.gov/education-training/k12

Základy nanotechnologií Podstata nanotechnologií

Zmenšení rozměrů

každý fyzikální jev má své délkové měřítko L střední volná dráha atomu střední volná dráha elektronu ve vodiči difuze

při rozměrech menších než L se výrazně mění fyzikální vlastnosti typická hodnota L je 100 nm nanotechnologie se týkají objektů s rozměry pod 100 nm

malý rozměr – na pomezí mezi atomy a objemovým materiálem


Vliv velikosti na vlastnosti kvantové tečky s velikostí mění barvu roztoků už nejde o vlastnost materiálu „umělé“ atomy


Rozdělení nanostruktur podle počtu rozměrů pod 100 nm 0D struktury – nanočástice, ultrajemné částice, kvantové tečky, všechny rozměry < L 1D struktury – nanodráty, nanotrubičky, jeden rozměr větší 2D struktury – nanovrstvy, nanofilmy, grafen, jen jeden rozměr je menší než L 3D struktury – běžné objemové (bulk) materiály, nepatří k nanostrukturám


Nanokompozity a nanostrukturní materiály ne vždy jsou nanostruktury „izolované“ nanokompozity: nanostruktury s běžnou látkou (polymery) i malé procento může drasticky změnit vodivost

nanostrukturované materiály


Biomimetika inspirace techniky přírodními strukturami technika používá „homogenní“ materiály (ocel atd.) příroda staví ze směsí např. ulity kombinace šupinek CaCO3 a proteinů absorbce a rozložení energie rázu inspirace pro odolné a supertvrdé povrchy kompozitní materiály

barvy motýlích křídel nepoužívá barviva, ale změny ve vnitřní struktuře inspirace pro fotonické struktury


Tvorba nanostruktur

dva základní přístupy top-down – zobecnění z běžného strojírenství z velkého kusu materiálu odebíráme a vytváříme menší různé litografické techniky, mletí apod. čím dál tím obtížnější složitější struktury, více volnosti lepší integrace s okolím

bottom-up – postup typický pro chemii a biologii struktury vznikají z malých jednotek (analogie stavby z cihel) obtížnější řízení výsledku relativně levné


Samouspořádání a samoorganizace bottom-up, nevyžaduje „doplňkové“ informace celá řada aplikací v biologii (buněčné membrány, micely atd.) i technice (koloidní krystaly) souvisí i s růstem krystalů či vznikem složitých molekul využívá se i cíleně, např. DNA origami

Základy nanotechnologií Fyzikální základy nanotechnologií

Kvantová fyzika „klasická“ fyzika nepostačuje pro popis malých objektů dualismus částice–vlna, de Broglieho vlnová délka λ = h/p


Vlnová funkce popis pomocí vlnové funkce Schrödingerova rovnice d2 2m ψ + 2 [E − Ep (x)]ψ = 0 dx2 ~ „pravděpodobnostní“ interpretace vlnové funkce P(x) = |ψ(x)|2 volná částice: Ep (x) = 0, E = Ek = 12 mv2 2 ψ(x) = Aeikx + Be−ikx → P(x) = |ψ(x)| = konst.

Heisenbergův princip neurčitosti ∆x∆px ≥ ~


Tunelování

rozdílné chování oproti klasické fyzice průchod částice bariérou nutná malá tloušťka


Jednorozměrná nekonečně hluboká jáma


Jednorozměrná konečně hluboká jáma


Trojrozměrná jáma


Atom vodíku


Struktura pevných látek

volný atom: diskrétní energetické struktury molekula: rozštěpení energetických hladin pevné látky: spojité pásy Pauliho vylučovací pravidlo


Význam povrchu větší poměr povrchových atomů k celkovému počtu atomů v extrémech až 100 %

povrch je obecně reaktivnější nerovnosti na povrchu – větší koncentrace volných vazeb


Změna vlastností s rozměrem částic pokles teploty tání např. zlato až na 300 K

změna mřížkové konstanty vlivem Laplaceova tlaku měděné klastry

ZANAN

Recommend Documents