Nanotechnologie - prezentace

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.