Letní škola

Chemie kolem nás...
...a v nás
Popularizační přednáška o chemii
RNDr. Lukáš Richtera, Ph.D.
Ústav chemie materiálů
Fakulta chemická VUT v Brně
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
O čem bude reč?
 Setkáváme se s chemií v běžném životě?
 Jaké jsou moderní trendy v chemii?
 Jaké metody využívá současný chemik?
 Co se zkoumá na ÚCHM na FCH VUT v Brně?
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
zubní pasta:
voda, abrazivum (CaCO3, SiO2, CaHPO4),
NaF, pěnící prostředky, příchutě, pojidlo,
barviva a další...
kontaktní čočky:
dle účelu a výrobce různé polymery
resp. kopolymery na bázi silikonů,
PMMA (polymethylmethakrylát), CAB
(acetobutyrát celulózy)...
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
voda z vodovodního řadu:
prochází řadou úprav, např. úpravou pH,
koagulací pomocí Al2(SO4)3, sedimentací,
filtrací, dezinfekcí pomocí UV záření a
O3, ztvrzování pomocí vápenné vody a
CO2, chlorací pomocí Cl2
mýdlo:
směs hydratovaných alkalických solí vyšších
alifatických karboxylových kyselin (mastných
kyselin), dále obsahují tuky (především lanolin),
barviva, esence a parfémy, stabilizační látky,
dezinfekční látky, desodoranty a glycerinem
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
obuv:
mimo přírodních materiálů jako bavlny
(cotton) nebo kůže obsahují umělá
vlákna, např. polyamid, polypropylen,
polyuretan, polyester...
avšak i použití přírodních materiálů
znamená použití chemických látek
(zpracování kůže, pesticidy při pěstování
bavlny apod.)
brýle:
klasické sklo a kov, moderní
materiály (kompozitní materiály)
high-tech
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
sladidla:
běžně přírodní cukr (sacharóza), ale
často umělá sladidla, např. sacharin,
aspartam, sukralóza, sorbitol...
nápoje:
regulátory kyselosti (kyselina citronová,
kyselina fosforečná), aroma (většinou tzv.
přírodně identické nebo umělé), barviva,
ochucovadla, stabilizátory, umělá sladidla
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
elektronika:
částé využívání kompozitních materiálů,
drahé kovy (1 tuna mobilních telefonů
obsahuje 150 g zlata a 3 kg stříbra),
měď, polovodiče...
baterie a akumulátory:
těžké kovy (Hg, Cd), akumulátory NiCd, NiMH
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
BIOCHEMICKÉ CESTY
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Setkáváme se s chemií v běžném životě?
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké jsou moderní trendy v chemii?
NANOTECHNOLOGIE









1959
1985
1990
1990
1999
2000
2001
2002
2004
-
první vize nanotechnologie
objev fullerenů
nápis IBM ze 32 atomů xenonu
sériová výroba C60
molekulové přepínače
první nanomotorek
první nanolaser - optický přenos dat v inteligentních nanosystémech
molekulární paměť
uhlíkový světelný zdroj - 50000x tenčí než lidský vlas
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké jsou moderní trendy v chemii?
nanotechnologie v automobilovém průmyslu
nové typy nátěrů, lehkých kovů,
slitin, plastů a katalyzátorů, které
umožní snížení spotřeby a váhy
automobilů, nové typy lithiumiontových baterií, palivové články...
nanotechnologie v elektronice
miniaturní světelné přepínače vyrobené
nanotechnologií mohou kontrolovat tok
informací v podobě světla - výkonnost čipů s
touto technologií by měla být až
stonásobná, spotřeba energie naopak
mnohonásobně menší...
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké jsou moderní trendy v chemii?
nanotechnologie ve stavebnictví
vlivem UV záření se na nanočásticích TiO2
tvoří z kyslíku záporně nabitý peroxidický
radikál, který s vodou tvoří další radikály se
silně
antibakteriálními,
oxidačními
a
destrukčními účinky na většinu organických
látek a ty jsou oxidovány až na oxid uhličitý,
vodu a další plynné produkty
nové
izolační
materiály,
samočistící fasádní nátěry,
okna se samočistícím účinkem,
antiadhezní obklady...
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké jsou moderní trendy v chemii?
nanovlákna a nanotrubičky:
mimo uhlíkových i slibnější na bázi boru
(BN), zatím ve fázi výzkumu a
poloprovozní výroby
testovaná experimentální vlákna vyrobená
z
uhlíkových
nanotrubiček
vykazují
vynikající mechanické vlastnosti, např. síť
utkaná z jednoho kilogramu "nanovláken"
zastaví automobil jedoucí stokilometrovou
rychlostí.
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké jsou moderní trendy v chemii?
Uhlíkové nanotrubičky (nanotubes) jsou
formálním strukturním mezistupněm
mezi grafitem a fullerenem (grafit
stočený do válce). Jsou známy způsoby,
jak připravovat nanotrubičky dlouhé
několik desítek metrů (při průměru
desítek nanometrů). Existují i struktury
vzniklé soustředným umístěním několika
nanotrubiček různého průměru do sebe.
Nanotrubičky vykazují řadu velice
zajímavých, neobvyklých a slibných
vlastností (např. elektrickou vodivost).
Vodivost nanotrubiček lze zvýšit, vyplní-li
se atomy kovů (např. chromem, niklem
či gadoliniem). Takovým nanotrubičkám
se říká nanodrátky (nanowire).
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké jsou moderní trendy v chemii?
nanomotory:
zařízení na úrovni molekul, které je
schopné převádět energii na pohyb...
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
Chemik už dávno není v laboratoři
odkázán pouze na klasické postupy
analytické chemie, pracoviště jsou
běžně vybavena technikami, které
odhalí i věci lidskému oku neviditelné...
 NMR
 MS
 RTG
 a mnohé další
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE (NMR)
použitelné pro jádra s nenulovým jaderným
spinem (např. 1H, 13C, 31P, 77Se a mnohá další)
v současné době jsou již celkem běžné
přístroje s vysokým rozlišením (600 MHz)
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE (NMR)
NMR spektra vypovídají nejen o rozmístění
atomů v molekule, ale podávají i informaci o
jejich zastoupení ve směsi
moderními metodami NMR spektroskopie je
možné zjistit i strukturu menších proteinů
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
NUKLEÁRNÍ MAGNETICKÁ REZONANCE (NMR)
NMR měření neovlivňuje samotnou reakční
směs, lze proto studovat reakční mechanismy,
chemické rovnováhy a mnohé další...
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE (MS)
ionizované molekuly resp. fragmenty molekul
mají v magnetickém poli odlišnou trajektorii
(díky různému poměru hmota / náboj) a proto
nedopadají na stejné místo na detektoru
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE (MS)
MS se velmi často kombinuje s jinými
technikami, ideálně separačními, obvykle
např. s plynovou chromatografií (GC/MS)...
způsobů ionizace vzorku je celá řada, např.:
 nárazem elektronů
 působením elektrostatického pole
 chemickou ionizací
 elektrosprejem, termosprejem
 laserem
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
RENTGENOVÁ STRUKTURNÍ ANALÝZA (RTG, X-ray)
RTG nám umožňuje zobrazit rozmístění
atomů v molekule, nutné je však připravit
monokrystal zkoumané látky
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
RENTGENOVÁ STRUKTURNÍ ANALÝZA (RTG, X-ray)
moderní RTG umožňuje i analýzu struktury
proteinů a to i větších, než jaké umožňuje
NMR, jedná se však o poměrně náročnou
techniku a je opět nutné získat krystal
zkoumaného proteinu
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Jaké metody využívá současný chemik?
RENTGENOVÁ STRUKTURNÍ ANALÝZA (RTG, X-ray)
vedle rentgenova záření existují i techniky,
které jako difraktujícího záření používají
svazek elektronů nebo neutronů
využití jiného záření s sebou nese odlišné
techniky, ale podstata zpracování dat je stejná
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Co se zkoumá na ÚCHM na FCH VUT v Brně?
 Polymerní nanokompozity
 Kompozitní materiály
 Syntéza makromonomerů a blokových kopolymerů
 Biomateriály pro tkáňové inženýrství
 Depozice a charakterizace plazmových polymerů
 Simulace a modelování
 Geopolymery
 Koroze a ochrana kovových materiálů
 Syntéza organokovových sloučenin
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008
Co se zkoumá na ÚCHM na FCH VUT v Brně?
 Noc vědců
 Den chemie
 Den otevřených dveří
Letní škola mladých vědců, Brno, 17. – 22. srpna 2008