Základní principy nanotechnologií

1. Základní principynanotechnologií (s ohledem na nanobio...) prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně

2. TECHNOLOGIE NANO („řecký“ trpaslík) slova na úvod NANOTECHNOLOGIE

3. kde leží svět malých rozměrů NANOmetr = 10–9 m

4. slovo na úvod NANOTECHNOLOGIE = TECHNOLOGIE VE SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ

5. 0,275 nm voda a svět malých rozměrů

6. svět malých rozměrů

7. MAKRO = NANO =

8. • • •

9. staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie

10. staré vtipy? KOLOIDNÍ chemie jako předchůdce a základ NANOTECHNOLOGIÍ

11. koloidy jsou všude (1944)

12. řecky KLÍH další slovo KOLOIDNÍ 1861 Thomas Graham KOLLA

13. Thomas Graham *21.12.1805 Glasgow †1869 Londýn fyzikální chemik širokého záběru: • difúze plynů (Grahamův zákon) • absorpce plynů dřevěným uhlím • rozpustnost plynů • koloidy, emulze

14. Thomas Graham • sloučeniny fosforu •polární záře • absorpce vodíku palladiem • falšování kávy rostlinnými příměsemi • produkce alkoholu při výrobě chleba

15. Thomas Graham a koloidy • zkoumání difúze přes pergamenovou membránu (dialýza) • roztoky klihu a podobných látek procházejí velmi pomalu • nejdou separovat filtrací ani gravitačním usazováním

16. Thomas Graham a koloidy • odlišují se od krystaloidů • velikost odhadl na nejvýše ca 1 μm • jsou to jako by dva odlišné světy hmoty • avšak není mezi nimi náhlý přechod a jasná hranice

17. příklady koloidů inkousty, nátěry mléko, majonézy, jogurty prací a čistící prostředky aerosoly – barvy, léčiva pěny

18. koloidy & bio biopolymery (v roztoku) bílkoviny, NK, polysacharidy buňky a jejich membrány biotekutiny

19. koloidy & bio

20. charakteristika koloidů Koloidy jsou typické dvěma základními charakteristikami: „dvoufázovostí“ velikostí (jedné z fází)

21. charakteristika koloidů Dvoufázovost koloidní částice jsou rozptýleny (dispergovány) v disperzním prostředí prostředí částice

22. charakteristika koloidů Velikost částice jsou koloidních rozměrů, tj. řádu nano až mikrometrů

23. koloidní částice Co je tedy tak veliké, že může tvořit koloidní částici (nanočástici)? shluk molekul (atomů) makromolekula

24. typy koloidů suspenze emulze sol pěna aerosol pasta

25. typy koloidů emulze l v l suspenze s v l pěna g v l nebo s

26. typy koloidů a ještě něco poněkud historické ale užitečné rozlišení lyofilních a lyofobních koloidů • „koloidní“ roztoky • stálé • „násilná“ příprava • nestálé

27. vznik či příprava koloidů Dva základní způsoby tvorby koloidů: DISPERGACE KONDENZACE

28. vznik či příprava koloidů Příklady: DISPERGACE KONDENZACE

29. čím jsou koloidy zvláštní • významný vliv (molekul) povrchu na vlastnosti • specifický typ kolektivního chování

30. • • •

31. koloidy a interakce Mezimolekulové interakce leží v základech vzniku koloidů i jejich vlastností a jsou hlavním pojítkem s nanotechnologiemi

32. interakce CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY • silné • tvoří molekuly • slabé • mezi molekulami • může být velký počet

33. mezimolekulové interakce – typy Možné interakce jsou dány stavebními kameny, které tvoří molekuly, to jest atomy, resp. jejich elektronovým obalem Struktura atomu určuje podstatu mezimolekulových interakcí

34. mezimolekulové interakce – podstata dopadu Mezimolekulové interakce (spolu)určují umístění* v prostoru, tedy strukturu koloidů (nanokoloidů) a její stabilitu *molekul, koloidních částic

35. mezimolekulové interakce – přehled ATOM elektronový obal jádro + – podstata většiny interakcí spočívá v působení mezi náboji

36. mezimolekulové interakce – přehled Překryvové repulze Přenos náboje Interakce mezi nabitými částicemi (multipól-multipól) Interakce mezi permanentním a indukovaným multipólem Disperzní interakce

37. překryvové repulze na jednom místě jen jedna molekula (atom) energie ~ 1/rn

38. přenos náboje jedna molekula (donor) poskytne „přebytečné“ elektrony jiné molekule (akceptor), které se „nedostávají“ (volné páry O, N a σ* orbitaly N-H)

39. interakce multipólové Multipól – něco, co má „multi“náboj Monopól – ion Dipól – molekula s oběma typy nábojů (+ a –)

40. interakce náboj-náboj • částice se stálým nábojem (ionty) • klasická elektrostatika (Coulomb) + + r energie ~ 1/r

41. interakce náboj-dipól • částice se stálým nábojem (ion) a bez náboje, ale elektricky nevyvážená (polární) • klasická elektrostatika (+) + (–) r energie ~ 1/r2

42. interakce dipól-dipól • částice bez náboje, ale elektricky nevyvážené (polární) • klasická elektrostatika (+) (+) (–) (–) r energie ~ 1/r3

43. interakce ion-indukovaný dipól • ion elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól • klasická elektrostatika (+) + (–) r energie ~ 1/r4

44. interakce dipól-indukovaný dipól • dipól elektricky rozhodí původně nepolární molekulu = indukuje dipól • klasická elektrostatika (Debye) (+) (+) (–) (–) r energie ~ 1/r6

45. tepelný pohyb a interakce dipól-dipól • slabé elektrostatické interakce „narušuje“ tepelný pohyb • klasická elektrostatika + Brownův pohyb/Boltzmann • kompromis mezi náhodným a uspořádaným rozmístěním (Keesom) energie ~ 1/r6

46. vodíkový můstek • zvláštní případ elektrostatické interakce • důsledek struktury vodíkového atomu:

47. vodíkový můstek • elektronová hustota vodíkového atomu je už tak nízká • a vazba vodíku na atom jako je N, O, F ji ještě snižuje • překryvové repulze jsou oslabeny a jiné atomy se mohou přiblížit na ca 0,2 nm

48. vodíkový můstek • pak je možná silná elektrostatická interakce zejména s atomy s vysokou elektronovou hustotou (N, O, F) • která se vyznačuje i směrovostí O O H

49. vodíkový můstek – směrovost součet dipolární elstatic.

50. vodíkový můstek • zásadní význam pro bio • H. CON • slabší než kovalentní, ale převáží tepelný pohyb  v bio stabilní • voda! + hydrofobní efekt • stabilizace biostruktur, molekulární rozpoznávání