KCH/NANTM

1. KCH/NANTM Přednáška 11 Shrnutí

2. Definice základních pojmů • Nanoměřítko:1.10-9 m • Nanostruktury:alespoň 1 rozměr < 100nm • Nanomateriály:základní strukturní jednotkou jsou nanostruktury • Virus: 100 – 1 nm • 1 nm – 3-4 atomy • Nanotechnologie • Aplikace znalostí nanovědy při vytváření materiálů, struktur a zařízení. • Schopnost práce na molekulární a atomové úrovni. • Výzkum látek s částicemi pod hranicí 100 nm. • Struktury materiálů na úrovni nanorozměrů. • „Výpočetní“ nanotechnologie

3. Definice základních pojmů • 2 přístupy: • Top-down • Bottom-up • Nanomateriály (nanostrukturní materiály, nanočástice) • Stavební jednotka – nanočástice s definovanými vlastnostmi • Stavební jednotky uspořádané do makroskopických multiklastrových materiálů – vhodnější pro technické aplikace

4. Definice základních pojmů Nanotechnologie v přírodě • Nanotechnologie nejsou „lidským výmyslem“ • Příroda využívá nanotechnologie od svého vzniku: • Každá chemická reakce • DNA • Proteiny • Koloidní roztoky

5. Analytické metody v NT

6. Mikroskopické metody

7. Mikroskopické metody používané NT • Optická mikroskopie • Elektronová mikroskopie • SEM • TEM • Mikroskop atomárních sil (AFM) • Skenovací tunelový mikroskop (STM) • Skenovací sondový mikroskop (SPM) • Chemický silový mikroskop (CFM)

8. Optická mikroskopie • Světelný (optický) mikroskop • Paralelní zařízení • Zvětšený obraz • Rozeznávání detailů • Přímo pozorovatelný/fotografovatelný obraz • Obraz je zvětšován dvěma sadami spojených čoček • Objektiv • Okulár • Největší zvětšení v obyčejném světle – 1500 x • Konstrukce • Objektiv • Okulár • Tubus

9. Elektronová mikroskopie • Mnohem větší rozlišovací schopnost • U světelné mikroskopie limitována vlnovou délkou • Elektronová mikroskopie – často < 1 Å • Základní parametry • Pozorování a zvětšování velmi malých předmětů • Funkčně podobný světelnému mikroskopu • Použití svazku urychlených elektronů • Použití elektromagnetických čoček • Nevýhody • Vysoká pořizovací cena • Výhody • Velmi velké zvětšení (řádově 1.106 x) • Vysoké rozlišení (0,1 nm) • Velká hloubka ostrosti • Nejen topografie, ale i materiálové složení

10. Elektronová mikroskopie • Transmisní (prozařovací, TEM) • Svazek elektronů prochází vzorkem • Průchod elektronů najednou • Fluorescenční stínítko • Ultratenké řezy (50 nm) • Skenovací (rastrovací, SEM, REM) • Povrchy „tlustých“ vzorků • Skenování (rastrování) povrchu po řádcích • Rastrovací-transmisní • Kombinace obou předchozích • Environmentální rastrovací • Nižší vakuum

11. Skenovací sondové mikroskopie • Neoptické mikroskopie • SPM • AFM • STM • Zobrazení povrchu • Nutné kalibrace • Pohyb sondy v těsné blízkosti povrchu (několik nm) • Velmi jemný pohyb sondy pomocí piezokrystalu • Prodloužení či smrštění v závislosti na napětí • Možnost manipulace

12. Skenovací sondové mikroskopie • Nepoužívá se pojem zvětšení • Nutná kalibrace rozměrů • Mechanická část • Stolek k upevnění vzorku • Polohovací zařízení • Sonda • Elektrická část • Napájení • Zpětná vazba • Sběr signálu • Ovládání pohybu • Tlumení mechanických vibrací

13. Analytické metody v NT

14. Rentgenová prášková difrakce • Studium krystalů • RTG záření • Pronikavost (roste s frekvencí) • Schopnost ionizace prostředí • Luminiscenční účinky • Fotochemické účinky • Biologické účinky • Spojité a Charakteristické záření • Detektory • Ionizační • Scintilační • Polovodičové • Fotografické

15. XRD • Difrakce především na elektronech • Braggova rovnice

16. Vibrační spektroskopie • Infračervená spektroskopie • Absorpce (800 nm – 1 mm) • NIR, MIR, FAR • Musí dojít je změně dipólmomentu – asymetrické molekuly • Typy vibrací • Fundamentální, overtony, horké přechody • Valenční, deformační • Instrumentace • Disperzní přístroje • FT přístroje • Měřící techniky • Na průchod • Odrazné

17. Vibrační spektroskopie • Ramanova spektroskopie • Rozptyl (UV, VIS, NIR) • Rayleighův • Stokesův • Anti-stokesův • Změna polarizovatelnosti • Symetrické molekuly • Instrumentace • Disperzní přístroje • FT přístroje • Měřící techniky • Různé úhly zachycování záření

18. Struktura a vlastnosti NM

19. Struktura a vlastnosti NM • Struktura • Rozměr • Tvar • Atomová struktura • Krystalinita • Mezifázové rozhraní • Chemické složení • Rozměry • Molekuly – pevné částice < 100nm • Vlastnosti určeny charakteristickými znaky • Částice • Klastry • Dutiny • 1 – 100 nm alespoň v jednom rozměru

20. Struktura a vlastnosti NM • Závislost vlastností • Vlastnosti nanočástic • Uspořádání nanočástic • Vznik vnitřních struktur • Přístupy • Top – down • Fotolitografie v elektronice • Bottom – up • Dispergované a kondenzované systémy • Self-assembly

21. Struktura a vlastnosti NM • Nanočástice • Nanostrukturní materiály • Nanstrukturní vrstvy

22. Nanomateriály v polovodičích • Kvantové vrstvy • 2D systém • Třetí rozměr 1 - 3 nm • Kvantové drátky • 1D systém • Kvantové tečky • Kvantové klastry • Zvláštní struktura

23. Self-assembly • Samouspořádání struktur • Souvisí s: • Van der Waalsovými silami (přitažlivé) • Coulombickými silami (odpudivé) • Vodíkové můstky • Hydrofilní/hydrofobní interakce • Pokles volné energie • Biologické struktury • Polymery • Slitiny • Samouspořádání při vzniku • Samoopravné materiály

24. Metody přípravy NM

25. Metody přípravy NM • Individuální přístup k různým materiálům • Výsledné struktury je vždy nutné analyzovat • Technonologie často spojována se vznikem polovodičových struktur • P/N přechod • Vytváření horizontálních struktur – litografie • Vytváření vertikálních struktur – epitaxe • Sol-gel metoda

26. Litografie • Hromadné chemicko-fyzikální zpracování • Hladký povrch • Substráty • Si • Sklo • GaAs • Horizontálně členěné struktury • Členění: • EUV/RTG litografie • Fotolitografie • Elektronová litografie • Iontová projekční litografie • Reaktivní iontové leptání

27. Epitaxe • Velmi často aplikovaná • Vertikální nanostruktury • Přesně kontrolovaná výstavba materiálů a povrchů • Křemíkový substrát • Dělení • Homoepitaxe – substrát i vrstva stejné makrosložení • Heteroepitaxe – různé makrosložení • Rheotaxe – Podložka je kapalina-tavenina, vrstva – tuhá • Grafoepitaxe – (diataxe, umělá epitaxe), substrát je amorfní (sklo) s upraveným povrchem

28. Epitaxe • Typy • Z pevné fáze • Z kapalné fáze • Z plynné fáze • PVD • CVD • Epitaxe z molekulových svazků (MBE)

29. Sol-gel metoda • Amorfní, amorfně-krystalické i krystalické materiály • Homogenizace výchozích složek v roztoku • Přechod Sol-gel • Zůstává zachována homogenita • 3 fáze • Příprava solu – nízkomolekulární prekurzory • Gelace solu • Odstranění rozpouštědla • Materiály s velkou variabilitou vlastností • Jemné prášky • Monolitická keramika a skla • Keramická vlákna • Anorganické membrány • Tenké filmy • Aerogely

30. Nanomateriály na bázi uhlíku

31. Uhlíkaté nanomateriály • Uhlík v přírodě • Amorfní • Krystalický • Uhlíkaté NM • Fullereny • Sférické molekuly • Uhlíkaté nanotrubičky • Prodloužené fullereny • Uhlíkaté nanopěny • Zahřátí pulsním laserem na extrémní teplotu (10000 °C) • Extrémně lehká • Feromagnetická • Grafen • Uhlíkaté aerogely

32. Fullereny • Nejčastěji C60 • Laserová ablace grafitu • Prudké ochlazení • Výskyt v přírodě • Saze • Uhelné vrstvy • Fulgurity • Meteority • Plamen svíčky – žlutá část • Laboratorní příprava • C60 • Vysoké výtěžky (50 %) • Obloukový výboj (C elektrody)

33. Fullereny • 20 a více atomů uhlíku • Mnohostěny „kulovitého“ tvaru • Nejstabilnější C60 • Průměr 1 nm • Extrémní odolnost vůči vnějším fyzikálním vlivům • Další struktury • Fullerity • Dimery/polymery • Filleridy

34. Uhlíkaté nanotrubičky • Podobný způsob přípravy jako fullereny (CVD metody) • Velmi dlouhé (mikrony) • Průměr několik nm • Čistě uhlíkaté • Čestičlenné kruhy • Různé typy • Duté, plné, vícevrstvé… • Jednovrstvé/vícevrstvé • Uzavřené/otevřené

35. Grafen • Jedna nebo několik málo grafitických vrstev • Příprava • CVD metoda • Chemicko-mechanická dekompozice grafitu • Oxidace grafitu (KMnO4 + H2SO4) • Oddělení vrstev v ultrazvuku • Zpětná redukce • Metoda Lepící pásky

36. Aerogely • Přechodná oblast • Organické • Uhlíkaté • Anorganické • Si, Ti, Al • Podstatnou část tvoří vzduch • Velmi nízká hustota • Vysoká pevnost • Příprava metodou Sol-gel

37. NM na bázi jílů

38. NM na bázi jílů • Přírodní materiály • Některé rozměry v nanoměřítku • Jíl • Materiál s obsahem jílových minerálů (aluminosilikátů) • Materiál s částicemi < 2 µm • Časté směsi dvou a více jílových minerálů • Schopnost sorpce a iontové výměny • Schopnost vázat vodu • Chování při zahřívání • Reakce s organickými látkami

39. NM na bázi jílů • Vrstevnatá struktura • Tetraedrické a oktaedrické sítě • 1:1, 2:1 • Nejstudovanější • Kaolinity • Montmorillonit • Vermikulity • Značné využití už u surových materiálů

40. NM na bázi jílů - interkaláty • Umístění různých molekul do mezivrství • Organické molekuly • Polymery • Komplexní ionty • Anorganické interkaláty • Monoiontové formy • Kysele aktivované materiály • Komplexní kationy • Pilarizace

41. NM na bázi jílů - interkaláty • Organické • Kationy • Tenzidy • Barviva • Polymery • Polymery – zvláštní případ • Polymer – matrice • Interkalace až exfoliace • Lepší pevnostní vlastnosti

42. Polymerní kompozity

43. Polymerní NM • S jíly • S uhlíkatými NM • Samotné

44. Aplikace NM

45. Primární aplikace NT • 3 základní aplikační oblasti • Nanorobotika (NEMS) • Materiálové inženýrství • Molekulární nanotechnologie • Aplikace v elektronice • Materiály • Spintronika • Senzory

46. Primární aplikace NT • Materiálové inženýrství • Vrstvy • Kompozitní materiály • Samoopravné materiály • Medicína • Cílená doprava léčiv • Nové léčebné postupy • Biokompatibilita

47. Hrozba NT • Neznámá toxicita nanočástic a nanomateriálů • Vliv na životní prostředí • Vliv na společnost • Možnost zneužití

48. Pro dnešek vše 