KCH/NANTM

1. KCH/NANTM

2. Základní informace, požadavky • KCH/NANTM • Nanotechnologie a nanomateriály • 2+0 • Zkouška: písemná+ústní • Pro postup k ústní části alespoň 60% bodů • Kl. 2190 • C510 • martin.mucha@osu.cz

3. Náplň předmětu • Definice pojmů • Historie • Přírodní nanotechnologie • Analytické metody užívané při zkoumání nanomateriálů • Nanomateriály • Na bázi uhlíku • Na bázi jílových minerálů • Ostatní kompozity • Aplikace nanotechnologií • Rizika spojená s nanotechnologiemi

4. 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

5. Definice základních pojmů • Nanověda • Studium hmoty na atomární a molekulové úrovni (výrazně odlišné vlastnosti) • 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

6. 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

7. Definice základních pojmů • Nanomateriál • Vlastnosti určeny charakteristickými znaky (částice, klastry, dutiny) o rozměrech 1-100 nm. • Nanostruktura • Dostatečně malá, aby se mohly uplatňovat kvantové jevy • Neobvyklé vlastnosti nanostruktur • Odlišná elektronová struktura • Transportní vlastnosti • Výrazné uplatňování přitažlivých van der Waalsových sil a odpudivých elektrostatických sil

8. Zařazení nanotechnologií • Vysoce interdisciplinární obor • Vycházejí z přírodních věd • Chemie • Fyzika • Biologie • Matematika • Zasahují do: • Přírodních věd • Medicíny • Elektroniky • Letecké a kosmické techniky • Materiálového designu

9. Historie nanotechnologií • Richard Philips Feynman • 1959 „Thereis Plenty ofRoomattheBottom“ • Manipulace s atomy a molekulami • Nobelova cena za fyziku • Mikrotechnologie • NorioTaniguchi • 1974 první použití pojmu „Nanotechnologie“ • Obrábění s tolerancí menší než 1 nm • K. Eric Drexler • Základní stavební kameny – proteiny • Navázal na Feynmana

10. Historie nanotechnilogií • 80. léta 20. století • skenovací tunelová mikroskopie • Zobrazení jednotlivých atomů • Objev fullerenů (C60) • Pomocí STM napsán název firmy IBM na niklový plát s použitím 35 atomů xenonu • 90. léta 20. století • Příprava uhlíkových nanotrubiček • Příprava nanodrátků • Vedení elektrického proudu jednou molekulou • Tranzistor z uhlíkatých nanotrubic.

11. Historie nanotechnologií • http://www.nano.gov/nanotech-101/what/working-nanoscale

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

13. Nanotechnologie v přírodě • Lotosový efekt • Lotos, řeřicha • nanorozměrné chmýří odpuzující vodu • Gekon • Nanochloupky/lamely • Van der Waalsova vazba • Slávky jedlé • Micely „lepidla“ • Přichycení k podložce

14. Nanotechnologie v přírodě • Svaly • Svalová vlákna  myofibrily  aktinové a myozinové vlákno (tato vlákna jsou tvořena proteiny  nanorozměry) • Šlachy • Aminokyseliny (0,6 nm) proteinkolagen (1nm) šroubovicevláknité struktury – mikrofibrily (3,5 nm). Tyto struktury se pak dále spojují do větších struktur, až vzniká fibrila (50-500 nm). Dále pak vznikají svazky těchto vláken a konečně výsledná šlacha. • Vlasy • Alfa-šroubovice (0,15 nm) protofibrila(2nm) mikrofibrila (8 nm) makrofibrila (200 nm)  buňka (2µm) vlas(20 µm)

15. Nanotechnologiev přírodě • Biomineralizace • Mikroskopické biogenní minerály • Schránky, vnitřní kostry • Kalcit, apatit, aragonit • Schránky mlžů • Aragonit – křehký • Proteiny – dodávají elasticitu • 3 hm. % stačí, aby schránka byla pevnější než krystal vápence

16. Nomenklatura nanotechnologií • Nanomateriály • Příprava nanopráškových materiálů, nanočástic, kvantových teček, nanovláken. • Příprava kompozitních materiálů s obsahem nanočástic. • Uhlíkaté materiály (fullereny, nanotrubice). • Modifikované jílové minerály (anorganickými i organickými molekulami). • nanostrukturníkovy, nanokeramika a také např. nanokompozity na bázi polymerů. • Nanotechnologie pro ukládání a přenos informací, mikro- a nanoelektronika • Nanoelektronikaa materiály a zařízení v ní používané. • Nanofotonika, vývoj optických a magnetických materiálů. • Nanobiotechnologie, nanomedicína • Problematika zacílení účinků léků jejich zapouzdřováním a cílenou dopravou k postiženým tkáním. • Problematika tkáňového inženýrství. • Příprava biokompatibilních materiálů a rozhraní, • Molekulární analýzou, diagnostikou a rozpoznáváním.

17. Nomenklatura nanotechnologií • Nanotechnologie pro aplikaci v senzorech • Vývoj velmi citlivých senzorů. • Vývoj biomolekulárních senzorů. • Nanotechnologie pro (elektro)chemické technologie zpracování • Problematika vývoje nových materiálů pro účinnější zpracování materiálů. • Vývoj nových filtrů, membrán, molekulových sít, příp. umělých zeolitů. • Přípravě nových katalyzátorů a nanostrukturních elektrod. • Dlouhodobý výzkum s širokou oblastí aplikace • Široká oblast často na rozmezí předchozích zmíněných. • Samouspořádání (self-assembly). • Kvantová fyzika. • Chemické materiály a procesy (nanochemie). • Ultrapřesné(nanopřesné) inženýrství, např. i obrábění kovových předmětů.

18. Nomenklatura nanotechnologií • Přístroje a zařízení, výzkum a aplikace technologií • Vývoj nových metod analýzy. • Nové analytické přístroje a metody. • Vývoj nových metod přípravy nanomateriálů. • Metody a zařízení na přípravu nanoprášků, nanovrstev a povlaků. • Zařízení pro ultrapřesné obrábění. • Zdravotní, ekologické, etické, sociální a jiné aspekty nanotechnologií • Toxicitou nanočástic. • Ekologické aspekty. • Sociální a etické aspekty. • Patentová, popularizační problematika. • Ekonomická problematika – obchod s nanovýrobky.

19. Pro dnešek vše 