Tento předmět poskytuje studentům základní přehled o nanomateriálech a nanotechnologiích, umožňuje jim pochopit základní principy a charakteristiky nových jevů a objektů na nanoúrovni. Nanotechnologie se věnují jevům vycházejícím ze struktury látek na atomové a molekulární úrovni. Studium nanotechnologií staví na poznatcích z mnoha vědních disciplín, včetně chemie, fyziky, biologie, medicíny a mikroelektroniky.
Předmět je rozdělen na dvě základní oblasti. V první se studenti seznámí s nanosvětem v porovnání s makrosvětem, jejich charakteristikami, výskytem přírodních nanostruktur a nanomateriálů, procesy, kterými nanostruktury vznikají, a také historií používání nanomateriálů a současností nanotechnologií. Druhá oblast je zaměřena na konkrétní typy nanomateriálů a jejich cílené aplikace v oborech energetiky, ochraně životního prostředí, biomedicíně a dalších.
1. Úvod do nanotechnologií
Nanotechnologie definují stručnou historii, historické aplikace a souvislosti. Studenti se seznámí s různými typy nanomateriálů, souvislostmi s kvantovou fyzikou a základními procesy přípravy nanomateriálů. Přístup top-down a bottom-up je klíčový pro pochopení metod přípravy. Kategorizace podle dimenzionality (geometrie nanoobjektů) a rostoucí vliv povrchových atomů a kvantové efekty jsou zásadní pro pochopení vlastností nanomateriálů.
1.1 Nanosvět vs. makrosvět
Nanosvět se liší od makrosvěta především vlivem kvantových jevů a zvýšeným poměrem povrchu k objemu. Tyto faktory zásadně ovlivňují fyzikální, chemické a biologické vlastnosti materiálů na nanoúrovni.
1.2 Historie a současnost nanotechnologií
Lidstvo využívalo nanomateriály po staletí, aniž by si to plně uvědomovalo. Příkladem jsou barevná skla ve středověkých katedrálách, kde nanočástice zlata a stříbra způsobovaly jejich zbarvení. Moderní nanotechnologie se začaly rozvíjet s pokroky v mikroskopii a pochopením kvantové fyziky.
2. Fyzikální základy nanotechnologií
Fyzikální základy nanotechnologií zahrnují kvantové omezení, vliv povrchu a škálovací zákony. Tyto principy vysvětlují, proč se vlastnosti materiálů na nanoúrovni liší od jejich makroskopických protějšků. Limity velikostí a souvislosti s kvantovou fyzikou jsou klíčové pro pochopení chování elektronů a dalších částic v nanostrukturách.
Hlavní úsilí se zaměří na popis změn elektronové struktury spojené s kvantověmechanickým zachycením elektronů v nanostrukturách a kvantových jevů doprovázejících transportní vlastnosti nanostruktur. Budou rovněž diskutovány důsledky většího relativního počtu povrchových atomů nanočástic (ve srovnání s objemovými materiály) na chemickou reaktivitu a katalytické účinky a tepelné vlastnosti nanočástic.
3. Typy nanomateriálů a jejich příprava
Předmět se zaměřuje na základní typy nanomateriálů a nanostruktur, jejich fyzikální způsoby přípravy a metody analýzy jejich vlastností. Cílem je definovat základní typy nanomateriálů a nanostruktur, metody jejich přípravy a popsat jejich aplikace.
3.1 Nanočástice
Nanočástice jsou 0D geometrie nanostruktur. Jejich příprava zahrnuje metody jako nukleační teorie, koloidní a micelární systémy, pyrolýza, sol-gel metody, polymerační metody a templátování. Klastry a magická čísla hrají roli v jejich stabilitě a vlastnostech. Mezi optické vlastnosti patří různé typy klastrů. Charakterizace nanočástic zahrnuje velikostní distribuci, metody přípravy (sol-gel, z plynné fáze, termická dekompozice, laserová ablace, atd.), řízení velikostní distribuce a stabilizaci. Mezi aplikace patří například katalýza a medicína.
3.2 Nanofilmy a tenké vrstvy
Tenké vrstvy představují 1D geometrii nanostruktur. Metody přípravy zahrnují napařování, naprašování, CVD, MBE a další růstové mechanismy. Důležitý je vliv teploty a rychlosti depozice, epitaxní růst. Fyzikální a chemické metody z plynné fáze (PVD, CVD) a metody povlakování z roztoku (sol gel) jsou běžně využívány. Charakterizace filmů a jejich vybrané aplikace jsou klíčové.
3.3 Nanodráty
Nanodráty mají specifické vlastnosti, včetně balistického transportu. Metody přípravy zahrnují například VLS syntézu. Mezi aplikace nanodrátů patří elektronika a senzory.
3.4 Uhlíkové nanostruktury
Uhlíkové nanostruktury zahrnují grafen a jeho vodivostní vlastnosti, uhlíkové nanotrubičky, fulereny, uhlíkové kvantové tečky a nanodiamanty. Hybridizace v uhlíku a netradiční vazby jsou základem jejich vlastností.
3.5 Nanokompozity a nanoporézní materiály
Nanokompozity se liší od mikrokompozitů. Objemové nanostrukturní materiály, nanokompozitní skla, porézní křemíky a zeolity jsou příklady těchto materiálů. Zeolity jsou například využívány v odpadovém hospodářství pro čištění odpadních vod.
4. Metody charakterizace nanomateriálů
Pro zkoumání nanomateriálů se využívá široká škála metod. Mezi ně patří spektroskopické metody (fluorescenční, Ramanova, UV-VIS, elipsometrické), elektronová mikroskopie (SEM, TEM) pro morfologii, elektrické vlastnosti, koloidní charakteristiky (velikost částic, DLS, zeta potenciál), zkoumání porézní struktury (adsorpce, chemisorpce), micelární struktura (SAXS-XRD), zkoumání povrchu (AFM, STM, SNOM) a funkcionalizace povrchu.
5. Aplikace nanotechnologií
Nanotechnologie mají široké spektrum aplikací v různých oblastech.
5.1 Nanooptika a nanoelektronika
V nanooptice a nanoelektronice se využívá povrchový plasmon, nanopigmenty, nanofotonika a polovodičové nanočástice. Uhlíkové nanostruktury hrají významnou roli v těchto oblastech.
5.2 Medicínské aplikace
V medicíně se nanotechnologie uplatňují v nanolékařství, kde se využívají magnetické nosiče pro cílenou léčbu nádorových onemocnění, MRI, lékařskou diagnostiku, tkáňové inženýrství a kosmetiku.
5.3 Energetika
V oblasti energetiky se nanotechnologie podílejí na tzv. "energy harvesting", tedy konverzi, akumulaci a uložení energie. To zahrnuje solární články, baterie, palivové články, vodíkové technologie a CCSU technologie.
5.4 Ochrana životního prostředí a odpadové hospodářství
Nanomateriály se využívají pro samočistící a antibakteriální aplikace. V odpadovém hospodářství nacházejí uplatnění nanomembrány pro čištění odpadních vod a zeolity pro valorizaci odpadu. Nanotechnologie také přispívají ke zvýšení mechanické odolnosti materiálů a k úpravám povrchů.
5.5 Stavebnictví
V moderním stavitelství a ochraně životního prostředí se využívají nanovlákna, ať už pasivně jako molekulární síta, nebo aktivně po úpravách plazmovými technologiemi (hydrofobizace, hydrofilizace, silanizace). Nukleace na nanovláknech a využití standardních i upravených nanovláken v moderním stavitelství jsou předmětem zájmu.
K čemu jsou (a budou) nanočástice v medicíně? - Vědátoři na pivu w/ Petra Švecová
6. Zdravotní, ekologické a sociální dopady nanotechnologií
Je důležité zvážit zdravotní, ekologické a sociální dopady nanotechnologií a s nimi spojená rizika. Vzdělávání v této oblasti je klíčové pro zodpovědné využívání těchto technologií.
Absolvent má základní teoretické znalosti ze základních oblastí fyziky, chemie, materiálů, nanomateriálů, z oblasti různých fyzikálních, chemických a fyzikálně-chemických postupů pro přípravu (nano)materiálů, nanostrukturovaných materiálů a jejich následné charakterizace. Absolvent má teoretické znalosti základů instrumentálních metod pro charakterizaci materiálů a nanomateriálů a dovede je využívat i prakticky k charakterizaci připravených nanomateriálů i materiálů obecně. Absolvent ovládá základní dovednosti nutné v laboratořích fyziky a chemie, fyzikální a chemické postupy přípravy nanomateriálů (nanočástic, nanovrstev, nanostrukturovaných povrchů, nanovláken a nanokompozitů), zejména s využitím plazmových technologií, elektrospinningu a dále i chemických a kombinovaných fyzikálně-chemických způsobů přípravy. Absolvent bude schopen tvůrčím způsobem aplikovat načerpané znalosti a praktické dovednosti při přípravě nových typů (nano-)materiálů, jejich charakterizaci a testování funkčnosti.
tags: #zakaldy #nanotechnologii #upol #prf #zkouska