19.04.2012 (wykład trzeci po pierwszym kolokwium)

Nanokoloidy:

-Nanokoloidy- metal rozbity na niewyobrażalnie małe cząstki zawierające około 500 atomów, każda cząstka rozproszona w wodzie

-Są tak małe, że można zobaczyć je tylko pod mikroskopem elektronowym, dziesięć razy mniejsze
od najmniejszych wirusów, dwieście razy mniejsze od najmniejszych bakterii

Nanokoloidy wykazują zadziwiające właściwości:

- mają unikalną strukturę

- są odporne na światło

- są neutralne chemicznie, nie mają zanieczyszczeń

- są niezwykle aktywne biobójczo już przy małych stężeniach, najważniejsze: są w pełni bezpieczne
dla ludzi i zwierząt

Biomateriały:

- jednym z wielu obszarów potencjalnych zastosowań tworzyw z gradientem właściwości jest przemysł biomedyczny

- ceramika z gradientem porowatości, zaprojektowana na wzór żywej tkanki kostnej może służyć
do wytworzenia implantów ortopedycznych w chirurgii kostnej

- w literaturze można znaleźć opisy implantów ortopedycznych wykonanych z hydroksyapatytu
w połączeniu z tytanem

- bioaktywny hydroksyapatyt odpowiada za mocne połączenie z tkanką organiczną, zaś tytan stosowany jest w części implantu w której pożądana jest duża stabilność mechaniczna

Aplikacje nanomateriałów:

- prace naukowe, elektronika, farmacja, kataliza, biomedyka, struktury, materiały

Zastosowanie nanomateriałów w medycynie:

- nanotechnologiczne czujniki analizują szybko i jednocześnie dużo parametrów krwi, tkanek. Umożliwiają diagnozowanie na podstawie badań chorób krwi niewykrywalnych we wczesnej fazie np. raka wątroby

- dzięki nanolaboratoriom obniża się koszty badań nad lekami i rzadsze będą kosztowne pomyłki diagnostyczne. Powstaną leki dostosowane do konkretnego pacjenta - mówił w Trieście prof. Harold Fuchs z Uniwerstystetu w Munster

- dzięki nanotechnologii można by hodować sztuczne tkanki i narządy lub pobudzać ich regenerację
w organizmie.

-także połączenie sztuczne organów z organizmem wymaga nanotechnologii np. w przypadku sztucznych uszu czy oczu.

- odpowiednio przygotowane powierzchnie implantów zapobiegają odrzuceniu

- !!! należy pamiętać aby nanomateriały były biokompatybile (zgodne z organizmem), nieszkodliwe,
nie zaburzały ustroju. Implanty działają średnio 5-15 lat. Nie mogą być odrzucane przez organizm.

- trzeba bardziej zrozumieć ludzki genom

- posłuży temu superszybkie nanotechnologiczne analizatory, badania nad strukturą i funkcje kodowanych przez geny białek

- najbardziej spektakularny pomysł to medyczne nanoroboty, przenoszące tlen wydajniej niż czerwone krwinki, wychwytujące wolne rodniki, niszczące bakterie, wirusy, komórki nowotworowe

- nanoroboty miały by usuwać blaszki miażdżycowe, łączyć zerwane włókna nerwowe, usuwać zbędny tłuszcz

- intensywne prace eksperymentalne nad zastosowaniem nanomateriałów w medycynie prowadzone
są również w polskich instytutach badawczych

- być może już niebawem nanocząstki wytworzone w laboratoriach Poznańskiego Uniwersytetu Medycznego będą stosowane w farmakologii m.in. jako środek służący do leczenie osteoporozy

- współpracujący ze sobą naukowcy z Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu im. H. Poincare'go w Nancy (Francja), opracowali metodę syntezy nanocząstek wewnątrz których zamknięte zostały różnego rodzaju substancje czynne, które wykorzystywane są w medycynie m.in. jako farmakoterapeutyki.

Nanobomby:

- naukowcy z University of Delaware testowali możliwość niszczenia komórek za pomocą nanorurek - wyniki okazały się zaskakująco dobre. Badacze zniszczyli komórki raka piersi, wykorzystując węglowe rurki o średnicy od 1,5 do 4 nm.

-najważniejsze jest to, że z tkanki nowotworowej niewiele pozostało, a wybuch nie uszkodził zdrowych komórek

-eksplozja w nanoskali zachodzi w wyniku odparowania cieczy z wnętrza ogrzanych światłem rurek. Wprowadzenie intruzów do komórek rakowych też nie jest trudne: cały kłopot polega na tym,
że pojedynczy nanoobiekt trudno ogrzać - szybko oddaje ciepło do otoczenia (trzeba go szybko ogrzać)

- naukowcy z University of Delaware wpadli na bardzo prosty pomysł: nanorurki muszą być gęsto upakowane. Można wtedy wywołać eksplozję ogrzewając je mało intensywnym bliskim podczerwieni światłem lasera

- proces zachodzi bardzo szybko, można nim precyzyjnie sterować inaczej niż w przypadku pojedynczych nanorurek. Najważniejsze, że nanorurki wybuchały w mieszaninie wody, fosforanów, NaCl czyli
w środowisku zbliżonym do występującego w ludzkim ciele.

Serce z probówki:

- celem jest wykorzystanie komórek macierzystych

- etapy tworzenia komórek:

* komórki macierzyste - mioblasty pobierane z nogi pacjenta po zawale

* mioblasty są rozmnażane

* komórki macierzyste wstrzykuje się do mięśnia sercowego (przez cewnik)

* w bliźnie pozawałowej mioblasty przekształcają się w komórki mięśnia sercowego

Fullereny i nanorurki:

- do rozwoju nanotechnologii znacznie przyczyniło się wynalezienie nanocylindrów (nanorurek) zbudowanych z czystego węgla. Te z kolei powstały dzięki odkryciu nowego typu materiału zwanego fullerenami.

- nanorurki węglowe - uporządkowane struktury w kształcie rurek o grubości jednej dziesięciotysięcznej ludzkiego włosa, które przewodzą prąd elektryczny - mają ogromną przyszłość w wielu dziedzinach techniki, przede wszystkim w nanoelektronice

Nanorurki węglowe: (ważne na kolokwium!!!)

- do najbardziej rozpowszechnionych form węgla stosowanych w postaci nanododatków należą przede wszystkim fullereny oraz nanorurki węglowe (wielościenne)

-nanorurki charakteryzują się właściwościami niezwykłymi w porówaniu do klasycznych materiałów.
Są niezwykle wytrzymałe na rozciąganie (200 razy bardziej niż stal), mają niezwykle wysoką przewodność ciepną. Najciekawsze są jednak właściwości elektryczne nanorurek

- badania nanorurek węglowych wykazały, że ich dodatek do matrycy polimerowej powoduje,
że kompozyty takie mogą być przewodnikami elektrycznymi

Nanorurki znalazły zastosowanie w:

-wytwarzaniu sensorów chemicznych materiałów wykorzystujących zjawisko emisji polowej podłoży katalitycznych

-urządzeniach elektrycznych

-superkondensatorach

Lokomoterapia magnetyczna: (jeśli ktoś ma zdjęcie to proszę o wstawienie)

Nanorurki + papier = bateria

- bateria grubości kartki papieru została zbudowana przez naukowców ze Stanford University

- rozwiązanie to polega na nadrukowaniu na kartkę papieru warstwy srebra i naniesieniu farby z nanorurek

- otrzymane bateria jest elastyczna i płaska

Fullereny i nanorurki - ciąg dalszy:

- odkrycie nanorurek przypisuje się Japończykowi - Sumio Iijima - w 1991 roku

- jednak kuzynem, a w zasadzie patronem całej rodziny są fullereny

- ich budowa jest podobna do nanorurek w tym sensie że są one zbudowane z podobnych płaszczyzn węglowych (grafenowych)

- w przypadku fulerenów formują one się w struktury podobne do piłek (np. Fulleren C-60 itd.)

Nanorurki:

- znane są dwie główne odmiany nanorurek
* jednościenne SWNT (single-walled nanotubes)

* wielościenne MWNT (multi-walled nanotubes)

- nanorurki dzięki specyficznym oddziaływaniom chemicznym mogą się samoorganizować w bardziej złożone struktury

- nanorurki jednościenne (JNRW- Jednościenne NanoRurki Węglowe) zbudowane są z pojedynczych zwiniętych w tuby płaszczyzn grafenowych, których średnice wynoszą od 0,4 do 2 nm.

-nanorurki jednościenne osiągają wysoki poziom doskonałości strukturalnej, przypominając fullereny, których połówki uważa się za zakończenie nanorurek

- zamknięcie płaszczyzny rurki grafenowej możliwe jest przez sferyczny układ 12 pierścieni pentagonalnych

- nanorurki jednościenne występują w kilku odmianach, których chiralność związana jest z wektorem wzdłuż którego została zwinięta płaszczyzna gra fenowa

- Dwie podstawowe struktury:

* zygzak

* fotel

-struktury nanorurek jednościennych w decydujący sposób wpływają na ich właściwości elektronowe

- nanorurki o strukturze typu „fotel” to przewodniki, a typu „zygzak” odznaczają się właściwościami półprzewodnikowymi.

26.04.2012 (wykład czwarty po pierwszym kolokwium)

Fullereny i nanorurki - ciąg dalszy:

- wyobraźnia podpowiada że można wypełnić taką nanorurkę jakimś metalem i obłożyć izolatorem
by uzyskać „nanokabel” (co zostało już zrobione przez naukowców, ale same nanorurki mogą spełniać rolę takich przewodników

- w zależności od skrętności nanorurki węglowe mogą się zachowywać jak półprzewodnik lub metal

- eksplorując możliwość potencjalnych aplikacji nanorurek naukowcy wpadli na pomysł wykorzystujących ich jako supercienki monitor

- ze względu na ich budowę rurki mogą pełnić funkcję światłowodów dostarczających do powierzchni ekranu fotony światła

- skala w której są wykorzystane pozwala uzyskać rozdzielczość obrazu tysiące razy lepszą od najlepszych na rynku paneli LCD

- projekt finansowany przez NASA: a może doprowadzić do powstania elementów składowych mikroskopijnych centrów sterowania - „sztucznych mózgów”, które kierowałyby np. samodzielnymi sondami eksplorującymi przestrzeń kosmiczną

- na naukowych konferencjach „fullerenowych” nie brakuje przedstawicieli koncernów farmaceutycznych których laboratoria cały czas poszukujących leków. Modyfikacja nanorurek do zastosowania w medycynie

-współczesne medykamenty m.in. aspiryna i morfina to związki których kręgosłupem są płaskie łańcuchy węglowe

- dzięki połączeniu cząsteczek fulerenów z grupami karboksylowymi otrzymano związki rozpuszczalne
w wodzie

- wykryto także że jeden z tych związków blokuje działanie dwóch ważnych enzymów w wirusie HIV - proteazy i odwrotnej transkryptazy

- do środka cząstki fullerenu włożono atomy np. uranu (U) i lantanu (La)

- najważniejszym odkryciem ostatnich lat w fizyce materiałowej było odkrycie nanorurek węglowych
o niespotykanych właściwościach

- amerykańscy naukowcy z NASA zaprojektowali system trójwymiarowych sieci które mogłyby funkcjonować podobnie do biologicznego systemu nerwowego

- zainspirowana przez naturę komputerowa natura będzie miała możliwości (zmysłowe+poznawcze) zbliżone do ludzkiego systemu sensorycznego

- prowadzone są prace nad biosilnikami mającymi mieć zastosowanie w nanorobotach

- nanorurki mogą stać się podstawą przyszłych układów elektronicznych

- przy pomocy ich pomocy stworzono już tranzystory mogące działać w temperaturze pokojowej
i przełączać się przy użyciu pojedynczego elektronu (propozycja połączenia dwóch nanorurek o różnych właściwościach elektrycznych w celu utworzenia diody)

- nanorurki węglowe w oku:

* do tej pory do oka zaatakowanego przez jaskrę (wobec której leki były już nieskuteczne) wszczepiono dreny silikonowe

* mają one jednak poważną wadę: pobudzanie procesów proliferacji fibroblastów (uwarunkowania czynnikami wydzielanymi przez płytki, a także przez same fibroblasty)

* fibroblasty- wrzecionowate komórki- które w odróżnieniu do ich dojrzałych form - fibrocytów- mają zdolność do podziału

- zastąpienie włókien silikonowych węglowymi nanorurkami daje zaś gwarancję że nanodreny nie zatkają
i niezablokują przepływu i nie dojdzie do zastoju płynów w chorym oku

Nanomaszyny i nanoczęści maszyn:

-Nanorurki jako cząstki części składowe nanomaszyn

* nanołożysko

* pompa molekularna

* rotor pompy molekularnej

* biosilnik proteinowy bazujący na systemie nanomechanicznym

Nanotechnologie w życiu codziennym:

- firma Gilead Sciences produkuje lekarstwa zawarte w lipidowych pęcherzykach o średnicy ok. 100 nm zwanych liposomami, które krążą w krwioobiegu dłużej

- Nanokapsułki

* nanokapsułki podlegające biodegradacji są już podawane pacjentom chorym na cukrzycę (insulina wziewna). Jest to pomoc chorym na cukrzycę

* nanokapsułki są to kuliste kapsułki o wymiarach 20-500 nm, a zatem niewidoczne gołym okiem ani pod mikroskopem optycznym

* nanokapsułki zostały zaprojektowane z myślą o zastosowaniu ich do podawania dożylnego, bez obawy o spowodowanie zatorów, ze względu na wielkość o wiele razy mniejszą od naturalnych elementów morfotycznych krwi (np. krwinek)

* polimerowe kapsułki o manometrycznej średnicy zawierające w swym wnętrzu insulinę mogą
w przyszłości stać się najpopularniejszą i najbardziej komfortową metodą leczenia cukrzycy (Nanomedicine)

* nanokapsułki przypominają swym wyglądem zwykle żelatynowe kapsułki jakie od lat stosowane są w farmacji z tą różnicą że ich wielkość mierzona jest nie w mm ale w nm czyli miliardowej części metra.

- pacjenci z uszkodzonym rdzeniem kręgowym mogą oczekiwać przywrócenia przewodnictwa nerwów dzięki pracy naukowców nad sztucznymi nerwami, nanotechnologia pomoże w przywróceniu funkcji neurologicznych

- także chorzy na raka powszechne zastosowanie specjalnych nanorobotów wyposażonych w biosilniki które w sposób selektywny będą łączyć się i zabijać tylko komórki rakowe pozstawiając zdrowe w stanie nienaruszonym

- do dezynfekcji powierzchni ścian i podłóg:

* srebro nanokoloidalne jest rewelacyjnie działającym środkiem do dezynfekcji toalet, łazienek i innych pomieszczeń

* jest całkowicie bezpieczne dla ludzki, dlatego też może być spokojnie używane w kuchniach

* wystarczy dodać do nawilżacza lub rozpylić w pomieszczeniu, a nanocząstki srebra osiadając dezynfekują i zabezpieczają powierzchni przed atakiem bakterii i grzybów (fungi)

- miedź koloidalna do walki z zaciemnionymi fungami w łazience i grzybami w wilgotnych miejscach

- do tej pory nie wyprodukowano naprawdę skutecznego środka do usuwania grzybów z fug między kafelkami

- miedź koloidalna działa wprost rewelacyjnie- wystarczy spryskanie zagrzybionego miejsca i przetrzeć je.

-miedź nanokoloidalna może bezpiecznie usuwać grzyby ze ścian i sufitów

- do klimatyzacji, nawilżaczy powietrza:

* to prawdziwy przełom o oczyszczaniu klimatyzacji, gdyż krążące w obiegu zamkniętym powietrze pełne jest bakterii, zarazków i wszelkiego rodzaju wirusów, a dzięki srebru koloidalnemu możemy skutecznie się ich pozbyć

* przez parę srebro koloidalne nie tylko oczyszcza powietrze w pomieszczeniu, ale atomy srebra osadzające się na przedmiotach i powierzchniach domowych

- neuronowe drzewo: zbudowane z materiału fullerenowego tworzy sztuczną sieć neuronową, może przekazać sygnały akustyczne, chemiczne i cieplne

Zastosowanie nanorurek:

- nanoelektronika ( złącze metal-półprzewodnik wykowane z nanorurek, tranzystory, nanoobwody)

- wzmacniacze konstrukcji (wytrzymałość ponad 100 razy większa od stali, masa 4 razy mniejsza od stali)

- przesyłanie energii (duża przewodność cieplna, nadprzewodnictwo)

- akumulatory (nowy typ elektrod i elektrolitów)

- elementy mikroskopów atomowych (ostrza skanujące)

- nanoołówki (litografia mikroskopowa)

- nanoroboty, nanopęsety (sterowane za pomocą napięcia, ważenie wirusów)

-nanoTV (funkcje światłowodu)

- nanokapsułki

Fulleryty

- materiały uzyskiwane przez sprasowanie nanorurek w wysokiej temperaturze i ciśnieniu

Nanotorusy

- nanorurki zwinięte w kształt torusa, nanotorusy są badane ze względu na zaskakujące właściwości magnetyczne

Grafen:

- jedna z alotropowych form węgla odkryta w 2004 rou przez grupę naukowców z Wielkiej Brytanii i Rosji

- grafen zbudowany jest z pojedynczej warstwy atomów węgla tworzących połączenie pierścieniowe sześcioczłonowe i może być uważany za ostatni z szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) element

ZAGADNIENIA NA II KOLOKWIUM:

1) nanokompozyty - podział i charakterystyka

2) typy nanorurek węglowych

3) grafen - charakterystyka

---