1. Definicje nanonauki i nanotechnologii
a) Nanonauka to badanie zjawisk i manipulacja elementami materii na poziomie

atomowym, molekularnym i makromolekularnym (zakres od jednego do stu
nanometrów), gdzie właściwości materii różnią się w istotny sposób od właściwości w większych

skalach wymiarowych.

b) Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, których
przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nm i które posiadają nowe własności wynikające

z nanorozmiaru

Właściwości ciał stałych w skali nanometrowej (strukturalne, mechaniczne, termiczne, elektronowe,

magnetyczne)

Materiały nanometryczne i cząstki nanometryczne wykazują właściwości, które w tych samych

materiałach, ale w skali makro nie występują. Te unikalne cechy stanowią o właściwości użytkowych
produktów wytwarzanych przez nanotechnologie, które nie można by uzyskad przy zastosowaniu
tradycyjnych materiałów. Stąd też tak duże zainteresowanie świata technicznego nanoobiektami,
intensywny rozwój nanotechnologii oraz duże środki przeznaczane na badania.

Nanocząstki i nanomateriały zachowują właściwości fizykochemiczne charakterystyczne dla skali

makro, a dodatkowo posiadają zespół oryginalnych cech, co związane jest z rozmiarem cząstek. Z jednej
strony z racji wielkości podlegają one już nie tylko prawom fizyki klasycznej, ale są dla nich właściwe także
zachowania opisywane przez fizykę kwantową. Wykazują cechy, zwłaszcza te elektryczne i optyczne,
znacznie różne od materiałów w rozmiarach makrometrycznych. Dualizm charakteru nanocząstek stanowi
jedną z największych zalet tego rodzaju obiektów. Dodatkowo nanocząstki posiadają rozmiary, które
pozwalają im na między innymi przenikanie przez większośd barier, również tych na poziomie
bioorganicznym. Powstanie narzędzi sterowania nanoobiektami (między innymi mikroskopów nano skali)
pozwala na wykorzystanie niewielkich wymiarów nanocząstek jako ich charakterystycznej cechy w wielu
dziedzinach, szczególnie zaś istotne jest ich wykorzystanie w medycynie precyzyjnej.

Właściwością charakterystyczną nanocząstek jest także znacznie bardziej rozwinięta powierzchnia

właściwa w porównaniu do tradycyjnych materiałów. Na przykład powierzchnia właściwa cząsteczek
nanopochodnych krzemu zawartych w objętości równej objętości kropli deszczu jest w przybliżeniu równa
powierzchni dużego boiska piłkarskiego. Silnie rozwinięta powierzchnia właściwa niektórych nanocząstek i
materiałów z nich zbudowanych decyduje między innymi o ich bardzo dobrych właściwościach
adsorpcyjnych i przekłada się dalej na ich specjalne zachowanie podczas użytkowania, różne od
tradycyjnie obserwowanych.

Nanomateriały w porównaniu do konwencjonalnych wykazują właściwości między innymi takie jak:
większa twardośd (nanokrystaliczny nikiel jest równie twardy co utwardzana stal),
większa wytrzymałośd (np. nanokrystaliczny krzem jest znaczenie bardziej wytrzymały na rozciąganie

niż stal) i występujący jednocześnie wzrost plastyczności, odwrotnie niż ma to miejsce w materiałach
tradycyjnych; w przypadku niektórych nanomateriałów ceramicznych ma się do czynienia ze zjawiskiem
tzw. superplastyczności, materiały te mogą ulegad odkształceniom plastycznym nawet do 250%,

większa odpornośd na pełzanie, co pozwala na wytwarzanie materiałów do stosowania w najwyższych

temperaturach (np. nanometryczny węglik krzemu),

właściwości ślizgowe (np. materiały polimerowo-nanometryczne stosowane jako części maszyn nie

wymagające stosowania smarów),

większa biokompatybilnośd biomateriałów nanometrycznych,
oryginalne bądź wzmocnione zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne (między innymi w stosunku do

wodoru), a także unikalne właściwości magnetyczne wykorzystywane do gromadzenia informacji w
elektronice i informatyce,

większa odpornośd chemiczna (np. azotki metali przejściowych);
większa hydrofilowośd niektórych nanomateriałów, zwana superhydrofilowością, polegająca na

obniżeniu kąta zwilżania powierzchni materiału przez wodę do około 1o (nanometryczny ditlenek tytanu).

Właściwości danego materiału w zależności od rozmiaru jego cząstek da się porównad na przykładzie

ditlenku tytanu TiO2. Ditlenek tytanu w formie makrometrycznej jest stosowany w technice od początku
XX w. jako biały pigment. Obecnie nadal jest najlepszym znanym białym pigmentem i jego produkcja

stanowi 70% wielkości produkowanych pigmentów nieorganicznych na świecie. Nanometryczny ditlenek
tytanu należy nanoproduktów już skomercjalizowanych i produkowanych w skali przemysłowej. Główne
zastosowania nanoTiO2 to kataliza zanieczyszczeo wody i powietrza.

2. Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM)

a. STM wykorzystuje zjawisko tunelowania elektronów by zobrazowad powierzchnię próbki, dlatego

zarówno sonda jak i badany materiał muszą byd półprzewodnikami lub przewodnikami. Sonda składa się z
igły umieszczonej na elementach piezoelektrycznych, umożliwiających jej ruch w pionie i w poziomie
(zjawisko odwrotne piezoelektryczne)

Odwrotne zjawisko piezoelektryczne polega na deformacji materiału pod wpływem pola

elektrycznego. Efekt tunelowy to zjawisko które pokazuje, że elektron o zadanej energii może pokonad
barierę potencjału z pewnym prawdopodobieostwem

b. Tryb stałej wysokości - igła porusza się na stałej wysokości nad próbką a aparatura rejestruje

wyłącznie zmiany prądu tunelowego. Rozwiązanie to można stosowad tylko w przypadku próbek o równej
powierzchni

Tryb stałego prądu - wykorzystuje się tu sprzężenie zwrotne zapewniające stałą wartośd prądu

tunelowego. Uzyskuje się to przez dostosowanie wysokości skanera. Sonda przekazuje systemowi
informacje o wartości prądu tunelowego, jeśli wartośd jest zgodna z zadaną nic się nie dzieje, jeśli jest za
wysoka lub za niska, wysyłany jest impuls, który zmienia wartośd napięcia doprowadzanego do elementu
piezoelektrycznego skanera, który zwiększ/zmniejsza odległośd między próbką a ostrzem.

c. Zalety: bardzo czułe urządzenie, w pionie rozdzielczośd lepsza od 0,1 nm w płaszczyźnie x-y

atomowa, można badad właściwości elektronowe materiału z atomową rozdzielczością

Wady: stały prąd nie jest dobry gdy odwzorowujemy topografię, niezwykła czułośd na zakłócenia,

nieliniowośd.

d. Ograniczenia skanera: nie może badad próbki powyżej 150 st. C nie będąc od niej izolowany cieplnie
Błędy odwzorowania: splot z kształtem sondy, pomiar wysokości jest dobry dopóki sonda ma kontakt z

próbką, sonda jest ograniczona kątem nachylenia, wielokrotne obrazowanie (dwa atomy na koocu ostrza),
topografia splata się z obrazem przewodności, sprzężenie zwrotne: za duże-powoduje że system może
zacząd oscylowad, za małe-wzmacnia sprzężenie zwrotne więc sonda niedokładnie odwzorowuje

3. Mikroskopia sił atomowych (AFM)

a. AFM składa się z: detektora położenia dźwigni, piezoskanera, dźwigni z sondą. Sonda jest

umieszczona na swobodnym koocu dźwigni, jej długośd rzędu nanometrów. Długośd dźwigni 100 - 200
mikrometrów. Zasada działania mikroskopu AFM polega na skanowaniu powierzchni próbki za pomocą
cienkiego ostrza zamontowanego na sprężystym ramieniu i mierzenia ugięcia ramienia proporcjonalnego
do zmian topografii powierzchni próbki, a) potencjał oddziaływania b) charakterystyka siła
przemieszczenie rejestrowana przez AFM

b. Tryby pracy
tryb stałej siły - układ ujemnego sprzężenia zwrotnego wbudowany w urządzenie sterujące zapewnia

bardzo dużą szybkośd działania bez dodatkowej ingerencji sterującego pomiarem komputera i
oprogramowania - informacja uzyskana układu sterowania pozwala na zrekonstruowanie obrazu

tryb stałej wysokości - pomiar dokonywany jest przez skanowanie bez zmiany wysokości, a obraz jest

konstruowany dzięki interpretacji zmiennego sygnału

c. Zalety AFM
•

Bardzo duża (atomowa) rozdzielczośd (podobnie jak STM)

•

Do pracy nie jest potrzebna próżnia (jak w mikroskopach elektronowych)

•

Pomiar próbek bez specjalnego przygotowania (jak w SEM/TEM)

•

Różnego rodzaju próbki, w tym izolatory (przewaga nad STM)

•

Praca również w cieczach, w tym próbki biologiczne (przewaga nad STM)

Ograniczenia:
•Płaska powierzchnia ciał stałych o niewielkiej chropowatości (podobnie jak STM)
• Mały obszar skanowania, rzędu pm, zależnie od skanera (podobnie jak STM)

d. Mikroanaliza rentgenowska: wywołana oddziaływaniem strumienia elektronów, częśd tego

promieniowania nazywamy promieniowaniem charakterystycznym (ściśle określona dł fali i wartością
energii zależnej od pierwiastka zawartego w próbce) Mikroanalizę dzielimy na metodę WDS (zmienna dł
fali, przy ugięciu ostrza spełniony jest warunek Bragga) oraz metodę EDS (używamy detektora
półprzewodnikowego)

e. metody dynamiczne AFM
W trybach dynamicznych dźwigienka skanująca wykonuje
oscylacje (drga) z częstotliwością bliską swojego rezonansu mechanicznego (zwykle od kilku do kilkuset

kHz). W czasie drgao ostrze dźwigienki styka się z próbką raz na okres, wówczas taką metodę skanowania
określa się trybem z przerywanym kontaktem (ang. intermittent contact). Istnieje również możliwośd, że
ostrze raz na okres zbliża się w pole bliskich oddziaływao próbki, bez jej dotykania, wówczas taką metodę
określa się mianem trybu bez- kontaktowego

4. Mikroskopia elektronowa

a. Podobieostwa i różnice do mikroskopii optycznej
Mikroskop optyczny wykorzystuje światło przechodzące przez układ optyczny z kilku-kilkunastu

soczewek optycznych

Mikroskop elektronowy w miejsce promieni świetlnych używa się wiązki elektronów.
b. Efekty oddziaływania elektronów z ciałem stałym
Elektrony, zderzając się z atomami materii tracą energię kinetyczną i mogą : -spowodowad emisję

(zaznaczono na rysunku powyżej preparatu), -zostad całkowicie zaabsorbowane (środek preparatu), -ulec
odbiciu

-przeniknąd przez materiał (proste strzałki poniżej preparatu).

Każdy z rodzajów promieniowania jest emitowany z innej głębokości materiału i z różnej jego objętości.
Z najmniejszej głębokości ok. 1nm. można badad skład chemiczny cienkiej warstwy. Głębokości od 5 do

50nm umożliwia obserwację powiększonego obrazu tej powierzchni.

c. Spektroskopia elektronów Augera (AES)

Odmiana spektroskopii elektronowej, polegająca na analizie rozkładu energetycznego elektronów

Augera. Metoda bazuje na efekcie Augera, czyli bezpromienistym przejściu elektronu na niższą powłokę.

Efekt Augera, zwany również samojonizacją, polega na emisji elektronów przez atom, zachodzącej

dzięki energii uwolnionej na skutek wypełniania luk w niskich powłokach elektronowych przez elektrony z
wyższych powłok. Elektron emitowany przez atom podczas tego procesu nosi nazwę elektronu Augera.
Pochodzi on z powłoki walencyjnej lub zbliżonej dc niej. Energia elektronu Augera zależy tylko od energii
powłok, między którymi przechodzi elektron:

gdzie E

1

- energia wiązania elektronu na poziomie 1 (wybitego na początku procesu), E

z

- energia

elektronu, który przechodzi na poziom 1, E

3

- energia wiązania elektronu opuszczającego atom.

Uzyskiwane informacje:
•

informacja o pierwiastkach obecnych na powierzchni

•

wyznaczanie rodzaju wiązao chemicznych

•

intensywnośd linii spektralnych pozwala wyliczyd stężenie pierwiastków

•

dzięki wykorzystaniu wiązki elektronów, którą można łatwo skupid, otrzymujemy możliwośd

pomiaru punktowego;

skanowanie wiązki elektronów na powierzchni pozwala otrzymywad mapy rozkładu powierzchniowego

pierwiastków i związków chemicznych.

d. Mikroanaliza rentgenowska
Jest oparta na emisji charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Podstawą interpretacji

wyników mikroanalizy jest zależnośd energii (długości fali) i natężenia promieniowania od składu
chemicznego badanej mikroobiętości próbki. W zależności od sposobu detekcji promieniowania
rentgenowskiego rozróżnia się:

•

spektrometr mierzący długośd fal promieniowania rentgenowskiego (WDS),

•

spektrometr mierzący energię promieniowania (EOS lub EDX).

Wzbudzenie charakterystycznego polega na wybiciu elektronu z dolnej powłoki elektronowej i zajęciu

zwolnionego miejsca przez elektron z wyższej energetycznie powłoki.

Energia określonej linii promieniowania charakterystycznego zmienia się z liczbą atomową pierwiastka.

Zależnośd ta, odkryta przez Mosleya, jest wyrażona zapisem:

Metodą mikroanalizy rentgenowskiej można ustalid rodzaj pierwiastków i ich powierzchniowe oraz

liniowe rozmieszczenie oraz precyzyjną informację o ilości poszczególnych pierwiastków.

e. Elektronowy mikroskop transmisyjny (TEM)
Elektronowy mikroskop transmisyjny jest urządzeniem, w którym wytwarza się i formuje wiązkę

elektronów w celu prześwietlenia preparatu i utworzenia obrazu jego struktury wewnętrznej. Obraz w
elektronowym mikroskopie transmisyjnym powstaje w wyniku oddziaływania preparatu z padającą wiązką
elektronów, dzięki czemu powstaje kontrast. Rodzaj uzyskiwanej informacji: morfologia powierzchni
próbki (repliki), b. małe pomiary Preparatyka:

Preparaty stosowane wTEM: -repliki (bezpośrednie i pośrednie) -repliki ekstrakcyjne -cienkie

folieWykonywanie cienkich folii:

-etapy wstępne b. powolne, bez dużego skoku temp i naprężeo:
wycinanie, szlifowanie, wycinanie krążków, szlifowanie papierem ściernym -metody pocieniania

(polerowania) do rozmiarów nanometrowych:

pocienianie elektrolityczne, pocienianie jonowe, ścinanie na ultra mikrotomie Elektronowy mikroskop

transmisyjny TEM podsumowanie: -próbki o grubości poniżej 0,2|im (potrzebna odpowiednia
preparatyka) -kontrast materiałowy: granice ziaren, wydzieliny, fazy materiału -dyslokacje

-informacje o wewnętrznej strukturze obiektów (nanorurki itp.)
f.

Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM)

Istotą mikroskopii skaningowej jest skanowanie próbki nanometrową wiązką elektronów uformowaną

przez układ elektronooptyczny mikroskopu. Wiązkę taką formuje układ soczewek elektronowych.
Powiększenie mikroskopu skaningowego wynika z relacji wielkości obszarów skanowanych na próbce i na
monitorze.

Uzyskiwane informacje:
•topografia powierzchni (właściwości mechanicznych metali i stopów)
•

analiza stanu powierzchni materiałów (metalografia ).

g. Dyfrakcja elektronów
Dyfrakcja, czyli ugięcie wiązki elektronów wnikających w materiał o strukturze krystalicznej, wynika z

falowej natury tej wiązki. Częśd elektronów przechodząc przez ciało o budowie krystalicznej, ulega
zjawisku dyfrakcji i tworzy pewną liczbę wiązek ugiętych. Elektrony, które nie uległy dyfrakcji, tworzą
wiązkę nieugiętą. Dyfrakcja nie tylko odgrywa istotną rolę w tworzeniu obrazu mikroskopowego, ale
pozwala także na utworzenie obrazu dyfrakcyjnego, który można oglądad i rejestrowad.

Badania dyfrakcyjne umożliwiają identyfikację obserwowanych składników preparatu. Jeżeli preparat

składa się z krystalitów o różnych strukturach można je wszystkie zidentyfikowad, gdy liczba różnych
struktur nie przekracza 2-3.

Technologie wytwarzania nanostruktur „top-down”
Ogólna charakterystyka, rodzaje

Top down – redukowanie wymiarów, rozdrobnienie cząstek.

Bottom-up – budowanie od podstaw (atom po atomie).

Techniki mikro- i nanolitografii
Jedną z wielu używanych w tym celu technik, są techniki litograficzne. Ich
wspólną cechą jest wykorzystanie selektywności trawienia różnych substancji
w celu otrzymywania powtarzalnych wzorów na zadanej powierzchni. W tym
celu tworzone są maski, które służą osłanianiu wybranego fragmentu powierzchni podczas

naświetlania promieniowaniem zmieniającym właściwości

materiału. Następnie płytka poddawana jest trawieniu, w wyniku czego usuwany jest fragment

materiału i odsłonięty zostaje wzór na powierzchni, będący

obrazem maski zastosowanej przy naświetlaniu.
Jedną z ciekawszych technik litograficznych jest nanolitografia. Polega ona
na bezpośredniej modyfikacji powierzchni przez ostrze mikroskopu sił atomowych (AFM). Ostrze to jest

wykorzystywane w celu ułożenia cząsteczek na

zadanej powierzchni przez skondensowaną na czubku ostrza miniaturową kropelkę wody. Metoda ta

umożliwia tworzenie nanostruktur o wymiarach poniżej 100 nm.

Wadami metody „top-down”, opartej na technikach fotolitograficznych są
wysokie koszty tej techniki oraz bariera możliwej do uzyskania precyzji, jaka
pojawia się przy schodzeniu poniżej granicy 100 nm. Przykładowo przy wytwarzaniu ścieżek dla

połączeo wewnątrz mikroprocesora mogą pojawid się przebicia czy zwarcia pomiędzy blisko leżącymi
ścieżkami.

Fotolitografia
Fotolitografia – jest to proces pochodzący z technologii

półprzewodnikowej

polegający na odtworzeniu

wzorów

fotomasek

na podłożu np. półprzewodnikowym. Celem wykonywania fotolitografii jest uzyskanie

pożądanego kształtu powierzchni. Zasada działania fotolitografii jest podobna do

litografii

w

poligrafii

.

Proces fotolitografii jest zazwyczaj wieloetapowy i składa się kolejno z
przygotowania powierzchni (odtłuszczenie i wygrzanie),

nałożenia

emulsji światłoczułej

(najczęściej polega to na pokryciu całej powierzchni nierównomierną warstwą

emulsji a następnie poprzez odwirowanie następuje wyrównanie grubości emulsji na całej powierzchni
płytki)

wygrzewania emulsji (płytkę z nałożoną emulsją wygrzewa się przez pewien czas w suszarce lub na

płycie grzewczej)

naświetlenia

(do płytki z emulsją przykładana jest fotomaska przez którą naświetla się

promieniowaniem

ultrafioletowym

emulsję światłoczułą. Jako źródła światłą używa się zazwyczaj

lampy rtęciowej

(linia I - 365nm),

bądź

lasera ekscymerowego

wywołania

(w tym etapie następuje usunięcie części emulsji, w przypadku emulsji

pozytywowej

następuje

usuniecie naświetlonej emulsji w przypadku emulsji

negatywowej

- nienaświetlonej części, producenci

emulsji dostarczają zazwyczaj

wywoływacze

, których pełny skład jest tajemnicą firmy często jednak zawierają

one

NaOH

)

trawienie podłoża lub tworzenie dodatkowych warstw np. metalicznych czy tlenkowych (w miejscach

gdzie nie ma emulsji podłoże zostaje wytrawione, lub powstaje dodatkowa warstwa)

usunięcie pozostałej emulsji z powierzchni płytki

Miękka litografia
Miękka litografia – warstwa ochronna deformowana formą lub skalpelem, do gotowych form wlewa

się prepolimer, który jest utwardzany, stemple mogą zostad łatwo oddzielone od formy.

Pozwala pokonad ograniczenie rozdzielczości.
Taoszy proces.
Płynięcie plastyczne polimeru, z którego zbudowany jest stempel.

Fotolitografia wykorzystuje polidimetylosiloksan (PDMS) -
- gumowaty polimer używany do uszczelniania. Do wytwarzania kopii za pomocą miękkiej litografii

trzeba wykonad formę (pieczątkę). Używa się do tego najczęściej fotolitografii lub elektrono litografii, w
celu narysowania żądanego

wzoru układu w warstwie fotorezystu na powierzchni płytki krzemowej. Tworzona jest wówczas

płaskorzeźba, negatywu struktury, w której „wysepki” fotorezystu wystają z powierzchni krzemu (rys.3).
Na taki negatyw wylewa się

chemiczny prekursor PDMS - łatwo rozpływającą się ciecz, która gęstnieje w gumowaty polimer. W ten

sposób otrzymuje się pieczątkę z PDMS, która z dokładnością do kilku nanometrów odtwarza szczegóły
wyjściowego negatywu. Rys.3. Proces wytwarzania miękkiej pieczątki z PDMS *5+. Metoda ta pozwala na
tanią reprodukcję wzorów wytworzonych przy użyciu elektrono- litografii lub innych podobnych technik.
Miękka litografia nie wymaga specjalistycznego wyposażenia, można z niej korzystad w zwykłym
laboratorium. Metoda ta nie nadaje się do wytwarzania wielowarstwowych struktur współczesnych
układów mikroelektronicznych.

Trawienie
Technologie wytwarzania nanostruktur „bottom-up”
Osadzanie z fazy gazowej
Metody osadzania z fazy gazowej – do tworzenia cienkich filmów, układów wielowarstwowych,

nanorurek, nanoprętów lub cząstek o wielkości nanometrycznej.

Osadzanie fizyczne (PVD) – materiał stały przechodzi w gaz, następuje jego chłodzenie i zachodzi

osadzanie na podłożu.

Metody PVD:

 Termiczne odparowywanie
 Ablacja laserowa lub osadzanie za pomocą impulsów laserowych
 Obróbka elektroiskrowa
 Rozpylanie

Osadzanie chemiczne (CVD) – osadzanie na podłożu produktów reakcji w temperaturze od 500-

1000oC substancji będących w fazie gazowej; sposobem tego osadzania jest piroliza aerozoli w reaktorze
przepływowym.

Procesy osadzania wspomagane plazmą – wprowadzanie plazmy (zjonizowanego gazu) do środowiska,

w którym prowadzi się osadzanie z fazy gazowej, zachodzą procesy niemożliwe do uzyskania metodami
PVD i CVD. Otrzymuje się czystsze materiały.

Epitaksja z wiązki molekularnej (MBE)
MBE – epitaksja z wiązki molekularnej w reaktorze z komorą próżniową o bardzo wysokiej próżni,

otrzymuje się warstwy rzędu 0,3nm, używa się pierwiastków o dużej czystości, otrzymuje się tą metodą
półprzewodnikowe studnie kwantowe, nadstruktury, druty kwantowe, metaliczne i magnetyczne
materiały wielowarstwowe. Niezbyt duża szybkośd osadzania (1µm/h).

Epitaksja (gr. epi + taxis = na uporządkowanym) – technika półprzewodnikowa wzrostu nowych

warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci
krystalicznej podłoża. Opracowano ją w 1957 roku. Epitaksja pozwala kontrolowad domieszkowanie
warstwy epitaksjalnej, zarówno typu p jak i n, i jest to niezależne od domieszkowania podłoża.

Odmianą epitaksji jest epitaksja z wiązek molekularnych – technika ta pozwala na nanoszenie warstw

krystalicznych o grubości pojedynczej warstwy atomowej. Technika ta jest wykorzystywana w
produkcji kropek kwantowych oraz tzw. cienkich warstw.

Metody wykorzystujące fazę ciekłą
Metody wykorzystujące fazę ciekłą – termiczne natryskiwane strugą rozpylonej cieczy składającą się ze

stopionych cząstek nakładanego materiału, po osadzeniu cieczy na podłożu dochodzi do szybkiej
krystalizacji.



Natryskiwanie plazmowe



Natryskiwanie z płomienia



Natryskiwanie HOVF

Wykorzystywana do produkcji powłok nanokrystalicznych z nanokrystalicznych proszków, pręcików lub

innych nanomateriałów z mielenia lub wytrącania.

Samoorganizacja molekularna:
Łączenie się cząstek w agregaty o określonej strukturze.
Kule lub pręty łączą się w struktury o najciaśniejszym upakowaniu.
Osadzanie materiałów na strukturze, która przeszła samoorganizację.
Samoorganizacja monowarstw przez reakcje z odczynnikami i działanie promieniowania.

Samoorganizacja kropek kwantowych dzięki 3D epitaksji z wiązki molekularnej na podłożu

niedopasowanym sieciowo, osadzany materiał wzrasta w postaci wysp.

Modelowanie i symulacje molekularne
Mechanika molekularna (klasyczna) – pola siłowe, rodzaje obliczeo, zalety i ograniczenia
Pola siłowe:
-rozciąganie wiązao, zginanie wiązao, obroty torsyjne, oddziaływania Van der Waalsa, wiązania

wodorowe, oddziaływania elektrostatyczne

Rodzaje obliczeo:
-Singel Point
-Geometry optymalization(Optymalizacja geometrii) Systematyczne przesuwanie wszystkich atomów

cząsteczki (nanostruktury) dopóki siła wypadkowa działająca na każdy atom nie wynosi zero.

-Molecular Dynamics

Mechanika kwantowa – przybliżenia, rodzaje obliczeo, zalety i ograniczenia
Przybliżenie Borna-Oppenheimera: Jądra poruszają się znacznie wolniej niż elektrony; Elektrony

poruszają się znacznie szybciej niż jądra i w związku z tym

szczegółowy opis ich ruchu można zastąpid opisem ich średnich położeo

Nanorurki węglowe – charakterystyka, zastosowania
Charakterystyka:
Nanorurki możemy sobie wyobrazid jako zwinięte w cylinder płaszczyzny grafitu. Zwijając pojedynczą

płaszczyznę, otrzymamy tzw. nanorurkę jednościenną (ang. single-wall nanotube). W zależności od
sposobu zwinięcia płaszczyzny grafitowej rozróżnia się dwa typy nanorurek –chiralne i niechiralne.
Nanorurki niechiralne w zależności od kształtu ich krawędzi dzielą się ponadto na fotelikowe (ang.
armchair) i zygzakowate (ang. zigzag)

Nanorurki mogą byd zakooczone półsferami fulerenów. Średnice najmniejszych nanorurek są rzędu 1

nm. Ponieważ stosunek długości nanorurki do jej średnicy może byd rzędu 102–103, nanorurki można
traktowad w dobrym przybliżeniu jako struktury jednowymiarowe. Wkładając nanorurki o różnych
średnicach jedną w drugą, otrzymamy nanorurkę wielościenną (ang. multiwall nanotube)

Nanorurki mają wiele ciekawych właściwości .I W zależności od średnicy i stopnia skręcenia mogą się

zachowywad jak metal lub półprzewodnik; co więcej, przyłożenie pola magnetycznego równoległego do
osi nanorurki zmienia nanorurkę metaliczną w półprzewodnikową i na odwrót. Przyczyna tego
niezwykłego zachowania leży w strukturze pasmowej.

I Bardzo silne wiązania między atomami węgla w płaszczyźnie grafitowej (wiązania te są przyczyną

twardości diamentu) dają nanorurkom ogromną trwałośd.

I Nanorurki mają bardzo duży moduł Younga, rzędu10-12N/m2 (pięd razy większy niż żelazo). Wskutek

tego ich deformacje są sprężyste i nanorurki są bardzo wytrzymałe na rozciąganie oraz zginanie. Trwają
prace badawcze nad wyprodukowaniem przy użyciu nanorurek nowych materiałów o bardzo dużej
trwałości i sprężystości. Będzie ich można używad m.in. do budowy domów w obszarach aktywności
sejsmicznej i do wytwarzania karoserii samochodów.

I Nanorurki mogą przewodzid prąd o tak dużej gęstości (rzędu 109A/cm2), że spowodowałby on

wyparowanie przewodnika ze złota lub miedzi; dzieje się tak dlatego, że nanorurki obecnie wytwarzane
są strukturami bardzo czystymi i mają bardzo mały opór właściwy.

I Nanorurki mają bardzo dużą przewodnośd cieplną właściwą, sięgającą 6000 W/(K* m) w

temperaturze T = 300 K, co może byd przydatne w odprowadzaniu ciepła z elementów elektronicznych,
których przegrzewanie się jest wciąż dużym problemem.

Zastosowanie:
I Wykorzystując zdolnośd nanorurek do emisji elektronów przy stosunkowo niskim napięciu,

zbudowano kolorowe płaskie wyświetlacze graficzne.

I Umieszczenie nanorurek na koocu ostrza pomiarowego mikroskopu sił atomowych może zwiększyd

jego zdolnośd rozdzielczą w poziomie ponad 10 razy, dzięki czemu można nim badad różne makroobiekty,
m.in. białka i DNA.

I Zbudowano już pamięd mechaniczną z nanorurek. Pod wpływem napięcia niektóre nanorurki

zamykają obwód (stan „1”), a inne go otwierają (stan „0”).

I Powstały pierwsze nanopęsety o długości 5 m, których używa się do manipulowania obiektami o

średnicy kilkuset nanometrów.

I Puste wnętrza nanorurek mogą służyd do przechowywania jonów, np. litu, umożliwiając budowę

akumulatorów o bardzo długim czasie działania. Przewodnictwo nanorurek jest bardzo czułe na różne
gazy (amoniak, tlen), mogą więc one służyd jako superczułe czujniki chemiczne.

I Naukowcy chioscy wyprodukowali już żarówki, w których tradycyjne druciki wolframowe zastąpiono

nanorurkami. Te nowe źródła światła mają kilka zalet w stosunku do zwykłych żarówek (dłuższy czas
świecenia, niższe napięcie progowe, stały opór w szerokim zakresie temperatury); przewiduje się, że za 3–
4 lata będą one dostępne komercyjnie

Wykład:
Nanorurki węglowe – nanometrowej (10-9 m) średnicy rurki powstające na elektrodach węglowych w

wyniku wyładowania łukowego. Technika ta umożliwia otrzymywanie makroskopowych (wystar-
czających do badao) ilości rurek, także o pojedynczych ścianach.

WĘGIEL – nanorurki węglowe Badania wskazują na możliwośd wykorzystania nanorurek do transportu

cieczy i magazynowania gazów (wodoru). Nanorurki są odporne na uderzenia i mogą

byd używane do produkcji kamizelek kuloodpornych.

Zastosowania nanotechnologii w medycynie, stomatologii, kosmetyce, rolnictwie i przemyśle

spożywczym.

Medycyna (fulereny):
Są to antyoksydanty i czynniki chroniące komórki nerwowe (zapobieganie: choroba Parkinsona,

Alzheimera) .

czynniki wychwytujące wolne rodniki, neutralizują je, obniżają toksycznośd wolnych rodników w tkance

nerwowej, wykazują skuteczne przeciwdziałanie degradacji komórek neuronowych.

Terapia celowana, Lek na osteoporozę, Nosniki genów, białek i substancji leczniczych, Środek

kontrastowy (dłuższy czas działania, mniej alergenny), Nadzieja na znalezienie skutecznego leku przeciwko
AIDS.

Rolnictwo:

- przekształcenie DNA nasion w sposób, który pozwoli uzyskiwad rośliny o zupełnie innych

własnościach

- poddane atomowej inżynierii bardzo silnie działające nawozy i pestycydy
- Nanosensory umożliwią wzrost roślin, zapewnią odpowiedni poziom pH, właściwe składniki

odżywcze, wilgotnośd oraz ochronę przed szkodnikami lub chorobami

- zapobieganie epidemiom i chorobom w hodowlach zwierząt
- sterylizacja narzędzi, sprzętów i wyposażenia raz opakowao i miejsc składowania
- odkażanie zwierząt, kopyt, racic, ochrona instalacji do dojenia i pojemników na mleko
- odkażanie i ochrona powierzchni podłoża, ścian, przegród, budynków stajni i obiektów hodowlanych
- odkażanie i ochrona szklarni, pojemników do przechowywania paszy i ściółki
- impregnacja ubrao roboczych, materiałów opakowao
Przemysł spożywczy:
- sterylizacja narzędzi, sprzętów i wyposażenia raz opakowao i miejsc składowania

Zastosowania nanotechnologii w farbach i pokryciach, środkach smarnych, przemyśle maszynowym,

przemyśle samochodowym i w innych przemysłach (meblarski, włókienniczy, skórzany, etc.).

Powłoki
Nanocząsteczki srebra znajdują zastosowanie zwłaszcza w tych pomieszczeniach, gdzie w wyniku

wilgoci i podwyższonej temperatury łatwo rozwijają się bakterie, grzyby i pleśnie, a więc w łazienkach i
kuchniach. Stosowane są nie tylko w farbach i tynkach, ale również fugach, w celu zabezpieczenia
powierzchni przed drobnoustrojami.

Fotokataliza (filtr UV)
Fotokataliza to termin oznaczający przyśpieszenie reakcji chemicznej pod wpływem światła. Dwutlenek

tytanu (TiO2), odpowiednio rozdrobniony do wielkości nanocząstek, ma wspaniałe właściwości
fotokatalityczne.

Właściwości samoczyszczące
Zaawansowane technologicznie powłoki fotokatalityczne z użyciem TiO2 mają mocne właściwości

samoczyszczące, superhydrofilowe, bakteriobójcze, antystatyczne, dezodoryzujące, czyszczące powietrze,
i są mocnym filtrem UV.

Nanocząsteczki srebra zmieniają normalny przebieg procesów komórkowych, co powoduje śmierd

drobnoustrojów.

Lakiery samochodowe
Lakier samochodowy może posiadad strukturę liści lotosu, dzięki której brud nie będzie przywierał.
Tapicerki
Nano powłoka do tapicerki- niewidoczna powłoka grubości kilku nanometrów wokół włókien. Chroni

ona włókna przed kontaktem z wodą, brudem, sokami, kawą, winem czerwonym, tłuszczami itp.

Easy to clean
NanoPowłoka powoduje, że wysuszony brud nie zatrzymuje się na powierzchni i nie powoduje plam, a

mokry brud nie zostaje wchłaniany przez włókna. Nawet uciążliwe zanieczyszczenia dają się łatwo i
dokładnie usunąd.
Efekt "easy-to-clean" pozwala na skuteczne czyszczenie materiałów przy użyciu samej wody i ściereczki.

Zastosowania nanotechnologii w elektronice, optyce, lotnictwie i technice wojskowej.

Elektronika:
Produkowanie bardzo tanich urządzeo elektronicznych, które naniesione zostaną na elastyczne

podłoże o dużej powierzchni. Najczęściej wspomina się o giętkich wyświetlaczach, inteligentnych tablicach
informacyjnych czy znacznikach radiowych. Produkcja bramek logicznymi, oscylatoratorów i innych
nanopodzespołów elektronicznych.

Fotooptyka i fotoprzewodnictwo
Cienkie warstwy fulerenu C60 na krzemie emitują intensywne białe światło, gdy puścid na nie wiązkę

zielonego promieniowania laserowego.

Można wykorzystad tę właściwośd do budowy ograniczników optycznych, chroniących np. przed silnym

światłem lasera.

Polepszenie fotoprzewodnictwa substacji wykazujących taką zdolnośd.
Np. Dodanie 1% fulerenu C60 do używanych w kopiarkach czy drukarkach fotoprzewodzących

polimerów organicznych polepsza w znacznym stopniu trwałośd i rozdzielczośd.

Technika wojskowa i lotnictwo:
- niewykrywalne powłoki dlaradarów
- kamery szpiegowskie