Nanotechnologia:

legendy i realia

Maria Sokół

Instytut Onkologii

Zakład Fizyki

Medycznej

Pracownia Biofizyki

0

0

Czym jest nanotechnologia?

Definicja wg. K.E. Drexlera:

Nanotechnologia to „produkcja molekularna” (ang.

molecular manufacturing).

Definicja Norio Taniguchi'ego ("On the Basic Concept of 'NanoTechnology'", 1974):

Nanotechnologia to technologia wytwarzania umożliwiająca uzyskanie niebywałej dokładności

(rzędu 1 nm) i wyjątkowo niewielkich rozmiarów.

Definicja NASA:

Nanotechnologia to tworzenie funkcjonalnych materiałów, urządzeń i układów poprzez kontrolę

materii na poziomie nanoskali (od 1 – 100 nm) oraz badanie nowych zjawisk i właściwości

(fizycznych, chemicznych, biologicznych, mechanicznych, elektrycznych…) w tej właśnie skali..

Definicja z Wikipedia - Wolna Encyklopedia

Nanotechnologia - to ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych

struktur o rozmiarach nanometrycznych (od 10 do 1000 nanometrów), czyli na poziomie

pojedynczych cząsteczek.

Definicja z Netpedia - Webstyle Systems

Nanotechnologia – nauka o mikromaszynach – miniaturowych urządzeniach zbudowanych z

pojedynczych atomów.

Definicja The United States' National Nanotechnology Initiative:

Nanotechnologia to rozumienie i kontrola materii w skali od 1 do 100 nanometrów, gdzie wyjątkowe

zjawiska pozwalają na nowatorskie zastosowania.

Definicja The Royal Society & The Royal Academy of Engineering (UK):

Nanonauka (ang. Nanoscience) jest to nauka zajmująca się badaniem i wykorzystaniem materiałów w

nanoskali.

Czym jest nanotechnologia?

Nanotechnologia to zestaw technik i technologii związanych z

chemią, inżynierią materiałową, mikroelektroniką, informatyką,

fizyką, biologią oraz biotechnologią stosowanych w produkcji

obiektów o rozmiarach mniejszych niż kilkaset nm i w

badaniach ich własności.

Czy nanotechnologia to coś

nowego?



Nanotechnologia a natura



Procesy wytwarzania obiektów w oparciu o nanotechnologie molekularne

sterowane przez odpowiednie systemy informatyczne (DNA) były i są

podstawą rozwoju całego współczesnego świata organizmów żywych: proces

samoreplikacji jest sterowany przez DNA, przeprowadzany przez RNA i

enzymy, a w komórce znajdziemy „biologiczne motory”, takie jak kinezyna,

miozyna.



Molekularna maszyneria roślin zielonych konwertuje więcej energii i syntezuje

więcej związków organicznych niż przemysł chemiczny i robi to na dodatek

czyściej i taniej.



Biorąc pod uwagę, że genom ma pojemność około 1 MB, pojemność

milionów bakterii pokrywających zakurzony komputer zdecydowanie

przewyższa możliwości tego urządzenia.

1885:

Nie ma aut i samolotów.

1926

 

1926:

Nie ma telewizji.

 

1967:

Nie ma komputerów
osobistych, nie ma
telefonów komórkowych.

http://www.crnano.org/basics.htm

2006:

Nie ma molekularnej

fabryki.

Kamienie milowe nanotechnologii



1959: idea Richarda Feynmana



1968: Alfred Cho i John Arthur z Bell Labs – epitaksja z wiązek

molekularnych



1974: nazwa nadana przez Norio Taniguchi



1981: Binnig i Rohrer – STM



1986: K. Eric Drexler,

Engines of Creation



1989: Donald Eiger z IBM pisze IBM pojedynczymi atomami



1991: Harold Kroto, fullereny



1991: Sumio Iijima z NEC, nanorurki



1995: RAND określa „kodeks nanotechnologiczny”



1998: tranzystor z nanorurek



1999 James Tour (Rice Univ.) i Mark Reed (Yale) – pojedyncza

cząsteczka jako przełącznik (STM).



2000: National Nanotechnology Initiative



2000 Eigler – „mirage atom” – przekaz bezprzewodowy?



2002: Crichton ostrzega:

Prey



2000-2006: nanodruty, urządzenia elektroniczne, urządzenia

medyczne…

2007...?

Świat tak się zmienia, że warto poważnie przyjrzeć się
nanotechnologii.

Zakres tematyczny:



Nanotechnologia – skala.



Nanotechnologia – historia.



Nanotechnologia – fizyka.



Nanotechnologia – przykłady.



Pogranicze nanotechnologii – prace własne.

Proces nanotechnologiczny

Skala

Naturalne stopnie skali – im większy obiekt, tym wyższa złożoność

układu:



nano – atomy



mikro – duże cząsteczki, np. DNA (>> miliardy atomów)



mili – bakterie, komórki



metr – rośliny, zwierzęta, człowiek

Technologiczne stopnie skali – im mniejszy obiekt, tym bardziej

skomplikowana technologia:



metr – budowle, maszyny



mili – małe elementy konstrukcyjne, elementy elektroniczne



mikro – elementy układów elektronicznych, bramki, itp.



nano – elementy o skali atomowej, złożone z kilku tysięcy atomów

Jaka skala?

0

http://www.powersof10.com/powers/poster.php

Struktura skóry

10

-2

m = 0.01 m

Struktura skóry

10

-3

m = 0.001 m

Warstwy skóry

10

-4

m = 0.0001 m = 100

µ

m

Naczynia włosowate, limfocyt

10

-5

m = 0.00001 m = 10

µ

m

Limfocyt, błona otaczająca jądro

10

-6

m = 0.000001 m = 1

µ

m

Limfocyt, DNA wewn. jądra

10

-7

m = 100 nm = 1000 Å

Limfocyt, helisa DNA

10

-8

m = 10 nm = 100 Å

Struktury molekularne,

grupa CH

3

10

-9

m = 1nm = 10 Å

Skala:

1 nanometr (nm) to w przybliżeniu 10 atomów H:

lub 1:

0

lub 1/1 000 000

lub 1/1 000 000

Feynman, 1959:

“There’s a Plenty of Room at the bottom”



Główka szpilki ma około 1.5 mm – powiększmy ją 25 000 razy:



Powierzchnia powiększonej główki szpilki jest teraz równa powierzchni stron

Encyklopedii Britannica.



Teraz zapiszemy tekst, zmniejszymy naszą szpilkę 25 000 i gotowe!



Kropka na stronie Encyclopedia ma średnicę ok. 0.2 mm – kropka zmniejszona

25 000 razy ma wymiar 8 nm lub ok. 30 atomów metalu (z którego zazwyczaj

wykonuje się szpilki).



Na zapisanie encyklopedii na główce szpilki jest więc mnóstwo miejsca!

0

1918-1988

A może wszystkie książki świata?



Światowe zasoby piśmiennictwa możemy zmieścić na

milionie

główek szpilek.



1 000 000 główek szpilek to kwadrat 1000x1000 o przybliżonej

powierzchni ok. 2.25 m

2.



Na takim kwadracie można ułożyć około 36 stron A4



Tyle ma „zwykły” kolorowy magazyn!



A może tak 3D – główka ma przecież grubość!!



There’s a plenty room at the bottom!

0

Wizjonerstwo w nauce!



Oto łożysko kulkowe, tak powszechnie dziś stosowane.



Szkic narysował Leonardo da Vinci prawie 500 lat temu.

Łożyska Ralpha Merkle'a

i Erica Drexlera

Pomiędzy „wirnikiem” a „stojanem” występują niewiążące, odpychające

oddziaływania, co sprawia, że jedynym możliwym ruchem jest ruch obrotowy

o znikomym tarciu statycznym.

Fizyka w nanoskali



Czy nie możemy po prostu „zmniejszyć” części maszyn tak,

aby poskładać te same maszyny, lecz w mniejszej skali?

NIE

, ponieważ własności zależą od skali!

0

Nanofizyka

Grawitacja

Nanofizyka

Tarcie

Nanofizyka

Spalanie

Nanofizyka

Oddziaływania

elektrostatyczne

Nanofizyka

Siły

van der Waalsa

Nanofizyka

Ruchy Browna

Nanofizyka

Efekty kwantowe

Erwin Schrodinger: „

I don't like

it, and I'm sorry I ever had

anything to do with it.”

Richard Feynman: „

I think that I

can safely say that nobody

understands quantum

mechanics.”

Nanoświat jest inny...



Własności chemiczne



Własności termiczne



Własności mechaniczne



Własności optyczne



Własności elektryczne, magnetyczne

Lepkość w nanoskali



Woda w nanoskali nie jest swobodnie płynącą cieczą,

do jakiej przywykliśmy w makroskali.



Dla drobnych obiektów woda jest lepką cieczą, która

przypomina syrop).



W nanoskali lepkość jest decydującą właściwością

cieczy.

0

0.000182

1.275

Powietrze

(18ºC)

190

0.01002

Lepko

ść (P)

1446

1000

G sto

ę

ść

(kg/m

3

)

Miód

(20ºC)

Woda

(20ºC)

Substancja

Liczba Reynoldsa!

Im mniejsza wymiar

L

, tym mniejsza wartość R

e

, co oznacza

dominację sił lepkości

.

Bakteria jest milion razy mniejsza niż człowiek, więc woda jest

dla niej milion razy bardziej lepka niż dla nas!

0

η

Lv

ρ

F

F

R

tarcia

inert

e

=

=

Liczba Reynoldsa wyraża relację między

siłami bezwładności a tarcia:

ρ

– gęstość płynu

L – skala obiektu

v – prędkość względem płynu

η

- współczynnik lepkości dynamicznej

Złote rybki

Drobne organizmy

Pływanie w nanoskali…

Pływanie w melasie wymaga znacznych

nakładów energii!
Zagarniający ruch ramion przesunie płynący

obiekt do przodu, lecz ruch powrotny spowoduje

cofnięcie – w efekcie obiekt nie przemieści się

znacząco.
Podstawową zależnością opisującą wpływ sił na
ruch jest równanie Naviera-Stokesa:

Jak sobie radzą obiekty biologiczne o

rozmiarach nano?

Poruszają się ruchem

śrubowym

–

taki ruch jest bardziej efektywny.

0

Dla małych R

e

ruch jest majestatyczny, powolny

i regularny.

p – ciśnienie

η

– lepkość

v – prędkość

ρ

– gęstość

Fruwanie...



Na latające zwierzę działają siły ciężkości i

aerodynamiczne:



Siły ciężkości działają w dół i aby takie

zwierzę unosiło się w powietrzu, jego ciężar

musi być równoważony przez skierowaną do

góry siłę aerodynamiczną, którą nazywa się

siłą nośną.



Jeśli zaś dodatkowo porusza się ono w

poziomie, to pojawia się jeszcze jedna siła

aerodynamiczna zwana siłą oporu i aby ją

zrównoważyć, musi wystąpić siła ciągu. W

samolotach służą do tego śmigła lub dysze. A

w jaki sposób wytwarzają siłę ciągu owady,

ptaki i niektóre ssaki (a kiedyś także latające

gady)?

Mechanizm lotu ptaków – Otto Lilienthal

Siła nośna powstaje głównie w czasie ruchu

skrzydeł na dół, a siła ciągu podczas ich ruchu

do góry.

Ptaki zmieniają okresowo kąt natarcia

skrzydeł w czasie ich ruchów i właśnie ta

zmiana wywołuje powstawanie siły ciągu.

Fruwanie w nanoskali...



Skrzydła o grubości 10-15% długości

odpowiednie są dla dużych

obiektów.



Dla obiektów mniejszych

(1 cm – 1 mm) i przy liczbie

Re ~

1000

odpowiednie są skrzydła

membranowe, bardzo cienkie,

czasami marszczone.



Re < 100

=> skrzydła membranowe

i włosowate.



Re < 10

=> skrzydła przestają

spełniać swą rolę.

Siła nośna i siła

oporu są sobie równe.

http://www.jst.go.jp/erato/project/kbr_P/kbr_P.html

Czy nanoroboty mogą latać?

Soft machines : nanotechnology and life, Richard A.L. Jones, Oxford University Press,

2004

Istnieje rozmiar graniczny owadów, poniżej którego
nie jest możliwe latanie.
Nadal nie rozumiemy mechaniki lotu małych
owadów.

Łatwiej zbudować airbusa, niż obiekt latający
wielkości pszczoły.

Najmniejszym latającym

owadem jest pasożytnicza osa (łac. Dicopomorpha
Echmepterygis) – jej długość jest rzędu 0.1 mm.

Pyłki nasienne są mniejsze (~ 10

µ

m), lecz one nie

latają, tylko dryfują na wietrze.
Dla małych obiektów powietrze jest ośrodkiem
lepkim.
Konieczna jest energia na pokonanie oporów
ośrodka, na utrzymanie się w powietrzu, na
nadanie lotowi właściwego kierunku.
Skrzydła umożliwiają wznoszenie, ale nie w skali
nano.

0

Pyłek nasienny; 10

µ

m

Ruchy Browna



Przypadkowe ruchy małych cząstek – ruchy Browna – spowodowane są

zderzeniami tych cząstek z otaczającymi je molekułami i atomami.



Im mniejszy obiekt poddawany jest „bombardowaniu”, tym silniejszy jest

efekt pojedynczego zderzenia – efekt będzie największy, gdy rozmiar obiektu

jest porównywalny z wielkością „pocisku”.



Dla bardzo małych obiektów ruchy Browna będą więc najsilniejsze.



Ruchy Browna obserwuje się nawet w próżni – są spowodowane przekazem

energii za pośrednictwem fotonów.



Zbudowanie maszyny w nanoskali będzie więc czymś w rodzaju budowania

domu w czasie huraganu wiejącego we wszystkich możliwych kierunkach..

Siła takiego „wiatru” to około 900 km/h!

0

Tarcie w nanoskali



Jedynym powodem, dla którego obiekty

makroskopowe, takie jak wypolerowane szkło i metal,

nie lepią się do siebie jest to, że ich powierzchnie są

twarde i mikroskopowo nierówne.



Tarcie jest oddziaływaniem na poziomie atomowym.

0

Elektromagnetyzm



W nanoskali oddziaływania

elektromagnetyczne są dominujące.



W nanoskali możemy zaniedbać

oddziaływania grawitacyjne – są około 10

36

mniejsze od elektromagnetycznych.



To oddziaływania elektromagnetyczne

właśnie są źródłem tarcia.



U podstaw wiązań cząsteczkowych jest

elektromagnetyzm. Siły Van der Waalsa i

efekt Casimira też, choć są to także

zjawiska kwantowomechaniczne.

0

Relacja powierzchnia-objętość:

S/V



Dla małych obiektów wartość S/V rośnie

gwałtownie.



Makroskopowe własności materii są

zdecydowanie inne niż własności

pojedynczych atomów i cząsteczek.



Materia w mikroskali jest bardziej

reaktywna i łatwiej dostaje się do

organizmu.



Nanotoksyczność jest większym

problemem niż toksyczność substancji w

„masie”.

0

l

V

S

l

V

l

S

6

6

3

2

=

=

=

Si komórka krystaliczna diamentu,

a = 5.43 Å

Krzemowy nanokryształ o boku 10 nm zawiera:

~

6250

komórek elementarnych

~

50 000

atomów

Każda ze ścian nanokryształu:

~

340

ścian komórek

~

680

atomów

Całkowita powierzchnia:

~

4080

atomów (~9% wszystkich atomów)

Krzemowa płytka o powierzchni 10 cm

2

i grubości 1 µm :

~

6.3 X 10

19

komórek elementarnych

~

5 X 10

20

atomów

~

1.4 X 10

17

atomów „powierzchni”

(~0.03% wszystkich atomów)

a

Komórka

elementarna

diamentu

Nanokryształ Si

Płytka Si

W nanoskali powierzchnia i zjawiska zachodzące na styku

powierzchni odgrywają istotną rolę!

Własności mechaniczne



Siły adhezji



Siły kapilarne

Te siły odgrywają w nanoświecie

zdecydowanie większą rolę niż siły,

które dominują w makroświecie (na

przykład grawitacja).

Dlatego tak istotne są warstwy pokrywające – ich zadaniem jest zapobiegać

sklejaniu się elementów w nanoukładach elektromechanicznych.

Własności mechaniczne



Ze zmniejszaniem wielkości ziarna

d

zwiększają się własności

wytrzymałościowe i obniżają

plastyczne – granice ziaren

ograniczają przemieszczanie się

dyslokacji. Jest to tak zwany efekt

Halla-Petcha.



Od pewnej granicznej wartości

d

c

twardość maleje przy dalszym

zmniejszaniu rozmiaru ziarna – jest

to odwrotny efekt Halla-Petcha.

Ziarna są superelastyczne i

niewrażliwe na defekty.

d

m

/

1

∝

σ

Kryształy – jak ludzie – mają defekty, i to je czyni interesującymi...

(ale nie w nanoskali)

Nieh TG, Wadsworth J,

Scripta Met. 25,

955(1991).

Punkt topnienia zależy od rozmiaru

Mniejszy rozmiar nanokryształu

Energia powierzchniowa rośnie

Temperatura topnienia maleje

Małe = szybkie



Częstość rezonansowa

oscylatora harmonicznego:



Środkowemu C w muzyce

odpowiada częstotliwość 256 Hz.

Jeśli zredukujemy rozmiary

instrumentu do mikrometrów, a

zamiast szarpania ręcznego

zastosujemy wzbudzenie

elektromagnetyczne, pojawią się

poprzeczne oscylacje, które

mogą osiągać częstotliwości

GHz.



Opis drgań – klasyczny.

m

k

=

ω

Nanodruty Si – ze względu na

unieruchomione końce

utworzono coś w rodzaju harfy.

Częstość rezonansowa

„struny” o długości 2

µ

m wynosi

400MHz (

Carr DW, Appl.

Phys. Lett. 1999;75:920

)

Fale podłużne:

m

k

=

ω

Małe = szybkie



Podobne zależności dotyczą

rotacji – molekularne rotory

będą obracać się z

prędkościami rzędu GHz.

Enzym mitochondrialny – syntetaza ATP:
Rotację subjednostki gamma obserwowano
w mikroskopie epifluorescencyjnym.

Noji et al. Nature 1997;386: 299-302

Yoshida et al. Nature Rev Mol Cell Biol 2001;2:669-677

Rozpraszanie Rayleigha –

nanotechnologia natury

W przypadku małych

obiektów (o

wymiarach

mniejszych niż

długość fali) odbicie,

załamanie i dyfrakcja

przebiegają inaczej

niż dla obiektów

makroskopowych.

Nanooptyka w XII wieku



Czerwień na witrażach

uzyskiwano dodając do

szkła cząsteczki złota

różnych rozmiarów.



Tlenki metali: miedź,

kobalt, żelazo.



Barwa zależna od

wielkości klastra (ta

porównywalna z

długością fali).

Plazmony powierzchniowe



Źródłem koloru w szkle są

drobiny złota (absorpcja przy

520 nm):

nanocząstki o

rozmiarach 40–100 nm

rozpraszają efektywnie

światło ze względu na

kolektywny rezonans

elektronów przewodnictwa –

plazmonowy rezonans

powierzchniowy.



Rezonans plazmonowy

(długość fali, natężenie..) jest

zależny od rozmiaru cząstki,

jej kształtu, składu oraz

otoczenia lokalnego.

Plazmon jest kwazicząstką opisującą

kwant drgań oscylacji plazmy. Są to

kolektywne oscylacje gazu

elektronów swobodnych.

Plazmony mają duży wpływ na

właściwości optyczne metali. Światło

o częstotliwości poniżej

częstotliwości plazmy jest odbijane,

ponieważ elektrony z metalu ekranują

pole elektryczne światła.

Nanooptyka

Cząstki złota na podkładzie
silikonowym

Bapat et al, J Appl Phys, Vol. 94,
1969 – 1974 (2003)

http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr
/2002/bnlpr071802.htm

Nanocząstki półprzewodnikowe –

kropki kwantowe



Transfer energii do elektronów zwiększa ich ruchliwość.



Przemieszczający się elektron pozostawia po sobie
dziurę, która jest także nośnikiem ładunku i
przemieszcza się.



Pary

elektron-dziura

to

ekscytony

– interesuje nas ruch

tych par.



Kropki kwantowe –

sztuczne atomy

– nanokryształy

półprzewodnikowe o rozmiarach nanometrycznych.



W kropce kwantowej ekscytony są spułapkowane, co
prowadzi do kwantyzacji energii:

http://media.wiley.com/product_data/excerpt/74/35274040/3527404074.pdf

Nanocząstki półprzewodnikowe



Energia potrzebna do wygenerowania

ekscytonów i wyidukowania

przewodnictwa zależy od rozmiaru

kropki kwantowej.



Wzbudzenie można wygenerować

poprzez absorpcję światła:



Rekombinacja pary elektron-dziura

powoduje emisję światła.



Wraz z redukcją promienia cząstki

obserwuje się przesunięcie

emitowanego promieniowania w

kierunku krótkich fal.

www.nanosysinc.com

Efekty kwantowe



Efekt tunelowy

Na przykład:

W nanoskali własności kwantowe materii biorą górę nad

własnościami w skali makroskopowej!

Zjawisko tunelowe

Zjawisko przejścia piłki przez przeszkodę makroskopową – bez zdemolowania
tej przeszkody – nie zachodzi!

Natomiast

zachodzi

takie zjawisko dla elektronów i innych cząstek o małych

masach – nazywamy je

efektem tunelowym

lub

tunelowaniem przez barierę.

Zjawisko tunelowe

Jeśli rozwiążemy równanie Schrödingera przed barierą, w
jej obszarze i za barierą, będziemy mogli obliczyć
gęstości prawdopodobieństwa. Rozwiązanie ma postać:

a

x

De

Ce

x

x

x

≤

≤

+

=

−

0

,

)

(

η

η

ψ

0

,

)

(

<

+

=

−

x

Be

Ae

x

ikx

ikx

ψ

a

x

Ge

x

ikx

>

=

,

)

(

ψ

Dla E<U

0

w obszarze x>0 funkcja falowa jest czystą falą biegnącą,

wiec gęstość P(x,t) jest stała. Natomiast dla x<0 jest prawie falą

stojącą, amplituda fali odbitej jest mniejsza od padającej. Dla 0<x<a

jest w zasadzie falą stojącą o wykładniczo malejącej amplitudzie.

0

U

E

<





)

(

2

;

2

0

E

U

m

mE

k

−

=

=

η

Zjawisko tunelowe















−

−

=

≈

=

=

−



)

(

2

2

exp

0

2

2

2

2

2

E

U

m

a

e

T

A

G

T

A

B

R

a

η

Cząstka o masie

m

i energii całkowitej

E

padając na barierę o wysokości

U

0

>E

i

skończonej szerokości

a

, ma pewne prawdopodobieństwo T przeniknięcia przez

barierę i pojawienia się po jej drogiej stronie (jeśli T=0.02, to oznacza to, że z

każdego 1000 elektronów przeszło tylko 20, a 980 zostało odbitych).

Współczynniki odbicia R i przejścia T są równe:

STM – Scanning Tunelling Miscroscopy

Gerd Binnig i Heinrich Rohrer, 1979



Gdy ostrze odpowiednio blisko powierzchni,

elektrony mogą tunelować z powierzchni próbki

do ostrza, dając wkład do prądu tunelowego.

W czasie pracy urządzenia układ
sprzężenia zwrotnego
dopasowuje położenie ostrza tak,
aby prąd tunelowy pozostawał
stały. Dzięki temu powstaje obraz
odwzorowujący powierzchnię.

STM – ostrze

Sonda (drut

wolframowy

lub

platynowo-

irydowy

o średnicy 0.2 mm - 0.5 mm)

zawiera na końcu kryształ ustawiony
wierzchołkiem w stronę ostrza - dzięki
temu zakończeniem sondy jest dokładnie
jeden atom.

Najczęściej sondy STM otrzymuje się
poprzez elektrochemiczne trawienie (np.
w 30% roztworze KOH), trawienie
odsłania strukturę kryształu, a po selekcji
można wybrać odpowiednie ostrze .

STM

STM

Powierzchnia krzemu

Rozmiar analizowanego obszaru
wynosi

10x10 nm

.

STM

Don Eigler, 1989:

Atomy ksenonu naparowano na powierzchni niklu.
Ostrze skanera zatrzymywano nad atomem ksenonu, powiększano siły
oddziaływania, zmniejszając dystans dzielący atom i igłę. Wreszcie przesuwano
ostrze, a atom ksenonu „wędrował” w ślad za igłą. Gdy przesuwany obiekt
osiągał żądaną pozycję, igłę oddalano.

STM

Najmniejszy człowiek świata!

Postać zbudowana z cząsteczek

tlenku węgla osadzonych na

powierzchni platyny.

AFM

Zmiana położenia

ramienia

rejestrowana

optycznie –

fotodetektor

rejestruje odbitą od

grzbietu dźwigienki

wiązkę laserową

Ostrze wprawiane jest

w wibracje o częstości

bliskiej rezonansowej i

amplitudzie rzędu kilku

nanometrów. Podczas

ruchu ostrza ponad

powierzchnią, system

mierzy zmianę

częstości amplitudy

drgań

Porównanie:

Scanning Tunelling

Miscroscopy

a

Atomic Force Mocroscopy



Mikroskopia STM



Technika oparta na efekcie

tunelowym zachodzącym

między sondą a

powierzchnią.



Rozdzielczość atomowa.



Wymaga powierzchni

przewodzącej.



Mikroskopia AFM



Pomiar siły między sondą a

powierzchnią



Rzadko możliwa

rozdzielczość atomowa.



Nie wymaga powierzchni

przewodzącej.

Co nanotechnologia

już oferuje?



Uzyskanie miniaturowych

obiektów nieodłącznie

związane tu jest z

„wykrajaniem” ich z większych

form, a zatem ze stratami,

zanieczyszczeniami i innymi

podobnymi efektami

ubocznymi.



Nanotechnologia stosuje odwrotną metodologię – od pojedynczych

atomów i molekuł do bardziej złożonych struktur – nanoukładów o ściśle

zaprogramowanych właściwościach, funkcjach i kształcie.

Nanostruktury

Przynajmniej jeden z wymiarów w

przedziale 1 - 100 nm.

Struktury 2D:



Nanowarstwy



Planarne kwantowe studnie potencjału



Supersieci

Struktury 1D:



Nanodruty



Druty kwantowe



Nanopręty



Nanorurki

Struktury 0D:



Nanocząstki



Kropki kwantowe

2

µ

m

Nanodruty Si

Rurki wielowarstwowe

http://www.aip.org/mgr/png/2003/186.htm

http://www.llnl.gov/str/Lee.html

100 nm folia z rozpylonym tlenkiem cyrkonu

stabilizowanym tlenkiem itru (YSZ) do zastosowań

w ogniwach ze stałym tlenkiem



Nanokompozyty zawierają co najmniej dwa materiały, z których

przynajmniej jeden jest nano.



Możliwości łączenia materiałów:



Organiczny + organiczny



Organiczny + nieorganiczny



Nieorganiczny + nieorganiczny

Nanocząstki lub nanodruty lub nanorurki + matryca

Dlaczego nano a nie mikro?

Mikro poprawia parametry mechaniczne, takie jak moduł elastyczności,

ale mikrocząstki działają jako koncentratory naprężeń, co skutkuje

osłabieniem wytrzymałości materiału.

Nanokompozyty

Zastosowania nanorurek



Do wzmacniania plastików.



W obwodach elektrycznych; do

przekształcania izolatorów w

przewodniki.



Farby odbijające radar.



Rurka o średnicy ½ średnicy

ołówka może wytrzymać

obciążenie ponad 40 000 Kg.



Sztuczne „przylgi” (zamówienie

armii USA w Nanosys) – słabe

oddziaływania atomowe

umożliwiają wspinanie się po

pionowych ścianach.



Pamięci o architekturze

crossbar

z nanorurek (LSI Logic, BAE

Systems, licencja Nantero) –

układ stabilizują siły Van der

Waalsa.

Nanorurki – zastosowania

GFW Duisburg Infineon Technologies, Munchen Germany

Inne nanorurki…

2001 – nanorurki z azotku boru (BN):



Odporność na utlenianie –

odpowiednie do zastosowań w

wysokich temperaturach.



Moduł Younga = 1.22 TPa



Półprzewodnictwo



Własności półprzewodnikowe

niezależne od średnicy i liczby

warstw

2003 – nanorurki węglika krzemu (SiC):



Odporność na utlenianie.



Do zastosowań w agresywnych

środowiskach, układach

elektronicznych wysokiej mocy….

B

N

http://pubs.acs.org/cen/topstory/7912/7912notw1.html

SiC

http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT2002/5000/5510lienhard.html

Kropki kwantowe



Półprzewodnik nowej generacji o

ciekawych własnościach optycznych.



Tworzony z kilkuset atomów.



Średnica < 100 nm.



Mogą być tworzone z różnych

substancji.

Nanokryształy selenowo-
kadmowe zastosowano, aby
uzyskać mikroskopowy obraz
fluoroscencyjny żyjących
komórek fibroblastów



Mogą fluorescencyjnie

świecić.



Mogą przenikać do komórek i

dostarczać informacji o

aktywności komórki.

Kropki kwantowe – zastosowania

Półprzewodnikowe znaczniki nanokrystaliczne (Ventana,

licencja Quantum Dot Corp.) – średnica cząstki określa

długość emitowanej fali światła.

Kropki kwantowe – zastosowania

Kropki kwantowe są
mniejsze niż długość fali
światła, więc nie
rozpraszają światła
(rozpraszanie może
zmniejszyć moc wiązki
światła o połowę!).

Diody LED wykorzystujące

konwertery z kropek kwantowych

(

źródło: Sandia Labs

)

Obrazowanie

0

Nanocząstki



Stosowane do detekcji i eliminacji

pojedynczych komórek

nowotworowych.



Rozmiar 5-10 nm (aby mogły

oddziaływać z markerami

wewnątrzkomórkowymi).



Pokryte antyciałami,

oligonukleotydami, ligandami

peptydowymi i lekami.



Wprowadzane do krwioobiegu.

Terapia nowotworów przy użyciu

nanocząstek Ag aktywowanych

laserem IR (Nanospectra

Biosciences) – promieniowanie

EM jest konwertowane na ciepło.

Ochrona przed bakteriami

Zastosowania nanokompozytów

Nanokompozyty luminescencyjne dla

zastosowań w optoelektronice.
Elektronika (np. warstwy dielektryczne)
Manipulacje wewnątrz komórki
Materiały termoelektryczne
Wytrzymałe materiały o wysokiej twardości
Elektrolity w bateriach
Izolacja
Pokrycia
Separacja gazów
Zabezpieczenia ppoż.

Polimer zawierający 40 wt%

cząstek Si – zastosowanie:

membrana do separacji gazów

Nanokompozyt TiO

2

-oligonukleotyd

zhybrydyzowany z DNA

(monitorowanie komórek)

Paunesku et al, Nature Mats, Vol. 2, 343 –
346 (2003)

Merkel et al, Science,
Vol. 296, 519 – 522
(2002)

Motoryzacja

•

Nanokompozytowe elementy

konstrukcji

•

Nanopowłoki

•

Elastomerowe

nanokompozytowe powłoki

opon

•

Katalizatory

•

Smary

•

Dodatki do paliwa

•

Pokrycia szyb

Telefonia komórkowa

Medycyna



Skryning na poziomie nano.



„Komórkowe” środki kontrastowe do badań MRI



Techniki ablacyjne.

Histologia od 1

µ

m

Zagrożenia



Nanocząstki mogą powodować mutacje DNA,

strukturalne uszkodzenia mitochondriów, a nawet śmierć

komórki – wykazały to testy laboratoryjne.



Nanocząstki TiO

2

i ZnO stosowane w wielu

kosmetykach, kremach ochronnych przed

promieniowaniem UV okazują się być fotoatywne i

generują wolne rodniki, które z kolei mogą uszkadzać

DNA komórek skóry po wystawieniu jej na działanie

słońca.



Fullereny stosowane w kremach przeciw starzeniu skóry

powodowały w testach uszkodzenia mózgu u zwierząt.



Nawet niewielkie stężenia fullerenów są szkodliwe dla

komórek ludzkiej wątroby.



Nanotechnologia to ogromne zagrożenie dla środowiska.

Samoreplikacja – skala czasowa



Jeśli przyjmiemy czas samoreplikacji jako równy 100 sekund, to z 1000 atomów

tworzących jednego nanorobota o masie 10

-23

kg uzyskamy:



po czasie 6 x10

3

s (ok. 100 min.) 10

18

maszyn o masie 10

-5

kg



po czasie 7 x10

3

s (2 godz.)10

21

maszyn o masie 10

-2

kg = 10 gramów



po czasie 8 x10

3

s (2.2 godz.)10

24

maszyn o masie 10

1

kg



po czasie 9 x10

3

s (2.5 godz.) 10

27

maszyn o masie 10

4

kg



po czasie 10 x10

3

s (2.7 godz.) 10

30

maszyn o masie 10

7

kg = 10 ton



po czasie 11 x10

3

s (3 godz.) 10

33

maszyn o masie 10

10

kg = 10 000 ton



po czasie 16 x10

3

s (4.4 godz.) 10

48

maszyn o masie 10

25

kg = masa Ziemi

*

P. Mooney (1999)., “The ETC Century: Erosion, Technological Transformation and Corporate

Concentration in the 21st Century.” Development Dialogue, 1-2: 44.

Grey goo?

Co nas czeka w najbliższych latach?

0

http://nanotech-now.com/

Czy te pomysły mają dzisiaj

szansę realizacji?



Wieczne życie – naprawa komórek przez nanoboty, nanoroboty
wprowadzane do krwioobiegu:

NIE!



Wieczna szczęśliwość – młodość, brak chorób, dostatek pożywienia,
dostatek energii:

NIE!



Odbudowa środowiska naturalnego – nanoboty, swobodnie
przemieszczające się w atmosferze, zajmują się „naprawą”
środowiska:

NIE!



Nanokomputery wbudowane w nasze ubrania, sprzęty codziennego
użytku: TAK – jeszcze poczekajmy chwilę.



Sztucznie wytworzone „żywe” komórki, które potrafią się rozmnażać
– nano-Frankensteiny:

BYĆ MOŻE…

0

http://www.nanotech-now.com/

0

http://www.popsci.com/

Nanotechnologia

sztucznych komórek

Kosmiczna winda

http://www.sciencenews.org/articles/20021005/bob9.asp

http://pl.wikipedia.org/wiki/Winda_kosmiczna

0

Schemat działania windy kosmicznej

1-orbita geostacjonarna,

2-środek ciężkości całego układu,

3- przeciwwaga (satelita na uwięzi),

4-lina,

5-wspinacz (pojazd),

6-Ziemia.

(Na schemacie nie zachowano proporcji.)

Kosmiczna winda to połączenie

satelity z Ziemią za pomocą

wystarczająco długiej liny. Nazywana

jest również satelitą na uwięzi.
Zakotwiczona w przestrzeni

kosmicznej, 100 000 kilometrowej

długości wstęga zostanie zbudowana

z węglowych nanorurek. Pnącze to

będzie wyciągać ładunek i pasażerów

w modułach, które będą poruszały się

wzdłuż jej.
Oczywiście kluczem do budowy windy

są pieniądze.

Być może wkrótce...

Samoreplikujące się maszyny?

Jeszcze nie!!

Mamy tylko modele komputerowe

Drexlera (

www.imm.org

), ale nie są to

rzeczywiste konstrukcje.

Łożysko

0

Przekładnia

Nanoobwody



Czy potrafimy wytwarzać komponenty takich

obwodów?

TAK



Czy mamy odpowiednie materiały?

TAK



Czy potrafimy wytwarzać nanoobwody?

TAK



Czy możemy wytwarzać je masowo, aby było to

opłacalne?

JESZCZE NIE



Czy potrzebne nam tak małe laptopy, telefony,

itp. ?

TAK, LUBIMY ZABAWKI :)

0



Genetycznie zmodyfikowane wirusy są

wykorzystywane do tworzenia struktur

nieorganicznych.



Takie wirusy są stosowane do

wytwarzania komponentów

elektronicznych – np. nanopłytek

drukowanych oraz nanodrutów o

precyzyjnej długości.



Wirusy replikują i wiążą się do

powierzchni płytki takiej jak ZnS skąd

mogą być usunięte przez ogrzewanie

(S

election of Peptides with

Semiconductor Binding Specificity for

Directed Nanocrystal Assembly Nature

405 (6787) 665–668, 2000).



Wielkie zainteresowanie firm: Intel, TI,

TSMC oraz Applied Materials, ASML,

MEMC, ATMI.

http://www.cambrios.com

http://www.aip.org

Obwody drukowane produkowane biologicznie

Już niedługo...

Komputery optyczne:

za 10 lat



W 2004 naukowcy z University of Berkeley oraz z Lawrence Berkeley

National Lab zastosowali wstążki z krystalicznego SnO

2

do przesyłu światła

między urządzeniami.



Komputery optyczne spodziewane są w najbliższych 10 latach!!



Nanorurki węglowe także mogą tu znaleźć zastosowanie.



Nanodruty i nanowstążki mogą emitować światło i wychwytywać fotony.

http://nanotechweb.org/articles/news/3/8/8/1

Nanobaterie:

TAK

Nakłady na nanotechnologię:

TAK, TAK, TAK

Brachyterapia chemiczna



Katedra i Zakład Biofarmacji Śląskiej Akademii

Medycznej



Centrum Chemii Polimerów PAN



Instytut Onkologii im. Marii Skłodowskiej-Curie

Badania finansowane przez Fundację na Rzecz

Badania finansowane przez Fundację na Rzecz

Wspierania Polskiej Farmacji i Medycyny nr proj.

Wspierania Polskiej Farmacji i Medycyny nr proj.

II/206/2003

II/206/2003

Terapia guzów mózgu



Operacja



Radioterapia



Chemioterapia

90% pacjentów ze złośliwymi guzami mózgu ma wznowy w obrębie

loży pooperacyjnej.

Brachyterapia chemiczna



Idea

: Bioresorbowalny nośnik

leku o optymalnym działaniu

terapeutycznym w leczeniu

glejaka mózgu, który w

określonym czasie uwalnia lek

cytostatyczny o odpowiednim

sterowanym stężeniu

bezpośrednio do zmienionej

tkanki nowotworowej lub loży

pooperacyjnej, przy czym sam

nośnik ulega degradacji i

wchłonięciu w zamierzonym

czasie.

Dlaczego?



Radioterapia nie zmniejsza odsetka nawrotów choroby, lecz

opóźnia jego „manifestację kliniczną”.



Wśród wielu hipotez próbujących wyjaśnić przyczynę

nieskutecznej radioterapii jest fakt, iż za nawrót glejaka

odpowiadają promieniooporne komórki nowotworowe, które

najczęściej znajdują się pod blizną wcześniej usuniętego

operacyjnie guza.



Skutki uboczne radioterapii:



demielinizacja

,



martwica popromienna



Na poziomie komórkowym natychmiastowe i rozległe uszkodzenia; mogą

one dotyczyć błon komórkowych, jednak przede wszystkim dotykają

DNA.

Dlaczego?



Chemioterapia stosowana ogólnoustrojowo
działa ogólnoustrojowo toksycznie.

Rozwiązanie?



Lek można umieścić w

matrycy

z

biodegradowalnego polimeru

lub w

mikrosferach

w postaci

dyspersji, skąd zostaje

uwalniany zarówno w wyniku

dyfuzji, jak i erozji matrycy lub

mikrosfery.

Co stosować…



Jako czynnik aktywny

matryc i mikrosfer

wybrano

doksorubicynę

i jej

bardziej lipofilową pochodną,

idarubicynę

, ze względu na szerokie spektrum

działania obydwu antracyklin.

O

NH

2

O

H

C

H

3

O

O

OH

CH

3

O

OH

OH

O

O

C

H

3

O

H

NH

2

O

O

OH

OH

O

OH

OH

O

Idarubicyna

Doksorubicyna

Nośnik leku



Jako materiał polimerowy wybrano

poliestry glikolidu (PGA), laktydu

(PLA),

ε

-kaprolaktonu i węglanów (trimetylenowęglanu i 2,2-

dimetylotrimetylenowęglanu)

– biodegradowalne materiały,

kompatybilne z tkanką ludzką, bioresorbowalne i mające

nietoksyczne produkty degradacji.



Materiały polimerowe zostały przygotowane i opatentowane przez

zespół:



doc. Maciej Bero – Centrum Chemii Polimerów PAN



doc. Janusz Kasperczyk – Centrum Chemii Polimerów PAN



dr Piotr Dobrzyński – Centrum Chemii Polimerów PAN

Uwalnianie leków z

biodegradowalnych polimerów

Matryce



Matryce z bioresorbowalnego materiału poliestrowego o zaprojektowanej

mikrostrukturze zawierające idarubicyną i doksorubicynę.

uwalnianie in vitro doskorubicyny czystej z

matrycy polimerowej

0.000

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

0

50

100

150

200

250

300

czas [dni]

%

w

ag

.u

w

ol

ni

on

eg

o

le

ku

A

B

uwalnianie in vitro idarubicyny z matrycy

polimerowej

0.000

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

0

100

200

300

400

czas [dni]

%

w

ag

.u

w

ol

ni

on

eg

o

le

ku

A

B

C

Wykresy kumulacyjne uwalniania

in

vitro doksorubicyny do płynu

mózgowo- rdzeniowego z matryc

poliestrowych o zaprojektowanej

strukturze łańcuchów

kopolimerowych: A – kopolimer

glikolidu z L-laktydem; B- kopolimer

glikolidu z

ε

-kaprolaktonem

Wykresy kumulacyjne uwalniania

in

vitro idarubicyny do płynu mózgowo-

rdzeniowego z matryc poliestrowych o

zaprojektowanej strukturze łańcuchów

kopolimerowych: A – kopolimer

glikolidu z L-laktydem; B- kopolimer

laktydu i

ε

-kaprolaktonu;

C- kopolimer

glikolidu z

ε

-kaprolaktonem

Uwalnianie leku

Metoda: UV/VIS

Eksperyment modelowy

in vivo



Otrzymane matryce

polimerowe o ściśle

zaprojektowanej strukturze są

obecnie wykorzystywane w

badaniach in-vivo uwalniania

cytostatyków do tkanki

mózgowej szczurów, a także w

badaniach wpływu

uwalnianego z matryc z

cytostatykiem na tkankę

mózgową szczurów, którym

zaszczepiono komórki glejaka.

Przekrój mózgu szczura z zaimplantowaną

matrycą z doksorubicyną (10 dni po

implantacji).

Guz nowotworowy 20 dni po implantacji komórek glejaka

Brak toksyczności!



NMR wysokiej rozdzielczości i HPLC:



Brak obecności cytostatyków w krwi i moczu zwierząt, którym

domózgowo wprowadzono bioresorbowalne matryce

zawierające w/w antracykliny.



Nie zaobserwowano w moczu zmian poziomu glukozy, glicyny,

alaniny, histydyny, mleczanu, octanu, bursztynianu i cytrynianu,

co wskazuje na brak ogólnoustrojowego efektu toksycznego

zastosowanych lokalnie cytostatyków.

Wnioski



Modelowanie mikrostruktury poliestrowych materiałów

polimerowych umożliwia opracowanie domózgowych nośników

leków o pożądanym czasie i stężeniu uwalnianego leku oraz

pozwala na jednoczesne uwalnianie kilku leków o różnych profilach

uwalniania.



Obecnie kontynuowane są badania stopnia penetracji stosowanych

cytostatyków w obrębie półkuli mózgowej, jak również wpływu i

skuteczności stosowanych nośników leków na implantowane

domózgowo komórki glejaka.

Koniec

Dziękuję za uwagę :)

0