Nanotechnologie

Wykład 2 04.03.2011r.

Nanotechnologia / nanostruktury

• Cywilizacja, którą budujemy, zbliżając się do XXI wieku, nie będzie cywilizacją materialną, symbolizowaną przez ogromne konstrukcje

• Nie będzie cywilizacją informacyjną opartą na niewidocznych technologiach

• Nanotechnologia jest interdyscyplinarną nauką łączącą dotychczasowe osiągnięcia chemii, mechaniki, biologii, fizyki oraz informatyki. Jedną z pierwszych i największych wizjonerów Nanotechnologie określić można Feynmana, znanego przede wszystkim

• W 2007 roku nanotechnolodzy z Technionu umieścili cały hebrajski tekst Starego Testamentu na obszarze zaledwie 9,5 milimetra kwadratowego na pokrytej złotem krzemowej płytce

• Tekst został wryty przez skierowanie na płytkę skupionego strumienia jonów galu

• Nanotechnologia obok biometryki, energetyki słonecznej i biotechnologii jest dziedziną rozwijającą się najszybciej

• To dzięki rewolucyjnym osiągnięciom Nanotechnologie naukowcy prowadzą wyścig w projektowaniu i produkcji materiałów o właściwościach rodem sci

• Nanotechnologia jest obecnie modnym i obiecującym działem nauki o materiałach, bardzo często jest też jednak, słowem wytrychem.

• Także dzięki osiągnięciom nanotechnologii powstają :

  • Rewelacyjne powłoki fotokatalityczne samoczyszczące

  • Bakteriobójcze

  • Superhydrofilowe

  • Zabijające zapachy

  • Utwardzające

  • Oraz rewolucyjne ogniwa fotoelektrochemiczne (generujące elektryczność) na bazie nanocząsteczek TiO₂

• Do nanostruktur można zaliczyć:

  • Studnie i druty, kropki kwantowe

  • Tworzywa sztuczne – których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek – można w ten sposób uzyskiwać np. materiały o niespotykanych właściwościach mechanicznych

  • Włókna sztuczne – o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, które również posiadają niespotykane właściwości mechaniczne

  • Nanorurki – czyli bardzo długie i puste w środku cząsteczki, oparte na węglu w wiązaniach o hybrydyzacji sp2

  • Materiały rozdrobnione - do postaci pyły o ziarnach będących np. klasterami atomów metalu. Na masową skalę wykorzystywane jest srebro w tej postaci, które ma silne właściwości antybakteryjne

  • Elementy wykonywanie elektronolitograficznie

  • Fulereny

Nanotechnologie a organizmy żywe

• Warto zwrócić uwagę, na to że Nanotechnologie uprawiają już od dawna wszystkie organizmy

• Wiele struktur występujących wewnątrz, komórek to rodzaje mikromaszyn, struktura takich naturalnych materiałów, jak drewno, łodygi roślin, kości czy skóra to tworzywa, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek.

• Wśród pomysłów nanotechnologów znajdują miejsce takie jak:

  • Inteligentna mgła zastępująca pasy bezpieczeństwa w samochodzie. Składać się na nią ma mnóstwo małych nanorobotów z haczykami, które w razie niebezpieczeństwa na drodze chwytają się ze sobą haczykami tworząc gęstą substancję łagodzącą skutki kolizji

  • Mechaniczny nanokomputer. Komputer oparty na prętach wielkości nanometrów, w którym operacja i stany logiczne są uzyskiwane przez zmianę położeń tych prętów

• Już niedługo mikrokomputery zostaną zastąpione przez mniejsze, a jednocześnie potężniejsze maszyny – nanokomputery, których nazwa pochodzi od rozmiarów ich elektronicznych obwodów – skali nanometra, czyli miliardowej części metra.

Komputer DNA

- jeden z pomysłów są komputery operujące nie za pomocą elektronów, ale cząsteczek chemicznych

- taki komputer znajduje się w każdej komórce żywego organizmu, bo każda komórka zawiera kwas nukleinowy DNA lub RNA

• DNA jest przede wszystkim nośnikiem informacji.

• Nic dziwnego, że informatycy badają możliwość wykorzystania łańcuchów DNA do obliczeń

• Te właśnie drogę wybrał zespół uczonych pod kierunkiem Shapira

• Zespół Shapira używając DNA, skonstruował w probówce najprostszy rodzaj komputera, który informatycy określają mianem tzw. automatu skończonego, to znaczy urządzenia, które na podstawie pewnego ciągu znaków generuje odpowiedź tak lub nie.

• Komputery DNA z tradycyjnymi łącza tylko nazwa

• Biokomputery nie trafią raczej pod strzechy, choć ze względu na olbrzymią moc obliczeniową będą służyć do wyrafinowanych obliczeń naukowych

• Nigdy nie da się z nich zrobić komputera ani laptopa

• Nie będzie się ich podłączało do prądu, zasilane będą paliwem z którego korzystają komórki

• Nie będą miały klawiatury, myszki i monitora

• Być może będą kiedyś sterować pracą nanorobotów

• Maszyna do robienia dowolnej rzeczy. Skoro możemy zmieniać miejscami atomy i tworzyć nowe cząsteczki, to możemy kazać nanorobotom wykonać np. kawałek upieczonego steku wołowego, wystarczy dostarczyć dużo atomów odpowiednich pierwiastków.

• Naukowcy, w chwili obecnej, pracują nad stworzeniem zestawu narzędzi budowanego w skali Nano

• Stworzono np. nanopincety o długości zaledwie kilku milionowych milimetra, służących do odmierzania substratu o wadze bilionowych części grama

• Nanotechnologia jest również używana do produkcji i pakowania żywności

• Zmiany na poziomie molekularnym dokonywane są w celu uzyskiwania konkretnych smaków, kolorów czy wartości odżywczych, a tzw. inteligentne opakowania pozwalają zachować świeżość produktów spożywczych przez dłuższy okres

• Brak dokładnych badań na temat wpływu nanocząsteczek na zdrowie konsumentów wywołała międzynarodową dyskusję i spowodował, iż Parlament Europejski zdecydował się znowelizować rozporządzenie regulujące rynek nowej żywności.

Nanotechnologia

Rozwój techniki zależy od: dostępnych materiałów, ich struktury, umiejętności jej kształtowania w procesach technologicznych, wiedzy o tym, jak ona wpływa na właściwości materiałów

Inżynierska działalność człowieka

Pomysł ( domena twórczości) – projekt ( domena wiedzy, matematyka, fizyka, chemia i nauka o materiałach) – produkt (domena technologii, różne technologie i produkcyjne)

Wielka Brytania – nanotechnologia została uznana za ważną dziedzinę i znalazła się celem rządowym w programie LINK, którego celem było wspomaganie ważnych nowych technologii

Nanotechnologia – coraz powszechniej wkracza na takie pola jak wytwarzanie precyzyjnych manipulatorów czy produkcja obwodów scalonych i zwierciadeł żyroskopów laserowych

Niemcy – Niemieccy naukowcy wychodzą z założenia, iż nanocząsteczkii stanowią fazę pośrednią pomiędzy podstawowymi elementami budowy materii - atomami i cząsteczkami – a ciałem stałym, w którym atomy i cząsteczki tworzą mnie lub bardzie uporządkowane struktury.

Japonia – rząd japoński przyznał priorytet rozwojowi technologii budowy mikrourządzeń. Program MITI obejmuje nie tylko masową produkcję litograficzną opartą na krzemie, ale również wiele innych metod obróbki małych elementów z metalu i tworzyw sztucznych za pomocą cięcia i szlifowania każdego pojedynczego materiału

USA – program DARPA jest największym amerykańskim programem. Superczuły czujnik przyspieszania. Urządzenie wielkości zegarka ręcznego, mierzące różne parametry, np. ciśnienie, temperaturę, wilgotność

W Polsce, pomimo niewielkich nakładów na naukę oraz badania laboratoryjne, prowadzone są badania z zakresu ogólnie pojętej nanotechnologii. Istnieją trzy główne ośrodku badań nad nanotechnologią (25 placówek): Instytuty działające przy PAN, Politechnika Wrocławska oraz Politechnika Warszawska. Ośrodki, które w mniejszym stopniu zajmują się tymi zagadnieniami, to Politechnika Poznańska i Śląska.

Nanotechnologia w Polsce:

- W ośrodkach tych prowadzi się badania nad następującymi zagadnieniami:

1) Wspomaganie technologii informacyjnych

2) Bioinżynieria

3) Nowe systemy (nanosystemy)

4) Nowe źródła energii (wykorzystanie nanorurek)

5) Nowe materiały (smart materials)

Nanomateriały tworzą nową, niezwykle ważną

U progu XXI stulecia inżynieria materiałowa wkroczyła w okres nowych możliwości projektowania, i wytwarzania materiałów o pożądanych właściwościach. W ostatnich latach obserwuje się gwałtowny wzrost liczby publikacji dotyczących wytwarzania, badania stkrutyry i właściwości materiałów nanokrystalicznych

Nano materiałem przyjęto nazywać polikrystaliczną substancję złożoną z ziaren nie przekraczającą 100 nm, Jest nim zwykle wielkość ziarna, lecz może też być grubość warstw wytworzonych lub nałożonych na podłożu. Granica wielkości nanomateriałów jest różna dla materiałów o rożnych właściwościach użytkowych i na ogół wiąże się z pojawieniem nowych jakościowo właściwości po jej przekroczeniu. Nanokryształami mogą być czyste metale, ich stopy jak również tworzywa ceramiczne, szkła.

Nano:

- Przedrostek Nano odnosi się do metra jako jednostki długości: materiały polikrystaliczne składają się z ziaren o wielkości od kilku do kilkudziesięciu nanometrów, technologii, w których operuje się składnikami o wielkości nanometrów, struktury, w której powtarzające się elementy (włókna, warstwy, ziarna) mają rozmiary rzędu nanometrów.

Nano jest synonimem nowoczesności, nobilituje i wyróżnia każdy produkt.

Historia fizyki powierzchni i nanostruktur i nanotechnologii

- rozwój ultra wysokiej próżni

- rozwój spektroskopii elektronowej

- nowoczesna fizyka powierzchni dobrze zdefiniowanej, czystej

Weryfikacja teorii

Pajęczyna – staramy się zrozumieć nie tylko wyjątkowe właściwości pajęczyny (jej elastyczność i wytrzymałość), ale także proces jej wytwarzania, w którym z wodnego roztworu białek pająk w swoich kądziołkach przędnych wytwarza wytrzymała na deszcze i wiatr wątłą z pozoru nić

• Istnieje wiele rodzajów pajęczych nici-inne właściwości ma ta mocująca pajęczynę do gałązek, a inne do jej konstrukcji

• Pająki potrafią modyfikować strukturę i właściwości nici

• Człowiek próbuje to naśladować, ale nici pajęcze są wciąż znacznie lepsze

Naukowcy Nexia Biotechnologies Inc opracowali metodę wytwarzania nici z białek ssaków zmodyfikowanych genetycznie

Mleko transgenicznych krów i kóz zawiera pajęczynowe geny

Białko z tego mleka po umieszczeniu w wodnym roztworze można rozciągnąć tak, że powstaje włókno, nazywane BioSteel, które jest prawie tak wytrzymałe jak pajęczyna.

Aktualnie trwają prace nad tzw. Projekt Minimalnego Genomu, czyli stworzeniem sztucznego życia. Przedmiotem tych badań jest Mycoplasam genitalium, żyjąca w drogach moczowych i układzie oddechowym człowieka. Jest to najprostszy samodzielny żywy organizm, wyposażony w zaledwie 470 genów, z czego 330 jest Mycoplasmie naprawdę niezbędne do życia. Stąd się wziął pomysł aby sztucznie zsyntetyzować ów minimalny zestaw genów i połączyć je w nić DNA. Następnie to syntetyczne DNA umieszczamy w kulce tłuszczu, dodajemy enzymy odczytujące informację genetyczną, uruchamiamy syntezę białka i otrzymujemy jednokomórkowego Frankensteina. (Nie zostało upublicznione)

Kropka kwantowa

- do metod wytwarzania kropek kwantowych w laboratoriach można zaliczyć

1) kropki spontaniczne, powstające na granicy faz półprzewodników, hodowanych za pomocą metody MBE (tzw. self-assembled quantum dots, SAQD) gdzie geometryczne nierówności służą relaksacji napięcia spowodowanego różniącą stałych sieci (metoda Strańskiego – Krastanowa)

2) Nanokryształy (ograniczenie ruchu elektronu przez granice kryształu)

3) Kropki elektrostatyczne, w których w dwuwymiarowym gazie elektronowym na granicy faz półprzewodnikowych ogranicza się ruch poprzez lokalne zubożenie materiału poprzez przyłożenie napięcia do bramek metalicznych, znajdujących się pobliżu (nie nadają się konstrukcji laserów, bo chwytają tylko elektron, albo tylko dziurę, więc nie jest możliwe spułapkowanie ekscytronu).

Trawione kropki kwantowe, struktury zawierające studnie kwantową wytrawione do postaci walców, np. za pomocą litografii elektronowej

Lokalizacja naprężeniowa, powstają w wyniku pojawienia się naprężeń w związku z nakładaniem materiałów prowadzących do powstania naprężeń, (w związku z tym występuje lokalna zmiana struktury energetycznej)

Do struktur manometrycznych można zaliczyć:

• Nanorurki – czyli bardzo długie i puste w środku cząsteczki, oparte na węglu w wiązaniach o hybrydyzacji sp2

• Materiały rozdrobnione do postaci pyłu o ziarnach będących np. klasterami atomów metalu. Na masową skalę wykorzystywane jest srebro w tej postaci, które ma silne właściwości antybakteryjne

• Elementy tranzystorów w mikroprocesorach wykonywane fotolitograficznie i maski fotolitograficzne

• Fulereny

Nanotechnologia jest również używana do produkcji i pakowania żywności.

Zmiany na poziomie molekularnym dokonywane są w celu uzyskania konkretnych smaków, kolorów czy wartości odżywczych, a tzw. „inteligentne opakowania” pozwalają zachować świeżość produktów spożywczych przez dłuższy okres. Brak dokładnych badań na temat wpływu nanocząsteczek na zdrowie konsumentów, wywołał międzynarodową dyskusję i spowodował, iż Parlament Europejski zdecydował się znowelizować rozporządzenie regulujące rynek nowej żywności.

Generalnie termin nanotechnologia dotyczy trzech różnych dziedzin techniki i oznacza hipotetyczną metodę budowania skomplikowanych struktur z pojedynczych atomów, zaawansowaną miniaturyzację w elektronice oraz naśladowanie procesów syntezy zachodzących w organizmach żywych.

Opracowano nową metodę tworzenia trójwymiarowych struktur, wiernych kopii materiałów biologicznych, np. mikro czy nanostruktur drewna, skrzydła motyla, czy włókien wełny.

Metoda ta pozwala na formowanie elementów utworzonych z tlenku manganu w kształcie niemal identycznym, jak biologiczne pierwowzory.

Trójwymiarowe struktury

- technika ta może być zastosowana przy projektowaniu nowoczesnych materiałów, żeby te jeszcze ..

• Opracowana procedura jest dość prosta i wymaga zastosowania dwóch etapów przygotowawczych, by próbkę biologiczną można wykorzystać, jako formę odlewu.

• Najpierw materiał biologiczny np. skrzydło motyla lub fragment drewna nasączany jest kwasem solnym, po czym po przemyciu wodą destylowany jest suszony

• Kolejny etap wymaga nasączenia materiału zasadą sodową lub roztworem nadtlenku wodoru i NaOH, przemycia i dokładnego wysuszenia w podwyższonej temperaturze.

• Tak wstępnie przygotowany materiał, np. skrzydło motyla jest w dalszej kolejności zanurzane ostrożnie w roztworze nadmanganianu potasu, gdzie jednocześnie poddawany jest działaniu ultradźwięków.

• Po powolnym osuszeniu, ostatnim etapem jest długotrwałe i powolne wyprażenie próbki w temperaturze dochodzącej do 500-800 stopni Celsjusza.

• Proces ten ma na celu krystalizację tlenków manganu oraz całkowite usunięcie matrycy biologicznej, z której wytwarzany był odlew.

Krzyształy dwuwymiarowe nie są wstanie „zatrzymać” propagacji światła (rozpraszania) we wszystkich kierunkach przestrzeni (trzech wymiarach)

Dla osiągnięcia tego celu potrzeba fotonicznych kryształów trójwymiarowych.

Realizacja struktur 3D odbywa się poprzez układanie w stos wykorzystanych warstw, jedna na drugiej. W celu wytworzenia struktury trójwymiarowej używa się narzędzi mikrometrycznych przez co osiąga się dużą kontrolę nad całym procesem.

Stwarza to warunki do bardzo dokładnego i zaplanowanego wprowadzania do struktury kryształu lokalnych defektów, a także daje możliwość osadzenia kryształów fotonicznych na podłożach o rozmiarach odpowiednich do współczesnego przemysłu elektronicznego.

Nanostruktury w walce z rakiem

- coraz bardzie popularna nanotechnologia poszerza swoje kręgi, wkradając się do wielu dziedzin nauki, w tym także medycyny.

- Amerykański naukowcy wdrażając nanostruktur kierowali się, nie tyle zwiększeniem skuteczności działania podawania leku, ale także badaniem mechanizmu rozwoju nowotworu.

Syntetyczny nanohydroksyapatyt (Nano-HA) połączony z terapeutycznym kompleksem platyny (Pt) skuteczniej zapobiega rozwojowi raka, niż ten sam leczniczy preparat lecz niezwiązany z nanoba, donosi JMC

Syntetyczny hydroksyapatyt jest materiałem od dawna stosowanym w medycynie między innymi, jako wypełniacz małych ubytków koci czy materiał używany, jako powłoka zapewniająca biokompatybilność różnego rodzaju implantów.

Najnowsze badania przeprowadzone przez włoskich naukowców z University of Bologna dowodzą, iż hydroksyapatyt w postaci nanokryształów znacząco zwiększa skuteczność terapii antynowotworowej. W trakcie eksperymentów naukowcy dołączyli do powierzchni nanocząsteczek hydroksyapatytu terapeutyczny kompleks platyny (pochodna bis fosfonowa )

W zależności od morfologii hydroksypatytowych nanokryształów, kompleks platyny był w większym lub mniejszym stopniu łączył się z powierzchnią Nano-HA; im większa była dostępna powierzchnia nanokryształów – im mniej krystaliczny był preparat – tym więcej cząsteczek platyny połączyło się z powierzchnią nanocząsteczek hydroksyapatytu.

Zastosowanie nanostruktur w chemioterapii jest uzasadnione faktem, że naczynia krwionośne otaczające guzy często cechują się przerwaną ciągłością ścian, swego rodzaju porowatością – dzięki temu cząsteczki leków niesione przez nanostruktur mogą łatwiej docierać do ogniska nowotworu minimalizując przy tym negatywny wpływ na zdrowe komórki.

Wykorzystanie nanotechnologii

- po dostarczeniu cząsteczki leku na miejsce przeznaczenia kompleks transportujący rozpada się uwalniając nieszkodliwy produkt uboczny

- ponadto system opracowany przez zespół z Duke University wykorzystuje tani i efektywny system ekspresyjny białek, jakim są komórki E. Coli. Naukowcy w dalszych badaniach planują testowanie nowych kombinacji polipeptydów i leków przeciwnowotworowych.

nHAP

- ApaCare remineralizująca pasta do zębów z nanohydroksypapatytem

- Apa(nHAP) chroni przed bakteriami powstawaniem kamienia nazębnego

- Apa USZCZELNIA SZUKODZONE SZKLIWO I ZMNIEJSZA WRAŻLIWOŚĆ ZĘBÓW

- Apa uczestniczy w remineralizacji szkliwa

Nanometryczne drzewa:

- Nanokable utworzone z siarki oraz chlorku ołowiu samoczynnie przybierają trójwymiarową formę, która do złudzenia przypomina drzewa iglaste (np. znane wszystkim sosny)

- Te piękne nanotechnologiczne formy mogą nie tylko cieszyć oko (gdy obserwowane za pomocą mikroskopu elektronowego), ale również mogą być wykorzystane przy konstrukcji nowoczesnych, super wydajnych ogniw słonecznych

- Twory te powstają z mieszaniny siarki oraz chlorku ołowiu, które zostały naniesione w postaci pary na powierzchnie krzemu w temperaturze 650 Celsujszy.

- Cała reakcja, czyli wzrost krystalicznej struktury, która do złudzenia przypomina iglaste drzewa, popularne nazywane choinkami, jest prowadzona w atmosferze mieszaniny gazów wodoru i argonu.

Według naukowców, to najprawdopodobniej obecność wodoru generuje takie warunki, iż powstające kryształy tworzą las nanodrzew.

Nanochoinki rosną w dość nietypowy sposób – najpierw tworzony jest samoistnie manometryczny pień, a następnie w miejscach dyslokacji atomów siarki lub ołowiu powstają gałęzie

Tego typu kryształy (nanodrzewa), jak zauważają naukowcy o ciekawych właściwościach elektrycznych (doskonale przewodzą elektrony) mogą być wykorzystane, jako elementy ogniw słonecznych, różnego typu sensorów oraz przy produkcji innych nowoczesnych materiałów.

Nanotechnologie

- Nanomateriały metaliczne budzą duże zainteresowanie z uwagi na fakt, że w porównaniu z materiałami tradycyjnymi (polikrystalicznymi) mają interesujące, nowe właściwości

- Wykazano m.in., że Nano- materiały magnetyczne mogą znaleźć szerokie zastosowanie w naukach biologicznych i medycznych

- Szerokie zastosowanie medyczne magnetycznych nanocząsteczek jest związane z efektem generowania ciepła.

Zastosowanie osiągnięć nanotechnologii w terapii nowotworowej

- Wykazano m.in., że Nano- materiały magnetyczne mogą znaleźć szerokie zastosowanie w naukach biologicznych i medycznych

- Przykładem takich materiałów są superparamagnetyczne nanocząstki żelaza, wielkości ok. 10 nm umieszczone w ośrodku ciekłym i nazywane cieczami ferromagnetycznymi

- W materiałach tych makroskopowa struktura domenowa staje się jednodomenową.

Zastosowanie osiągnięć nanotechnologii w terapii nowotworowej

- Nanocząstki magnetyczne z uwagi na dużą powierzchnię właściwą i możliwość oddziaływania z różnymi tkankami znajdują szerokie zastosowania m.in.:

- w detekcji i analizie biocząsteczek

- docelowym transporcie leków

- poprawie kontrastu przy badaniach metodą rezonansu magnetycznego i hipertermii

- Szerokie zastosowanie medyczne magnetycznych nanocząsteczek jest z związane z efektem generowania ciepła.

Materiały manometryczne

- Różne rodzaje materiałów manometrycznych łączą trzy cechy:

• Domeny atomowe przestrzennie zamknięte w nie więcej niż 100 nm.

• Znaczący udział atomów związanych z obszarem interfejsu (przejściówki)

• Istnienie oddziaływań między tworzącymi je domenami

Podział nanomateriałów ze względu na kształt ziaren (trzy grupy główne)

- nanomateriały zerowo – wymiarowe (nanomateriały punktowe) zbudowane z osnowy, w której rozmieszczone są cząsteczki o wymiarach nanometrów

- nanomateriały jednowmiarowe – słupkowe, ziarna mają kształt słupków o średnicy manometrycznej np.: warstwy o grubości nanometrów typu jednofazowego lub wielofazowego.

- nanomateriały dwuwymiarowe – warstwowe, ziarna mają kształt płaski o grubości manometrycznej

- nanomateriały trójwymiarowe (lub nanokrystaliczne) – równoosiowe, ziarna mają kształt zbliżony do kuli o średnicy nanometrycznej tj. złożone z krystalicznych ziaren i klasterów odpowiednich faz o wymiarach rzędu nanometrów

Materiały manometryczne

- Materiały manometryczne zawierają: zerowymiarowe klastery atomów i ich ensamble,

- Jednowymiarowo modulowane wielowarstwy oraz ich trójwymiarowe odpowiedniki

- Synteraz przez człowieka – to historia najnowsza, okazuje się, że materiały manometryczne były z nami na długo przed nami.

Nanoproszki – Nanoproszki (nanophase materials) są jednym z elementów szerokiej klasy materiałów, manometrycznych, sztucznie zsyntetyzowanych w mikrostrukturach modulowanych w zero lub trzech wymiarach i składach długości do 100 nm.

Obiekty niskowymiarowe (druty, kropki)

Podział nanomateriałów: (najważniejsze)

- metaliczne (stopy, kompozyty metal – metal i metal – ceramika)

- ceramiczne i szklano ceramiczne

- polimerowe – funkcjonalne materiały gradientowe

- biomateriały do zastosowań medycznych

Podział nanomateriałów ze względu na skład chemicznych

- Kryształy i granice ziaren charakteryzują się tym samym składem chemicznym,

- Kryształy charakteryzujące się różnym składem chemicznym

Ziarna oraz fazy w granicach ziaren posiadają różne składy, w osnowie umieszczone są manometryczne ziarna o innym składzie

Cechą niekorzystną nanokryształów jest ich metastabilny charakter. W podwyższonej temperaturze następuje obniżenie energii swobodnej układu przez redukcję energii granic ziaren. Powoduje to rozrost ziaren.

Specyficzne właściwości nanomateriałów

- Stopy metali o strukturze manometrycznej otrzymywane metodą mechanicznej syntezy mogą mieć skład fazowy i chemicznych nieosiągalny metodami konwencjonalnymi i dlatego mają lepszą wytrzymałość mechaniczną i odporność korozyjną

- Zmniejszenie wielkości ziaren związków międzymetalicznych do skali nanometrów powoduje pojawienie się zjawiska superplastyczności

- Odporność na pełzanie zaawansowanych wysokotemperaturowych konstrukcyjnych materiałów ceramicznych (azotek krzemu, węglik krzemu) może być zwiększona nawet o rząd przez wytworzenie ich w postaci nanomateriałów typu zerowymiarowego.

- Nanomateriały polimerowe wykazują odporność na ścieranie i właściwości ślizgowe, znajdując zastosowanie jako bezsmarowe elementy maszyn

- Nanokrystaliczne układy warstwowe mogą mieć zastosowanie jako materiały gradientowe w układach elektronicznych lub jako materiały o gigantycznych i tunelowym magneto oporze.

- Implanty z biomateriałów metalicznych, węglowych i tlenkowych zwiększają wytrzymałość protez i ich bioaktywności.

Wprowadzenie do organizmu ludzkiego nanocząsteczek złota

- Nanocząsteczki złota można rozpuścić w wodzie lub innych cieczach poprzez pokryci powierzchni złotych drobinek różnorodnymi triolami. Taka modyfikacja pozwala na bezproblemowe wprowadzenie do organizmu nanocząsteczek złota, o rożnymi w tym i leczniczym przeznaczeniu.

- Nanocząsteczki złota, czyli drobinki o wielkości miliardowych części metra, stanowią doskonały materiał za pomocą którego można wprowadzać od organizmu różnego rodzaju substancje chemiczne, w tym i nowoczesne leki.

Nanotechnologia opinie

• Nanotechnolodzy-futurolodzy powołują się na odkrycia technologiczne dokonane w ostatnich latach (np. jednoelektrodowy tranzystor, sztuczne atomy – kropki kwantowe, fulereny, nanorurki)

• Jednak sposób ich otrzymywania i zastosowania daleko różnią się od tego, co wyobrażają sobie ortodoksyjni przedstawiciele tego nurtu

Materiały nanometryczne

Materiały nanometryczne zawierają: zerowymiarowe klastery atomów,

• Jednowymiarowo wymodulowane wielowarstwy oraz ich trójwymiarowe odpowiedniki

• Synteza stosowana przez człowieka/laboratoria- to historia najnowsza

• Okazuje się, że materiały nanometryczne były z nami na długo przed nami

Nanotechnologia – inteligentna sztuczna skóra

- Wiele struktur biologicznych (np. skóra), jest w istocie rodzajem nanomateriałów

- Naukowcem z USA (Stanford) udało się stworzyć elastyczną, sztuczną skórę wrażliwą na dotyk – superskóra

- Może ona wykrywać substancje chemiczne i związki biochemicznego pochodzenia.

Superskóra

Superskóra – wrażliwa na dotyk. Cecha ta zależy od specjalnie zaprojektowanej warstwy, przypominającej ułożone obok siebie odwrócone piramidy,

W zależności od liczby piramid przypadających na centymetr kwadratowy (liczba waha się od kilkuset tysięcy do 25 milionów), zmienia się wrażliwość układu na dotyk

Od liczby naciskanych piramid zależy siła sygnału generowanego przez leżące pod odwróconymi piramidami tranzystory.

Autorzy odkrycia wzbogacili „superskórę” o uniwersalną nanowarstwę o grubości zaledwie 2 nanometrów, która może być w zależności od potrzeb modyfikowana receptorami tak, by układ pozwalał na wykrycie ściśle określonych związków chemicznych, jak i substancji pochodzenia biologicznego (biomarkerów)

Dzięki tej cesze, detekcyjna nanowarstwa po połączeniu się z analizowaną substancją chemiczną zmienia swe właściwości , co wpływa na funkcjonowanie organicznych tranzystorów

Według naukowców, dzięki zintegrowaniu z powierzchnią sztucznej skóry elastycznej baterii słonecznej, możliwe jest nie tylko rejestrowanie zmian zachodzących w bezpośrednim otoczeniu superkóry ale również przysyłanie uzyskanych danych do zewnętrznych rejestratorów.

Obecnie uczeni pracują nad integracją opracowanego układu z różnymi innymi materiałami, z których produkowana jest odzież by stworzyć inteligentną odzież lub nadać innym urządzeniom (np. robotom) nieco więcej czucia.

Nanoproszki – technologie

Nanoproszki wytwarzane są w postaci czystych pierwiastków oraz wykorzystaniem nośników, np. nanokrzemionki

Znane nanoproszki: srebra, miedzi, krzemionki, srebro i miedź na krzemionce.

Do najpopularniejszych metod obecnie wykorzystywanych od otrzymywania nanoproszków domieszkowanych można zaliczyć

- Reakcje w fazie stałej i następnie mielenie produktów:

- Rozdrabnianie mechaniczne (machanicalal loying)

- Metody elektrochemiczne (elektrochemiczne osadzania)

- Metody strącania i kalcynacji

- Metoda strącania i obróbki hydrotermalnej lub solvotermalnej

- Metoda zol-żel z modyfikacjami (cytryniany)

- Metody spray pyro lysis (SP)

Nieekologiczny TiO2

- powierzchnie zewnętrzne budynków, które zostały pokryte materiałami zawierającymi dwutlenek tytanu (w formie nanocząsteczek) reaguje z zwartymi w powietrzu zanieczyszczeniami chemicznymi, tworząc niebezpieczne dla zdrowia związki chemiczne

- Według najnowszych badań przeprowadzonych przez brytyjskich naukowców z Cambridge, nanocząsteczki dwutlenku tytanu nie tylko skutecznie reagują z brudem na elewacjach czy szybach, niszcząc go i pozostawiając szyby zawsze czyste, ale równie dobrze reagują z innymi substancjami zawartymi w powietrzu – chemicznymi zanieczyszczeniami

- Według naukowców, konieczne jest szybkie i dokładne przebadanie wpływu aktywnych fotochemicznie szyb czy elewacji (w tym również a może przede wszystkim – farb stosowanych w przestrzeniach zamkniętych) na stan zanieczyszczenia atmosfery, gdyż potencjalne szkody jakie te powierzchnie mogą wyrządzić środowisku oraz ludziom, będą trudne do naprawienia.

Zastosowanie nanomateriałów w medycynie

• Dzięki nanotechnologii można by hodować sztuczne tkanki i narządy lub pobudzać ich regeneracji w organizmie

• Także połączenia sztucznych organów z organizmem wymaga nanotechnologii – na przykład w przypadku sztucznych oczu i uszu

• Odpowiednio przygotowane powierzchnie implantów zapobiegną ich odrzuceniu

• Intensywne prace eksperymentalne nad zastosowaniem nanomateriałów w medycynie prowadzone są również w polskich instytutach badawczych (Poznań Mickiewicz)

• Być może już niebawem nanocząsteczki wytworzone w laboratoriach Poznańskiego Uniwersytetu Medycznego będą stosowane w farmakoterapii, miedzy innymi jako środek służący do leczenia osteoporozy

• Współpracujący ze sobą naukowcy z Poznania oraz francuskiego Uniwersytetu im. H.Poincarego w Nancy, opracowali metodę syntezy nanocząsteczek, wewnątrz których zamknięte zostały różnego typu substancje czynne, które wykorzystywane są obecnie w medycynie, między innymi jako farmakoterapeutyki

• Nanotechnolodzy z University of Delaware testowali możliwość niszczenia komórek za pomocą nanorurek – wyniki okazały się zaskakująco dobre. Badacze zniszczyli komórki raka piersi, wykorzystują węglowe rurki o średnicy od 1,5 do 4 nanometrów

• Najważniejsze jest, to że z tkanki nowotworowej niewiele pozostało, a wybuch nie uszkodził zdrowych komórek.

• Eksplozja w nanoskali zachodzi wewnątrz w wyniku odparowania cieczy z wnętrza ogrzewanych światłem rurek. Wprowadzenie intruzów do komórek rakowych też nie jest trudne: cały kłopot polega na tym, że pojedynczy nanoobiekt trudno ogrzać – szybko oddaje on ciepło otoczeniu

• Naukowcy z University od 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 szybko i można nim precyzyjnie sterować, inaczej niż w przypadku pojedynczych nanorurek. Najważniejsze, że nanorurki wybuchały w mieszaninie wody, fosforanów i chlorku sodu, czyli w środowisku zbliżonym do występującego w ludzkim ciele.

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 1/10000 ludzkiego włosa, które przewodzą prąd elektryczny – mają ogromną przyszłość w wielu dziedzinach techniki, przede wszystkich w nanoelektronice.

Nanorurki + papier = bateria

Bateria grubości kartki papieru została zbudowana przez naukowców z Stanford

Rozwiąznie to polega na nadrukowaniu na kartkę warstwy srebra i naniesienie farby z nanorurkami

Otrzymana bateria jest elastyczna i płaska.

Co na kolokwium:

- Nanoskala – krótka charakterystyka

- Pajęczynowe geny

- Struktury nanometryczne

- Struktury (miarowe)

- Walka z rakiem (monohydroksypapatyt)

- Rodzaje materiałów manometrycznych

- Podział ze względu na kształt ziaren

- Nanoproszki

- TiO2

- Podział (metaliczne itp.)

- Zastosowanie medycyna