POHLED DO NANOSVĚTA Roman Kubínek
Olomoucký fyzikální kaleidoskop 7. listopadu 2003, Přírodovědecká fakulta UP
Nanometr – 10-9 m (miliardtina metru) 380-780 nm rozsah viditelného světla
– obor 21. století, odvětví, které změní život člověka Molekuly a atomy jako konstrukční prvky „nanotechnologií“
Richard Philips Feynman (1918-1988) 1965 Nobelova cena za kvantovou elektrodynamiku Historická přednáška r.1959 “There‘s Plenty of Room at the Bottom”, Téma: v budoucnosti člověk dokáže sestavovat neobyčejně miniaturní zařízení schopná manipulovat s jednotlivými atomy. “Proč ještě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazků Encyklopedie Britannika na špendlíkovou hlavičku?” Celá živá příroda pracuje na úrovni atomů a molekul. Člověk nedávno poodhalil tajemství DNA – genetického kódu Příroda však dokáže miliony let “stavět” obrovské množství organismů, od bakterií až po samotného člověka.
Feynman položil užaslému vědeckému světu otázku: „jestliže to zvládne příroda, proč ne my?“
Čím nahlédnout do nanosvěta? Standardní světelný mikroskop je v rozlišení omezen difrakčním limitem použitého světla max. /2 ~ 300 nm
Rastrovací a transmisní Elektronové mikroskopy
Rastrovací elektronový mikroskop
3D Obraz s velkou hloubkou ostrosti
Rozlišovací mez do 1nm
X-ray mikroanalýza– kvalitativní a kvantitativní analýza prvkového složení
Transmisní elektronový mikroskop
Elektron-optické schéma TEM řez tubusem
Zobrazení tenkých řezů • rostlinné a živočišné tkáně • technické materiály Rozlišení 0,1 nm
obraz atomů (uzlových bodů) v krystalických mřížkách (atomární rozlišení)
difrakční obraz elektronů
HRTEM
(High Resolution Transmission Electron Microscopy)
Mikroskopie skenující sondou SPM – Scanning Probe Microscopy
1981 – STM – Skenovací tunelovací mikroskopie Gerd Binnig
Heinrich Rohrer
1986 Nobelova cena 1986 – AFM (Atomic Force Microscopy)
Mikroskopie atomárních sil
Feynmanovi začalo být dáváno za pravdu
r.1990
Vědečtí pracovníci laboratoří IBM „napsali“ pomocí STM logo své firmy 35 atomy Xe na Ni podložce
Rastrovací tunelovací mikroskopie Podmínka: ostrý vodivý hrot a vodivý vzorek
Pravděpodobnost průchodu energetickou d bariérou (tunelování) 2
Tunelovací proud
2 m U x E dx
P e 0 1 b. 2 . d I a.U .e
obraz povrchu je dán rozložením vlnové funkce atom
Režim konstantní výšky
Režim konstantního proudu
• rychlejší • vhodný pro hladké povrchy
• časově náročnější měření • přesnější pro členité povrchy
Si (111),10x10 nm
Adsorbované atomy můžeme hrotem STM umístit na zvolené místo a ovlivnit tak povrchovou hustotu elektronů (potenciálová jáma ve formě kruhu Ø 12,4 nm). Interferencí elektronových vln vzniknou soustředné kruhy elektronové hustoty
Kvantová ohrádka (48 atomů Fe na Cu)
Princip mikroskopických technik využívajících skenující sondu – umístění mechanické sondy do blízkosti povrchu vzorku – řízení pohybu ve směru x – y, z signálem zpětné vazby piezoelektricky (rozlišení 10-10 m)
Mikroskopie atomárních sil (AFM mapování atomárních sil
• odpudivé síly elektrostatické (Pauliho) • přitažlivé síly Van der Waalsovy
nejčastější způsob detekce graf závislosti celkové síly na hrot
feed backloop
controller electronics laser
•kontaktní režim
F 10-7 N – režim konstantní síly d 1 nm
scanner
zejména vhodné pro tuhé vzorky
detector electronics
split photodiode detector
cantilever and tip sample
Figur eSchéma 1 : Principle andtechnology of atomic detekce for ce micr oscopes v kontaktním (schema Digital Instruments)režimu
typický hrot
•nekontaktní režim •poklepový režim
FW 10-12 N, d 100 nm, raménko kmitá s fr 200 -400 kHz typický hrot s poloměrem 5 až 10 nm
– měkké, pružné (biologické) vzorky
Rozlišovací mez AFM daná štíhlostí hrotu
štíhlost hrotu – 1 : 3
speciální hroty – 1 : 10
(schopnost zobrazit ostré hrany a hluboké zářezy)
0,2 – 2 m
10 m
monokrystal Si r 5 nm
hrot – Si3N4 leptaný hrot
nanotrubičky WS2
AFM Explorer pohled zespodu
3D pohled na nanočástice Fe2 O3
V dalších letech se přidaly další závažné objevy: byly sestaveny první uhlíkové nanotrubičky a demonstrováno vedení elektrického proudu jednou molekulou. V laboratořích velkých amerických společností a univerzit se podařilo sestrojit první nanomechanismy: •osičky deset tisíckrát tenčí než lidský vlas, •neviditelná molekulová ložiska s ultranízkým třením, •první nanotranzistory využívající výhodných vlastností fullerenů.
Třetí forma čistého uhlíku - fullereny za objev fullerenů získala v roce 1996 trojice vědců Robert F. Curl (USA), Richard E. Smalley (USA) a Harold W. Kroto (Anglie) Nobelovu cenu za chemii šedesát atomů uhlíku uspořádáno do stejného vzoru, jaký má fotbalový míč Název získal na počest amerického architekta R. Buckminstera Fullera, autora geodetické kopule.
Pozoruhodné fyzikální vlastnosti fullerenů Na jejich základě je možné vytvořit nejpevnější materiál, jaký kdy existoval. mnohem pevnější než ocel, při nepatrné hmotnosti. Je nepochybné, že tyto superpevné a superlehké materiály výrazně zasáhnou do všech oblastí technologií budoucnosti: neobejde se bez nich automobilový průmysl, letectví, stavebnictví, medicína a řada dalších oborů
Nanomotorky 4. 7. 2002 vědci z univerzity v Mnichově uvedli do chodu mechanismus sestávající z jediné molekuly, roztáčený světlem. Konstrukčním materiálem nanomotoru se stal syntetický polymer azobenzenu, jehož molekula obsahuje pár dusíkových atomů s benzenovým jádrem navázaným na každé straně. Dusíkový můstek mezi jádry je zkroucený, ale jakmile na něj začne působit světlo určité vlnové délky, narovná se, a tím prodlouží molekulu. Pomocí světla o = 420 nanometrů vědci molekulu natáhli. Následně použili UV záření o = 350 nm, kterým dosáhli zkrácení molekuly zhruba o pět procent. Bylo tak dokázáno, že lze opakovaně přepínat mezi zkráceným a prodlouženým stavem.
Nanomotorky-výkon Nanomotorek podává velmi nízký výkon: při každém taktu se vyvine práce jen 4,5 x 10-20 J. Jednomolekulový mechanismus se přesto může uplatnit v měřítcích nanosvěta - dala by se jím například pohánět miniaturní čerpadla v budoucích tělových implantátech. Světlo bude pravděpodobně tím nejvhodnějším pohonným zdrojem takového motoru, který se obejde se bez nepraktické kabeláže. Doposud však výkon takového nanomotoru nebyl použit k pohonu nějakého nanostroje. Jde o první ukázku světlem řízeného mechanického pohybu v systému tvořeném jedinou molekulou.
Současná situace Použití nanoprášků: • TiO2 , ZrO2 – kosmetika (krémy na obličej, opalovací krémy), separace tekutin, čištění odpadních tekutin (zachycování těžkých kovů i bioorganismů). • Nanočástice Al, Hf pro pohon raket (lepší hoření a vznícení částic). • Fe2O3 – (hematit) základ červených barev, markry pro MRI. • TiO2 – laky s reflexními vlastnostmi. • Nanostrukturní otěruvzdorné povlaky řezných nástrojů, korozivzdornost. • Povrchové filmy z nanočástic, na kterých se nedrží voda ani špína. Informační technologie - nanoelektronika • Depozice vrstevných struktur o tloušťce několik atomů (1 nm) - (výroba menších, rychlejších a energeticky účinnějších tranzistorů). • Čtecí hlavy standardních harddisků využívají díky vrstevnatým heterostrukturám velkého magnetického odporu, což zvyšuje paměťovou
Současná situace Technologie optické výroby: • Nanočástice pro chemomechanické leštění (karbidy Si, C, B) – „drsnost“ 1-2 nm důležitá pro rozvoj optoelektronických systémů. Keramické nanomateriály. Polovodičové krystaly – kvantové tečky: • Výzkumy fotonických krystalů (fotonických prvků), které v nanorozměrech zvyšují výkonnost komunikačních sítí. • Kvantová tečka po osvětlení vydává světlo specifické barvy v závislosti na svých rozměrech (možnost sledování biologických reakcí v organismu, testování DNA a protilátek).
Současná situace V oblasti biomedicíny: • Nově strukturované struktury-liposomy (lipidové koule o d=100 nm) –cílená distribuce léčiv (zapouzdření protirakovinných léků). • Analýza moči, krve a jiných tělních tekutin pomocí magnetických nanočástic. Možnost separace škodlivých látek z krve – „dialýza v krabičce“. • Fluorescenční nanočástice jako základ nových detekčních technologií (analýza infekčních a genetických chorob, výzkum léčiv).
Blízká budoucnost (do r. 2006) Oblast informačních technologií a nanoelektroniky: Vývoj nanotranzistorů pro výrobu 10 GHz procesoru, analytický počítač pro rychlé modelování genomu. Oblast materiálů a výroby: Hromadný prodej uhlíkových nanotrubic, textilní látky odolávající vodě, špíně a mačkání, nové laky a barvy (odolávající ohni…), kosmetické přípravky, biosenzory, otěruvzdorné polymery,… Oblast medicíny a farmacie: Separace fragmentů DNA (rychlé sekvencování ), senzory pro farmakogenetiku, výzkum léků, Oblast životního prostředí a energetiky: Využití uhlíkových nanotrubic pro uskladňování vodíku pro palivové články, odstraňování ultrajemných nečistot z biologických odpadů (jejich zapouzdřením), biodegradabilní chemické látky pro pěstitelství a ochranu proti hmyzu
Závěr • Vědcům a lékařům je čím dál víc jasnější, že vstup
nanotechnologií do lidského života na sebe nedá dlouho čekat. • Prozatím se můžeme setkat hlavně s počítačovými modely. • Molekulární motory nejsou prozatím dostatečně účinné na to, aby se daly využít k pohonu něčeho jiného než vlastního rotoru. • K vidění jsou molekulární přepínače, které však dokážou změnit stav zatím pouze jednou. • Možnosti budování nanostrojů v medicíně zastiňují etické překážky- Slučování lidí se stroji, „možnost nesmrtelnosti“ atd. narazí zcela jistě na nějaké náboženské názory. • Pokroková lékařská ošetření možná díky nanotechnologii budou jen pro bohaté. • Nanoroboti v našem těle 'zdivočí', nanozbraně budou nebezpečnější než jaderné zbraně, všemožné zásahy do soukromí apod.
