There is plenty of room at the bottom. Richard Feynman (laureat nagrody Nobla z fizyki)

Transkrypt

1 1 There is plenty of room at the bottom Richard Feynman (laureat nagrody Nobla z fizyki)

2 Zajęcia laboratoryjne: CHEMIA: czwartki, 10:15 14:00 TECHNOLOGIA CHEMICZNA: czwartki, 15:15 19:00 Miejsce zajęć (zgodnie z podanym planem): 2 Katedra Fizyki Molekularnej (dr hab. Piotr Wojciechowski, prof. PŁ) lub Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej (sala 213) (dr Sławomir Kadłubowski, dr hab. Piotr Ulański)

3 Zajęcia laboratoryjne: 30 godzin, każdy student wykonuje 5 ćwiczeń po 4 h Podział na 12 grup cztero- lub pięcioosobowych A1, A2, A3; B1, B2, B3; C1, C2, C3; D1, D2, D3 Sprawozdanie składa grupa Grupy A i B pracują w 1 połowie semestru Grupy C i D pracują w 2 połowie semestru 3 Na końcu wszyscy zdają kolokwium

4 4 Tydzień Data KFM MITR Uwagi Ćwicz. 1 Ćwicz. 2 Ćwicz. 3 Ćwicz. 4 Ćwicz. 5 Ćwicz lutego Wykład dla wszystkich grup 2 4 marca A1 A2 A3 B1 B2 B marca A2 A3 A1 B2 B3 B marca A3 A1 A2 B3 B1 B marca B1 B2 B3 A1 A2 A3 6 8 kwietnia B2 B3 B1 A2 A3 A kwietnia C1 C2 C3 D1 D2 D kwietnia C2 C3 C1 D2 D3 D kwietnia C3 C1 C2 D3 D1 D maja D1 D2 D3 C1 C2 C maja D2 D3 D1 C2 C3 C maja Zaliczenie I termin maja Termin rezerwowy czerwca Zaliczenie termin poprawkowy 15

5 Nano = 10-9 (jedna miliardowa część) Z greckiego νᾶνος (nanos) - karzeł Nanosekunda = s Bardzo szybkie reakcje chemiczne W ciągu 1 ns światło przebywa drogę 30 cm, a dźwięk w powietrzu 0,00033 mm (0,33 mikrona) Nanogram = g (obiekty o wymiarach ok. 10 mikronów, około 1/300 masy ziarenka maku) Nanometr = m = 10 Å Długość wiązania C-C około 1,5 Å, czyli 0,15 nm Wiele cząsteczek organicznych ma wielkość około nanometra 5

6 Średnica włosa ok. 100 µm Kropla wody w chmurze ok. 10 µm Średnica naczyń włosowatych ok. 4 µm Bakterie 0,5 5 µm Wirusy Długość fali światła widzialnego nm (HIV: 90 nm) nm 6 Cząsteczka DNA Białka Grubość błony komórkowej średnica 2,5 nm, długość do 20 cm kilka kilkadziesiąt nm 6 10 nm

7 DVD pit layout 7 Czas Wymiary The Antikythera mechanism

8 (nano) Słowniczek: Nanomateriały rozmiar (lub rozmiar elementów strukturalnych) przynajmniej w jednym wymiarze < 100 nm [1 µm] Nanotechnologie sposoby i techniki tworzenia struktur o rozmiarach nanometrycznych Nanonauka dziedzina nauki zajmująca się badaniem materiałów i zjawisk w nanoskali (naukowa podstawa nanotechnologii) Nanomedycyna interdyscyplinarny dział nauki zajmujący się medycznym zastosowaniem nanomateriałów i nanotechnologii 8 Chemia supramolekularna dział chemii organicznej zajmującej się strukturami złożonymi z wielu podjednostek, które powstają samorzutnie na skutek słabych oddziaływań międzycząsteczkowych

9 Dlaczego nano? 9 Prosty efekt skali np. powierzchnia kuli - napełniacz do polimeru) np. dyski, tranzystory miniaturyzacja, prawo Moore a Im mniejsze urządzenie, tym mniej energii zużywa Mniejsze zużycie materiałów Inne efekty na przykład kwantowe zupełnie nowe właściwości materii Inne nowe możliwości (medycyna komórki, jądra kom., naczynia krwionośne) 10 miliardów dolarów rocznie na badania (miejsca pracy!) Duże firmy (na przykład IBM, HP, 3M) inwestują w nano 1/3 swoich nakładów na badania Wiele wyrobów na rynku (od pralek i dezodorantów do obuwia po materiały konstrukcyjne i budowlane) Rakiety tenisowe, ramy rowerów, kije golfowe - nanorurki

10 Nanomateriały jedno-, dwu- i trójwymiarowe (np. formy węgla, nanodiamenty, nanorurki, arkusze - grafen, fulereny) Fulereny Harold Kroto, Richard Smalley, Robert Curl Nobel 1996 Nanorurki wytrzymałość na rozciąganie 10 x wyższa od stali napełniacze, głównie do tworzyw polimerowych, nanoelektronika 10

11 Nanodiamenty nadawanie twardości powierzchniom, doskonała biozgodność (np. zastawki serca) prof. Mitura PŁ Centrum Doskonałości NANODIAM Nanodruty - Do nanoelektroniki - Możliwe efekty kwantowe 11

12 Nanomateriały z pojedynczych cząsteczek (np. nanożele) Ogólnie wiele cząsteczek lub atomów (nanocząstki, nanosfery, nanokapsułki), a także nanomateriały makroskopowe (o strukturze w skali nano) Dwa podejścia: 12 Bottom-up konstruowanie chemiczne / fizyczne self-assembly, chemia supramolekularna) Top-down micro-, nanomachining, nanolitografia; np. fotolitografia, litografia wiązką elektronów

13 Nanomateriały makroskopowe (nanostruktura) Na przykład: mikroelektronika i nanoelektronika Rozmiary tranzystorów w układach scalonych ok. 32 nm wkrótce zmiany technologii (EBL, nanorurki?) 13

14 Fragmenty sieci polimerowej o średnicy < 100 nm Wewnętrznie usieciowane kłębki polimerowe (oddzielna klasa topologiczna makrocząsteczek) 14

15 Zastosowanie nanożeli do terapii genowej Idea of gene therapy based on virus as a DNA-carrying vector 15 S. Vinogradov T.K. Bronich, A.V. Kabanov Adv. Drug Delivery Rev. 2002, 54, 135.

16 Przykłady nanomateriałów wchodzących do użytku Kosmetyka transport i uwalnianie witamin Nanocząstki srebra pokrywanie powierzchni (pralki, lodówki, farby, lakiery) Okulary filtry UV, warstwy odporne na zarysowanie Tekstylia do kamizelek kuloodpornych Lakiery samochodowe odporne na zarysowania (krzemionka) Głowice do drukarek atramentowych Głowice dysków magnetycznych Nanokompozyty 16

17 17 Jak to oglądać? (o tym, jak to mierzyć kolejny wykład)

18 18

19 Jak to oglądać? (o tym, jak to mierzyć kolejny wykład) X w. Arabowie XIV w. Europa IV w. p.n.e. Grecy XIII w. Europa XVI/XVII wiek 19 Mikroskop optyczny do 1500 x (teoretycznie 200 nm) Ale uwaga nowe wynalazki (Sarfus może i do 2 nm?) Mikroskopia elektronowa Skaningowa (SEM) powierzchnia Transmisyjna (TEM) wnętrze/przekrój (cienkiego) materiału Mikroskopia ze skanującą sondą (SPM) Skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) Mikroskopia sił atomowych (AFM) Mikroskopia optyczna bliskiego pola (SNOM)

20 20

21 21

22 22 Pentacen, C 22 H 14

23 Mikro- i nanoźródła energii Mikro- i nanomotory Silniki molekularne (naturalne i sztuczne) 23

24 Nanomedycyna kilka przykładów Terapia genowa, LOC (lab on a chip) Układy do kontrolowanego dostarczania leków (DDS), nanocząstki magnetyczne Obserwacja żywych obiektów ESEM Markery molekularne - diagnostyka Inżynieria warstw komórkowych Inżynieria tkankowa 24

25 Ryzyko związane z nanotechnologią Oddziaływania na organizm człowieka Nanocząstki Nanowłókna Nanomateriały stosowane w medycynie Manipulacje biologiczne w skali nano np. GMO 25 Regulacje prawne Rezolucja Parlamentu Europejskiego dotycząca Nanonauki i Nanotechnologii (2005) Wskazówki etyczne dla nanotechnologii (CNRS Ethics Committee)

26 Termosterowalne powierzchnie (nanowarstwy) do hodowli komórek i tkanek CH 2 CH C NH O H 3 C CH CH 3 PNIPAAm 37 ºC 25 ºC 26

27 27 Termosterowalne powierzchnie (nanowarstwy) do hodowli komórek i tkanek

28 28 Termosterowalne powierzchnie (nanowarstwy) do hodowli komórek i tkanek

29 Przyszłość nanoroboty? Jeśli w krwioobiegu - rozmiary poniżej 4 mikronów (nanotechnologia) Połączenie elementów mechanicznych, elektronicznych i chemicznych Nanoroboty wykorzystujące inteligentne materiały (biodegradowalne)? 29

30 Respirocyty (sztuczne czerwone krwinki) Odwracalne wiązanie tlenu i dwutlenku węgla (zatrucia, transfuzje, inne operacje, anemia, choroby układu oddechowego, niektóre nowotwory, ratunkowe operacje podwodne) 30

31 31 Respirocyty (sztuczne czerwone krwinki)

32 Sztuczne białe krwinki (fagocyty) Wiązanie patogenów za pomocą specyficznych receptorów, przemieszczanie do komory (nanomanipulatory), mechaniczne lub/i enzymatyczne zniszczenie Leczenie sepsy i infekcji wirusowych 32

33 33 Perspektywy