A nanotechnológia természettudományi alapjai (

A nanotechnológia természettudományi alapjai ( BMEVEFAMN01, 2 0 0/f/3 )

Általános ismertető ^:

Dr. Hórvölgyi Zoltán egy. tanár, BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, Kolloidkémia Csoport

F ép. I. lépcsőház,magasföldszint (balra);

Telefon: 463 2911; e-mail: zhorvolgyi@mail.bme.hu

Helyszín: QA 403, Időpontok: szerda: 12:15-13:45

Felkészülés:

Az előadások vázlatos anyaga (amelyeket az előadáson kivetítek) hozzáférhető az intraneten:

(ftp://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/nanoterm/).

Segédanyag:

Elektronikus jegyzet

Hórvölgyi Zoltán: A nanotechnológia kolloidkémiai alapjai, Budapest: Typotex Kiadó, 2011.

http://www.interkonyv.hu/konyvek/A%20nanotechnol%C3%B3gia%20kolloidk%C3%A9miai%20alapjai

Érdemjegy:

Az előadáson kerül meghirdetésre.

A tantárgy célkitűzése:

A nanotechnológia fogalma és gyakorlati jelentősége.

A nanotechnológia interdiszciplináris, tudományos hátterének bemutatása.

A kolloidkémia kiemelt jelentősége a tudományos háttértudományok között.

Nanoanyagok, nanorendszerek előállítása jellemzése.

A nanoszerkezetű (kolloid) anyagokban végbemenő fontosabb jelenségek bemutatása és általános

törvényszerűségeinek ismertetése. Konkrét gyakorlati alkalmazások.

A nanovilág felé a tudományban:

1856: Faraday: aranyszol, Tyndall-jelenség

1860: Graham: a kolloidok elnevezése az enyv (κολλα) görög neve

Az anyagok csoportosítása:

- krisztalloidok (jól kristályosíthatók, diffúziójuk gyors) - kolloidok (nem kristályosíthatók, diffúziójuk lassú)

A századforduló fő kérdései a kolloidokkal kapcsolatban:

1. Homogén vagy heterogén rendszerek?

- oldatokról van szó (homogén: oldatelmélet)!

- szuszpenziók (heterogén: szuszpenzió elmélet)!

2. Speciális anyagfajta (enyvszerű anyagok)?

Nagy lépés előre: ultramikroszkóp – a szuszpenzió elmélet igazolása

Zsigmondy (1903): kimutatja, hogy a szolok apró részecskéket tartalmaznak, amelyek Brown-mozgást végeznek.

Ultramikroszkóp sematikus rajza

Diszperz rendszerek

(Wolfgang Ostwald: diszperzrendszer elmélete)

Diszperz rendszer: egyik komponens a másikban diszpergált (eloszlatott) formában van jelen

A kolloidokat a homogén (molekuláris, atomi szintű keveredés) és heterogén rendszerek közé helyezi el:

Amikroszkópos Szubmikroszkópos Durva

valódi oldat kolloid mikroheterogén

(pl. cukor-oldat) rendszerek rendszerek

(vízben ülepedő homok) 1-1000 nm-es

részecskék

HOMOGÉN KOLLOID HETEROGÉN

1 nm = 10^-9 m 1 vízmolekula kb. 0,3 nm

Weimarn vizsgálatai szerint minden anyag (még a kristályosak is!) kolloid állapotba hozhatók (l. később a Weimarn-szabályt, ill. görbét).

A válaszok rövid megfogalmazása:

1. A kolloid rendszerek a homogén és a heterogén rendszerek közé helyezhetők el.

2. A kolloid nem anyagfajta, hanem állapot.

Miniatürizálás

Önszerveződés

Természetutánzás

A nanovilág felé a technológiákban

Miniatürizálás: a nanovilág felé a technológiákban

Moore törvénye: a számítási kapacitásokat tükröző

tranzisztorok száma az integrált áramkörökben minden 18. hónapban megduplázódik

1965, Electronics Magazine, Gordon E. Moore, az Intel társalapítója: a Moore-törvény publikálása.

Lásd még: http://www.hwsw.hu/hirek/53856/moore-torveny-jubileum-intel.html

Önszerveződés

• A nanorészecskék

megfelelő struktúrába rendezése

• Félvezető részecskék struktúrája

nanokristályos napelemben

Michael LoCascio

Természetutánzás (mímelés - mimetic)

Kaméleon színe és színváltása

Relaxed Excited

NATURE COMMUNICATIONS | DOI: 10.1038/ncomms7368

Markus Niederberger, 2006 Markus.Niederberger@mpikg.m

pg.de

„Ösztönös” nanotechnológusok

A nanotechnológia kezdetei

A nanotechnológia kezdetei: a program

1959 – Richard P. Feynman MINIATÜRIZÁLÁS

There's Plenty of Room at the Bottom 1. „Enciklopédia egy tű hegyén”:

>>> nanolitográfia

2. Molekuláris gépek előállítása

A FOGYASZTÁSI JAVAK MINÉL KISEBB MÉRETEKBEN, MINÉL

HATÉKONYABBAN TÖRTÉNŐ ELŐÁLLÍTÁSA (a természet utánzása):

ELEKTRONIKA, SZÁMÍTÓGÉPIPAR, OPTIKA, stb.

Fotó: Főző A. internetes anyagából

A nanotechnológia szót Norio Taniguchi használta először 1974-ben azon folyamatok elnevezésére,

amelyek során az anyagot nanométeres skálán manipuláljuk.

Ma a fogalom (a nano-biotechnológiával együtt) magába foglalja mindazokat az eljárásokat, amelyek során

előállítjuk, jellemezzük és működtetjük a

nanoléptékben strukturált halmazokat és nanoléptékű objektumokat.

A nanotechnológia kezdetei:

elnevezés

Megfelelő atomok, molekulák, nano-részecskék megfelelő struktúrákba* való rendeződése

(rendezése), majd ezen struktúrák valamilyen előnyös funkciójában való működtetése.

A nanotechnológia definíciója

Szerkezeti – Funkcionális – Reszponzív (intelligens) anyagok

*Nanoléptékű strukturáltság, ill. objektum (pl. fehérjemolekula)

Nanoanyagok

(nem folytonos, 1-100 nm léptékben szabdalt)

A nanotechnológiai területek csoportosítása

1. nanotechnológiai megoldások (szenzorok, bevonatok, kompozitok, membránok stb.), amelyek létező iparágakhoz kapcsolódnak, ezen iparágak termékeinek hozzáadott értékét növelik (öntisztító bevonatok) 2. ún. „romboló” technológiai megoldásokat (disrupters), amelyek

létező termékeket és/vagy technológiai megoldásokat szorítanak ki a piacról (világítástechnika)

3. A harmadik csoportba kerülnek azok a nanotechnológiai

megoldások, amelyekre építve új, korábban nem létező iparágak jelennek meg, és alakítják át a feldolgozóipar (és a szolgáltatások) szerkezeti összetételét. (diagnosztika és gyógyászat)

(A NANOTECHNOLÓGIA ÉS A JELENLEGI JÖVŐ IPARÁGAK, 2005, Szalavetz Andrea)

Szerkezeti nanoanyagok

Nanorészecskékkel töltött polimerek: nanokompozitok Előnyösebb mechanikai (szerkezeti) tulajdonság,

pl. extrém nagy szakítószilárdság

Egyfalú szénnanocsövek szakítószilárdsága (GPa) összevetve már alkalmazást nyert, nagy szilárdságú anyagokéval (K.-T. Lau és D. Hui, Composites B, 33, 2002, 263)

Nanoanyagok csoportosítása

Funkcionális nanoanyagok

A nanostrukturált bevonatnak, ill. rétegnek funkciója van: megnövelt, ill. szelektív fényáteresztés

Antirefkexiós bevonat Fotonikus viselkedés

(Bíró et al., MFA) (Hórvölgyi et al., BME)

Reszponzív (válaszadó) nanoanyagok

TiO₂

ZnO

Fény által kiváltott ismételhető nedvesíthetőség változás

(Hórvölgyi et al., BME)

Nanotudomány?

Fizika – Kémia – Biológia

Kolloidkémia-Kolloidika (Colloid Science)

Nanotechnológia vs. nanotudomány

A kolloid rendszerek a homogén és a heterogén rendszerek közé helyezhetők el. A kolloid nem anyagfajta, hanem állapot.

Korszerű megfogalmazásban: a kolloid rendszerekre a szub- mikroszkópos diszkontinuitások (1-500 nm) jellemzők. Mind a kolloid részecskék mérete (legalább az egyik térbeli irányban) mind a rendszereikben ható erők hatótávolsága ebbe a távolság tartományba esik.

A kolloidika a kolloid rendszerek kémiájával és fizikájával foglalkozik. A kolloid jelenségek fontosak mind az élettelen, mind az élő világban. A kolloidika interdiszciplináris tudomány és a nanotechnológia egyik legfontosabb háttértudománya.

Kolloid rendszerek: csoportosítás

1. Csoportosítás a kolloid részecskék minősége és szerkezete szerint:

A kolloid rendszerek, amelyek szupermolekuláris halmazokat tartalmazó rendszerek, a kolloid részecskék minősége és szerkezete szerint a következőképpen csoportosíthatók:

- fáziskolloidok (diszperziók), amelyben a kolloid részecskék mikrofázisok

- makromolekulás kolloid oldatok (kolloid részecskék:

makromolekulák)

- micella v. asszociációs oldatok (kolloid részecskék: micellák) A mikrofázisokat tartalmazó rendszereket diszperzióknak, míg a makromolekulákat vagy micellákat tartalmazókat kolloid oldatoknak is szokás nevezni.

Mikrofázisok:

-felülettel rendelkező halmazok: megkülönböztethetők benne külső és belső molekulák (atomok) (ezek minimális száma: 1+6+3+3 = 13) -mivel a mikrofázisok mérete kicsi, az összes (vagy tömegre, ill.

térfogatra normált = fajlagos) felület nagy

1 μm élhosszúságú kockák esetén a fajlagos felület: 6 m²/cm³

1 nm élhosszúságú kockák esetén a fajlagos felület: 6000(!) ^m2/cm3 Nagy felület >>> nagy (határ)felületi szabadenergia többlet

>>> a fáziskolloidok termodinamikailag nem stabilak!

CSAK KINETIKAI STABILITÁSRÓL BESZÉLHETÜNK!

Következmény: számos határfelületi jelenség (pl. adszorpció) A HATÁRFELÜLETEK JELENTŐSÉGE!

-a mikrofázisok halmazállapota lehet: S (szilárd; kristályos v.

amorf), L (folyadék), G (gáz)

-durva diszperziók: eloszlási állandóság nincs

A diszperziók nagy fajlagos felülettel rendelkeznek!

A nagy felület létrehozásához jelentős munkavégzés szükséges!

1 m 1 nm

Fajlagos felület: 0,0006 m²/cm³ 6 m²/cm³ 6000 m²/cm³ 1 cm

Elhanyagolható felület

A felületi hatások dominálnak

Fajlagos felület: egységnyi tömegre vagy térfogatra vonatkoztatott felület (m²/g vagy m²/cm³)

Makromolekulák

-a makromolekulák keletkezése: polimerizációval, kondenzációval -méret: M = 10⁴ - 10⁷ Dalton

-szegmens: a molekula (viszonylag) önálló mozgásra képes része (a kolloid állapotra jellemző, új tulajdonságok megjelenése: pl.

kaucsukrugalmasság, amely entrópia rugalmasság).

A szegmensek mozgását nevezzük mikro Brown-mozgásnak.

A makromolekulát az oldószer többé-kevésbé képes “átjárni”:

>>> rossz oldószer, jó oldószer és theta-oldószer

A molekula mérete nő: jó oldószer-szegmens kölcsönhatás esetén és az. ún. kizárt térfogati hatás miatt.

A molekula méretét csökkenti az erős szegmens-szegmens vonzó kölcsönhatás.

A térfogatnövelő és térfogatcsökkentő hatás kompenzációja esetén beszélünk théta állapotról. Ez a makromolekula ideális, kvázi kölcsönhatásmentes állapota. Ilyen esetben a molekula mérete megegyezik az elvi számítással kapott ún. “statisztikus gombolyag” méretével.

A makromolekulás oldatok termodinamikailag is stabilisak lehetnek.

Pl. Poli-vinil-pirrolidon = PVP (vízoldható) A PVP-monomer

Micellák:

A micellát alkotó molekulák felépítése:

apoláris ( ___ ) + poláris (O) molekularész térben elkülönülve (amfipatikus v. amfifil molekula)

Termodinamikailag stabil kolloid rendszer; dinamikus egyensúly.

Kis- és nagymicellák; fordított micella (apoláris közegben).

A kolloid rendszerek közé soroljuk ezeken kívül mindazokat, amelyekben legalább az egyik térbeli irányban kolloid méretű diszkontinuitás van (lamellák, fibrillák: difform rendszerek).

A határfelületek vizsgálata is a kolloidika témakörébe tartozik, mivel azok megjelenése kolloidális méretű diszkontinuitásokat okoz.

2. A fáziskolloidok csoportosítása a diszperz rész és a diszperziós közeg halmazállapota szerint:

Diszperz rész/Diszperziós közeg

L: folyadék, G: gáz, S: szilárd fázisok Aeroszolok

L/G (köd) S/G (füst) Lioszolok

G/L (hab, ill. gázdiszperzió)

L₁/L₂ (emulzió, ill. mikroemulzió)

S/L (szuszpenzió vagy köznapi néven szol) Xeroszolok

G/S (porózus test)

L/S (folyadékkal töltött pórusok)

S₁ /S₂ (bizonyos ötvözetek és kompozit anyagok)

3. Csoportosítás a diszperz részek vázalkotása szempontjából:

Döntő: a diszperz részek vonzó (kolloid) kölcsönhatási

energiájának /W_koll/ és a Brown-mozgás energiájának /W_Brown/ a viszonya:

Ha (1) W_koll > W_Brown és a töménység eléri a (2) gélpontot, akkor a szolból gél képződik.

A gélek alaktartó, nem túl nagy mechanikai behatásra rugalmasan viselkedő, akár elfolyósodó kolloid rendszerek.

Video származási helye: http://www.microscopy-uk.org.uk/index.html?http://www.microscopy- uk.org.uk/amateurs/avi.html

Az ún. liogélekre (lioszolból keletkeznek a folyadéktartalom megőrzésével) jellemző a magas folyadéktartalom.

99%-nál nagyobb mennyiségű folyadékot tartalmazó gél: szemlencse.

A xerogélek a liogélek kiszáradásával keletkeznek.

Az aerogélek szilárd mikrofázisok levegőn történő összekapcsolódásával (pl. Aerosil)

Példák liogélekre: makromolekula gél (kocsonya) micellagél (szappan)

mikrofázis gél (króm-hidroxid gél)

Reverzibilis gél: a hőmérséklet változtatására és/vagy mechanikai behatásra a gél újra szollá alakul.

Irreverzibilis gélek: pl. főtt tojásfehérje

Tixotrópia: izoterm, reverzibilis szol-gél átmenet

A kolloid rendszerek jelentősége

Hagyományos területek:

Kolloid iparok:

festék-, papír-, műanyag-, bőr-, fotó-,

mosószer-, kozmetikai-, kerámia- és építőipar Technológiák:

adszorpció, ülepítés és szűrés, flotálás, őrlés és emulgeálás, gyógyszer- és növényvédőszer formálás, olajbányászat, víz- és levegő tisztítás, útépítés, stb.

Társtudományokkal való kapcsolat:

Kolloidok nélkül nincs életjelenség: gélek és membránok (határfelületek)

Overview of typical dimension ranges of colloids, together with some representative colloidal systems.

Dayang Wang and Helmuth Möhwald: Template-directed colloidal self-assembly – the route to ‘top-down’ nanochemical engineering,, J . Ma t e r . C h em., 2 0 0 4 , 1 4 , 4 5 9 – 4 6 8