Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii

1. Technologie wytwarzania cienkich warstw dla mikro i nanobiologii Wykład 5

2. Nanostruktury węglowe

3. Materiałami węglowymi nazywa się materiały których wyłącznym lub dominującym składnikiem jest pierwiastek węgla. Materiały węglowe posiadają: • dużą odporność termiczną, charakteryzującą się zachowaniem przez nie prawie niezmienionej wytrzymałości mechaniczne prawie do 3000 0C; • bardzo wysoką odporność na „wstrząsy cieple” – gwałtowne zmiany temperatury; • odporność na erozję i korozję; • odporność na działanie kwaśnych i alkaicznych agresywnych ośrodków ciekłych i gazowych;

4. małą gęstość wynikającą z małego ciężaru atomowego węgla; • dużą odporność na działanie promieniowania elektromagnetycznego; • wysoką tolerancją przez żywe organizmy i inne.

5. Materiały węglowe obecnie znajdują szerokie zastosowania prawie wszędzie: • w wytwarzaniu różnych maszyn i ich węzłów (skrzydeł samolotów, kadłubów jednostek pływających; jako hamulce samochodów, samolotów itd.); • w wytwarzaniu różnego rodzaju sprzętu sportowego, domowego, elektronicznego itd.; • jako materiały wytrzymujące duże temperatury w budownictwie; • jako implanty w medycynie itd., itp.

6. Sadza • Sadza jest amorficzną postacią węgla. • Składa się z bardzo drobnych cząstek pierwiastkowego węgla. Produkowano ją już przed więcej niż 2000 laty w Chinach i Egipcie i używano jako barwnik. • Sadzę produkuje się albo przez niecałkowite spalenie, albo rozkład chemiczny węglowodorów.

7. Jest używana w największej ilości wśród zaprojektowanych nanomateriałów. Stosuje się ją w wielu dziedzinach, i tak: • produkcji opon samochodowych • w farbach drukarskich, • tonerach, • powłokach, • barwieniu i fotostabilizacji tworzyw sztucznych, • papierze i materiałach budowlanych. • materiałach wybuchowych Tworzywa sztuczne z sadzą mogą być elektrycznie przewodzące albo izolujące oraz mogą wzmacniać materiał, w którym jest obecna.

8. Zdjęcie z mikroskopu elektronowego typowej sadzy

9. Grafit • Grafit jest przykładem węgla, który ma warstwy o grubości poniżej nanometra oraz odległości między nimi o wymiarze nanometrycznym . Odległości między atomami węgla w obrębie jednej warstwy (na jednej płaszczyźnie) wynoszą 0,142 nm, natomiast odległości między płaszczyznami- 0,335 nm, z tego względu grafit wykazuje anizotropię właściwości fizycznych (w tym przewodnictwa elektrycznego i cieplnego).

10. Grafit Grafit jako materiał składający się z wielu warstw utworzonych z sześcioczłonowych pierścieni węglowych.

11. Grafit

12. Grafit • Struktura grafitu składa się z warstw, w których występują sprzężone, sześcioczłonowe aromatyczne układy cykliczne. Każde wiązanie C-C w warstwie ma charakter zdelokalizowanego wiązania. Wiązania te tworzą obszary zdelokalizowanych orbitali π, które, podobnie jak to się dzieje w metalach, umożliwiają swobodny ruch elektronów równolegle do warstw, dzięki czemu grafit wykazuje stosunkowo wysokie przewodnictwo elektryczne.

13. Grafit • Ze względu na to, że grafit techniczny jest zlepkiem niewielkich monokryształów, wykazuje on wysoką odporność mechaniczną na ściskanie i niewielką na rozciąganie i ścinanie. Jest więc jednocześnie twardy, łupliwy i podatny na ścieranie. • Grafit można łatwo rozłupać wzdłuż warstw. To pozwala użyć go jako środek smarujący i tę właściwość wykorzystuje się do redukcji tarcia pomiędzy przesuwającymi się powierzchniami, gdy znajdzie się pomiędzy nimi.

14. Grafit Grafit jest wykorzystywany do wyrobu: • suchych smarów, • płyt i tygli ogniotrwałych, • grafitu do ołówków, • elektrod, części poślizgowych kontaktów elektrycznych, • materiałów polerskich, • wypełniaczy kompozytów, • moderatorów w reaktorach jądrowych, • czarnych farb absorbujących promieniowanie o dużej energii • lakierów chroniących przed korozją.

15. Diament • Jest alotropową odmianą węgla o strukturze regularnej. Przeźroczysty, wykazuje izotropię właściwości we wszystkich kierunkach, jest jednym z najtwardszych materiałów, charakteryzuje się dużą gęstością, brakiem przewodnictwa elektrycznego oraz doskonałym przewodnictwem cieplnym.

16. Diament Model struktury diamentu

17. Diament • Ma duży współczynnik załamania światła, dzięki czemu znalazł zastosowanie w jubilerstwie - brylant to oszlifowany diament. Proszek diamentowy (z diamentów syntetycznych) stosuje się do produkcji materiałów ściernych oraz narzędzi tnących i skrawających. Służy również do wyrobu ciągadeł drutów i włókien sztucznych oraz do wyrobu twardościomierzy.

18. Diament • Cienkie warstwy diamentopodobne DLC (diamond- likecarbon) są materiałem inżynierskim o dużej twardości, jednak znacznie mniejszej niż twardość czystego diamentu. Uzyskiwane są na dużą skalę za pomocą metody plazmowej CVD w trakcie nakładania cienkich warstw DLC na inne materiały. Warstwy DLC charakteryzują się dużą odpornością chemiczną oraz przewodnictwem cieplnym. Są stosowane w mikroelektronice, inżynierii biomedycznej, do utwardzania powierzchni oraz wszędzie tam, gdzie istotne jest efektywne odprowadzanie ciepła.

19. Fulereny • Fulereny to nowa odmiana alotropowa węgla. • Te kuliste molekuły znaleziono w roku 1985 • Są to przestrzennie zamknięte, puste wewnątrz cząsteczki czystego węgla typu sp2, w skład których wchodzi od kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Najbardziej trwałe i dostępne handlowo odmiany to C60i C70, składające się ze sprzężonych pierścieni pięcio- i sześcioatomowych.

20. Fulereny Przykłady fulerenów (a, b, c)

21. Fulereny

22. Fulereny • W przyrodzie występuje znikoma ilość fulerenów. • Dobrze sublimują i rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. We wnętrzu cząstki fulereny można również umieścić inne atomy, jony i cząsteczki, otrzymane fulereny nazywane są fulerenami endohedralnymi.

23. Fulereny • Fulereny mają interesujące i często unikatowe właściwości, stąd szereg ich potencjalnych zastosowań w wielu dziedzinach. Wymienić tu można: • nadprzewodnictwo, • fotooptykę, • biochemię, • katalizę, • Układy dozującyce leki, urządzeń optycznych, • Sensory chemiczne • urządzenia do separacji chemicznej.

24. Fulereny • W skład medycznych zastosowań fulerenów wchodzą procesy antywirusowe, procesy związane z antyoksydantami i znaczące czynności biologiczne wywoływane światłem jako potencjalna podstawa fotochemioterapii i zastosowań diagnostycznych. Ponadto, fulereny są używane jako przekaźniki w systemach podawania leków i genów. Są również stosowane do badania profili białek surowicy krwi jako materiał w procesie MELDI (laserowa desorpcja/jonizacja wspomagana materiałem) w celu odkrywania biomarkerów.

25. Fulereny • AntyoksydantyFulereny są bardzo dobrymi antyoksydantami, w dużym stopniu reagując z rodnikami. Mogą być stosowane w medycynie do zapobiegania zniszczeń i śmierci komórek w wyniku procesu utleniania, jak również mogą być używane w mniej medycznych dziedzinach, gdzie celem jest uniknięcie takich procesów jak psucie się żywności, rozkład plastyku czy korozja metali.

26. Fulereny • Główne koncerny farmaceutyczne badają użycie fulerenów w kontroli urazów neurologicznych w chorobie Alzheimera czy stwardnieniu zanikowym bocznym, które są efektem zniszczeń powodowanych przez rodniki. Ponadto trwają prace nad lekami na miażdżycę, medykamentami przeciwwirusowymi i nad preparatami dla celów fotochemioterapii.

27. Grafen • jedna z alotropowych form węgla • zbudowany z pojedynczej warstwy atomów węgla tworzących połączone pierścienie sześcioczłonowe • Atomy węgla tworzą płaską, praktycznie dwuwymiarową sieć, której struktura przypomina plaster miodu. • Długość wiązań węgiel-węgiel wynosi ok. 0,142 nm • ostatni element szeregu wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych

28. Grafen Grafen ma 2 atomyw komórce Grafen – struktura plastra miodu

29. Grafen obraz grafenu w elektronowym mikroskopie transmisyjnym

30. Grafen • Bardzo dobry przewodnik ciepła • około 5000 W/mK • srebro: 429 W/mK • Bardzo mały opór elektryczny • Bardzo wysoka ruchliwość elektronów • 200 000 cm²/Vs (w temperaturze pokojowej przy założeniu jedynie rozpraszania na fononach) • Krzem: 1500 cm²/Vs, • Arsenek galu 8500 cm²/Vs

31. Grafen • Olbrzymia prędkość przepływu elektronów • (1/300) c • możliwość badania efektów relatywistycznych dla elektronu poruszającego się w przewodniku • Prawie przeźroczysty • Pochłania 2,3 % światła • Nie przepuszcza nawet atomów helu • Bardzo mocny • 100 razy więcej niż stal, by przebić folię grafenową o grubości popularnej folii do żywności, trzeba ustawić słonia na starannie zaostrzonym ołówku. • Elastyczny • Daje się rozciągać o 20 %.

32. Grafen • Może w wielu zastosowaniach zastąpić krzem • W MIT zbudowano eksperymentalny mnożnik częstotliwości, który podwoił dwukrotnie częstość sygnału • prawdopodobieństwo osiągnięcia częstości do 100 GHz • Nośniki ładunku w tym materiale poruszają się 200 tysięcy razy szybciej niż na krzemie. To sugeruje, że można wykonać przyrządy elektroniczne, które będą działały z taką szybkością

33. Grafen • Przeźroczystość i duże przewodnictwo można wykorzystać do wyświetlaczy dotykowych, źródeł światła i innych. • Można zbudować czujniki, które mogą rejestrować pojedyncze cząsteczki • Jako dodatek do tworzyw sztucznych zmienia ich własności • Przewodzą prąd elektryczny • Są bardziej odporne na ciepło • Są bardziej wytrzymałe mechanicznie

34. Grafen • Nie można otrzymać w stanie wolnym • jest nietrwały i łatwo tworzy struktury trójwymiarowe (np. fulereny czy nanorurki) • Otrzymuje się metodami mikromechanicznymi. Wyizolować można struktury o grubości od jednej do kilku warstw osadzonych na nośniku

35. Grafen fuleren nanorurka grafit

36. Nanorurki węglowe CNTs Wiele różnych struktur nanorurek węglowych otrzymuje się przez dowolne zwinięcie struktury grafenu (grafen jest to pojedyncza płaszczyzna grafitu, składająca się wyłącznie z atomów węgla p hybrydyzacji sp2 o strukturze podobnej do plastra miodu).

37. Nanorurki węglowe CNTs • Najczęściej spotykana średnica jednościennych nanorurek węglowych zawiera się w przedziale 0,8- 1,6nm. • Najwęższe nanorurki mają średnice 0,3- 0,4nm, natomiast największe- 2,4- 2,6nm. Powyżej tego zakresu nanorurki węglowe są termodynamicznie nietrwałe.

38. Nanorurki węglowe CNTs • Nanorurki należą do najsilniejszych materiałów znanych człowiekowi, w zakresie wytrzymałości na rozciąganie i modułu sprężystości, a ponieważ nanorurki węglowe mają stosunkowo niską gęstość, stosunek wytrzymałości do masy jest rzeczywiście wyjątkowy. Można je zginąć do zadziwiająco dużego kąta zanim pozostaną zagięte i skrzywione, a w końcu będą tworzyły węzeł.

39. Podobnie jak grafit charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym. Niektóre z nich, w zależności od struktury elektronicznej, wyróżniają się przewodnictwem metalicznym, a większość z nich- półprzewodnikowym. Jest to konsekwencją krzywizny płaszczyzny grafenowej i stwarza niezwykłe możliwości zastosowania ich w elektronice.

40. Przyszłe zastosowania prawdopodobnie będą dotyczyły kompozytów przewodzących i o dużej wytrzymałości, urządzeń do magazynowania i przemian energii, sensorów, wyświetlaczy i źródeł promieniowania, środków magazynujących wodór, urządzeń półprzewodnikowych, sond i połączeń. Niektóre z nich są już produktami, podczas gdy inne są we wczesnych i zaawansowanych stadiach rozwoju.

41. Formy grafitowe wymiar 3D (grafit) 2D (grafen) (Geim, Nowosiołow, 2004) 1D (nanorurka (Iijima, 1991) 0D (fuleren) (Kroto, 1997)

42. Zastosowania biologiczne i medyczne nanotechnologii

43. Nanotechnologia dostarcza narzędzi pomiarów i badań bioukładów. Wśród zastosowań nanotechnologii do biotechnologii, biomedycyny i rolnictwa są: • biokompatybilne implanty, • manipulowanie molekułami w komórkach, • biokompatybilne urządzenia elektroniczne i • „sprytne” kontrolowane uwalnianie i dostarczanie składników odżywczych

44. Nanoonkologia daje nadzieję na takie potencjalne traktowanie raka, jak dostarczanie antyrakowych leków i zlokalizowane niszczenie rakowych i przedrakowych komórek albo w bardziej ogólnym znaczeniu dostarczanie leku z uwzględnieniem dostarczania leku poprzez barierę krew-mózg. Nanorurki bierze się także pod uwagę przy dostarczaniu aktywnych specyfików albo w przypadku rozdzielania i skupiania aktywnych specyfików.

45. Aerozoloterapia - cząsteczki <100 nm docierają głęboko do tkanki płucnej. Terapia aerozolową stosuje się w leczeniu astmy oskrzelowej, zapaleniu ucha środkowego, niedrożności trąbki słuchowej, zapalenie zatok, przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POCHP). W opracowaniu jest nawet wziewne podawanie insuliny oraz wziewne leczenie niedoborów hormonalnych.

46. Nowoczesna medycyna stosuje klasyczne aerozole oraz tzw. wibroaerozole, które dynamizują wytwarzany aerozol poprzez „nałożenie" nań fali akustycznej o częstotliwości 100 Hz, co zwiększa penetracje cząsteczek 500 razy.

47. Liposomy - w dermatologii powszechne zastosowanie maja liposomy (kuleczki o wielkości około 150 nm). Osłonka liposomu to twór zbudowany z kilku warstw. Zewnętrzna warstwa to warstwa lipidowa.

48. Liposomy są doskonale tolerowane przez skórę i znakomicie przez nią wchłaniane. W środku nich znajdują się substancje biologiczne aktywne (np.: olejek jojoba, pantenol, proteiny).

49. Nanoroboty przekraczają już skalę „nano” i mierzą od 0,5 do 4 mikrometrów. Większe nie zmieściłyby się w najdrobniejszych naczyniach krwionośnych, czyli włośniczkach. Jednak można sobie wyobrazić nanoroboty, które będą wprowadzane nie do krwiobiegu, tylko do oskrzeli (czyli wdychane) lub do przewodu pokarmowego (połykane). Takie urządzenia mogą być jeszcze większe.

50. Jednym z najbardziej znanych przykładów nanorobotów (na razie jeszcze w fazie projektów) jest wynaleziony przez Roberta Freitasa – respirocyt. To sztuczna krwinka czerwona (erytrocyt). Erytrocyty przenoszą z płuc do tkanek tlen, a w drodze powrotnej zabierają dwutlenek węgla, który jest uwalniany w płucach i przez nas wydychany. Respirocyty robią to znacznie wydajniej, ponieważ w ich wnętrzu może panować ciśnienie aż do 1000 atmosfer (normalnie w krwinkach czerwonych panuje ciśnienie 0,5 atmosfery).