Nanofizika, nanotechnológia és...

Nanofizika, nanotechnológia és

anyagtudomány

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Útközben A BME kutatóegyetemi pályán

Kolloid rendszerek a nanotechnológiában

Nanorészecskék, bevonatok, tömbi anyagok

Hórvölgyi Zoltán

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Kolloidkémia Csoport

zhorvolgyi@mail.bme.hu

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Kolloid rendszerek

Két fő komponens diszperziós közeg (folytonos) és diszperz rész (a kolloid részecskék)

(pl. köd, levegőben apró vízcseppek)

A kolloid részecskék mérete: 1-500 nm (1-1000 nm)

A kolloidika a kolloid rendszerek kémiájával és fizikájával foglalkozik. A kolloid jelenségek fontosak mind az élettelen, mind az élő világban.

A kolloidika interdiszciplináris tudomány.

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

HOMOGÉN amikroszkópos (valódi oldat)

KOLLOID

szubmikroszkópos (kolloid) 1-1000 nm-es részecskék

HETEROGÉN Durva mikroheterogén (ülepedő homokszemcsék)

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

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A kolloid részecskék Brown-mozgása (eloszlási és aggregatív állandóság)

A nanoanyagok előállításában általában a gélképződésnek van jelentősége

Nanoanyagok előállítása

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A kolloid részecskék gélesedése végbemehet tömbfázisban (3D) és határfelületeken (2D)

Határfelületen bevonatok, vékonyrétegek, tömbfázisban tömbi anyagok állíthatók elő

A nanoszerkezetű anyag előállítása alulról építkezve („bottom up”) valósulhat meg:

1.Előállítjuk a kívánt méretű és alakú nanoméretű (kolloid) részecskét (nukleáció)

2. A részecskékből nanoszerkezetű anyagot létesítünk (önszerveződéssel) 3. Utókezelések (kondicionálás, stabilizálás, szerkezetmódosítás)

Nanoanyagok előállítása

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A kolloid rendszerek definíciószerűen olyan nanoléptékben strukturált anyagok (nanoanyagok), amelyek a nanotechnológiák kiindulási anyagai vagy éppen

megfelelő átalakítások utáni végtermékei.

A kolloidkémia, mivel a nanoanyagok előállításával és jellemzésével, valamint viselkedésük értelmezésével foglalkozik, óhatatlanul a nanotechnológiák

megalapozásának egyik legfontosabb tudományterülete.

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Nanorészecskék előállítása nedves, kémiai eljárással

Előállítás homogén fázisban: kontrollált hidrolízis, majd kondenzáció (pl. SiO2 előállítás): (EtO)4Si + víz etanolban NH3 jelenlétében: „Stöber szilika”

Elektronmikroszkópos felvétel: részecskeméret: 40, 100 és 350 nm.

Szabályozható a méret!

NANORÉSZECSKÉK

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Thioflavin T

ca. 300 nm, ca. 70 nm és ca. 40 nm átmérőjű részecskék

Fluoreszcencia

(Hórvölgyi Z, Söptei B., 2009-2010)

Festékkel jelzett szilika nanorészecskék bioanalitikai alkalmazásokra

Funkcionalizált nanorészecskék

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A tüdőben levő hörgők felveszik a poralakban bejuttatott, színezékkel jelzett részecskéket

(Csányi E., Söptei B., Hórvölgyi Z., 2010)

Funkcionalizált nanorészecskék

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Mezopórusos és üreges szilika nanorészecskék

Hatóanyagtárolás és -leadás. Mag-héj típusú részecskék

(Söptei B., Hórvölgyi Z, 2010)

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

2 3 4 5 6

200

300

400

átm

érő

[nm

]

pH

Jelentős, reverzibilis térfogatváltozás a pH függvényében

0,1 1 10 100 1000 100000

4

8

12

16

inte

nzitás [%

]

Hidrodinamikai átmérő (nm)

PASP-DAB

Poliaminosav gélek: pH-érzékeny gél nanogyöngyök

(Gyarmati B., Némethy Á., Szilágyi A., 2011)

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Langmuir-Blodgett (LB) típusú rétegek

Langmuir típusú réteg LB-réteg

1. Terítés (spreading) víz-levegő határfelületen

2. A részecskés - Langmuir – réteg

összenyomása (tömör és monorétegű)

1. Filmhúzás: LB-technika (a hordozó mindkét oldalára) 2. Többrétegű bevonatokat is („layer-by-layer” technika)

BEVONATOK

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A réteget különböző típusú részecskék alkotják (kevert rétegek).

Az LB-film különböző rétegekből épül fel (kevert filmek), etc..

A réteg azonos részecskékből (mag-héj típusú is lehet) épül fel (egykomponensű rétegek).

A Langmuir-Blodgett típusú rétegek összetétele és szerkezete

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

37 és 100 nm

(Detrich et al., Langmuir, 2010)

Megnövekedett fényáteresztés

A Langmuir-Blodgett típusú szilikarétegek optikai tulajdonsága

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Filmmérleg és kapcsolt technikák

Számítógépes szimuláció Molekuladinamikai, 2D és 3D, oldalnyomás a viriál-tételből, kísérletileg nyert kölcsönhatásokból

ji

ijij

N

i

ii rFAD

vmAD ,1

2 11

(Gomm et al., 1967, Clint et al., 1992-1993) Vékonyréteg optikai modellek, effektív törésmutató és vastagság

)2cos(21

)2cos(22

12

2

01

2

12

2

01

1201

2

12

2

01

rrrr

rrrrR

A részecskés rétegek kísérleti tanulmányozása (kölcsönhatás, szerkezet, nedvesíthetőség)

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

1. A prekurzor szol készítése

2. Rétegképzés

3. Szárítás

4. Kondicionálás

A prekurzor szolban végbemenő folyamatok:

1. fémsó (pl. Zn-acetát) oldódása, majd hidrolízise

2. A fémhidroxid polikondenzációja

Lánc-, ill. gócképződés, majd gócnövekedés és gélesedés

Szol-gél (SG) bevonatok

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Mártás ( „Dip coating”)

Az összetétel, vastagság és szerkezet szabályozható.

Mechanikailag stabil bevonat.

2/16/1

3/2

94,0g

Ud

Levich-egyenlet:

„Slip casting”

Szol-gél (SG) bevonatok

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A szol öregedésének hatása a porozitásra

Aging before deposition (t/tg)

Porosity (%)

Average pore diameter (nm)

Specific surface area (m

2/g)

0 - 0.15 - < 0.4 1 - 2

0.15 16 3.0 146

0.33 24 3.2 220

0.66 33 3.8 263

1 52 6.0 245

Szilika szol (Brinker et al.)

Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 1

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A sav- és báziskatalízis szerepe

sav

Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 2

bázis

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Micellás sablon (templát): szabályos pórusrendszer

Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 3

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Bevonatok morfológiája

Szuperhidrofób bevonat: Kis felületi energia Speciális érdesség

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

A penetráció optikai mérések, míg a morfológia AFM-vizsgálatok alapján becsülhető.

Az LB- és a szol-gél-technika egymást követő alkalmazása: nanomorfológia

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

100 nm 20 nm

a) b)

100 nm100 nm 20 nm20 nm

a) b)

A szol-gél- és az LB-technika egymást követő alkalmazása: nanomorfológia, az LB-réteg rögzítése

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Biológiai ioncsatornák (2003 Nobel díj)

Szilárdtest ioncsatornák (arany nanopórusokban)

-11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

150

200

250

300

350

400

450

500

550

0 5 10 15 20 25

200

300

400

500

6.810-9 M

E (

mV

)

log aAg

+

59.16 mV

10-3

10-4

10-5

10-6

10-7

10-8

10-9

E (

mV

)

Idő, perc

10-10

Nanopórusos érzékelés: ioncsatornák

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Extrém kis sűrűség (< 0,1 g/cm3) Széles tartományban változtatható pórusszerkezet Hőszigetelés és elektromos vezetés Fémekkel adalékolhatók: katalizátorok

Széngélek

Polimergél: 8-20 nm-es pórusok Széngél: 6-14 nm-es pórusok

A molibdén adalék hatása

TÖMBI ANYAGOK

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Poliaminosav gélek: redox érzékeny polimeroldat – polimer gél

polimeroldat polimer gél

H2O

redukció

(ditiotreitol)

néhány perc

oxidáció

(KBrO3)

néhány perc

0 20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100 kioldódás DTT nélkül

kioldódás DTT-vel

DT

T k

on

verz

ió (

%)

t (min)

kio

ldó

do

tt h

ató

anya

g (

%)

0

20

40

60

80

100

Reszponzív polimer gélek, mint hatóanyag-hordozó, -leadó rendszerek: Biokompatibilis Biológiailag lebontható (toxikus melléktermékek nélkül)

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

(Gyarmati B., Némethy Á., Szilágyi A., 2011)

Cikkek

Lautner G, Kaev J, Reut J, Öpik A, Rappich J, Syritski V, Gyurcsányi RE. Selective artificial receptors based on micropatterned surface-imprinted polymers for label-free detection of proteins by SPR imaging. Advanced Functional Materials. 2011;21:591-597 (IF: 6,990)

Jágerszki G, Takács Á, Bitter I, Gyurcsányi RE. Solid-state ion channels for potentiometric sensing. Angewandte Chemie International Edition. 2011;50:1656-1659 (IF: 11,829)

Lindfors T, Szűcs J, Sundfors F, Gyurcsányi RE. Polyaniline nanoparticle-based solid-contact silicone rubber ion-selective electrodes for ultratrace measurements. Anal. Chem. 2010;82:9425-9432 (IF:5,214)

Könyvfejezet Lindner E, Gyurcsányi R.E, Pretsch E. (2011) “Potentiometric Ion Sensors: Host–Guest Supramolecular Chemistry in Ionophore-Based Ion-Selective Membranes” in Applications of Supramolecular Chemistry, Hans-Jörg Schneider, ed. : Taylor&Francis (beküldve, szerkesztés alatt)

TDK eredmények, szakdolgozatok és diplomamunkák

Monográfia Hórvölgyi Z.: Anorganikus részecskék folyadék-fluidum határrétegbeli diszperziói és szilárd hordozós filmjei, MTA doktori értekezés, 2011

Eredmények demonstrálása

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Új Széchenyi Terv (TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002).

Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA CK 78629)

BIOSPONA

Köszönetnyilvánítás

Gyurcsányi Róbert Nagyné László Krisztina

Szilágyi András

Műegyetem - Kutatóegyetem Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány