Útközben A BME kutatóegyetemi pályán. Műegyetem - Kutatóegyetem. Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

Átírás

1 Útközben A BME kutatóegyetemi pályán Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

2 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

3 Kolloid rendszerek Két fő komponens diszperziós közeg (folytonos) és diszperz rész (a kolloid részecskék) (pl. köd, levegőben apró vízcseppek) A kolloid részecskék mérete: nm ( 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.

4 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 HOMOGÉN amikroszkópos (valódi oldat) KOLLOID szubmikroszkópos (kolloid) nm-es részecskék HETEROGÉN Durva mikroheterogén (ülepedő homokszemcsék)

5 Nanoanyagok előállítása A kolloid részecskék Brown-mozgása (eloszlási és aggregatív állandóság) A nanoanyagok előállításában általában a gélképződésnek van jelentősége

6 Nanoanyagok előállítása 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)

7 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.

8 NANORÉSZECSKÉK Nanorészecskék előállítása nedves, kémiai eljárással Előállítás homogén fázisban: kontrollált hidrolízis, majd kondenzáció (pl. SiO 2 előállítás): (EtO) 4 Si + víz etanolban NH 3 jelenlétében: Stöber szilika Elektronmikroszkópos felvétel: részecskeméret: 40, 100 és 350 nm. Szabályozható a méret!

9 Funkcionalizált nanorészecskék Festékkel jelzett szilika nanorészecskék bioanalitikai alkalmazásokra Fluoreszcencia Thioflavin T ca. 300 nm, ca. 70 nm és ca. 40 nm átmérőjű részecskék (Hórvölgyi Z, Söptei B., )

10 Funkcionalizált nanorészecskék A tüdőben levő hörgők felveszik a poralakban bejuttatott, színezékkel jelzett részecskéket (Csányi E., Söptei B., Hórvölgyi Z., 2010)

11 Mezopórusos és üreges szilika nanorészecskék Hatóanyagtárolás és -leadás. Mag-héj típusú részecskék (Söptei B., Hórvölgyi Z, 2010)

12 intenzitás [%] átmérő [nm] Poliaminosav gélek: ph-érzékeny gél nanogyöngyök Jelentős, reverzibilis térfogatváltozás a ph függvényében PASP-DAB ph , Hidrodinamikai átmérő (nm) (Gyarmati B., Némethy Á., Szilágyi A., 2011)

13 BEVONATOK Langmuir-Blodgett (LB) típusú rétegek 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) Langmuir típusú réteg LB-réteg

14 A Langmuir-Blodgett típusú rétegek összetétele és szerkezete A réteg azonos részecskékből (mag-héj típusú is lehet) épül fel (egykomponensű rétegek). A réteget különböző típusú részecskék alkotják (kevert rétegek). Az LB-film különböző rétegekből épül fel (kevert filmek), etc..

15 A Langmuir-Blodgett típusú szilikarétegek optikai tulajdonsága Megnövekedett fényáteresztés 37 és 100 nm (Detrich et al., Langmuir, 2010)

16 A részecskés rétegek kísérleti tanulmányozása (kölcsönhatás, szerkezet, nedvesíthetőség) Filmmérleg és kapcsolt technikák R 2 r01 r 2 1 r r r 2r r r12 cos(2 ) cos(2 ) (Gomm et al., 1967, Clint et al., ) Számítógépes szimuláció Molekuladinamikai, 2D és 3D, oldalnyomás a viriál-tételből, kísérletileg nyert kölcsönhatásokból Vékonyréteg optikai modellek, effektív törésmutató és vastagság N ivm i ij rf ij AD i 1 AD, ij

17 Szol-gél (SG) bevonatok 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

18 Levich-egyenlet: d 0,94 Szol-gél (SG) bevonatok Mártás ( Dip coating ) 1/ 6 2 / 3 U g 1/ 2 Slip casting Az összetétel, vastagság és szerkezet szabályozható. Mechanikailag stabil bevonat.

19 Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 1 A szol öregedésének hatása a porozitásra Aging before deposition (t/t g ) Szilika szol (Brinker et al.) Porosity (%) Average pore diameter (nm) < Specific surface area (m 2 /g)

20 Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 2 A sav- és báziskatalízis szerepe sav bázis

21 Szol-gél-bevonatok szerkezetének szabályozása 3 Micellás sablon (templát): szabályos pórusrendszer

22 Bevonatok morfológiája Szuperhidrofób bevonat: Kis felületi energia Speciális érdesség

23 Az LB- és a szol-gél-technika egymást követő alkalmazása: nanomorfológia A penetráció optikai mérések, míg a morfológia AFM-vizsgálatok alapján becsülhető.

24 A szol-gél- és az LB-technika egymást követő alkalmazása: nanomorfológia, az LB-réteg rögzítése a) b) 100 nm 20 nm

25 E (mv) E (mv) Nanopórusos érzékelés: ioncsatornák Biológiai ioncsatornák (2003 Nobel díj) Szilárdtest ioncsatornák (arany nanopórusokban) Idő, perc mv M log a Ag +

26 Extrém kis sűrűség (< 0,1 g/cm 3 ) Széles tartományban változtatható pórusszerkezet Hőszigetelés és elektromos vezetés Fémekkel adalékolhatók: katalizátorok TÖMBI ANYAGOK Széngélek A molibdén adalék hatása Polimergél: 8-20 nm-es pórusok Széngél: 6-14 nm-es pórusok

27 kioldódott hatóanyag (%) DTT konverzió (%) Poliaminosav gélek: redox érzékeny polimeroldat polimer gél oxidáció (KBrO 3 ) néhány perc H 2 O redukció (ditiotreitol) néhány perc polimeroldat Reszponzív polimer gélek, mint hatóanyag-hordozó, - leadó rendszerek: Biokompatibilis Biológiailag lebontható (toxikus melléktermékek nélkül) (Gyarmati B., Némethy Á., Szilágyi A., 2011) 100 kioldódás DTT nélkül kioldódás DTT-vel polimer gél t (min)

28 Eredmények demonstrálása 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: (IF: 6,990) Jágerszki G, Takács Á, Bitter I, Gyurcsányi RE. Solid-state ion channels for potentiometric sensing. Angewandte Chemie International Edition. 2011;50: (IF: 11,829) Lindfors T, Szűcs J, Sundfors F, Gyurcsányi RE. Polyaniline nanoparticle-based solid-contact silicone rubber ionselective electrodes for ultratrace measurements. Anal. Chem. 2010;82: (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) Monográfia Hórvölgyi Z.: Anorganikus részecskék folyadék-fluidum határrétegbeli diszperziói és szilárd hordozós filmjei, MTA doktori értekezés, 2011 TDK eredmények, szakdolgozatok és diplomamunkák

29 Köszönetnyilvánítás Gyurcsányi Róbert Nagyné László Krisztina Szilágyi András Új Széchenyi Terv (TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR ). Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok (OTKA CK 78629) BIOSPONA