Nanotechnologie- kropki, druty kwantowe i nanocząstki Izabela Bugajna IV ZiIP, GiG

Wstęp Nanotechnologia działa w obszarze cząsteczek mierzonych w skali nanometrycznej a wielkość jednego nanometra odpowiada milionowej części milimetra. Znane nam z naszej makro skali właściwości materiałów zmieniają się, gdy zaczynają funkcjonować w nanostrukturach. Zmieniają się ich właściwości chemiczne, mechaniczne, magnetyczne, optyczne i inne, w szczególny sposób zaczynają one zależeć od wielkości i kształtu cząsteczek.

Nanocząsteczki Nanocząsteczki składają się z atomów, które pod wpływem specjalnie stworzonych warunków, jak wysokie ciśnienie lub temperatura, zostały związane w inny sposób, niż łączą się w środowisku naturalnym. Nanocząsteczki rewolucjonizują terapię nowotworów, pozwalają uzyskać nowe, superwytrzymałe stopy metali, służą do wykrywania trujących gazów. W rzeczywistości liczba zastosowań nanomaterii wydaje się obecnie nieograniczona.  W ostatnich latach zawrotną karierę robią nowe materiały, będące produktami nanotechnologii. Do niedawna przyjmowano granicę 100 nm (1 nm = 10−9 m = 0,000 000 001 m) dla określania cząstki jako: nano. W chwili obecnej granica ta jest jedynie umowna.

Kształty kule, na przykład fullereny węglowe, z którymi wiązano duże nadzieje, sądzono bowiem, że można je skutecznie zastosować jako swojego rodzaju kontenery czy rusztowania do przyczepu innych cząstek, np. leków, rurki, jedno i kilkuwarstwowe; nanorurki niewęglowe mogą być zbudowane z różnych substancji, np. azotku boru istnieją również nanorurki organiczne (także białkowe), które bada się zwłaszcza pod kątem zastosowania w nanomedycynie, formy różne, np. płatki czy formy „kwiatopodobne”, jak na przykład cząsteczki ditlenku tytanu otrzymanego przez meksykańskich naukowców; nanoprodukt zbudowany był w ten sposób, że gładka powierzchnia jego cząsteczek tworzyła swego rodzaju płatki, a rdzeń cząsteczek stanowił porowaty materiał. Ryc. 1 Lepkie nanocząsteczki mogą powstrzymać przerzuty raka Ryc. 2 Nanorurki węgla Ryc. 3 Nanocząsteczki złota

Zastosowanie Zastosowań dla nanocząstek jest coraz więcej, zwłaszcza w medycynie, gdzie opracowuje się nowe dostarczanie leków lub nowe, lecznicze substancje. Ponadto uzyskuje się z nich różnego rodzaju komponenty i stosuje w przemyśle kosmetycznym. Ryc. 4 Syntetyczne przeciwciała z nanorurek węglowych i polimerów Ryc. 5 monokryształ z nanocząstek i DNA

Druty i kropki kwantowe Znamy obecnie trzy wymiary Naszego świata, ale istnieją hipotezy, że może być ich więcej. Jest również możliwe zbudowanie światów o liczbie wymiarów mniejszej niż 3 np. dla elektronów. Te mikroświaty nazywają się właśnie drutami i kropkami kwantowymi. Ryc. 6 Hipersześcian Przesuwamy nasz sześcian wzdłuż czwartego wymiaru. Nieważne, gdzie ten czwarty wymiar jest. Musimy znaleźć dla niego miejsce na płaszczyźnie (podobnie jak dla trzeciego).

W roku 1959, Fizyk Richard Feynman wygłosił wizjonerski wykład: ”There is a plenty of room at the bottom”. Na początku lat 80. po raz pierwszy otrzymano struktury nazywane kropkami kwantowymi, ich nazwę zaproponował w 1988 r. Mark Reed. Opracowano wówczas syntezę rozpuszczalnych w wodzie kropek kwantowych z cząsteczkami biologicznymi  przyłączonymi do ich powierzchni. W celu otrzymywania kropek wykorzystywane są różne związki pierwiastków grupy II oraz IV, np.: CdSe, CdTe, a także grupy III i V, np.: InAs, InP. Rys. 7. Zakresy emisji promieniowania przez kropki kwantowe wykonane z różnych związków.

Druty kwantowe Ryc. 8 Druty kwantowe Drutem kwantowym nazywamy strukturę, w której elektrony poruszają się tylko w jednym kierunku, a ruch w pozostałych kierunkach jest niemożliwy. W krysztale ruchy elektronów są ograniczone przez bariery potencjału. Póki elektron nie uzyska wystarczającej energii, aby je pokonać jest ograniczony ruchem na płaszczyźnie.  A więc, ograniczając ruch elektronu uniemożliwiamy mu wykonywanie ruchu w pozostałym - trzecim kierunku i elektron zostaje uwięziony w kropce kwantowej. Ryc. 8 Druty kwantowe

Powstawanie Ryc. 9 Pojedynczy drut kwantowy Wytwarzanie drutów kwantowych to bardzo skomplikowany, długotrwały i kosztowny proces. Druty Kwantowe hoduje się na płytkach półprzewodnikowych, zazwyczaj arsenku galu. Do hodowli kryształów w kształcie włosków o tak małej średnicy niezbędne są katalizatory nanometrowych rozmiarów. Działo jonowe skaningowego mikroskopu elektronowego i nanomanipulatory umożliwiają obcinanie nanodrutów, nanoszenie na ich końcówki platynowych lub wolframowych kontaktów i mierzenie charakterystyk prądowych. Ryc. 9 Pojedynczy drut kwantowy

Zastosowanie Ryc. 10 Detektor promieniowania gamma Z nanodrutów z podłączonym źródłem zasilania można wytwarzać np. czujniki kwasowości i inne detektory. Dzięki nanodrutom w przyszłości będzie można również budować tanie i efektywne detektory do walki z zagrożeniami terrorystycznymi lub identyfikujące bakterie i wirusy. O tym, jakie substancje będą wykrywane, zadecyduje rodzaj powierzchni wychwytującej cząsteczki. Detektor z pojedynczego nanodrutu jest w stanie reagować nawet na pojedyncze cząsteczki i wirusy. Ryc. 10 Detektor promieniowania gamma

Kropka kwantowa Kropki kwantowe bywają nazywane sztucznymi atomami, gdyż dzielą pewne własności z atomami, a jednocześnie odpowiedni wybór materiałów i warunków wzrostu pozwala kontrolować ich rozmiary i kształty. Podstawowe różnice między atomami a kropkami kwantowymi są dwie - kropki są zawsze otoczone innym materiałem oraz każda kropka jest nieco inna. Po wzbudzeniu energia emitowanych fotonów przez kropki kwantowe zależeć będzie od składu kryształu i jego wielkości. Elektrony, które są uwięzione w kropce kwantowej to tzw. zerowymiarowy gaz elektronowy. Ryc..11 Do zbudowania kropki kwantowej należy ograniczyć ruch elektronu we wszystkich 3 kierunkach wiążąc je w trójwymiarowym pudle potencjału o zadanym kształcie.

Otrzymywanie kropek kwantowych Techniki wytwarzania top-down Dotyczą usuwania materiałów. Opierają się one na mechanicznym rozdrabnianiu materiałów. Zaletami tych procesów są przede wszystkim proste oprzyrządowanie i niski koszt, natomiast szereg wad, jak na przykład brak precyzji w wielkości i rozkładzie wielkości otrzymywanych cząstek. Można tu wyróżnić litografie jako technikę otrzymywania bardzo małych obiektów np. do produkcji układów scalonych. Do grupy technik ultra precyzyjnych zalicza się między innymi skrawanie, trawienie, szlifowanie obiektów z precyzją nanometryczną.

Techniki wytwarzania bottom-up Synteza nanomateriałów na zasadzie samoorganizacji to samorzutne tworzenie się struktur nanometrycznych z atomów bądź cząstek. W ten sposób powstają fullereny węglowe i nanorurki. Jest to szczególnie interesujące, gdyż powstające struktury wykazują duże uporządkowanie i jednorodność. Wyróżnia się: Metody chemicznej syntezy w fazie ciekłej (między innymi metody zol-żel, metody strąceniowe). Metody chemicznej syntezy gazowej. Ryc. 12 Metoda top- down i bottom- up

Ogólne zasady Aby kropki kwantowe mogły być stosowane jako znaczniki fluorescencyjne muszą posiadać bardzo dobrą jakość, to znaczy powinny mieć wysoką monodyspersyjność i dużą kwantową wydajność fluorescencji. Cechy te zależą głównie od zastosowanej metody syntezy nano kryształów. Monodyspersyjność świadczy o tym, że wszystkie kropki w danej próbce posiadają jednakową wielkość, co daje pewność otrzymania wąskiego pasma emisji fluorescencji. Otrzymywanie kropek o identycznych rozmiarach jest bardzo istotne, ponieważ rozmiary kropek decydują o ich własnościach optycznych, magnetycznych i elektrycznych Przyłączenie peptydów do powierzchni nanokryształu zwiększa rozpuszczalność kropek kwantowych w roztworach wodnych, jak również wprowadza na powierzchnię grupy funkcyjne. 

Zastosowanie w medycynie Wykorzystywane do monitorowania reakcji chemicznych na poziomie cząsteczkowym. Kropki kwantowe są idealną bazą do konstruowania biosensorów ze względu na ich właściwości: łatwość wzbudzenia, długi czas fluorescencji ,  możliwość przyłączania różnych cząsteczek do ich powierzchni. Ryc. 13 Nanosensor

Ryc. 16 i 17 Nanoboty w medycynie Innymi zastosowaniami są: - dostarczanie i monitorowanie uwalniania leków - obrazowanie in vivo Ryc. 14 Znakowanie komórek Na dokładne znakowanie struktur wewnątrzkomórkowych pozwalają sondy fluorescencyjne na bazie nano kryształów. Ryc. 15 Obrazowanie metodą in vivo Ryc. 16 i 17 Nanoboty w medycynie

Giętkie i ekologiczne ekrany dzięki nowej, kwantowej kropce Kwantowe kropki to nanokryształy naniesione na dodatkową warstwę panelu LCD, które lśnią po skierowaniu na nie światła. Umożliwiają uzyskanie lepszej jakości podświetlania używanego w panelach. Dzięki temu znacznie polepsza się głębia kolorów, co sprawia, że obraz jest znacznie bardziej naturalny. W związku z tym nano kryształy mają szansę stać się następcą podświetlania diodowego LED. Takie rozwiązania są już obecne np. na rynku telewizorów. Prezentują je m. in. Sony i LG. Ryc. 18 Giętki, ekologiczny ekran

Nanotechnologia w przemyśle Przemysł/branża Udział [%] Przemysł chemiczny 53 Półprzewodniki 34 Elektronika  7 Lotnictwo i obronność 3 Farmacja i medycyna 2 Przemysł samochodowy 1 Przemysł spożywczy <1 Tabela 1. Rynek komercyjnie dostępnych nanoproduktów w podziale na branże/przemysły (źródło: opracowanie własne)

Ryzyko związane z nanotechnologią Obecnie wydaje się, że największe ryzyko polega na braku jej kontroli. Brak zarówno środków technicznych do monitorowania (np. środowiska naturalnego, co do obecności i oddziaływania nanocząstek i nanomateriałów) oraz przepisów na szczeblach zarówno lokalnych jak i międzynarodowych regulujących tę kontrolę. Ryc. 19 Nanocząstki srebra

Spis rysunków Ryc. 4 http://materialyinzynierskie.pl Ryc. 6 "Wycieczka w n-ty wymiar”, opublikowane przez: Dominik Kordas Ryc. 7 http://www.gitam.edu/ Ryc. 8 http://www. naukawpolsce.pap.pl Ryc. 9 http://www. naukawpolsce.pap.pl Ryc. 10 http://www.if.pw.edu.pl/ Ryc. 11 http://fizyka.net.pl Ryc. 12 http://zasoby.open.agh.edu.pl Ryc. 13 http:// inanobio.com Ryc. 14 http://www.cnbm.amu.edu.pl Ryc. 15 http://laboratoria.net Ryc. 16 http://www.ciekawe.onet.pl Ryc. 17 http://www.ciekawe.onet.pl Ryc. 18 http://obywatelhd.pl/ Ryc. 19 http://www.ekopak-plus.com.pl

Bibliografia http://www.gitam.edu/ http://fizyka.net.pl/aktualnosci/aktualnosci_no3.html http://laboratoria.net/artykul/21025.html Czasopismo „M Technik” nr 03/2015 http://kopalniawiedzy.pl http://archiwum.wiz.pl/1998/98061900.asp http://info.wiara.pl/doc/554060.Beda-produkowali-druty-i-kropki-kwantowe http://obywatelhd.pl/