Detail předmětu
Úvod do nanotechnologií
FCH-BC_UNANAk. rok: 2024/2025
V rámci předmětu bude studentům předložen hlubší vhled do problematiky nanotechnologií. V prvním bloku se studenti seznámí s paletou metod přípravy různých typů nanostruktur (0D, 1D i 2D, 3D), od teoretického základu až po praktickou realizaci. V druhém bloku se studenti seznámí s různými technikami charakterizace nanostruktur. Třetí blok přednášek bude zaměřen na pochopení fyzikálních vlastností (mechanických, optických, elektrických a magnetických) struktur v nanosvětě a ukázka jejich praktického využití na konkrétních aplikacích. Poslední částí je shrnutí rizik spojených s používáním nanomateriálů z pohledu zdravotnictví a ekologie.
Jazyk výuky
Počet kreditů
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
Student by měl mít znalosti z obecných základních předmětů (matematika, fyzika, chemie) a vybraných kapitol z předmětů Fyzikální chemie I, II.
Pravidla hodnocení a ukončení předmětu
Předmět je zakončen zkouškou, která se skládá ze dvou částí: písemné části a ústní části ve formě kolokvia. V písemné části zkoušky bude ověřena míra pochopení problematiky a schopnost aplikovat teoretické poznatky v konkrétních příkladech. V případě dosažení alespoň 50 % bodů z písemného testu pokračují studenti k ústní části zkoušky. Formou kolokvia budu s vyučujícím procházet písemnou část, obhajovat a doplňovat své odpovědi. Výkon v ústní části zkoušky pak může vést ke zlepšení hodnocení.
Učební cíle
Cílem kurzu je poskytnou studentům základní orientaci v rychle se rozvíjejícím oboru nanotechnologií. Studenti získají základní znalosti o nanotechnologiích, charakterizaci a použití nanostrukturovaných materiálů. Tyto znalosti mohou využít při zpracování diplomové práce a také později jako technologové a výzkumní pracovníci. Předmět poskytne studentům základní přehled a pochopení o nanotechnologiích a nanomateriálech. Chápat a porozumět chování nanostruktur a umět popsat jejich vlastnosti. Studenti budou seznámeni s přípravou, charakterizací nanomateriálů a jejich uplatnění v průmyslové praxi.
Základní literatura
Ramsedn J.: Essentials of Nanotechnology. BookBoon 2009
Rogers B.: Nanotechnology : Understanding Small Systems, Third Edition. Taylor & Francis Group, Oakville 2017.
Stuart L.: Introduction to Nanoscience. Oxford University Press, New Your 2010
Zařazení předmětu ve studijních plánech
- Program BPCP_MPMU bakalářský 3 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Úvod – základní pojmy, názvosloví, rozdíly mezi nano- a makro-objekty, přirozené nanomateriály, stručná historie. Přístup top-down a bottom-up, kategorizace podle dimenzionality (geometrie nanoobjektů), rostoucí vliv povrchových atomů, kvantové efekty.
BLOK – PŘÍPRAVA
2. Příprava nanočástic (0D geometrie nanostruktur) – příprava částic z vodného roztoku (nukleační teorie, koloidní a micelární systémy, pyrolýza). Příprava částic z organokovových sloučenin (sol gel, polymerační metody, templátování).
3. Příprava tenkých vrstev (1D geometrie nanostruktur), růstové mechanismy tenkých vrstev, vliv teploty a rychlosti depozice, epitaxní růst. Fyzikální a chemické metody z plynné fáze – napařování, naprašování, PVD, CVD. Povlakování z roztoku (metody založené na sol gel procesu). Tisk (inkjet, 3D tisk). Depozice – EPD, elektro a force spinning). Pyrolýza. Litografie.
4. Přírodou inspirované nanomateriály a nanotechnologie – hierarchická struktura přírodních systémů, biomimetický přístup k přípravě artificiálních struktur, tkáňové inženýrství (hydrogely, skafoldy, proteiny a DNA struktury).
BLOK – CHARAKTERIZACE
5. Metody zkoumání nanomateriálů I – charakterizace pomocí spektroskopických metod (fluorescenční, Ramanova, reflektanční UV-VIS, elipsometrické), morfologie připravených částic pomocí elektronové mikroskopie (SEM, TEM). Elektrické vlastnosti.
6. Metody zkoumání nanomateriálů II – koloidní charakteristiky (velikost částic, DLS a zeta potenciál), porézní struktura – adsorpce, chemisorpce, micelární struktura (SAXS-XRD), zkoumání povrchu (AFM, STM, SNOM), funkcionalizace povrchu.
BLOK – VLASTNOSTI A APLIKACE
7. Fyzikální vlastnosti nanomateriálů obecně – mechanické, optické, elektrické a magnetické vlastnosti. Hetero a foto katalýza.
8. Nanomateriály a jejich aplikace I – nanooptika a nanoelektronika (povrchový plasmon, nanopigmenty, nanofotonika, polovodičové nanočástice), uhlíkové nanostruktury.
9. Nanomateriály a jejich aplikace II – medicínské aplikace (nanomagnetismus, tj. magnetické nosiče, MRI, léčba nádorových onemocnění), lékařská diagnostika, tkáňové inženýrství, kosmetika.
10. Nanomateriály a jejich aplikace III – „energy harvesting“ (konverze, akumulace a uložení energie – solární články, baterie, palivové články, vodíkové technologie, CCSU technologie), samočistící a antibakteriální aplikace.
11. Nanomateriály a jejich aplikace IV – odpadové hospodářství (nanomembrány pro čistění odpadních vod, zeolity), valorizace odpadu, zvýšení mechanické odolnosti (uhlíkové nanotrubky, NEMS/MEMS, povrchové úpravy aj.), použití ve stavebních materiálech (koloidy, nanočástice, kompozity).
12. Zdravotní, ekologické a sociální dopady nanotechnologií. Rizika nanotechnologií.
13. Prezentace studentských projektů.