Nanotechnologie a nanomateriály

Garant předmětu:

Vladimíra Petráková

Přednášející:

Václav Petrák, Vladimíra Petráková

Cvičící:

Václav Petrák, Vladimíra Petráková, Khalilullah Umar

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské informatiky

Anotace:

Předmětu je koncipován pro úvodní ale důkladné seznámení s problematikou nanotechnologií a nanočástic. V předmětu se studenti dozví o základních metodách přípravy a charakterizace nanomateriálů a jejich aplikace. Velká pozorovnost bude věnována jevům charakteristickým pro nanomateriály a vlastnostem které jsou specifické pro nano-rozměr. Dále budou rozebrány typické charakterizační metody, jejich principy, interprerace výsledků a limitace.

Studenti se naučí samostatně pracovat s odbornou literaturou, získávat a kriticky interpretovat informace z různých zdrojů. Při laboratorních cvičeních získají názornou představu jak vypadá výzkumná práce. Zároveň si osvojí klíčové laboratorní dovednosti.

Požadavky:

Cvičení

Povinná docházka a aktivní účast na cvičení s jednou povolenou absencí bez nutnosti náhrady. V případě většího počtu absencí ze závažných důvodů bude řešeno individuálně. Je povinné absolvování všech plánovaných experimentů. V případě, že se student/ka nebude moci zúčastni experimentů je nutné se garantkou oboru domluvit na formě náhrady cvičení. Zápočet získají studenti, kteří vypracují protokoly z laboratorních úloh. Protokoly mají svou strukturou a formu článku typu IMRaD (Introduction, Methods, Results, and Discussion)

Zkouška

Zkouška se skládá z prezentace, diskuse a volných otázek. Student/ka si na závěrečnou zkoušku připraví 10 minutovou prezentaci na téma vztahující se k probíraným tématům. Po prezentaci následuje cca 20 minutová diskuse se zkoušejícím nad zvoleným tématem. Hodnotí se rozsah a kvalita zpracování prezentace (váha 30%) a odpovědi na doplňující otázky (váha 30%). V závěrečné fázi zkoušky student/ka odpovídá na otázky vycházejících z témat podle osnov řednášek (váha 40%).

Osnova přednášek:

1) Úvod do nanorozměru – z mikro- do nano- technik, definice nanostruktur, základní bloky nanotechnologií: Definice a význam pojmu nano, nejčastější aplikace, přehled oborů týkajících se nanotechnologií týkají, historie nanotechnologií. (Vladimíra Petráková, VLP)

2) Interakce a topologie, prostředí nanosvěta. (VLP)

3) Molekulární základy – částice a vazby, chemická struktura, vazebné topologie, jednotky architektury nanočástic (VLP)

4) Přehled technologií přípravy nanomateriálů a nanostruktur – top-down, bottom-up přístupy: Diskuse případové studie metody nanostrukturování povrchu diamantových elektrod; přírodní nanočástice jejich vznik, výskyt a význam. (Václav Petrák, VAP)

5) Vlastnosti a aplikace nanomateriálů: Vliv velikosti a povrchu, aplikace nanomateriálů dle technologických odvětví. (VAP)

6) Nanoelektronika a nanomagnetismus: Přínosy nanotechnogií v elektronice, využití grafenu a uhlíkových nanomateriálů v elektronice, příprava a využití využití borem dopovaného diamantů. (VAP)

7) Nanooptika – povrchové plasmony, kvantové tečky, mikroskopie blízkého pole, nanofotonika (VLP)

8) Nanomechanika: Mechanické vlastnosti grafenu, interakce mezi objekty v mikro a nano rozměru. (VLP)

9) Katalytické vlastnosti: Vliv velikosti na katalytické vlastnosti nanomateriálů. (VAP)

10)Charakterizace nanomateriálů: Metody skenovací elektronické mikroskopie (SEM) a transmisní elektronové mikroskopie (TEM), dynamického rozptylu světla (DLS), mikroskopu atomárních sil (AFM). Teoretický princip fungování, uspořádání (VAP)

11) Charakterizace morfologie a velikosti: Princip metody DLS, princip získání informace z fluktuace intenzity, interpretace distribuce velikosti částic. (VAP)

12) Charakterizace složení: Ramanova spektroskopie a její varianty, využití sekundárních elektronů a luminiscence a rentgenového záření při elektronové mikroskopii pro analýzu materiálů (VAP)

13) Charakterizace optických, mechanických a povrchových vlastností: Super rozlišovací optická mikroskopie, UV-Vis absorpční spektroskopie (VLP)

14) Stanovení biokompatibility nanomateriálů: Rizika nanotechnologií a nanomateriálů, Bezpečnost manipulace s nanomateriály. (VLP)

Osnova cvičení:

Úvod

1. Základní výpočty v nanotechnologiích. Práce se zdroji a literaturou (Khalilullah Umar, KHU, VLP)

Syntéza nanočástic

2. Skupinové studium a kritická diskuse literatury k syntéze zlatých nanočástic, příprava laboratorního protokolu, výpočty koncentrací chemických látek. (KHU)

3. – 4. Syntéza nanočástic Turkevičovou metodou a metodou CTAB (KHU)

5. – 6. Charakterizace připravených nanočástic pomocí UV-Vis spektroskopie, skenovací elektronové mikroskopie, transmisní elektronové mikroskopie a dynamického rozptylu světla. (KHU, VLP)

7. Zpracování, analýza a interpretace výsledů. Retrospektivní vyhodnocení proběhlých cvičení. (KHU, VPE)

Nanodiamantové vrstvy

8. Laboratorní cvičení k charakterizaci nanodimantových vrstev pomocí depozice z plynné fáze, vyváření nanovrstev pomocí spin coatingu, charakterizace nanodimantů Ramanovou spektroskopií (KHU, VPE)

Syntéza nanotyčinek

9. Diskuse literatury k syntéze nanotyčinek, příprava protokolu a výpočty, příprava laboratorního protokolu, výpočty koncentrací chemických látek. (KHU)

10. – 11. Syntéza zlatých nanotyčinek (KHU)

12. – 13. Charakterizace připravených nanotyčinek pomocí UV-Vis spektroskopie, SEM, TEM, DLS (KHU, VLP)

14.Zpracování, analýza a interpretace výsledů. (KHU, VLP)

Cíle studia:

Cílem studia je seznámit studenty se problematikou přípravy a charaktertizace nanotechnologií. Po absolovování předmětu by měli studenti mít jasnou představu o problematice nanomateriálů, vědět pro jaké oblasti výzkumu jsou nanotechnologie relevantní, jaké jsou základní metody syntézy a charakterizace nanomateriálů. Budou mít praktické zkušenosti práce s laboratoří. Budou umět samostatně vyhledat a interperatovat odbornou literaturu v oboru.

Studijní materiály:

[1] Hošek, Jan. Úvod do nanotechnologie. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2010

[2] Frank Luděk. Metody analýzy povrchů, iontové, sondové a speciální metody,Praha: Academia 2002.

[3] Binns, Chris. Introduction to nanoscience and nanotechnology. John Wiley & Sons, 2021.

[4] Vollath, Dieter Nanomaterials An Introduction to Synthesis, Properties, and Applications, John Wiley & Sons, 2013

Poznámka:

Rozvrh na zimní semestr 2024/2025:

Rozvrh není připraven

Rozvrh na letní semestr 2024/2025:

	06:00–08:0008:00–10:0010:00–12:0012:00–14:0014:00–16:0016:00–18:0018:00–20:0020:00–22:0022:00–24:00
Po
Út
St	místnost KL:B-334 Petráková V. Petrák V. 08:00–11:50 (přednášková par. 1) Kladno FBMI Lab. nemoc. infor. systémůmístnost KL:B-334 Petrák V. Umar K. 12:00–13:50 (přednášková par. 1 paralelka 1) Kladno FBMI Lab. nemoc. infor. systémů
Čt
Pá

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Navazující magisterská studijní specializace Nanotechnologie (povinný předmět)