INTRODUCERE DEFINITIE nanotehnologiile studiaza modul de manipulare a

INTRODUCERE DEFINITIE – nanotehnologiile studiaza modul de manipulare a materiei la scala atomica si moleculara (intre 1 si 100 nm; 1 nm = 10 -9 m = 10 -6 mm) cu scopul de a crea materiale, dispozitive si sisteme cu proprietati deosebite Imagini HRTEM - Datorita proprietatilor deosebite, nano-materialele au diverse aplicatii in medicina, electronica, producerea de energie, depoluare, industrie. - Pe de alta parte, nano-materialele sunt studiate la fel ca alte materiale recent descoperite, si sub aspectul toxicitatii

CLASIFICAREA NANOMATERIALELOR

Nanoparticulele - Sunt formate din mai multe zeci sau sute de atomi sau molecule si pot avea diferite marimi si morfologii (amorfe, cristaline, sferice) - Unele sunt deja comercializate sub forma de pulberi uscate sau dispersate in lichid (obtinute prin combinarea nanoparticulelor cu un lichid apos sau organic, cand se formeaza o dispersie sau o pasta); pentru a obtine dispersii stabile si omogene, uneori este necesara utilizarea aditivilor chimici (surfactanti sau agenti de dispersie); dispersiile de nanoparticule se folosesc pentru a fabrica vopsele, componente sau dispozitive - exemple: Si. O 2; Ti. O 2, Al 2 O 3, Fe 3 O 4, carbon, polimeri, Cd. Te, Ga. As, Ag, Au, aliaje, fulerene

Nanofirele si nanotuburile - sunt structuri liniare, care pot avea diferite structuri: single sau multistrat, filate, avand suprafata modificata - exemple: metale, carbon, semiconductori - nanotuburile de carbon se utilizeaza in nano-electronica (stocare de date, amplificatori de unde, agenti de umplere pentru nano-composite Materialele nanostratificate - au aplicatii multiple datorita proprietatilor fizice deosebite (magneto-electrice si/sau optice) - pentru a optimiza conexiunea dintre diferite nanostructuri in composite este important ca structurile sa aiba dimensiuni nanometrice Materialele nanoporoase - Materiale poroase, avand dimensiunea porilor de domeniul nanometrilor - exemplu – aerogelurile care se obtin prin metoda sol-gel - Aplicatii: cataliza, izolatori termici, electrozi, filtre si membrane pentru depoluare

Proprietati ale suprafetei Aplicatii Mecanice (tarie, rezistenta la rupere) Protectia echipamentelor importiva uzurii, protectia mecanica a materialelor moi (polimeri, lemn, textile) Proprietati de umectare (antiadeziv, hidrofobicitate, hidrofilicitate) Anti-graffiti, anti-murdarire, pentru efectul de self-cleaning al suprafetelor ceramice si textile, sticlei Termice si chimice (rezistenta la incalzire, termoizolatori, rezistenta la coroziune) Protectie antocoroziva, anti-incalzire a motoarelor, a cladirilor Biologice (biocompatibilittate, activitate anti-microbiana) Implanturi biocompatibile, depunerea pe instrumentele medicale pentru asigurarea septicitatii Electronice si magnetice (rezistenta magnetica, propr. Dielectrice) Tranzistori ultra-fini, sensori resistenti la camp magnetic, dispozitive de memorie Optice (antireflexie, fotoelectrocromaticititate) Ferestre foto si electrocromice, celul solare, sisteme fotocatalitice

PROPRIETATILE NANOMATERIALELOR Propriet Exemple ate Activitat Eficienta catalitica datorita raportului ea suprafata / volum foarte mare cata litica Electric a Cresterea conductivitatii electrice a nanocompositelor ceramice si magnetice, cresterea resistentei electrice in metale Magneti ca Cresterea coercivitatii magnetice pana la dimensiunea critica a particulei, proprietati superparamagnetice Mecanic Cresterea resistentei mecanice; ductilitatea si a superplasticitatea ceramicelor Optica cresterea absorbtiei spectrale si a fluorescentei, cresterea randamentului cuantic pentru semicronductori Sterica Cresterea selectivitatii Biologic Cresterea permeabilitatii prin bariererele a biologice (membrane, bariera sange-

CARACTERISTICILE MATERIALELOR NANOSTRUCTURATE

ETAPELE PREPARARII MATERIALELOR NANOSTRUCTURATE

Directiile de cercetare in domeniul nanotehnologiilor constau in studiul: - fenomenelor care au loc la scala nano prin masuratori directe si simulari - tranzitiei proceselor fizice clasice la cele cuantice care au loc la nivelul nanostructurilor - auto-ansamblarii materialelor nanostructurate pentru obtinerea structurilor cu dimensiuni mari decat de dimensiunea nanometrilor - interactiunii nano-materialelor cu mediul extern - proprietatilor si structurii nano-sistemelor complexe - stocarii eficiente a energiei prin procese ce au la baza nano-materialele - proceselor biologice si a interactiunilor fizico-chimice la interfata nano-bio (nanomateriale abiotice – sisteme biologice) - sintezei moleculelor, materialelor si sistemelor complexe nano-structurate - sistemelor fizice inteligente nanostructurate cu aplicatii in biologie - organelor artificiale, incluzind si utilizarea transportorilor din sistemele biologice fluide si arhitecturile nanostructurate utilizate la regenerarea tesuturilor

Aplicatii ale nanomaterialelor -Obtinerea la scara industriala a unei vaste tipologii de nanostructuri (particule, fire, tuburi, folii, unitati modulare) - depoluarea cu poluanti organici si anorganici - sinteze chimice - dispozitive fotovoltaice avand pret de cost scazut, durata mare de viata, eficienta ridicata pentru obtinerea bateriilor pentru automobilele electrice, sistemelor computerizate, tehnologiilor cognitive, sistemelor pentru diagnostificarea si tratamentul afectiunilor maligne (cancer) - utilizarea in biologia de sinteza, captarea carbonului, sistemelor de informatii, ingineria neuro-morfa (utilizarea circuitelor integrate complexe la reproducerea proceselor biologice din organismele vii), geoinginerie - nano-medicina – diagnoza si tratarea diferitelor afectiuni, terapia la nivel genomic pentru inducerea resistentei la microorganisme a organismului uman - industria alimentara - nano-senzori pentru siguranta alimentelor, nano-ambalaje alimentare datorita proprietatilor de conservare si antimicrobiene

Utilizarea nanotehnologiilor in present Tendinte viitoare de aplicabilitate a nanotehnologiilor Interactiuni complexe intre nanomateriale si biomolecule pe baza proprietatilor unice Cunoasterea mecanismului de interactiune bio-fizicochimica dintre nano-materiale si sistemele biologice (diagnoza si tratamentul antitumoral) Demonstrarea toxicologiei nanomaterialelor la nivel celular Stabilirea mecanismului de actiune a nanomaterialelor la nivel celular Intelegerea mecanismului de actiune “in vitro” si “in vivo” al nanomaterialelor Descoperirea cailor de ecranare toxicologica care permit stabilirea corelatiei dintre actiunea “in vitro” si cea “in vivo” Sinteza unei vaste game de nanofibre polimerice si anorganice utilizate pentru procese de separare (filtrare, membrane) si in cataliza Sisteme fotocatalitice si de separare (membrane nanoporoase schimbatoare de ioni) pentru depoluare Obtinerea membranelor nano-composite cu zeoliti, nanosorbentilor pentru purificarea apelor reziduale si remedierea mediului Obtinerea sistemelor catalitice complexe pe baza de nanofibre si nanoparticule Propuneri de captare a carbonului utilizand nanotehnologii Dezvoltarea metodologiei de captare a C si N utilizand nanotehnologii Obtinerea materialelor nanostructurate cu porozitate ridicata pe baza de compusi organo-metalici si zeolit Aplicarea materialelor nanostructurate la extragerea CO 2 din gazele de esapament si conversia lui Abilitatea de a explica procesele catalitice Stabilirea mecanismului de actiune Controlul formei, marimii, gradului de cristalizare a nano-particulelor Controlul precis Demonstrarea abilitatii de a monitoriza fenomenele “single” catalitice dezvoltare Catalizatorii nanostructurati preparati pana in 2000 represinta 30 -40% din toti catalizatorii utilizati in industrie 50% pana in 2020

Utilizarea nanotehnologiilor in medicina, in present Dezvoltarea metodelor de diagnoza cu ajutorul nanomaterialelor Tendinte viitoare de aplicabilitate a nanotehnologiilor in medicina Cresterea selectivitatii si senzitivitatii, minimizarea costurilor de investigare medicala Cel putin 50% dintre medicamentele anilor 2020 for fi obtinute pe baza de nanomateriale Abraxan – primul nano-medicament utilizat pentru tratarea cancerului de san – consta in nanoparticule transportoare (nanosfere de transport al liposomilor, polimerilor si albuminelor) Acceptul farmacistilor in ceea ce priveste nanomaterialele si eficienta lor Peste 50 dintre companiile farmaceutice din USA testeaza clinic nanomaterialele pentru tratarea cancerului 50% dintre medicamentele utilizate pentru tratarea cancerului pancreatic si ovarian vor fi contine nano-materiale structurate Nanoterapie: provocari: farmacocinetica, biodistributie, penetrare tisulara

Aplicatii ale nanotuburilor de carbon

Alte aplicaţii ale aerogelurilor 1. Aplicaţii datorate proprietăţilor de termo- si fono-izolator Datorită conductivităţii termice foarte scăzute (0, 02 W/m. K în atmosferă), a densităţii scăzute, a porozităţii ridicate, respectiv a coeficientului de pierdere a căldurii foarte mic (~0, 5 W/m 2 K), aerogelurile se folosesc ca superizolatori termici. Schmitt şi Greiger-Block au fabricat pentru prima dată, in 1981, ferestre izolatoare termic, transparente, având ca strat intermediar aerogel de Si. O 2, obţinut prin metoda sol-gel în cataliză acidă (HF sau HCl). Hartmann şi colab. au demonstrat că transferul radiaţiei termice prin aerogel nu este o problemă semnificativă în domeniul de temperatură specific ferestrelor izolatoare. Performanţa termică poate fi îmbunătăţită prin înlocuirea gazului din porii gelului cu unul cu conductivitate termică mai scăzută sau prin evacuarea gazului din pori la presiune de 0, 1 atm. Datorită proprietăţii termoizolatoare, silicagelurile sunt folosite la fabricarea sistemelor de răcire sau de încălzire, precum şi la construcţia maşinilor frigorifice. Aerogelurile sunt şi izolatori fonici eficienţi. Propagarea fonică în aerogeluri depinde de tipul şi presiunea gazului interstiţial, de densitatea aerogelului şi de morfologia lui. Energia transferată de către gaz solidului înhibă propagarea undei sonore, reducându-i amplitudinea şi viteza. Această proprietate face ca aerogelurile de Si. O 2 să fie potrivite pentru aplicaţiile de impedanţă acustică.

2. Aplicaţii optice Aplicaţiile optice ale aerogelurilor depind de omogenitatea lor. Neomogenitatea (prezenţa particulelor de mărimea nm) determină dispersia Rayleigh, care face ca o probă să pară gălbuie dacă lumina este obţinută prin transmisie şi să pară albăstruie dacă lumina este obţinută prin reflexie pe un fond întunecat. Prin hidroliza tetrametoxisilanului în metanol, printr-un procedeu în două etape (prehidroliză şi hidroliză) s-au obţinut aerogeluri cu o transmitanţă optică de până la 93% la o lungime de undă de 900 nm. O altă proprietate a aerogelurilor este indicele de refracţie (foarte apropiat de 1), care depinde de densitatea lor, conform relaţiei:

O altă proprietate optică a aerogelurilor se bazează pe capacitatea de a fixa diverse tipuri de molecule sau ioni cu proprietăţi fluorescente speciale. Aerogelurile de Si. O 2 cu indice de refracţie scăzut sunt folosite ca medii pentru dispozitivele Cherenkov. Acestea au rolul de a identifica particulele încărcate electric, care traversând mediul radiant cu o viteză v mai mare decât viteza luminii, emit o radiaţie luminoasă. Analiza acestei radiaţii luminoase dă informaţii asupra vitezei şi naturii particulelor elementare ce au generat-o. O altă aplicaţie optică a aerogelurilor este utilizarea lor la obţinerea unor dispozitive de concentrare a luminii solare (LSC). Un astfel de dispozitiv de concentrare a luminii solare este format dintrun strat plan de material introdus într-o matrice transparentă din plastic. Matricea este dopată cu un colorant organic ce devine fluorescent sub acţiunea radiaţiei solare. Dacă indicele de refracţie al matricii este suficient de diferit de cel al aerului, radiaţia fluorescentă este reflectată, nu penetrează matricea şi este direcţionată către mediile externe ale planului, acolo unde sunt plasate celule solare de conversie a energiei. Astfel LSC au rol în transformarea energiei solare în energie chimică, electrică.

3. Aplicaţii electrice Datorită capacităţii lor de adsorbi reversibil ioni mono- şi poli-valenti şi datorită texturii lor poroase, aerogelurile sunt folosite pentru fabricarea bateriilor. Cele mai utilizate aerogeluri oxidice sunt V 2 O 5, Mn. O 2 şi Mo. O 2, în care sunt intercalaţi ioni Li+, Mg 2+, Al 3+, Zn 2+. Aceste materiale pot funcţiona ca şi condensatori (500 -600 m. Ah/g) şi anozi în bateriile cu litiu. Aerogelurile de Si. O 2 sunt materiale dielectrice (au constantă electrică foarte scăzută) şi pot fi utilizate la fabricarea circuitelor integrate. Dispozitivele de producere a ultrasunetelor necesită traductori piezoelectrici poroşi cu impedanţă acustică scăzută. Astfel de ceramice piezoelectrice poroase sunt aerogelurile de titanat de plumb şi zinc (Pb. Zn. Ti 0. 47 O 3) ce se obţin prin metoda sol-gel.

4. Catalizatori in procese de sinteza chimica si descompunere Cea mai importantă aplicaţie a aerogelurilor este utilizrea lor ca şi catalizatori în reacţiile de sinteză organică şi fotodegradare a poluanţilor organici şi anorganici. Exemple: combustia metanului se realizează pe aerogel Al 2 O 3 -Si. O 2 dopat cu Pd, Mg. Al 2 O 4, Zn. Al 2 O 4 şi Ca. Al 2 O 4 - epoxidarea selectivă a olefinelor ciclice pe aerogel compozit Si. O 2 -Ti. O 2 - izomerizarea butanului în prezenţa aerogelurilor de Si. O 2, Al 2 O 3 sau Ti. O 2 oxidarea parţială a parafinelor, olefinelor şi alcoolilor la cetone şi aldehide pe catalizatori de aerogeluri de Ti. O 2 aerogelurile Fe 2 O 3 -Si. O 2 şi Fe 2 O 3 -Al 2 O 3 catalizează sinteza Fischer-Trops de obţinere a metanului din elemente - aerogelurile de Ti. O 2 şi V 2 O 5 catalizează, în general, reacţiile de deshidratare catalizatorul VOx/Ti. O 2 favorizează obţinerea acetonei cu o viteză mult mai mare decât formarea propenei - sinteze anorganice - reducerea Ni. O la Ni in prezenta Ti. O 2, Ti. O 2 -Mg. O

5. Alte aplicaţii ale aerogelurilor Aerogelurile de Si. O 2 sunt utilizate şi ca insecticide, fiind mult mai eficiente decât DDT-ul. Acestea inhiba activitatea insectelor chiar în seminţe şi în grâne prin pătunderea în stratul lipidic de la suprafaţa corpului unde absorb fluidele din tesutul organic al insectei. Alte aplicaţii: - utilizarea lor în cromatografia în gel - stocarea şi transportul lichidelor periculoase, - agenţi de gelificare, datorită porozităţii ridicate şi a capacităţii de absorţie şi neutralizare a materialelor deversate accidental în ape (a acidului azotic fumans şi a dimetil-hidrazinei-nesimetrice)