Nové funkční nanostruktury s požadovanými vlastnostmi
| 6. 5. 2010Cílené manipulace s materiály na molekulární a atomární úrovni pomáhají vytvářet nové funkční nanostruktury, které mají bohaté praktické využití. Výsledkem těchto manipulací je pak zcela nová, v přírodě se nevyskytující nanostruktura, jejíž molekulární architektura byla vytvořena pro konkrétní a předem zadanou funkci. Takovou požadovanou funkcí může být třeba selektivní sorpce určitých škodlivin z vodního nebo plynného prostředí, schopnost fotokatalyticky (působením světla) rozkládat organické znečišťující látky nebo hubit bakterie a další mikroorganismy. Byly vyvinuty fotovoltaické molekulární nanostruktury schopné měnit světelnou energii na elektrickou1) a fotoaktivní supramolekulární nanostruktury využívající světelnou energii k produkci molekulárního vodíku.2) Zcela zvláštní postavení zaujímají umělé biokompatibilní nanostruktury a mikrostruktury vytvořené pro náhrady lidských tkání.3) Funkční nanostruktury mají významné místo i ve farmacii jako nosiče molekul léčiv. Jejich úkolem je dopravovat účinné látky v organismu „v pravý čas na pravé místo“. Princip spočívá v ukotvení molekuly léčiva na vhodnou supramolekulární strukturu nosiče. Na architekturu této supramolekulární struktury je kladena řada požadavků: cílený transport, selektivní působení, způsob uvolňování léčiva a časování účinku.4) Velkou naději poskytují tyto nanotechnologie například onkologickým pacientům, kteří by nemuseli být vystaveni velkým dávkám cytostatik se všemi vedlejšími účinky, neboť cytostatika budou působit pouze v nádorové tkáni. Velice stručný výčet využití nanotechnologií ilustruje jejich prudký rozvoj a expanzi do mnoha oblastí našeho života v posledním desetiletí. Tento rozvoj nastartovaly především významné objevy z osmdesátých let minulého století, které umožnily přímý pohled do nanosvěta, a to:
- objev STM mikroskopie (Scanning Tunelling Microscopy) umožňující přímé zobrazení atomů (G. Binnig a H. Rohrer, Nobelova cena za fyziku 1986, Vesmír 77, 381, 1998/7);
- objev mikroskopu atomových sil AFM (Atomic Force Microscopy, G. Binnig, C. F. Quate a Ch. Gerber, 1985, Vesmír 77, 381, 1998/7 a Vesmír 73, 549, 1994/10).
Základy k vytváření funkčních nanostruktur položili nositelé Nobelovy ceny za chemii 1987 D. J. Cram, J.-M. Lehn a Ch. J. Pedersen (Vesmír 84, 576, 2005/10). Ti přinesli nový pohled na molekuly jako na stavební bloky, jejichž vzájemné interakce mohou být využity pro stavbu umělých supramolekulárních systémů schopných plnit předem zadané funkce.
Ruku v ruce s tímto objevem se začala bouřlivě rozvíjet i nová disciplína materiálového výzkumu – počítačový design nanostruktur s využitím molekulárního modelování.5) To umožňuje navrhnout molekulární strukturu, předpovědět její vlastnosti a vyloučit slepé uličky.
Několik následujících příkladů funkčních nanostruktur pochází z laboratoří Centra nanotechnologií na VŠB – TUO. Jejich společným rysem je budování nanostruktury na krystalické struktuře vrstevnatých silikátů. Vrstevnaté silikáty mají pozoruhodné vlastnosti. Díky specifickému rozložení náboje ve své struktuře ochotně přijmou dovnitř své struktury a na svůj povrch komplexní kationy, nabité nanočástice i neutrální polární organické molekuly. Představují tak ideální hostitelské struktury využitelné pro budování funkčních nanostruktur.
1. Příklad struktury sorbentů aromatických látek. Na silikátové vrstvě vermikulitu jsou ukotvené organické kationty hexadecyltrimetylamonia (HDTMA). Jsou účinnými sorbenty pro aromatické monocyklické a polycyklické uhlovodíky zejména při sorpci z plynů. (D. Plachá et al.7)
2. Model nanokompozitu s nanočásticemi stříbra ukotvenými (vyrostlými) na povrchu silikátové matrice z montmorillonitu. Tento typ nanokompozitů s nanočásticemi kovů a jejich oxidů slouží jako účinné fotokatalyzátory (s nanočásticemi TiO2), rozkládající organické znečišťující látky a jako antibakteriální prostředky pro širší použití. Molekulární modelování je účinným pomocníkem technologie, neboť dokáže předpovědět, jaký typ podložky je vhodný pro danou nanočástici a jak bude daný nanokompozit stabilní. Výhodou technologie ukotvených nanočástic na pevné podložce je eliminace rizika pro zdraví a životní prostředí. (Tokarský J. et al.8)
3. a 4. Molekuly organických barviv ukotvené na povrchu a v mezivrstevním prostoru struktury vrstevnatých silikátů mění své optické vlastnosti, které lze navíc doladit vhodnou kombinací typu silikátu a molekul barviva. Tyto nanostruktury mohou sloužit jako optické senzory a fotofunkční materiály. Na obrázku jsou molekuly metylčerveně ukotvené na silikátové vrstvě v mezivrstevním prostoru vermikulitu (obr. 3) a montmorillonitu (obr. 4). Z obrázků je zřejmé, jak typ silikátu a příslušný náboj silikátové vrstvy ovlivní molekulární strukturu a následně samozřejmě i optické vlastnosti. (G. Simha Martynková et al.6)
Poznámky
1) Hasobe T., Hattori S., Kamat P. V., Fukuzumi S.: Tetrahedron 62, 1937–1946, 2006.
2) Kluwer A. M., Kapre R., Hartl F. et al.: PNAS, DOI: 10.1073/pnas.0809666106
3) Balík K., Suchý T., Sucharda Z., Černý M., Bačáková L., Sochor M., Šlouf M.: Ceramics – Silikáty 52, 260–267, 2008/4.
4) Ulbrich K., Štrych T., Chytil P., Jelínková M., Říhová B.: J. Drug Targeting 12, 477–489, 2004.
5) Frenkel D., Smit B.: Understanding Molecular Simulation, Academic Press 1996, San Diego, New York, London.
6) Simha Martynková G., Kulhánková L., Malý P., Valášková M., Čapková P.: Journal of Nanoscience and Nanotechnology 8, 2069–2074, 2008.
7) Plachá D., Simha Martynková G., Rümmeli M. H.: Journal of Colloid and Interface Science 327, 341–347, 2008.
8) Tokarský J. Čapková P., Klemm V., Rafaja D.: Annual proceedings of Science and Technology at VŠB-TUO 2, 144–147, 2008.
Ke stažení
článek ve formátu pdf [172,03 kB]
O autorovi
Pavla Čapková
Doporučujeme
Se štírem na štíru
Ustrašená společnost 
