Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

ZÁMBÓ Dániel #07D - NANORÉSZECSKÉK és FILMJEIK
Témavezető 1.: ZÁMBÓ Dániel, Tel.:392-2602, Épület:26., Szoba:214., E-mail:zambo@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)
POTHORSZKY Szilárd #07D - NANORÉSZECSKÉK és FILMJEIK
Témavezető 2.: POTHORSZKY Szilárd, Tel.:392-2602, Épület:26., Szoba: 214., E-mail:pothorszky@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

Manapság sokszor hallhatjuk az igen hangzatos "nanotechnológia" kifejezést, ám az már bizonytalanabb, hogy valójában mit is rejt e fogalom. Első fontos pont, hogy a nano- megjelölést a különböző mértékegységek előtt akkor használjuk, ha az adott mennyiség 10-9 értékkel (azaz 1 milliárdod résszel) szorzódik. A nanotudományok terén ez azt jelenti, hogy azok az objektumok, amelyekkel foglalkozunk, legalább az egyik dimenziójukban (a tér egyik irányában) a méter ezred milliomod részében mérhetőek. Ennek a parányi méretnek az elképzelésében segít az 1. ábra.

nanométer a méretskálán
1. ábra. A nanométer szemléltetése a méretskálán.

A nanotechnológia kifejezést akkor használjuk, amikor ezeket a (legalább egyik irányban) nanoméretű dolgokat valamilyen jól kitalált módszerrel előállítjuk, jellemezzük, alkalmazzuk. Nanoméretű objektumok felhasználására már igen régóta akadnak példák (persze anélkül, hogy ennek akkoriban különösebb jelentőséget tulajdonítottak volna). Például már középkori rózsaablakokat is színeztek kolloid arany részecskékkel (2.a. ábra), illetve a híres damaszkuszi acél (2.b. ábra) keménysége is nanoméretű csöves szerkezetekre vezethető vissza. A nanoméretű objektumok alkalmazása tehát a régmúltban gyökereztethető, azonban ezek vizsgálata és tervezett előállítása csupán akkor valósulhatott meg, amikor a technika fejlődése láttatni engedte ezeket a parányi építőkockákat.

rózsaablak
damaszkuszi acélpenge
2. ábra. Rózsaablak (bal oldali kép) és damaszkuszi acélpenge (jobb oldali kép).


A nanotechnológia korszakalkotó ötletét 1959-re datálhatjuk, amikor is egy híres fizikus, Richard Feynman egy konferencián felvetette az egyedi atomok manipulációjának lehetőségét. Azóta, az elmúlt 55 évben óriási fejlődésen ment keresztül ez a tudományág, és kiterjedése egyre csak nő: az anyagtudományban, az orvostudományban, diagnosztikában és terápiában egyaránt utat tör magának.

Faraday aranyszolja
3. ábra. Michael Faraday egyik aranyszolja.

De vajon miért olyan különlegesek ezek a nano-dolgok? "A kicsi az szép" tartja a mondás, melynek szelleme mélyen gyökerezik több keleti nép gondolkodásában (pl. kínai, japán). A japánokról szinte elsőre a miniatürizálási törekvéseik jutnak eszünkbe. Energiaválságos és nyersanyaghiányos korszakunkban a nyugati civilizációknak is egyik állandó törekvésévé vált, hogy amit meg lehet csinálni kisebben és takarékosabban, azt lehetőleg úgy is kell tenni. A félvezető mikrotechnológia (integrált áramkörök) megjelenése óta pedig világos, hogy az ilyen kisebb áramkörök nemcsak hogy olcsóbbak és gazdaságosabb üzeműek, de még gyorsabbak is! Ezekben az áramkörökben már egy jó ideje a nano méreteket ostromoljuk. Önmagában mindez bőven elég lehetne ahhoz, hogy a nanoméretű objektumokra és kölcsönhatásaikra különleges figyelmet fordítsunk. De van rá egy még jobb okunk! Ugyanis ebben a mérettartományban már megkezdődik az őrségváltás a klasszikus fizika és a kvantumfizika között. Olyan jelenségek bukkannak fel, amelyek merőben eltérnek az anyag klasszikus, mindennapjainkban megszokott viselkedésétől. Egy sor fizikai tulajdonság nagyon meredeken, rezonanciaszerűen változik a nanométeres nagyságrendű méret függvényében. Ezek az ún. méretkvantált tulajdonságok. Minthogy ilyenkor akár néhány nanométeres változás is jelentősen megváltoztatja az anyag makroszkopikus tulajdonságait, ezt, ha kiismerjük, fel is tudjuk használni különleges céljainkra. Például a mindenki által ismert (és kedvelt) arany, ha nanorészecskék formájában van jelen, egyáltalán nem is fényes sárga színű, hanem 1 nm-esen citromsárga, 16 nm-esen piros, 100 nm-esen lila színű ún. szolt képez! Ezeknek a szoloknak a színe tehát függ a részecskék méretétől, de ezen felül az alakjuktól is. Igen nevezetesek pl. Faraday aranyszoljai (3. ábra), melyek már 1857 óta stabilak és a British Múzeumban vannak folyamatosan kiállítva!

Ha a nanométeres objektumok előállításáról van szó, alapjában véve 2 fő lehetőségünk van:

  • az egyik az ún. "top-down" technológiák csoportja, melyek során a nagyméretű anyagot bontjuk le egyre kisebb méretű (és végül nanoméretű) anyaggá,
  • a másik pedig a "bottom-up" technológiák csoportja, melyek során atomi szintről kiindulva fokozatosan építjük fel a kívánt nano-objektumot.

  • Mi többnyire a bottom-up technológiákat alkalmazzuk azáltal, hogy az általunk használt, főleg arany vagy szilika nanorészecskéket kémiai úton állítjuk elő (azaz szintetizáljuk), és a reakció körülmények változtatásával (pl. hőmérséklet, koncentrációk, reagensek) befolyásoljuk a részecskék méretét és alakját. Ezek pedig, mint az a fentiekből látható volt, a fémrészecskék esetében azt is jelentik, hogy a részecskék optikai tulajdonságai tervezhetővé válnak - a megfelelő alak és méret megválasztásával. Néhány, általunk előállított részecskéről készült képet láthatunk a 4. ábrán. Az általunk szintetizált részecskék általában vízben, vagy etanolban vannak eloszlatva, előállításuknál is ezeket az oldószereket alkalmazzuk. Azonban az oldószer eltávolítása sok esetben azt eredményezné, hogy a részecskék optikai tulajdonságai hátrányosan változnának meg azáltal, hogy a részecskék összetapadnak, aggregálódnak (gyakorlatilag egy nagy részecske keletkezne belőlük, ami már nem sorolható a nano- mérettartományba). Ennek a problémának az egyik kiküszöbölési módja lehet az, hogy a részecskékre valamilyen bevonatot készítünk (szintén kémiai úton).

    Az arany különleges optikai viselkedésű fém: a látható fény egy szűk hullámhossztartománya egy ún. felületi plazmon rezonancia jelenséget vált ki a nanorészecskéken, mely jelenség nagyban segíti is a részecskék detektálását. A nanorészecskékből valamely szilárd hordozóra (üveg, szilícium) réteget is képezhetünk az ún. Langmuir-Blodgett technika segítségével. Ezek a bevonatok különlegesen vékonyak, hiszen csupán egyetlen részecske vastagságúak. Emiatt - megfelelő részecskék megválasztásával - akár különleges optikai tulajdonságokat is mutathatnak (vékonyréteg interferencia, diffrakció).
    rózsaablak
    damaszkuszi acélpenge
    4. ábra. A nanorészecskék (szó szerinti) sokszínűsége (balra arany, jobbra szilika részecskék szolja).





    A nyári iskolán lehetőség van arany és szilika nanorészecskék kémiai szintézisére, és belőlük vékonyrétegek előállítására. Az előállított részecskéket különféle módszerekkel is megvizsgáljuk és jellemezzük (pl. pásztázó elektronmikroszkópiával és spektrofotometriával).

    LINKEK:
    20100924,06h00, (www.eletestudomany.hu): Nyári iskola az MTA MFA-ban, Benedek Ádám: "Bevonatok és rácsok - Szilika az aranyon" (1226-1227 oldal)
    .htm, .mht, .jpg, .pdf


    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető 1.: ZÁMBÓ Dániel, Tel.:392-2602, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:214., E-mail:
    zambo@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)
    Témavezető 2.: POTHORSZKY Szilárd, Tel.:392-2602, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:214., E-mail:pothorszky@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Sun, 03 May 2015 20:59:07 GMT, Számláló: