Download - Základní principy nanotechnologií
![Page 1: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/1.jpg)
Základní principy
nanotechnologií
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. Fakulta chemická, VUT v Brně
(s ohledem na nanobio...)
![Page 2: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/2.jpg)
NANOTECHNOLOGIE
NANOTECHNOLOGIE
(„řecký“ trpaslík)
slova na úvod
![Page 3: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/3.jpg)
NANOmetr = 10–9 m
kde leží svět malých rozměrů
![Page 4: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/4.jpg)
NANOTECHNOLOGIE
=
TECHNOLOGIE VE
SVĚTĚ MALÝCH ROZMĚRŮ
slovo na úvod
![Page 5: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/5.jpg)
voda a svět malých rozměrů
0,275 nm
![Page 6: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/6.jpg)
svět malých rozměrů
nanometry
10–1 1 10 102 103 104 105 106 107 108
voda • protilátka • baktérie • tečka • tenisák
NANOTECHNOLOGIE
glukosa • virus • rak.buňka
![Page 7: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/7.jpg)
= NANO =
MAKRO
![Page 8: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/8.jpg)
• • •
![Page 9: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/9.jpg)
staré vtipy?
KOLOIDNÍ chemie
![Page 10: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/10.jpg)
staré vtipy?
KOLOIDNÍ chemie
jako
předchůdce a základ
NANOTECHNOLOGIÍ
![Page 11: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/11.jpg)
koloidy jsou všude
(1944)
![Page 12: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/12.jpg)
KOLOIDNÍ
KOLLA
řecky KLÍH
další slovo
1861 Thomas Graham
![Page 13: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/13.jpg)
*21.12.1805 Glasgow
†1869 Londýn
Thomas Graham
fyzikální chemik širokého záběru:
• difúze plynů (Grahamův zákon)
• absorpce plynů dřevěným uhlím
• rozpustnost plynů
• koloidy, emulze
![Page 14: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/14.jpg)
Thomas Graham
• sloučeniny fosforu
• polární záře
• absorpce vodíku palladiem
• falšování kávy rostlinnými příměsemi
• produkce alkoholu při výrobě chleba
![Page 15: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/15.jpg)
• zkoumání difúze přes pergamenovou
membránu (dialýza)
• roztoky klihu a podobných látek
procházejí velmi pomalu
• nejdou separovat filtrací ani
gravitačním usazováním
Thomas Graham a koloidy
![Page 16: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/16.jpg)
• odlišují se od krystaloidů
• velikost odhadl na nejvýše ca 1 μm
• jsou to jako by dva odlišné světy hmoty
• avšak není mezi nimi náhlý přechod a
jasná hranice
Thomas Graham a koloidy
![Page 17: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/17.jpg)
inkousty, nátěry
mléko, majonézy, jogurty
prací a čistící prostředky
aerosoly – barvy, léčiva
pěny
příklady koloidů
![Page 18: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/18.jpg)
biopolymery (v roztoku)
bílkoviny, NK, polysacharidy
buňky a jejich membrány
biotekutiny
koloidy & bio
![Page 19: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/19.jpg)
koloidy & bio
![Page 20: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/20.jpg)
1. „dvoufázovostí“
2. velikostí (jedné z fází)
charakteristika koloidů
Koloidy jsou typické dvěma
základními charakteristikami:
![Page 21: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/21.jpg)
1. Dvoufázovost
charakteristika koloidů
koloidní částice jsou rozptýleny
(dispergovány) v disperzním
prostředí
částice
prostředí
![Page 22: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/22.jpg)
2. Velikost
charakteristika koloidů
částice jsou koloidních rozměrů,
tj. řádu nano až mikrometrů
![Page 23: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/23.jpg)
Co je tedy tak veliké, že může tvořit
koloidní částici (nanočástici)?
koloidní částice
1. shluk molekul
(atomů)
2. makromolekula
![Page 24: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/24.jpg)
emulze
typy koloidů
suspenze
sol
pěna
aerosol
pasta
![Page 25: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/25.jpg)
typy koloidů
emulze
l v l suspenze
s v l
pěna
g v l nebo s
![Page 26: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/26.jpg)
poněkud historické ale užitečné rozlišení
typy koloidů a ještě něco
lyofilních a lyofobních koloidů
• „násilná“ příprava
• nestálé
• „koloidní“ roztoky
• stálé
![Page 27: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/27.jpg)
Dva základní způsoby tvorby koloidů:
vznik či příprava koloidů
DISPERGACE KONDENZACE
![Page 28: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/28.jpg)
Příklady:
vznik či příprava koloidů
DISPERGACE KONDENZACE
![Page 29: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/29.jpg)
• významný vliv (molekul) povrchu
na vlastnosti
• specifický typ kolektivního
chování
čím jsou koloidy zvláštní
![Page 30: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/30.jpg)
• • •
![Page 31: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/31.jpg)
Mezimolekulové interakce leží
v základech vzniku koloidů
i jejich vlastností
a
jsou hlavním pojítkem
s nanotechnologiemi
koloidy a interakce
![Page 32: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/32.jpg)
interakce
CHEMICKÉ versus FYZIKÁLNÍ VAZBY
• silné
• tvoří molekuly
• slabé
• mezi molekulami
• může být velký počet
![Page 33: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/33.jpg)
Možné interakce jsou dány
stavebními kameny,
které tvoří molekuly, to jest atomy,
resp. jejich elektronovým obalem
mezimolekulové interakce – typy
Struktura atomu určuje
podstatu mezimolekulových interakcí
![Page 34: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/34.jpg)
mezimolekulové interakce – podstata dopadu
Mezimolekulové interakce (spolu)určují
umístění* v prostoru,
tedy strukturu koloidů (nanokoloidů)
a její stabilitu
*molekul, koloidních částic
![Page 35: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/35.jpg)
mezimolekulové interakce – přehled
ATOM
jádro elektronový
obal+ –
podstata většiny interakcí
spočívá v působení mezi náboji
![Page 36: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/36.jpg)
mezimolekulové interakce – přehled
1. Překryvové repulze
2. Přenos náboje
3. Interakce mezi nabitými částicemi
(multipól-multipól)
4. Interakce mezi permanentním a
indukovaným multipólem
5. Disperzní interakce
![Page 37: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/37.jpg)
překryvové repulze
na jednom místě jen jedna
molekula (atom)
energie ~ 1/rn
![Page 38: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/38.jpg)
přenos náboje
jedna molekula (donor) poskytne
„přebytečné“ elektrony jiné
molekule (akceptor), které se
„nedostávají“
(volné páry O, N
a σ* orbitaly N-H)
![Page 39: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/39.jpg)
interakce multipólové
Multipól – něco, co má „multi“náboj
Monopól – ion
Dipól – molekula s oběma typy
nábojů (+ a –)
![Page 40: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/40.jpg)
interakce náboj-náboj
• částice se stálým nábojem
(ionty)
• klasická elektrostatika
(Coulomb)
+ +
r
energie ~ 1/r
![Page 41: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/41.jpg)
interakce náboj-dipól
• částice se stálým nábojem (ion)
a bez náboje, ale elektricky
nevyvážená (polární)
• klasická elektrostatika
r+
(
+
)
(–)
energie ~ 1/r2
![Page 42: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/42.jpg)
interakce dipól-dipól
• částice bez náboje, ale
elektricky nevyvážené (polární)
• klasická elektrostatika
r
(
+
)
(–)
(
+
)
(–)
energie ~ 1/r3
![Page 43: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/43.jpg)
interakce ion-indukovaný dipól
• ion elektricky rozhodí původně
nepolární molekulu = indukuje dipól
• klasická elektrostatika
r
+(+
)(–)
energie ~ 1/r4
![Page 44: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/44.jpg)
interakce dipól-indukovaný dipól
• dipól elektricky rozhodí původně
nepolární molekulu = indukuje dipól
• klasická elektrostatika (Debye)
r
(+
)(–)
energie ~ 1/r6
(
+
)
(–)
![Page 45: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/45.jpg)
tepelný pohyb a interakce dipól-dipól
• slabé elektrostatické interakce
„narušuje“ tepelný pohyb
• klasická elektrostatika + Brownův
pohyb/Boltzmann
• kompromis mezi náhodným a
uspořádaným rozmístěním (Keesom)
energie ~ 1/r6
![Page 46: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/46.jpg)
vodíkový můstek
• zvláštní případ elektrostatické
interakce
• důsledek struktury vodíkového atomu:
![Page 47: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/47.jpg)
vodíkový můstek
• elektronová hustota vodíkového
atomu je už tak nízká
• a vazba vodíku na atom jako je N, O,
F ji ještě snižuje
• překryvové repulze jsou oslabeny a
jiné atomy se mohou přiblížit na ca
0,2 nm
![Page 48: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/48.jpg)
vodíkový můstek
• pak je možná silná elektrostatická
interakce zejména s atomy s vysokou
elektronovou hustotou (N, O, F)
• která se vyznačuje i směrovostí
O H
O
![Page 49: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/49.jpg)
vodíkový můstek – směrovost
dipolární
elstatic.
součet
![Page 50: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/50.jpg)
vodíkový můstek
• zásadní význam pro bio
• H. CON
• slabší než kovalentní, ale převáží
tepelný pohyb v bio stabilní
• voda! + hydrofobní efekt
• stabilizace biostruktur, molekulární
rozpoznávání
![Page 51: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/51.jpg)
disperzní interakce
• kvantově mechanická podstata
• kvantová mechanika dipólu
• ani u nepolárních molekul není náboj
jádra atomu a jeho elektronů přesně
a ve všech směrech vyvážen
• struktura atomu tak zakládá existenci
stálého, časově proměnného dipólu
![Page 52: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/52.jpg)
disperzní interakce
![Page 53: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/53.jpg)
disperzní interakce
• vždy a všude, přitažlivé
• např. příčina koheze kapalin, tuhých
látek
• aditivita, malá selektivita
• London
energie ~ 1/r6
![Page 54: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/54.jpg)
van der Waalsovy síly
Souhrnné označení pro „pánské“
interakce:
• Debye + Keesom + London
• přitažlivé síly
![Page 55: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/55.jpg)
interakce a koloidní částice
• koloidní částice jsou tvořeny mnoha
molekulami
• i když stále výrazně menším počtem
než tělesa makroskopická
• mezimolekulové interakce se pak
„v nich sčítají“
![Page 56: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/56.jpg)
interakce a koloidní částice
• sčítání mezimolekulových interakcí
mění jejich dosah
• např. disperzní interakce:
energie ~ 1/r6
energie ~ 1/r2
MEZIMOLEKULOVÉKOLOIDNÍ
![Page 57: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/57.jpg)
interakce, koloidy a elektrolyty
• koloidní částice mohou být nabité
• a podstatou (téměř všech) interakcí
je elektrostatika
• koloidní částice jsou rozptýleny v
disperzním prostředí
![Page 58: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/58.jpg)
interakce, koloidy a elektrolyty
• a disperzní prostředí může ovlivňovat
elektrostatické pole kolem částic
• zejména pokud je polární, obsahuje
elektrolyty (ionty)
• dielektrikum
![Page 59: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/59.jpg)
interakce, koloidy a elektrolyty
COULOMB
![Page 60: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/60.jpg)
interakce, koloidy a elektrolyty
• se ve vodném prostředí rozpadají na
ionty
• které dále mohou interagovat s
koloidními částicemi
ELEKTROLYTY
![Page 61: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/61.jpg)
interakce, koloidy a elektrolyty
Např. NaCl
+
![Page 62: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/62.jpg)
•••
![Page 63: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/63.jpg)
Asociativní koloidy jsou hlavní
inspirací pro nanobiotechnologie
základy asociace, agregace
Koloidní částice je vytvářena
shlukováním molekul vyvolaným
interakcemi (s prostředím i mezi
oněmi molekulami)
![Page 64: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/64.jpg)
základy asociace, agregace
Ve vodném prostředí asociují
molekuly, které obsahují souvislé
hydrofobní části
kompromis mezi fázovou separací a rozpuštěním
![Page 65: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/65.jpg)
základy asociace, agregace
Vzniká stabilní útvar – micela
(koloidní částice) – uvnitř hydrofobní,
na povrchu hydrofilní
může a nemusí být kulová
![Page 66: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/66.jpg)
tvar micely
Tvar určuje („geometrická“)
struktura molekuly:
(délka, objem, plocha)
![Page 67: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/67.jpg)
tvar micely
...takže koule:
![Page 68: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/68.jpg)
další tvary agregátů
Přehled:
![Page 69: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/69.jpg)
Amfifily typu válečku
dvojvrstvy, membrány
dutina
![Page 70: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/70.jpg)
Bio: hlavně fosfolipidy a glykolipidy...
dvojvrstvy, membrány
![Page 71: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/71.jpg)
...ale také malá polární část
dvojvrstvy, membrány
monoglycerid
nebo mastný alkohol či
kombinace + a –
![Page 72: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/72.jpg)
srovnání vlastností
Vlastnost Micelární útvary Dvojvrstvy
rozpustnost monomeru
ca 10–2 mol/l 10–5 – 10–10 mol/l
střední doba výměny monomeru
10–3 – 10–6 s 102 – 10–3 s
střední doba života asociátu
10–1 – 10–3 s dny až roky
směrovost struktury všechny směry rovnocenné
podélná difúze rychlá, příčné překlápění pomalé
charakter asociace dobře definované útvary při definované kritické koncentraci
základní strukturní jednotka může tvořit různé výsledné útvary
![Page 73: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/73.jpg)
další vlastnosti dvojvrstev
Uspořádanost řetězců (kapalně)
krystalická struktura
L L
P
![Page 74: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/74.jpg)
funkce biodvojvrstev
• bariéra transportu (difúzi) malých
molekul (ionty, cukry, metabolity) i
makromolekul (nukleové kyseliny,
bílkoviny, polysacharidy)
• specifické prostředí pro rozpuštění
speciálních biomolekul, zejména
membránových bílkovin
![Page 75: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/75.jpg)
funkce biodvojvrstev
• vnitřní organizace buněk
(membrány organel uvnitř buněk)
• difúze malých molekul ca 10 μm/s
(ca rozměr buněk)
• tloušťka membrány ca 3-4 nm
potlačuje difúzi např. iontů
![Page 76: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/76.jpg)
bílkoviny a membrány
• 25-75% hmotnosti membrány
+ + + + +
Vzájemné interakce
![Page 77: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/77.jpg)
bílkoviny a membrány
• lipoproteiny a glykoproteiny
• fixace struktury
• ochranná sacharidová vrstva
(reakce cukrů s bílkovinami)
• solubilizace enzymů
![Page 78: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/78.jpg)
•••
![Page 79: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/79.jpg)
NANOBIOTECHNOLOGIE
≈ inspirace přírodou a jejími
koloidy/nanostrojky
nanobiotechnologie
biotechnologie v nanoměřítku
![Page 80: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/80.jpg)
Právě v každém pracuje ca 10 tisíc
nano(bio)struktur...
nano(bio)technologie – zvláštnosti
...
• Ani gravitace ani setrvačnost
• Atomy!
• Tepelný pohyb!!
• Vyžadují vodné prostředí
![Page 81: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/81.jpg)
Co potřebuje každá technologie?
nano(bio)technologie – pilíře
• Základní stavební prvky (materiál,
z čeho)
• Postupy konstrukce, vytváření (jak)
• Prostředky konstrukce (čím tvořit,
spojovat, konstruovat)
• Funkční principy (jak to bude
pracovat)včetně regulace
![Page 82: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/82.jpg)
Čtyři základní (molekulární) kameny:
nanobiotechnologie – základní prvky
1. Bílkoviny
2. Nukleové kyseliny
3. Lipidy
4. Polysacharidy
bio „nanostrojky“
![Page 83: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/83.jpg)
• Univerzální strukturní prvek
• Tvoří nanostruktury, nanosenzory,
„nanostrojky“
• Řetězce aminokyselin, poskládané
do specifických struktur
• Tuhá amidová vazba s planární
konformací
bílkoviny
![Page 84: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/84.jpg)
• Dvě základní, stabilní konformace:
α-šroubovice, β-plát s minimem
překryvů a maximem H-vazeb mezi
vystrčenými amidovými atomy
• Rozmanitost bočních řetězců dělá
z bílkovin strukturní materiál (glycin
nemá = ohebný, prolin = tuhá smyčka,
alanin = docela tuhý hydrofob)
bílkoviny
![Page 85: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/85.jpg)
Vaječný bílek:
• koncentrovaný koloidní roztok
bílkoviny
• viskózní charakter
• zahřátím denaturuje (neprůhledný)
• vysušením se získá ve vodě
rozpustný prášek
bílkoviny
![Page 86: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/86.jpg)
• Řetězce nukleotidů
• Mnohem ohebnější mnohem více
konformací
• Základem 4 chemicky podobné
báze, ale liší se H-můstkovými
interakcemi
• Informační médium bionanoúrovně
nukleové kyseliny
![Page 87: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/87.jpg)
• Vytvářejí infrastrukturu agregací
malých molekul amfifilní struktury
• Membrány a globule
• Neprostupné pro ionty a velké
polární molekuly
• Uhlíkaté molekuly, včetně
ethanolu, pronikají snadno
lipidy
![Page 88: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/88.jpg)
• Specializované strukturní úkoly
• Nejvíce molekulárně heterogenní
• Široká variabilita struktur
polysacharidy
![Page 89: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/89.jpg)
• Vysoký obsah OH skupin
• Mohou interagovat s vodou a oddělovat jednotlivé řetězce gelovité struktury ochraňující buňky
• Mohou propojovat jednotlivé řetězce a tvořit pevné struktury nebo zásobárny energie
polysacharidy
![Page 90: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/90.jpg)
1. Kovalentní syntéza
• klasická chemická syntéza malých
molekul (vitamín B12)
• rozmanitost výsledku (do ca stovek
atomů)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 91: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/91.jpg)
2. Kovalentní polymerace
• spojování základní jednotky do
lineárních nebo rozvětvených řetězců
• mohou se tvořit obrovské, ale dané
makromolekuly (PE, DNA)
• enzymy umožňují jemné „biosyntézy“
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 92: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/92.jpg)
3. Samoorganizující syntéza
• spojování základní jednotky pomocí
nekovalentních vazeb
• např. kapalné krystaly nebo krystaly
cukrů či bílkovin
• např. micely nebo dvojvrstvy
• oblíbená v současných nanotechno-
logiích (nanokuličky, nanokompozity)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 93: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/93.jpg)
(3. samoorganizující syntéza)
• výsledná struktura je energetické
minimum interakcí
• termodynamická stabilita (podmínky)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 94: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/94.jpg)
4. Samosložení
• spontánní skládání molekul do
strukturovaných, stabilních agregátů
pojených nekovalentními vazbami
• např. skládání proteinů nebo
globulárních jednotek do definovaných
řetězcových komplexů
• termodynamické minimum
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 95: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/95.jpg)
(4. Samosložení)
• neexistuje na makroúrovni (auto)
• modularita (velké struktury z
identických modulů)
• jedinečné interakce mezi jednotkami
(vyloučení nežádoucího „křížení“,
např. vedlejší účinky „malých“ léčiv)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 96: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/96.jpg)
(4. Samosložení)
• specifická geometrie interakcí, pomocí tvarování povrchu (struktury definované geometrie)
• spontaneita (hledá termodynamické minimum, není nutná vnější informace, konstrukční plán)
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 97: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/97.jpg)
(4. Samosložení - příklady)
• nanotrubičky z cyklických peptidů
• vodíkové vazby nad a pod kruhem
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 98: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/98.jpg)
(4. Samosložení - příklady)
• kanál řízen počtem aminokyselin (8/0,45 nm; 10/0,9 nm)
• hydrofobní/filní aminokyseliny regulují interakce s membránou – membránové rafty pomocí střídajících se pruhů
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
![Page 99: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/99.jpg)
(4. Samosložení - příklady)
• rotoxany
• nanopohyb řízený elektrostaticky
nanobiotechnologie – konstrukční postupy
zásaditý roztok
kyselý roztok
![Page 100: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/100.jpg)
• Organické molekuly jsou stavebním
materiálem dodávajícím definovanou
strukturu a geometrii kovalentními
vazbami a
• umožňujícím různé způsoby
nevazebných interakcí s různou silou
• Disperzní a repulzní interakce definují
prostorové uspořádání molekul
nanobiotechnologie – konstrukční prostředky
![Page 101: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/101.jpg)
• Vodíkové můstky a elektrostatické
interakce dodávají specificitu a
stabilitu
• Hydrofobní efekt stabilizuje kompaktní
agregáty uhlíkových molekul ve
vodném prostředí
nanobiotechnologie – konstrukční prostředky
![Page 102: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/102.jpg)
1. Nanoinformatika
• Každá technologie potřebuje informace řídící syntézu výsledného produktu z výchozích surovin
• Informace uložena v DNA (výstavba bílkovin) – buňky
• Nanostrojky pro ukládání, redigování, kopírování, opravu
nanobiotechnologie – funkční principy
![Page 103: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/103.jpg)
2. Energetika
• Síla (energie) usměrňující proces žádaným směrem
a) Tvoření chemických vazeb – a rušení jiných – (chemická energie)
b) Pohlcování světla – fotochemie, fotofyzika (světelná energie)
nanobiotechnologie – funkční principy
![Page 104: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/104.jpg)
(2. Energetika)
c) Spojení oddělených nábojů (elektrická energie)
• Makro – obvykle teplo ve velkém množství (spalovací motory)
• Nano – teplo rychle rozptýleno, energie v malých dávkách
nanobiotechnologie – funkční principy
![Page 105: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/105.jpg)
(2. Energetika)
• Propojením dvou procesů – hnacího a hnaného (např. syntéza ATP)
• Žene buď „neochotnou“ chemickou reakci, nebo usměrněný pohyb
nanobiotechnologie – funkční principy
![Page 106: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/106.jpg)
(2. Energetika – ad chemická energie)
• ATP je oblíbená „palivová“ molekula
• Nestabilní, oddělení fosfátu (P) je snadné, ale jeho vazba není „energetická konzerva“
• Energie je schována v celé sloučenině a její reakci – energie výchozích látek je vyšší než produktů
nanobiotechnologie – funkční principy
![Page 107: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/107.jpg)
(2. Energetika – ad chemická energie)
• Ne pouhé štěpení vazby, ale její hydrolýza – vazby nejen zanikají, ale i vznikají, a tím se energie uvolňuje
nanobiotechnologie – funkční principy
• Hydrolýza na ADP: Ao = 30 až 50 kJ/mol
• fosforylace glukosy: Ao = –14 kJ/mol
• Hlavní příčinou nižší energie produktů hydrolýzy je zřejmě jejich solvatace = hydratace; význam vody (dielektrikum)!!
![Page 108: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/108.jpg)
3. Chemické přeměny
• Bio – vysoká specificita enzymy
nanobiotechnologie – funkční principy
Příklad – izomerasa TPI (triosa-fosfát)
velký dimer identických jednotek
substrát
![Page 109: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/109.jpg)
(3. Chemické přeměny - příklad)
nanobiotechnologie – funkční principy
fosforečnan substrátu interaguje
s aminokyselinami enzymu
lysin stabilizuje přechodový stav reakce
![Page 110: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/110.jpg)
(3. Chemické
přeměny - příklad)
nanobiotechnologie – funkční principy
podstata izomerace – přesun dvou vodíkových atomů
![Page 111: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/111.jpg)
(3. Chemické přeměny)
• Souhra, ne boj, mezi interakcemi a náhodným pohybem (konfigurací) – mezi entalpií a entropií
nanobiotechnologie – funkční principy
• Náhodný pohyb uprostřed interakcí
![Page 112: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/112.jpg)
4. Regulace
• Řízení a ovládání nanostrojků
• Silou (dodávání/vypnutí energie), přepínáním (Zap/Vyp), fyzickou zábranou – podobně jako v makro-
• Např. kovalentní modifikace nebo štěpení blokující vazby
nanobiotechnologie – funkční principy
![Page 113: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/113.jpg)
•••
![Page 114: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/114.jpg)
nakonec – příklady
doprava
![Page 115: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/115.jpg)
nakonec – příklady
nanoelektronika
![Page 116: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/116.jpg)
nakonec – příklady
senzorika
podnět
![Page 117: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/117.jpg)
nakonec – příklady
buňka =
nanotovárna
![Page 118: Základní principy nanotechnologií](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022062517/56813de0550346895da7b177/html5/thumbnails/118.jpg)
DÍKY
ZA...
...VYSLECHNUTÍ