Fizyka i chemia nanomateriałów cz.1 i cz. 2 Kierunek studiów: Mikro i nanotechnologia
Kod programu: 03-S1MN19.2019

W ramach wykładów przedstawione zostaną następujące zagadnienia: Część I – Fizyka nanomateriałów 1. Wprowadzenie do fizyki nanostruktur i nanomaterialów a. Nanotechnologie i nanomateriały b. Ogólna klasyfikacja nanoukładów c. Metody dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego, elektronów i neutronów d. Dyfrakcja na nieograniczonych przestrzennie obiektach e. Dyfrakcja na obiektach ograniczonych przestrzennie f. Ograniczenia metod dyfrakcyjnych g. Nieuporządkowanie termiczne i statyczne h. Rozpraszanie przez układy strukturalnie nieuporządkowane – funkcja korelacji par atomów – definicje, metody wyznaczania i interpretacja 2. Metody analizy nanostruktur - techniki skanujące a. Zjawisko tunelowania w układzie przewodząca igła przewodząca powierzchnia. Standardowy model Tersoffa-Hamanna dla małych i dużych napięć tunelowych b. Podstawy teorii mikroskopii sił atomowych. Stała Hamakerra. c. typy mikroskopów SPM i obszary fizyki chemii biologii, medycyny oraz inżynierii materiałowej w których mikroskopy tego typu znalazły swoje zastosowanie. d. Konstrukcja typowego mikroskopu STM, rozdzielczość, stabilność i ograniczenia w pomiarach prowadzonych techniką STM. e. Podobieństwa i różnice w budowie mikroskopu sił atomowych względem konstrukcji STM. f. Przedstawienie dominującej roli metod mikroskopii sił atomowych we współczesnych badaniach właściwości powierzchni z rozdzielczością atomową. g. Mikroskopia AFM do badań lokalnego przewodnictwa elektrycznego (tzw. metod LC-AFM), wykorzystywana w analizie procesów przełączania rezystywnego w nano-obszarach. 3. Nanoelektronika a. Cienkie warstwy b. Struktura atomowa powierzchni, opis, metody badania c. Wybrane metody wytwarzania cienkich warstw, przykłady badań cienkich warstw d. Układy wielowarstwowe e. Struktura elektronowa w materii o zredukowanych wymiarach f. Badania struktury elektronowej g. Specyfika cienkich warstw metalicznych h. Wybrane własności magnetyczne cienkich warstw 4. Kropki kwantowe, nanoprzewodniki, lasery półprzewodnikowe, nanopowierzchnie. 5. W ramach zajęć laboratoryjnych wykonywane będą ćwiczenia mające na celu zapoznanie studentów z zagadnieniami poruszanymi w trakcie wykładu w tym szczególnie zakresu nanoelektroniki oraz wykorzystaniem mikroskopii AFM do badań lokalnego przewodnictwa elektrycznego i przełączania rezystywnego w nano-obszarach. W trakcie zajęć student na podstawie wiedzy uzyskanej na wykładzie oraz samodzielnej pracy będzie w stanie wyznaczyć charakteryzować wybrane przez prowadzącego nanomateriały. Część II – Chemia nanomateriałów 1. Rodzaje materiałów węglowych. Klasyfikacja nanomateriałów węglowych (1D, 2D i 3D). Sposoby charakteryzacji. Geometryczne i topologiczne podstawy budowy nanostruktur. Podstawowe własności nanostruktur węglowych a. Fulereny - historia odkrycia, metody syntezy, właściwości chemiczne oraz fizyczne, zastosowanie, orbitale molekularne i klasyfikacja fulerenów, Struktura elektronowa fulerenów b. Nanorurki węglowe - historia odkrycia, metody syntezy, rodzaje niejednorodności,własności elektryczne i magnetyczne nanorurek, Prądy trwałe w nanorurkach i nanotorusach, układy mieszane np. przykład nanorurki zawierające fulereny,nanorurki zawierające nanoczątki, właściwości chemiczne oraz fizyczne, zastosowanie. c. Grafen – historia odkrycia. metody syntezy, właściwości chemiczne oraz fizyczne, zastosowanie. 2. Inne materiały węglowe (nanorogi, nanopianki, nanoślimaki, pęki nanorek, nanoprzewodniki, nanonici, nanocebulki itd.), Sposoby otrzymywania. Zastosowanie. 3. Perspektywy rozwoju badań nad nanomateriałami porowatymi/nieporowatymi. 4. Rodzaje materiałów niewęglowych, ich klasyfikacja i możliwości ich wykorzystania. a. Podstawy chemii metaloorganicznej. Chemia metaloorganiczna na powierzchni. b. Reakcje hydrosililowania, metatezy, sililującego sprzęgania i Heck'a. c. Sposoby charakteryzacji materiałów niewęglowych d. Praktyczne aspekty. e. Perspektywy zastosowań 5. Nanokompozyty i nanotechnologia polimerów a. Blokowe kopolimery. b. Kontrolowana polimeryzacja rodnikowa - (CRP). c. Polimeryzacja z przeniesieniem atomu (ATRP). d. Polimeryzacja w emulsji wodnej. e. Architektura nanomateriałów (polimerów i kompozytów) otrzymywanych metodą CRP. f. Polimery bio- degradowane, biokompozyty. g. Wytwarzanie cienkich warstw organicznych - wytwarzanie warstw polimerów i koloidów metodą spin coating, wytwarzanie wielowarstw organicznych 6. Nanokataliza, powłoki fotokatalityczne, ogniwa fotoelektrochemiczne. a. Składniki katalizatora i ich funkcje b. Kataliza na nanocząstkach c. Nanocząstki koloidalne stabilizowane surfaktantami jako prekursory nanokatalizatorów. d. Metody preparatyki nanokatalizatorów e. Nośniki tlenkowe i węglowe stosowane w nanokatalizatorach f. Metody charakteryzacji struktury i powierzchni właściwej nanokatalizatorów heterogenicznych g. Nośnikowe nanokatalizatory mono- i bimetaliczne h. Katalizatory nanoporowate i. Wybrane reakcje przebiegające z udziałem nanokatalizatorów i ich mechanizmy. 7. Optoelektronika (fotonika) - chemia w telewizji. a. Systemy plazmowe, ciekłokrystaliczne i oparte na organicznych diodach elektroluminescencyjnych. b. Sterowanie barwą. Organiczne materiały elektroluminescencyjne. c. Dendrymery w optoelektronice. d. Ciekłe kryształy w optoelektronice - definicje, struktura chemiczna, zastosowanie e. Metody adresowania wyświetlaczy. f. Modulatory, zawory świetlne, filtry barwy, sprzęgacze laserowe, kryształy fotoniczne. g. Holografia. h. Zastosowanie dyspersji ciekłych kryształów w polimerach. i. Dimery i oligomery ciekłokrystaliczne. j. Polimerowe ciekłe kryształy. 8. Samoorganizujące się nanostrukturalne materiały molekularne oraz urządzenia a. Zasady samoorganizacji b. Wytwarzanie i układanie nanocząstek metodami samoorganizacji - otrzymywanie nanocząstek metodą polimeryzacji micelarnej i pęcherzykowatej funkcjonalizowane nanocząstki, nanocząstkowe kryształy koloidalne, samoorganizujące się nanocząsteczki nieorganiczne c. Nanostruktury tworzone zużyciem szablonu - krzemionka mezoporowata, biomineralizacja, odwzorowanie nanostruktur przez samoorganizację kopolimeru blokowego W ramach zajęć laboratoryjnych wykonywane będą ćwiczenia mające na celu zapoznanie studentów z wybranymi technikami syntezy nanomateriałów węglowych z wykorzystaniem różnych technik. Właściwości tak otrzymanych nanomateriałów węglowych będą badane przy wykorzystaniu podstawowych metod analitycznych/instrumentalnych. W ramach laboratorium będzie przeprowadzana funkcjonalizacja nanorurek węglowych. W trakcie zajęć student na podstawie wiedzy uzyskanej na wykładzie oraz samodzielnej pracy będzie w stanie wyznaczyć podstawowe parametry zbadanych nanomateriałów węglowych.

Podstawowa wiedza z zakresu podstaw fizyki i chemii. Podstawowa wiedza z zakresu fizyki ciała stałego. Podstawowa wiedza z zakresu nanotechnologii. Podstawowa wiedza z zakresu chemicznych i fizycznych metody charakteryzowania materiałów

1. K. Kurzydłowski i M. Lewandowska "Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne” Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011. 2. R.W. Kelsall, I.W. Hamley, M. Geoghegan, Nanotechnologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008. 3. K.Kurzydłowski, M. Lewandowska, W. Łojkowski, “Świat nanocząstek” Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. 4. L.Cademartiri, O. A. Geoffrey, Nanochemia - Podstawowe koncepcje, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2017 5. Nanocharacterisation (A.I. Kirkland, J.L. Hutchison, Eds.), The Royal Society of Chemistry, UK 2007. 6. Springer Handbook of Nanotechnology (B. Bhushan Ed.), Springer Science+Business Media, Inc. 2007, 7. Handbook of Nanoscience, Engineering, and Techmology, Ed. W.A. Goddard, D.W. Brenner, S.E. Lyshevski, CRC Press, 2012. 8. W. Przygocki, Fulereny i nanorurki, WNT, 2001. 9. M. Najbar, Fizykochemiczne metody badań katalizatorów heterogenicznych, Wyd. UJ, 2000. 10. A. Huczko, M. Bystrzejewski, Fulereny 20 lat później, Wyd. UW, 2007 11. Novel Cabron Adsorbents, Ed. J. Tascon, Elsevier, 2012 12. M. Ziółek, I. Nowak, Kataliza heterogeniczna, Wyd. UAM, 1999. 13. D. Vollath, Nanomaterials - An Introduction to Synhesis, Properties and Applications, Wiley-VC,2008. 14. R. Richards: Surface and Nanomolecular Catalysis, CRC Press/Taylor, 2006.