Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAVI
Predavanje 4
Gradivni blokovi i tehnike slaganja I dio
Funkcionalni materijali – primjeri
Integrirani kemijski (nano)sustav gradivni blokovi, kemijska reakcija, funkcija sustava
kemijska reakcija
Sastavni dijelovi IKS-a (gradivni blokovi) strukturno su povezani i zahvaljujući svojim svojstvima omogućavaju krajnju funkciju IKS-a. Prisjetite se kloroplasta kao biološkog integriranog sustava, ili biosenzora za glukozu, i definirajte njihove osnovne gradivne blokove (materijale).
IZVEDBA IKS – slaganje gradivnih blokova
• Definirati značenje „gradivnog bloka“ u kontekstu pojma integrirani kemijski sustav (IKS)
• Identificirati različite vrste „gradivnih blokova“ (funkcionalnih materijala) molekule, supermolekule, polimere, nanostrukture u okviru integriranog kemijskog sustava
• Povezati i ilustrirati odnos struktura – svojstvo na razini molekula, supermolekula i nanostruktura
• Identificirati osnovno svojstvo koje proizlazi iz kemijske strukture zadanog „gradivnog bloka“ i objasniti na koji način to svojstvo omogućava funkciju integriranog kemijskog sustava
ISHODI UČENJA PREDAVANJA 4
„If you want to understand function, study structure”
Francis Crick
U prirodnim znanostima pojmovi struktura - svojstvo – funkcija međusobno su povezani i znanstvenici kontinuirano tragaju i istražuju principe na kojima se temelji ta povezanost.
Sadržaj i struktura kolegija
I.6
Uvod u IKS Gradivni blokovi i tehnike izgradnje IKS-a Minijaturizacija & mikrofluidički čipovi
P1- Uvod i definicije
P2- Primjeri IKS-a
P3 - Kemijski senzori i biosenzori
Seminar i-STAT
Seminar Glucose Biosensor
Seminar Wearable chemical sensors
P4- Gradivni blokovi i tehnike slaganja I dio
Funkcionalni materijali – primjeri
P5- Gradivni blokovi i tehnike slaganja II dio
Samo-slaganje molekula i materijala
P6- Gradivni blokovi i tehnike slaganje III dio
Tehnologije mikrosustava
P7- Gradivni blokovi i tehnike slaganja IV dio
Metode kemijske funkcionalizacije IKS
P8-Uvod u mikrofluidiku
P9&10- IKAS Minijaturizacija analitičkih sustava
(Lab-on-a-chip)
P11-IKSS
Mikrofluidička kemijska sinteza
(Plant-on-a-chip)
Z1 analit u krvi (klasični pristup)
Z2 i-STAT kao IKS
Z3 funkcionalni materijali za IKS
S1-S4 Virtualni Lab (Z4 lab reports)
S1 Virtual Lab Quantum Dots
S2 Virtual Lab Prussian Blue thin films
S3 Virtual Lab OLEDs
S4 Virtual Lab Solar Cells
Test 1 (pismeni međuispit – 20 bodova)
S5-S16 (20 bodova)
S5 Solar Cells (DSSC)
S6 Organic Light Emitting Diodes (OLEDs)
S7 Li-ion battery
S8 (Bio)sensors
S9 Bio-microarray fabrication (DNA chip)
S10 Microsystems for drug delivery
S11-S16
S11 Microfluidic platforms
S12 Capillary driven test strips
S13 CE microfluidic chip
S14 Microfluidic immuno-sensor (T-sensor)
S15 Microfluidic synthesis of QD nanocrystals
S16 Organic synthesis on a microfluidic platform
Završni pismeni ispit (40 bodova)
FUNKCIONALNI MATERIJALI atomska i/ili molekulska i/ili nano struktura - svojstva funkcionalnih materijala
(structure-property relationship)
GRADIVNI BLOKOVI višeg stupnja složenosti
od supramolekulskih tvorevina do nanostrukturiranih materijala
Principi supramolekulske kemije Samo-organizacija materijala
INTEGRIRANI KEMIJSKI SUSTAV – funkcionalna cjelina
Mikrosustavi i nanosustavi (elektronički, mehanički, elektromehanički) i kemijska funkcija
Tehnike mikroproizvodnje (IC, MEMS) Kemijske funkcionalizacija mikro i nanosustava
P4
P5
P6 i P7
FUNKCIJA materijala VRSTE materijala, uočiti odnos struktura -svojstvo
podloga metali, polimeri, membrane, gline, zeoliti
katalizatori metali, metalni oksidi, organometalni spojevi, enzimi, modificirani enzimi, katalitička antitijela
prijenosnici naboja i medijatori prijenosnici elektrona (redoks parovi, elektronski vodljivi polimeri); prijenosnici protona i ostalih iona (kiselo-bazni parovi, polielektroliti, ionski vodljivi polimeri)
reagensi za kovalentno povezivanje blokovi za click kemiju, silani, cyanuric chloride (cijanurični klorid)
foto-osjetljivi centri anorganski poluvodiči, pigmenti, organski i organo-metalni senzibilizatori (sensitizers)
elektroaktivni centri redoks parovi
(bio)kemijski osjetljivi centri biološki receptori (antitijela, enzimi, DNA), organski ligandi selektivni metalnim ionima ili molekulama, ionofori
Funkcionalni materijali u IKS - primjeri
Primjeri iz zadaće Z3 poslužit će za ponavljanje struktura i svojstava funkcionalnih materijala s kojima ste se upoznali u dosadašnjem studiranju, kao i definiranje njihove uloge u odabranom IKS-u. Vaš je zadatak bio povezati materijal s IKS-om po izboru i definirati mu strukturu, svojstvo i funkciju unutar IKS-a.
PRIMJERI FUNKCIONALNIH MATERIJALA
Materijali su podijeljeni u šest skupina sličnih karakteristika:
conducting materials
conducting polymers
graphene
polyaniline
PEDOT/PSS
polyelectrolytes
ionomers
ionic liquids
PAA
Nafion
hydrogel
elastomers PDMS
inorganic polymers sol-gel thin films
zeolites
PRIMJERI FUNKCIONALNIH MATERIJALA
redox and photosensitive centers
Prussian Blue
Ruthenium (II) complexes
inorganic semiconductors
• nanostructured
indium-tin oxide (ITO)
TiO2 nanotubes
Co3O4 nanowires
CdSe quantum dots
surfactants
alkanethioles octanethiol
receptors (macro)molecules
Cyclodextrins
Enzyme uricase
Antibodies
DNA/RNA
Ionophore
Hyaluronic acid
Molecularly imprinted polymers (MIPs)
• MATERIJALI GRADIVNIH BLOKOVA
• odabrani primjeri - vodljivi polimeri, anorganski poluvodiči, bio-receptori, zeoliti, površinski aktivne tvari, ionofori, elektroaktivni i foto-osjetljivi centri, etc.
• Ponovit ćemo neke osnovne modele pomoću kojih se mogu tumačiti povezanost kemijske strukture na molekulskoj razini sa svojstvima materijala
(structure – property relationships)
• nanomaterijali su posebno važni gradivni blokovi u IKS-u zbog specifičnih svojstava i kompatibilne veličine s nanosustavima
14
Teorija elektronske vrpce čvrstih tvari i MO
QSE – Quantum Size Effects
Elektronska struktura materijala - spektroskopska svojstva – vodljivost
type of material examples properties ICS with this material
function in ICS
conducting materials
conducting polymers
graphene
polyaniline
PEDOT/PSS
polyelectrolytes
ionomers
ionic liquids
PAA
Nafion
hydrogels
elastomers
PDMS
Graphene and its descendants: top right: graphene; top left: graphite = stacked graphene; bottom right: nanotube=rolled graphene; bottom left: fullerene=wrapped graphene
GRAFEN
https://youtu.be/EX8ClPVkD1g
In October 2010 the Nobel Prize for Physics was won by Andre Geim and Constantin Novoselov at Manchester University for their work on graphene "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene" but if you are left wondering just what graphene is then watch this video. How to make graphene with a pencil and sticky tape with Dr. Jonathan Hare.
The Nobel Prize in Physics 2010 Andre Geim, Konstantin Novoselov
The Nobel Prize in Physics 2010 was awarded jointly to Andre Geim and Konstantin Novoselov "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"
GRAFEN
Andre Geim received an Ig Nobel Prize in 2000
levitation of a small frog with magnets
http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/the-story-of-graphene/a-discovery-at-manchester/
• vodljivi polimeri (elektronska vodljivost)
MOLEKULSKA STRUKTURA BROJ KONJUGIRANIH VEZA– UTJECAJ NA SVOJSTVA MOLEKULA
Dopiranje polimera – postizanje el. vodljivost (oksidacijom, redukcijom, elektrokemijski ...)
• Vodljivi polimeri – polianilin – PANI
Prijelaz iz izolatorskog u vodljivo stanje bez promjene broja elektrona, unutarnjom redoks reakcijom.
p-dopiranje PANI protonacijom
• Vodljivi polimeri – PEDOT Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
slaba topljivost!
• polimeri – razlike i sličnosti: ionski vodiči i elektronski vodiči
polistiren sulfonat (PSS)
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonic acid)
(PEDOT:PSS)
poly(sodium styrene sulfonate) PSS
polyacrylic acid, PAA
• Polyelectrolytes
(Nafion)
• Ionomers
Yeager, H. J.; Eisenberg, A. in: Perfluorinated Ionomer Membranes; eds. A. Eisenberg and H. L. Yeager, ACS Symp. Ser. No.180, (American Chemical Society: Washington, DC, 1982) pp. 1-6, 41-63.
3 Phase Model of Nafion: A- fluorocarbon B-interfacial zone C-ionic clusters
• polielektroliti i ionomeri - Nafion
- elektroliti sa svojstvima polimera (viskoznost!)
- transport iona kroz membranu
• Ionic liquids (semi-organske soli , tališe ispod 100 °C)
• Polydimethylsiloxane PDMS
• soft litography • microfluidics
• Elastomers
surfactants
alkanethioles
octanethiol
Self-assembled monoleyers (SAMs)
type of material examples properties ICS with this material function in ICS
• površinski aktivne tvari (surfaktanti)
Z3 – surfactants, alkanethiols
Samo-organizirajući slojevi (Self-assembled monolayers, SAMs)
alkantiol
• površinski aktivne tvari i njihove strukture
micelle
inverted micelle
liposome (vezikula)
type of material examples properties ICS with this material function in ICS
inorganic polymers
sol-gel thin films
zeolites
• sol-gel materijali silicate sol-gel, sol-gel thin film
http://bib.irb.hr/datoteka/316676.355.pdf
Shema kondenzacije hidroliziranih silicijevih alkoksida: I. kondenzacija monomera u cikličke strukture, II. nastajanje trodimenzijskih SiO2 čestica, III. rast SiO2 čestica, IV. povezivanje čestica u trodimenzijsku neprekinutu mrežu, gel
• zeoliti zeolites
• mikroporozni aluminosilikatni minerali
• ionsko-izmjenjivačka svojstva
• veličina pora definira svojstva
Database of Zeolite Structures
Cancrinite |Na+6 Ca2+ CO3
2- (H2O)2| [Al6Si6 O24]-CAN
type of material examples properties ICS with this material
function in ICS
Redox and photosensitive centers
Prussian Blue
Ruthenium (II)
complexes
OBLIK I STRUKTURA MOLEKULA – SPEKTROSKOPSKA SVOJSTVA - BOJA
E = h ν
HOMO - Highest Occupied Molecular Orbital LUMO - Lowest Unoccupied Molecular Orbital
OBLIK I STRUKTURA MOLEKULA – SPEKTROSKOPSKA SVOJSTVA - BOJA
E = h ν
E = h ν
OBLIK I STRUKTURA MOLEKULA – SPEKTROSKOPSKA SVOJSTVA - BOJA
OBLIK I STRUKTURA MOLEKULA – SPEKTROSKOPSKA SVOJSTVA - BOJA
KROMOFORI
OBLIK I STRUKTURA MOLEKULA – SPEKTROSKOPSKA SVOJSTVA - BOJA
PRIMJER: Izračunajte približnu energiju između HOMO – LUMO orbitala beta-karotena na temelju apsorpcijskog spektra.
E = h ν
Zašto je narančaste boje?
Molecular electronic transitions and optical properties
Excitation - relaxation
Excitation (photon) – relaxation (non-radiative)
percepcija boje?
Jablonski diagram - ChemWiki
Excitation (photon) – relaxation (non-radiative and photon!)
Excitation (photon) – relaxation (non-radiative and photon!)
• Prussian Blue (Berlinsko modrilo) [Fe4[Fe(CN)6]3] • prijelaz elektrona između Fe(II) i Fe(III) iona odgovoran za boju!
[Fe4[Fe(CN)6]3] elektrokromizam!
• Ruthenium (II) complexes tris(bipyridyl)ruthenium(II) complex ion
https://photochemistry.wordpress.com/tag/dye-sensitized-solar-cells/
Light absorption in d-block (octahedral) complexes resulting in from left: metal centred transition (MC), ligand to metal charge transfer (LMCT), metal to ligand charge transfer (MLCT) and ligand-ligand transition (L-L)
Inorganic Photochemistry
type of material examples properties ICS with this material
function in ICS
inorganic semiconductors
• nanostructured
indium-tin oxide (ITO)
TiO2 nanotubes
Co3O4 nanowires semiconductor, large capacity at low potential, reversible
Li-ion battery anode material
CdSe quantum dots
• anorganski poluvodiči (ponoviti svojstva)
• Z3 – (quantum dots, CdSe, CdS, TiO2 , ITO electrode)
• Si, Ge, elementarni
• GaN, GaP, GaAs, InP, InAs (III-V)
• ZnO, ZnS, CdS, CdSe (II-VI)
• TiO2 i WO3
• dopiranje, n-tip i p-tip poluvodiča (impurities!)
• energijske vrpce
• Eg
Fermijev nivo
izolator poluvodiči vodiči
Struktura vrpce vodiča, poluvodiča, izolatora
• ITO – indium-tin-oxide electrodes In - Sn oxide
ITO apsorpcijski spektar
ITO – prozirni vodljivi materijal (el. vodljivo staklo!)
Top: Light of energy exceeding band gap results in charge separation, with electron reducing a donor (usually oxygen) and hole oxidising a donor (usually water); bottom: summary of processes occuring. Image based on Bahnemann (2004).
Semi-conductor photocatalysis | The Photochemistry Portal
• TiO2 nanoparticles
•TiO2 photoinduced charge separation
71
Z3 Co3O4 nanowires
Tunneling Electron Microscope (TEM) image of virus-templated Co3O4 nanowires. “Virus-Enabled Synthesis and Assembly of Nanowires for Lithium Ion Battery Electrodes.” Nam et al, Science, 12 May 2006 Vol 312 p 886.
Kvantne točke • svojstva su posljedica kvantnih efekata na nanorazinama • (QSE – Quantum Size Effects)
QSE – Quantum Size Effects
type of material
examples properties ICS with this material
function in ICS
Receptors & (macro)molecules
Cyclodextrins
Hyaluronic acid
Enzyme uricase
Antibodies
DNA/RNA
Ionophore
Molecularly imprinted polymers (MIPs)
78
• ciklodekstrini Z3 cyclodextrins
“host –guest” interakcija
• bio-receptori (molekulsko prepoznavanje)
• enzimski sustavi
• Z3 Enzyme, uricase
https://www.khanacademy.org/science/biology/energy-and-enzymes/introduction-to-enzymes/a/enzymes-and-the-active-site
• antitijelo-antigen (imuno sustavi)
Z3 antibody
Antibody, also called immunoglobulin, a protective protein produced by the immune system in response to the presence of a foreign substance, called an antigen. Antibodies recognize and latch onto antigens in order to remove them from the body. A wide range of substances are regarded by the body as antigens, including disease-causing organisms and toxic materials such as insect venom.
https://www.britannica.com/science/antibody
• bio-receptori (molekulsko prepoznavanje)
• DNA, RNA
• ionofori, ion-carriers
nonactin – ionophore for NH4+
IONOFORI
Valinomicin – prirodni antibiotik koji selektivno kompleksira K+
• ionofori (ionophores, ion-carriers)
Krunski eteri (crown ethers):
- stvaraju komplekse s metalnim kationima
• umjetni receptori
(Z3 molecularly imprinted polymers, MIPs)
Na Virtual Lab seminarskim prezentacijama (S1-S4) bavit ćemo se sljedećim gradivnim blokovima ...
Video Lab Manual
• Nanokristalima poluvodiča (CdS, TiO2)
• Tankim filmovima elektroaktivnih i optički aktivnih centara (Berlinsko modrilo, rutenijevi kompleksi)
• Vodljivim polimerima u optoelektroničkim i fotonaponskim uređajima
• .......