Wstęp do chemii nanomateriałów 0600-MWT-W-WChN

Treści programowe wykładu:
Treści programowe wykładu:
1. Wprowadzenie: Co to jest nanotechnologia i jej zwiazek z nauką: „nano” aspekty fizyczne, chemiczne, biologiczne, medyczne. Wprowadzenie do nanomateriałów - rys historyczny otrzymywania nanomateriałów i obecny stan wiedzy w oparciu o aktualną literaturę naukową. Rodzaje nanomateriałów, ich podstawowe właściwości i stawiane im wymagania. Konsekwencje ich różnorodność. Synteza, zastosowanie i modyfikacje.
2. Rodzaje adsorbentów: wprowadzenie - materiały węglowe (ze szczególnych zwróceniem uwagi na węgle aktywne, sadze, włókna węglowe). Zeolity i materiały typu MCM. MOFy. MIPy. Inne nieorganiczne nanomateriały. Wykorzystanie nanomateriałów w badaniach fizycznych, chemicznych i biologicznych. Perspektywy rozwoju.
3. Rodzaje materiałów węglowych. Formy alotropowe węgla. Klasyfikacja nanomateriałów węglowych (1D, 2D i 3D). Sposoby charakteryzacji (ze szczególnym zwróceniem uwagi na techniki spektroskopowe oraz mikroskopowe).
3a. Fulereny - historia odkrycia. Sposoby syntezy. Rodzaje heterogeniczności. Fuleryty. Właściwości chemiczne oraz fizyczne. Zastosowanie.
3b. Nanorurki węglowe - historia odkrycia. Sposoby syntezy. Rodzaje niejednorodności. Właściwości metaliczne. Układy mieszane, Na przykład nanorurki zawierające fulereny. Lasy nanorurkowe. Właściwości chemiczne oraz fizyczne. Zastosowanie.
3c. Grafen – historia odkrycia. Sposoby syntezy. Nanotechnologia 1D. Właściwości chemiczne oraz fizyczne. Zastosowanie.
3d. Inne materiały węglowe (nanorogi, nanopianki, nanoślimaki, pęki nanorek, nanoprzewodniki, nanonici, itd.). Sposoby otrzymywania. Zastosowanie. Perspektywy rozwoju badań nad nanomateriałami porowatymi/nieporowatymi.
4. Rodzaje materiałów niewęglowych. Ich klasyfikacja. Podstawy chemii metaloorganicznej. Chemia metaloorganiczna na powierzchni. Reakcje hydrosililowania, metatezy, sililującego sprzęgania i Heck'a. Sposoby charakteryzacji (ze szczególnym zwróceniem uwagi na techniki spektroskopowe oraz mikroskopowe). Możliwości ich wykorzystania. Praktyczne aspekty. Perspektywy.
5. Nanofizyka: kropki kwantowe, nanoprzewodniki, lasery półprzewodnikowe, nanopowierzchnie. Nanochemia: nanokataliza, powłoki fotokatalityczne, ogniwa fotoelektrochemiczne. Nanokompozyty i nanotechnologia polimerów, materiały samorganizujące się, nanoklastry. Blokowe kopolimery.
6. Nanokataliza: Składniki katalizatora i ich funkcje. Kataliza na nanocząstkach. Nanocząstki koloidalne stabilizowane surfaktantami jako prekursory nanokatalizatorów. Metody preparatyki nanokatalizatorów. Nośniki tlenkowe i węglowe stosowane w nanokatalizatorach. Metody charakteryzacji struktury i powierzchni właściwej nanokatalizatorów heterogenicznych. Nośnikowe nanokatalizatory mono- i bimetaliczne. Katalizatory nanoporowate. Wybrane reakcje przebiegające z udziałem nanokatalizatorów i ich mechanizmy. Nanostruktury, nanofazy, nanokrysztaly. Wybrane metody badań nanomateriałów.
7. Optoelektronika (fotonika). Chemia w telewizji - systemy plazmowe, ciekłokrystaliczne i oparte na organicznych diodach elektroluminescencyjnych. Sterowanie barwą. Organiczne materiały elektroluminescencyjne. Dendrymery w optoelektronice. Ciekłe kryształy w optoelektronice. Definicje, struktura chemiczna. Zastosowanie niskocząsteczkowych ciekłych kryształów. Metody adresowania wyświetlaczy. Modulatory, zawory świetlne, filtry barwy, sprzęgacze laserowe, kryształy fotoniczne. Holografia. Zastosowanie dyspersji ciekłych kryształów w polimerach. Dimery i oligomery ciekłokrystaliczne. Polimerowe ciekłe kryształy.
8. Polimery. Kontrolowana polimeryzacja rodnikowa - (CRP). Polimeryzacja z przeniesieniem atomu (ATRP). Polimeryzacja w emulsji wodnej. Architektura nano- materiałów (polimerów i kompozytów) otrzymywanych metodą CRP. Polimery bio- degradowane, biokompozyty.
9. Zastosowanie nanotechnologii w medycynie, farmacji, kosmetyce, wojsku (nanokapsukowanie leków, nanosensory chorób nowotworowych, nanosensory poziomu glukozy, markery, scaffoldy). Korzyści i zagrożenia z nanotechnologii na przykladzie nanomedycyny: zalety i wady różnego rodzaju nanocząsteczek (liposomy, micelle, nanoemulsje, kropki kwantowe, dendrymery, nanocząsteczki albuminowe czy metaliczne) również wobec bezpieczeństwa ich potencjalnego zastosowania w medycynie.

Treści programowe laboratorium"
1. Syntez nanomateriałów węglowych z wykorzystaniem różnych technik.
2. Badanie właściwości nanomateriałów węglowych przy wykorzystaniu podstawowych metod analitycznych/instrumentalnych.
3. Funkcjonalizacja fizyczna nanorurek węglowych.
4. Funkcjonalizacja chemiczna nanorurek węglowych.
5. Zastosowanie nanorurek węglowych

Całkowity nakład pracy studenta

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli (75 godz.): - udział w wykładach – 30 godz. - udział w laboratorium – 45 godz. Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta (30 godz.): - przygotowanie do laboratorium – 10 godz. - konsultacje i praca z nauczycielem akademickim – 10 godz. - przygotowanie studenta do egzaminu – 10 godz.

Efekty uczenia się - wiedza

Student: W1: ma pogłębioną wiedzę chemii nowych generacji materiałów – K_W03 W2: posiada wiedzę w zakresie syntezy i charakterystyki wybranych katalizatorów i adsorbentów oraz ich praktycznego zastosowania w przemyśle – K_W03, K_W05 W3: zna i rozumie podstawy teoretyczne różnych metod analitycznych i ich wykorzystanie w interpretacji wyników pomiarowych związanych z badaniami nanomateriałów – K_W05 W4: zna podstawowe prawa chemiczne związane z chemią materiałów – K_W01 W6: posiada wiedzę w zakresu podstawowych zagadnień technologii i inżynierii chemicznej nanomateriałów – K_W05 W7: zna mechanizmy i metody syntezy podstawowych materiałów, podział materiałów w oparciu o ich cechy strukturalne oraz posiada wiedzę w zakresie powiązań parametrów cząsteczkowych z właściwościami materiałów – K_W05 W8: zna podstawowe pojęcia z zakresu struktury ciał stałych, nieorganicznych organicznych i nanomateriałów, ich syntezy oraz metod ich analizy – K_W06

Efekty uczenia się - umiejętności

Student: U1: umie rozpoznać elementy struktury materiałów, dokonać ich klasyfikacji– K_U01 U2:posiada umiejętność analizy procesów fizykochemicznych oraz chemicznych zachodzących na/w nanomateriałach – K_U01 U3:potrafi obliczyć podstawowe parametry charakteryzujące materiały oraz bilanse związane z ich użyciem w skali technologicznej – K_U02 U4:umie zorganizować i przeprowadzić eksperymenty w procesie projektowania zagadnień inżynierskich dotyczących syntezy oraz charakteryzacji nanomateriałów – K_U03 U5:umie opisać i dokonać wyboru odpowiednich technik otrzymywania nanomateriałów i ich separacji – K_U03 U6:wyciąga poprawne wnioski z przeprowadzonych ćwiczeń eksperymentalnych i poprawnie opisuje wyniki – K_U03 U7:posiada umiejętność rozpoznawania właściwości związku po jego budowie – K_U07

Efekty uczenia się - kompetencje społeczne

Student: K1: potrafi współdziałać w zespole (przyjmując w nim różne role) i kreatywnie rozwiązywać problemy dotyczące badań naukowych oraz syntezy chemicznej.– K_K03 K2: posiada świadomość możliwości praktycznego wykorzystania i znaczenia dla gospodarki związków chemicznych i nowych materiałów – K_K02 K3: jest nastawiony na jak najlepsze wykonywanie powierzonych zadań – K_K06 K4: jest nastawiony na zdobywanie nowej wiedzy, umiejętności i doświadczeń – K_K01 K5: zna ograniczenia własnej wiedzy i umiejętności – K_K01 K6: dba o środowisko naturalne – K_K02

Metody dydaktyczne

Metody dydaktyczne podające: - wykład informacyjny (konwencjonalny) z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych. Metody dydaktyczne poszukujące: - laboratorium: tematyka badań laboratoryjnych ściśle związana jest z zagadnieniami poruszanymi na wykładach. Student, po wcześniejszym przygotowaniu się do zajęć na bazie zalecanej literatury, wykonuje zadania samodzielnie zgodnie z zamieszczonymi opisami/instrukcjami. Po wnikliwym wykonaniu ćwiczenia i zanotowaniu stosowanych obserwacji, student sporządza wymagany raport z uwzględnieniem równań reakcji, obliczeń, obserwacji i wniosków.

Metody dydaktyczne eksponujące

- pokaz

Metody dydaktyczne podające

- pogadanka
- opis
- wykład problemowy
- wykład konwersatoryjny
- wykład informacyjny (konwencjonalny)

Metody dydaktyczne poszukujące

- biograficzna
- laboratoryjna
- obserwacji
- ćwiczeniowa
- projektu

Rodzaj przedmiotu

przedmiot fakultatywny

Wymagania wstępne

Podstawy chemii Podstawy fizyki Budowa i podstawowe właściwości materiałów Chemiczne metody charakteryzowania materiałów Krystalochemia Materiały elektroniczne Modelowanie materiałów i procesów Technologia zaawansowanych materiałów organicznych i nieorganicznych

Kryteria oceniania

Metody oceniania:
wykład - K_W01, K_W03, K_W05, K_W06, K_U01, K_U02, K_U03, K_U07
laboratorium - K_U01, K_U02, K_U03, K_U07
Kryteria oceniania:
Wykład:
Zaliczenie blokowe z następującymi wagami:
- 70% egzamin pisemny obejmujący treści omawiane na wykładzie
- 30 % ocena z laboratorium
Wymagany próg na ocenę:
- dostateczną: 50 -60 %
- dostateczną plus: 61 – 65 %
- dobrą: 66 – 75 %
- dobrą plus: 76 – 80 %
- bardzo dobrą: 81-100 %
Laboratorium:
Zaliczenie na ocenę w oparciu o:
- sporządzone raporty z wyników samodzielnie przeprowadzonych zadań
Wymagany próg na ocenę:
- dostateczną: 50 -60 %
- dostateczną plus: 61 – 65 %
- dobrą: 66 – 75 %
- dobrą plus: 76 – 80 %
- bardzo dobrą: 81-100 %

Literatura

1) Nanomaterials - Processing and Characterization with Lasers, Eds. Singh S.C., Zeng H.B., Guo C., Cai W.P., Wiley-VCH, 2012.
2) Vollath D., Nanomaterials - An Introduction to Synhesis, Properties and Applications, Wiley-VC,2008.
3) Handbook of Nanoscience, Engineering, and Techmology, Ed. W.A. Goddard, D.W. Brenner, S.E. Lyshevski, CRC Press, 2012.
4) Huczko A., Nanorurki węglowe – czarne diamenty XXI wieku, BEL, 2004.
5) Huczko A., Bystrzejewski M., Fulereny 20 lat później, Wyd. UW, 2007
6) Huczko A., Fulereny, PWN, 1999.
7) Przygocki W., Fulereny i nanorurki, WNT, 2001.
8) Novel Cabron Adsorbents, Ed. J. Tascon, Elsevier, 2012
9) Ziółek M., Nowak I., Kataliza heterogeniczna, Wyd. UAM, 1999.
10) Najbar M., Fizykochemiczne metody badań katalizatorów heterogenicznych, Wyd. UJ, 2000.
11) Regis E., Nanotechnologia: narodziny nowej nauki, czyli świat cząsteczka po cząsteczce, Prószyński i S-ka, 2001.
12) Gonsalves K.E., Halberstadt C.R., Laurencin C.T., Nair L.S., Biomedical Nanostructures, Wiley & Sons, 2008.
13) Kelsall R.W., Hamley I.W., Geoghegan M., Nanotechnologia, PWN, 2009.
14) Richards R.: Surface and Nanomolecular Catalysis, CRC Press/Taylor, 2006.
15) Astruc D., Nanoparticles and Catalysis, Wiley-VCH, 2004.
16) Kolasinski K., Surface Science Foundations of Catalysis and Nanoscience, Wiley & Sons, 2008.
17) Handbook of Nanophysics, Ed. K.D. Sattler, vol 7, Nanomedicine and Nanorobotics, Taylor & Francis, 2011.
18) Labhasetwar V., Leslie-Pelecky D.L., Biomedical Applications of Nanotechnology, Wiley & Sons, 2007.
19) Artykuły przeglądowe i strony WWW podawane na wykładzie/w materiałach.

Więcej informacji

Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb:

Strona przedmiotu 0600-MWT-W-WChN w USOSweb