Ing. Mgr. Ondřej Kaman, Ph.D.
Laboratoř syntetických nanomateriálů se zaměřuje na přípravu nových materiálů, vývoj nových postupů synthesy nanočástic a nanonstrukturovaných kompozitů a představuje hlavní zdroj materiálů zkoumaných v Oddělení magnetik a supravodičů. V laboratoři jsou rovněž zajištěny potřebné chemické analysy.
Synthesa v solných taveninách
V taveninách dusitanů a dusičnanů alkalických kovů připravujeme magnetické nanočástice na bázi manganitů obecného složení Ln1-xAexMnO3, kde Ln označuje lanthanoid a Ae kov alkalických zemin. Hlavní předností této synthesy ve srovnání s tradičními metodami sol-gel je získání vysoce dispergovaných jader s lépe definovanou geometrií a užší distribucí velikosti. Jednotlivé částice nesrůstají do větších klastrů a nevznikají sintrační spoje jako při výpalu v pevné fázi, a tak není nutné mechanické zpracování produktu. Navíc mechanické míchání taveniny zajišťuje homogenitu reakční směsi a růst nanočástic v isotropním prostředí.
Synthesa nanočástic metodou termální dekompozice organických komplexů
Řízený tepelný rozklad organických komplexů přechodných kovů představuje pokročilou metodu synthesy oxidových nanočástic a to zejména spinelových fází (např. dopovaného magnetitu a feritů), ale i nanočástic oxidů manganu apod. Oxidy vznikají rozkladem vhodných prekursorů (např. acetylacetonátů či oleátů příslušných kovů) za působení surfaktantů (olejová kyselina, oleylamin, hexadekan-1,2-diol) ve vysokovroucích rozpouštědlech (oktadecen či dibenzylether). Přesné řízení podmínek umožňuje získat monodispersní nanočástice o velikosti 5-25 nm, které jsou velmi dobře krystalované. U takto připravených feritových nanočástic lze pozorovat magnetické vlastnosti srovnatelné s magnetickými vlastnostmi objemových vzorků.
Hydrothermální synthesa
Naše pracoviště je v současnosti vybaveno autoklávem DAB-2 (Berghof) s vyměnitelnými teflonovými nádobkami, které dovolují synthesu při teplotách do 250 °C a tlacích do 200 barů. Využití temperované komory k zahřívání celého autoklávu vylučuje vznik teplotních gradientů, zatímco homogenita reakční směsi je dosažena magnetickým mícháním. Hydrotermální synthesu využíváme pro přípravu magnetických částic na bázi oxidových fází manganu i železa (např. ferity obecného složení Mn1-xZnxFe2O4 a Co1-xZnxFe2O4). Menší nanočástice se dají získat při použití surfaktantů, které omezují růst krystalků, ale také vhodnou volbou reakčních podmínek.
Sol-gel postupy
K synthese nanokrystalických fází a objemových vzorků různých oxidů (perovskitové manganity, kobaltity, vrstevnaté struktury NaxCoO2 atd.) nejčastěji využíváme sol-gel postupy, například citrátovou metodu (Pechiniho proces). Příprava spočívá v postupném přechodu roztoku na homogenní gelovitou hmotu s výrazným podílem organické složky. Takový gel je následně vysušen a tepelně rozložen, čímž vzniká reaktivní směs jemných částic. Fázově čisté produkty se tak dají připravit žíháním této směsi při relativně nízkých teplotách, které dovolují získat nanokrystalické fáze. Jednotlivé nanočástice se pak získají mechanickým zpracováním surového nanokrystalického produktu a to nejčastěji válcováním a mletím.
Koprecipitace, keramická metoda a tepelné zpracování
Některé vzorky jako např. větší nanočástice Co-Zn feritů připravujeme koprecipitací a následným tepelným zpracováním. K tradiční přípravě větších množství objemových fází řady oxidů používáme také keramickou metodu.
Pracoviště je vybaveno celou řadou pecí umožňujících žíhání až do teploty 1600 °C v různých atmosférách (inertní plyn, kyslík, atmosféra s řízeným parciálním tlakem kyslíku).
Obalování nanočástic silikou, amorfním oxidem titaničitým, hybridními organokřemičitými matricemi a dalšími materiály
Běžně provádíme obalování magnetických nanočástic silikou (amorfní hydratovaný oxid křemičitý), popřípadě hybridními organokřemičitými materiály, které nacházejí použití v další organické funkcionalizaci. Tyto postupy spočívají ve vhodné stabilizaci výchozích magnetických jader a depozici silikové vrstvy, která vzniká hydrolysou tetraethoxysilanu, popřípadě dalších organosilanů a následnou kondenzací křemičitanových specií. Nedávno jsme vyvinuli také zcela nový postup účinného obalování nanočástic amorfním oxidem titaničitým, jehož vrstva naroste na výchozích částicích a vytvoří souvislý obal.
Dekorování povrchů a synthesa zlatých nanoobalů
Dále u nás probíhá synthesa velmi malých zlatých nanočástic určených k dekorování různých povrchů a to zejména větších nanočástic. Především jde o přípravu produktů s magnetickými jádry, která jsou obalena primární vrstvou siliky, jež je povrchově dekorována zlatými nanočástice. Taková částice slouží na příklad jako prekursory pro synthesu souvislých zlatých nanoobalů, které jsou případně dále organicky funkcionalizovány (např. pomocí cyklodextrinů pro specifické analytické aplikace).
Organická synthesa a organická funkcionalizace
Na našem pracovišti vyvíjíme komplexní magnetické nanočástice určené pro aplikace v biologickém výzkumu a medicíně. S tím souvisí rovněž využití organické synthesy a preparativních chromatografických metod k přípravě a purifikaci organických látek pro kovalentní funckionalizaci nanočástic. Pro ilustraci jmenujme synthesu komplexních fluorescentních silanů nebo složitějších látek na bázi mPEG/PEG (methoxypoly(ethylenglykol)/poly(ethylenglykol)) řetězců pro synthesu organické koróny na povrchu silikou obalených magnetických nanočástic.
Mechanické zpracování vzorků
Některé vzorky nanočástic získáváme mechanickým zpracováním nanokrystalických produktů připravených pomocí sol-gel či koprecipitačních postupů s navazujícím žíháním. Pracoviště je vybaveno motorovou válcnou a oscilačním kulovým mlýnem. Naopak k přípravě slinutých vzorků zapojujeme před vlastní tepelné zpracování ještě isostatické lisování. Slinuté vzorky se předdalším studiem obvykle řežou pomocí pily s diamantovým lankem a vzorky určené pro specifické analysy (např. skenovací elektronová mikroskopie) se nakonec ještě leští.
Chemická analysa
Na pracovišti provádíme i klasickou chemickou analysu za účelem stanovení skutečného obsahu kovů ve výchozích látkách, a tedy přesného dosažení kýžené stechiometrie produktů. Stanovení takových makrosložek zajišťují titrace (chelatometrie) a vážková analysa (např. stanovení stroncia). U některých vzorků (manganity perovskitového typu) rovněž určujeme skutečnou kyslíkovou stechiometrii pomocí zpětné redoxní titrace (cerimetrie). Zásadní je však také analysa zředěných suspensí různých nanočástic (obalené nanočástice manganitů, feritů apod.), jejichž koncentraci stanovujeme po minerálním rozkladu s využitím atomové absorpční spektrometrie (AAS, ve spolupráci s dalším pracovištěm).
Kontaktní osoba: Ondřej Kaman