9360-0152/04 – Molekulární a supramolekulární nanostroje (MOLNM)

Garantující katedraCentrum nanotechnologiíKredity2
Garant předmětudoc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.Garant verze předmětudoc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník2Semestrletní
Jazyk výukyangličtina
Rok zavedení2019/2020Rok zrušení
Určeno pro fakultyFMT, USPUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
TOK006 doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Klasifikovaný zápočet 0+2

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Student bude schopen: definovat pojem nanostroj klasifikovat a charakterizovat různé typy nanostrojů diskutovat metody ovládání nanostrojů a kontroly jejich pohybu charakterizovat základní pojmy z oblasti supramolekulární chemie, chemie komplexů a molekulární topologie predikovat vlastnosti nanostrojů na základě jejich struktury diskutovat principy syntéz nanostrojů demonstrovat vhodné typy nanostrojů pro specifické aplikace

Vyučovací metody

Přednášky
Semináře
Individuální konzultace

Anotace

Tento předmět seznamuje studenta s problematikou nanostrojů - relativně novou a stále se rozvíjející oblastí nanotechnologií. Je představen netradiční pohled na molekulární a supramolekulární struktury ve smyslu jejich vlastností a funkčnosti a dosavadní znalosti studentů z chemie a fyziky nanomateriálů jsou v tomto předmětu dále rozšířeny s cílem pochopit principy nanostrojů a metody kontroly jejich cíleného pohybu. V rámci předmětu je představena široká škála nanostrojů, od jednoduchých syntetických funkčních komponent až po složité nanostroje na bázi syntetických i přírodních supramolekulárních struktur. Diskutovány jsou rovněž první praktické aplikace nanostrojů. Seminář je doplněn mnoha ukázkami z odborné literatury.

Povinná literatura:

GÓMEZ-LÓPEZ, M. and J.F. STODDART. Chapter 3 – Molecular and supramolecular nanomachines. NALWA, H.S. Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology: Volume 5. San Diego: Academic Press, 2000, pp. 225–275. ISBN 978-0-12-513760-7. BENNISTON, A. C. and P. R. MACKIE. Chapter 4 – Functional nanostructures incorporating responsive modules. NALWA, H.S. Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology: Volume 5. San Diego: Academic Press, 2000, pp. 277-331. ISBN 978-0-12-513760-7. MULLER, A.W.J. Were the first organisms heat engines? A new model for biogenesis and the early evolution of biological energy conversion. Progress in Biophysics and Molecular Biology. 1995, vol. 63, no. 2, pp. 193-231. DOI: 10.1016/0079-6107(95)00004-7.

Doporučená literatura:

DREXLER, K.E. Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. 2nd ed. New York: Anchor Press, 1987. ISBN 978-0385199735. WANG, J. Nanomachines: Fundamentals and Applications. 1st ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2013. ISBN: 978-3-527-33120-8. BALZANI, V., A. CREDI and M. VENTURI. Molecular devices and machines. Nano Today. 2007, vol. 2, no. 2, pp. 18-25. DOI: 10.1016/S1748-0132(07)70055-5. SAUVAGE, J.P., J.P. COLLIN, S. DUROT, J. FREI, V. HEITZ, A. SOUR and C. TOCK. From chemical topology to molecular machines. Comptes Rendus Chimie. 2010, vol. 13, no. 3, pp. 315-328. DOI: 10.1016/j.crci.2009.10.008. SEEMAN, N.C. From genes to machines: DNA nanomechanical devices. Trends in Biochemical Sciences. 2005, vol. 30, no. 3, pp.119-125. DOI: 10.1016/j.tibs.2005.01.007.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

Písemná forma. Studijní výsledky jsou ověřovány na základě vypracování samostatné semestrální práce (max. 40 bodů, požadované minimum 20 bodů). Semestr je zakončen zápočtovým testem (max. 60 bodů, požadované minimum 31 bodů).

E-learning

Další požadavky na studenta

Je požadováno vypracování samostatné semestrální práce.

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

1. Po úvodním seznámení s historií a současným stavem výzkumu nanostrojů budou probrány různé definice pojmu nanostroj a základní klasifikace. Budou diskutovány rozdíly a podobnosti strojů a nanostrojů. V souvislosti se supramolekulárními nanostroji budou probrány základy supramolekulární chemie. 2. Budou probrány metody kontroly pohybu/funkce a vizualizace nanostrojů. Pozornost bude věnována konformačním a rotačním změnám, dále budou probrány metody pohonů nanostrojů – samohybné vs. externě řízené nanostroje. Studenti budou seznámení také s problematikou pohybu nanostrojů v kapalině. 3. Pozornost bude věnována chemii komplexů, koordinačně-kovalentní vazbě a jejímu popisu. Budou prezentovány různé druhy komplexních sloučenin a diskutována jejich stabilita. Kromě komplexů bude pozornost věnována také dalším sloučeninám využitelným při syntéze nanostrojů. 4. Budou prezentovány typy molekulárních funkčních jednotek, přičemž pozornost bude zaměřena na molekulární rotory a molekulární brzdy. Budou diskutovány faktory ovlivňující rychlost rotace, problém kontinuální rotace a efektivita brzdných prvků. 5. V návaznosti na předešlé téma bude probrána oblast nanovozítek. Budou představeny jejich druhy a metody ovládání jejich pohybu. Na příkladu těchto nanostrojů budou demonstrovány problémy efektivity jejich syntéz a manipulace s nimi. 6. Pozornost bude věnována molekulárním nanostrojům na bázi azo- a podobných sloučenin. Studenti budou seznámeni s nanotransportéry, nanovrstvami s ovladatelnou výškou či pinzetou na bázi těchto sloučenin. V souvislosti s nanotransportéry bude diskutována problematika využití nanostrojů jakožto nosičů léčiv. 7. Po úvodním uvedení základních topologických pojmů a ozřejmění problematiky planarity molekul a molekulárních uzlů budou prezentovány supramolekulární nanostroje na bázi rotaxanů a katenanů. Budou představeny metody jejich syntézy a studenti budou seznámeni s principy molekulárních výtahů a spínačů včetně jejich ovládání. 8. V návaznosti na předešlé téma budou demonstrovány praktické aplikace nanostrojů na bázi rotaxanů. Studenti budou seznámeni s molekulárními svaly, molekulárními lisy, molekulárními vrstvami s ovladatelnou hydrofobicitou/hydrofilicitou, atd. 9. Pozornost bude věnována nanostrojům na bázi komplexních sloučenin, zejména rutheniových komplexů. Bude demonstrována molekulární analogie přenosu proudu kabelem od zdroje ke spotřebiči. Bude diskutován problém samouspořádávání a studenti budou seznámeni s molekulárními dráty. 10. Bude probráno využití uhlíkatých nanotrubic pro konstrukci nanostrojů. Bude představen molekulární mlýnek, molekulární váhy a v návaznosti na téma samouspořádávání bude rovněž prezentováno použití uhlíkových nanopásků. 11. Bude diskutováno téma nanostrojů a otázky počátku života. Budou probrány rozdíly mezi syntetickými a biologickými nanostroji a studenti budou seznámeni se základními typy biologických nanostrojů, přičemž pozornost bude věnována zejména proteinovým motorům. 12. V návaznosti na předešlé téma budou probrány molekulární bičíky a princip jejich pohonu. Dále budou ukázány příklady jejich využití při konstrukci nanostrojů a bude diskutován hybridní přístup ke konstrukci nanostrojů s použitím biologických i syntetických komponent. 13. Studenti budou seznámeni s nanostroji na bázi DNA. V návaznosti na dříve probrané téma samouspořádávání bude probrána možnost využití DNA ke konstrukci nanosoučástek. 14. Test.

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2019/2020 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodůMax. počet pokusů
Klasifikovaný zápočet Klasifikovaný zápočet 100  51 3
Rozsah povinné účasti: Účast na semináři je povinná.

Zobrazit historii

Podmínky absolvování předmětu a účast na cvičeních v rámci ISP: Splnění všech povinných úkolů v individuálně dohodnutých termínech.

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2023/2024 (N0719A270003) Nanotechnologie P angličtina Ostrava 2 povinný stu. plán
2022/2023 (N0719A270003) Nanotechnologie P angličtina Ostrava 2 povinný stu. plán
2021/2022 (N0719A270003) Nanotechnologie P angličtina Ostrava 2 povinný stu. plán
2020/2021 (N0719A270003) Nanotechnologie P angličtina Ostrava 2 povinný stu. plán
2019/2020 (N0719A270003) Nanotechnologie P angličtina Ostrava 2 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku

Hodnocení Výuky

Předmět neobsahuje žádné hodnocení.