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.
Molekulární a supramolekulární nanostroje
| Typ studia | navazující magisterské |
|---|---|
| Jazyk výuky | angličtina |
| Kód | 635-3056/02 |
| Zkratka | MOLNM |
| Název předmětu česky | Molekulární a supramolekulární nanostroje |
| Název předmětu anglicky | Molecular and supramolecular nanomachines |
| Kreditů | 2 |
| Garantující katedra | Katedra tepelné techniky |
| Garant předmětu | doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D. |
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.
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.
Povinná literatura
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.
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.