Detail předmětu

Přírodou inspirované nanotechnologie

FCH-BC_NBIOAk. rok: 2023/2024

Kurz se zaměřuje na osvojení si základních principů v oblasti bionanotechnologií a na získání přehledu o současném stavu vývoje v oblasti bio-nanomateriálů a přírodou inspirovaných nanotechnologií. Důraz v je kladen na porozumění vlastnostem biologických stavebních bloků, jejich principům sestavování a organizace v přírodě a aplikací poznatků z této oblasti při návrhu a konstrukci artificiálních funkčních materiálů a zařízení pro různé aplikační oblasti. Cílem je, aby studenti získali dostatečné znalosti chemických a fyzikálních aspektů biologických materiálů a systémů na různé úrovni hierarchické struktury se zvláštním zaměřením na specifika nano- oblasti. Dále se studenti formou případových studií seznámí s konkrétními příklady úspěšné inspirace přírodními systémy při vývoji moderních nanomateriálů a nanotechnologií.

 

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

3

Garant předmětu

doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikální a spotřební chemie (ÚFSCH)

Vstupní znalosti

Znalosti z vybraných kapitol z předmětů Fyzikální chemie I, II a Biochemie.  Absolvování kurzu Úvod do mikro a nanotechnologií.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Podmínkou udělení zápočtu je vypracování a obhajoba semestrálního projektu na zvolené téma (případové studie zaměřená na přírodou insporované nanomateriály resp. nanotechnologie).

Předmět je ukončen zkouškou, která se skládá ze dvou částí: písemné části a ústní části ve formě kolokvia. V rámci písemné části zkoušky je ověřena schopnost studenta orientovat se v dané problematice a především aplikovat získané teoretické poznatky na konkrétní praktické úkoly. V případě úspěšného absolvování písemné části (dosažení výsledku odpovídajícímu alespoň 50% z celkového počtu bodů) následuje kolokvium, v jehož průběhu studenti s vyučujícím prochází zadání písemné části a obhajují, případně doplňují svoje odpovědi. Na základě výkonu při této části zkoušky může být studentovi upraveno hodnocení získané z písemné části směrem k vyššímu stupni.

 

Učební cíle

1. Poskytnout fyzikálně-chemický pohled na biomolekulární nanostruktury a na specifické rysy biologicky relevantních nanosystémů.

2. Identifikovat základní společné principy (fyzikálními, chemickými, strukturními), které jsou klíčové pro různé hierarchické úrovně (nano-, mikro- a makro) skládání a organizace biologických systémů.

3. Popsat vztah mezi (biologickou) funkcí a strukturou přírodních systémů.

4. Ilustrovat, jak je v současnosti biomimetický a bio-inspirovaný design v nanoměřítku aktivně využíván v nanotechnologiích, materiálovém designu a v medicíně a přírodních vědách.

 

Absolvováním kurzu získá student znalost základních principů v oblasti bionanotechnologií a odpovědi na následující otázky: 

• Jak a proč moderní výzkum využívá biologické systémy jako inspiraci k dalšímu rozvoji v oblasti nanotechnologií?

• Jak se obecné principy struktury a funkce v biologických systémech používají ke konstrukci funkčních zařízení v rámci nanotechnologií?

• Jak se moderní materiálové a systémové inženýrství inspiruje od přírodních systémů v oblasti konstrukce a řízení systémů v nano- měřítku?

• Jaký je současný stav poznání v oblasti bionanotechnologií a jaké jsou příklady široce využívaných aplikací přírodou inspirovaných nanomateriálů a nanosystémů?

 

Základní literatura

Goodsell, David S. Bionanotechnology: lessons from nature. John Wiley & Sons, 2004. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program BPCP_CHTN bakalářský 3 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D.

Osnova

Týden 1: Úvod do bionanotechnologií (historická perspektiva, současné trendy, výzvy a příležitosti)

týden 2 - 6 (Blok I): Přírodní nanosystémy
• Specifické fyzikálně-chemické rysy biologických nanodomén (vodné prostředí, dominance viskózních sil, význam tepelného pohybu)
• Chemické a strukturní principy přírodních nanosystémů (základní strukturní bloky bionanosystémů, hierarchický charakter struktury přírodních systémů, klíčová role nekovalentních interakcí, sepcifické principy biologických procesů samoskladby a samoorganizace na různých úrovních)
• Funkční principy přírodních nanosystémů (vztah mezi strukturou a funkcí bionanosystémů, principy uchovávání a toku informace v buňce, bioenergické principy vzniku a fungování nanosystémů, regulace kinetiky procesů v bionanosystémech)

Týden 7 - 11 (Blok II): Přírodou inspirované artificiální nanomateriály a nanotechnologie
• Základní principy biomimetiky (molekulární design biomateriálů a přírodou inspirovaných nanomateriálů, biomimikry)
• Articifiální systémy na bázi proteinů a DNA
• Příklady aplikací bionanotechnologií v přírodních vědách (biomedicína, biosensory, bioanalytika, nosičové systémy, povrchové úpravy, bionanotechnologie v zemědělství)

Týden 8 - 13 (Blok III): Případové studie inspirace v přírodních systémech při inženýrství nových materiálů a technologií
• Prezentace semestrálních projektů