1 nm = 10 m) un miliardesimo di metro · 23 febbraio 2010 (1 nm = 10-9. m) un miliardesimo. di...
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Le nanotecnologie
Paolo Mazzoldi Dipartimento di Fisica – Università di Padova, Via Marzolo 8, I-35131 PADOVA (Italia)
510 (14.4%)
1070 (30.2%)
810 (22.9%)
1150 (32.5%)
Europa Giappone USA Altri
Totale: 3540 Mld Euro Spesa Pubblica per le Nanotecnologie (2003)
Dip. Fisica23 febbraio 2010
(1 nm = 10-9 m)
Un miliardesimodi metro
nanotecnologie
CapelliBatteriTransistor PIV
Bisso
NanofabbricazioneSintesi di materialiChimica
Electronica, informatica
Farmaceutica
Trasporto
CosmeticaTessileMiniaturizzazione
Alimenti e bevande
Ambiente
Autoassemblaggiinorganici
Fisica quantistica
Aerospazio
Nanomateriali, ricoprimenti e plastiche
Nanotecnologia per dispositivi ICT
Bio-sintesi di molecolefunzionali
Nanobiotecnologia
Autoassemblaggio Biologico
Nanotecnologie per la chimica e l’ambiente
Catalizzatori nanostrutturati
Biochip
Sensori DNA
Chimica supramolecolare
Dispositivi Magneto-resistivi
Nanoelettronica
Processamento di dati bio-molecolari
Nano-filtrazione
Nano-compositi
Nanotubi al carbonio
Distribuzione di medicinali
Dispositivi nanomeccanici
Ricoprementi per attrezzi
Coloranti
Sospensioni ed inchiostri
Elettronica Organica
LED e laser tramite nanosemiconduttori
Energia
Immagazzinamento dell’idrogeno
Foto-voltaico
Impianti micro-nano
Bio-sensori
Biologia molecolare
Scienza ed Ingegneria dei Materiali
Nano-tribologia
Auto-assemblaggio supra-molecolare
Batterie
Bio-catalisi
Cosa sono i “nanomateriali” (1 nm = 10-9 m)
– Nanoparticelle (0 D)
– Nanofili, nanofibre, nanotubi (1 D)
– Film sottili (2 D)
– Nanomateriali massivi (3 D)Materiali MesoporosiIbridi organico-inorganiciMateriali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie)
Nanoparticelle di oro su substrato di TiO2, Valden, et al., Science 281 (1998)
Fili di rame (3 nm) su molibdeno
Kong & Wang, Nano Lett. 3, 1625 (2003)
Film di 160 nm di TaN on su struttura di wafer di silicio.
Nanomateriali massivi (3 D)
Materiali Mesoporosi Es.: Film mesoporoso con tecniche di autoassemblaggio molecolare
Nanomateriali massivi (3 D)Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie)
Particelle di argilla in matrice polimerica
Fibre di ossido (MoO3) in matrice polimerica
Microstruttura di una lega Ti/Al/V sinterizzata
Ad esempio …Piccole quantità di nanoparticelle di argilla in matrice polimerica consentono la riduzione della diffusione di gas, un incremento importante della resistenza ed un ancora più grande aumento della rigidità, soprattutto alle “alte” temperature.
FullereneC60
Nanotubo di Carbonio(CNT)
Conduttività termica di nanotubi con diverso diametrosingola parete SWNT (matassa)
multiparete (MWNT)
Lotus Effect
10 μm
Cera cuticolare
Superfici auto-pulenti: Effetto Lotus
Il controllo chimico e morfologico consente di ottenere superfici super-idrofobiche con proprietà auto-pulenti sfruttando il cosiddetto “Effetto Loto”
Film autopulente superidrofobico
Innesto di alchilfluorosilaniContributo
chimico
Contributo geometrico
Morfologia
Molecole idrofobiche
Inserire film
PMMA poly( methil methacrylate)PDMS poly(dimethil-siloxane)P(DMA-co-MEA) poly(dopamine methacrylamideco-methoxyethil acrylate)
Forza perpilastro
Geco in aria
Geco in acqua
Geckel in acqua
Geckelin aria
Numero di cicli di adesione
Cosa sono le nanoparticelle
…sono particelle del diametro di milionesimi di millimetro prodotte industrialmente per vari usi (dalle creme solari ai biosensori, ai farmaci antitumorali).
…particelle ultrafini sono presenti anche nell’inquinamento atmosferico.
Possono spostarsi più facilmente da un compartimento biologico all’altro
Hanno una superficie esterna, a parità di massa, molto più elevata
Hanno un fortissima tendenza a formare aggregati ed agglomerati
In alcuni casi alle dimensioni nanometriche si manifestano proprietà chimico fisiche nuove, assenti nelle particelle più grosse
Le nanoparticelle
Sorgenti di nanoparticelle
….ma anche attività domestiche
90% da eventi naturali fenomeni di erosioneeruzioni vulcanichesali marini incendi
10% da attività antropiche nanotecnologie
emissioni secondarie
attività industriali processi di combustionemotori diesel, incineritoriprocedimenti meccanici (abrasione) termici
(saldatura)utilizzo in diverse applicazioni industriali tra cui cosmetica e medicina (rilascio di farmaci, utilizzo a scopo diagnostico o terapeutico
engineered nanoparticles
…..nanoparticelle originate da attività domestiche
concentrazioneconcentrazioneconcentrazione
aspirapolvere
sigarette
PROVE DI INFIAMMABILITA’TEST UL94 HB (fiamma orizzontale)
Nanocompositi a matrice polimerica
velocità di propagazione della fiamma diminuisce
aumento della frazione di residuo carbonioso
assenza di gocciolamento e fiamma vivace
Elettronica basata sul DNAImmagine tramite microscopia a Forza atomica di due nanoparticelle di argento collegate dal DNA)
Macchine molecolari: dall’elettronica alla biologia
Abalone
Abalone
Nano- biotecnologie
Microscopia di una cellula magnetospirillum gryphiswaldense
0.5 μm
Campo magnetico al centro 35 pT
Biomateriali ferromagnetici per la cura dei tumori mediante ipertermia
Ipertermia: aumento di T°delle cellule tumorali = loro distruzione.
Riscaldamento:accuratamente localizzato, per non distruggere cellule sane.
Nuovi materiali ceramici contenenti magnetite (ferromagnetica, genera calore per isteresi se immersa in un campo magnetico alternato).
Nanofasi di ossido di zinco (nanoparticelle di 30-60 nm)Barriera ottica per varie applicazioni: protezione solare, protezione
UV (occhiali, vetrate), fotovoltaico
OSSIDO DI ZINCO NANOSTRUTTURATO PER COSMETICI
BARRIERE AL GAS NANOSTRUTTURATEUna nuova nanotecnologia introduce un nanostrato depositato sulla sfera centrale della pallina, contenente il gas, riducendo la permeazione dell’aria del 200%.Palle normali sono utilizzabili per due settimane, mentre con la nuova tecnologia si arriva a più di quattro settimane
Nanopolveri e ricoprimenti determineranno l’aumento della durata della vernice
Leghe basate su nanotubi al carbonio vengono studiate per sostituire le cornici dell’automobile per la loro elevata resistenza e il peso ridotto
Catalizzatori ceramici a base di ossidi metallici di nanodimensioni potranno ridurre le emissioni dannose
Tecnologie basate su nanocatalizzatori e membrane avranno un ruolo critico nelle celle a combustibile e nella sostituzione dei motori a combustione
La combinazione di tenacità e resistenza meccanica di nanocompositi a matrice polimerica sarà importante, considerando il ridotto peso, per la sostituzione dell’acciaio nelle automobili. Inoltre pannelli composti da nanocompositi polimerici permetteranno la verniciatura elettrostatica, riducendo i costi e l’impatto ambientale
Applicazioni nel settore automobilistico
Nano-chitarraUsando un AFM la nanochitarra può essere suonata ma non si può sentire perché le sue corde risuonano a frequenze non udibili
Circuito Integrato Ottenuto per nanolitografia
Nano-macchina
Nano-ingranaggio
• La vita stessa potrebbe essere vista come un sistema nanofasico
» Dominic Dickson Science Communication» University of Liverpool
Scienza dei Materialinanostrutturati
Sintesi
Caratterizzazione Simulazione
Proprietà dei materialiOttiche MagneticheCatalitiche ElettricheMeccaniche
Applicazioni tecnologicheIndustriali
►
Bottom-up Top-down
Materiali Nanostrutturati
Assemblaggio da nano-blocchi
• Compattazione di polveri/aerosol• Sintesi chimica
“Scultura” da materiale massivo
• Attrito meccanico (ball milling)..• Litografia, attacco chimico…
~ 50 µm
Sfere di Acciaio o di WC
Particelle ~ 50 µm
BALL MILLING
Impianto ionico
Ipse dixit…
“There is plenty of room at the bottom” (“Ci sono molte possibilità alla “base”)(R. Feynman, 1959)
“If I were asked for an area of science and engineering that will most likely
produce the breakthroughs of tomorrow, I would point to nanoscale science and
engineering” (“Se mi venisse chiesto di indicare una area della scienza e dell’ingegneria che con maggiore probabilità produrrà innovazioni nel futuro prossimo io indicherei le nanotecnologie”)(N. Lane, Introduction to National Nanotechnology Initiative: Leading on the Next Industrial Revolution, U.S. National Science and Technology Council, 2002)
Breve storia dei nanomateriali• 1861: Thomas Graham conia il termine colloide per descrivere una soluzione contente particelle di diametro inferiore a 100 nm in sospensione; (Faraday, Ostwald,…)
• fine 1800 - inizio 1900: Rayleigh, Maxwell e Einstein studiano i colloidi (proprietà ottiche);
• 1908: Gustav Mie, calcolo elettrodinamico esatto della risposta ottica di nanocluster metallici
• 1930: metodo di Langmuir-Blodgett per deporre monostrati atomici;
• 1960: Uyeda studia con la microscopia e la diffrazione elettronica singolinanocluster;
• 1970: nanocluster di lega metallica;
• 1985: Smalley & Kroto scoprono il C60 (fullerene);
• 1991: Iijima studia i nanotubi di C;
• 1993: Creato negli Usa il primo laboratorio di nanotecnologie (Rice University)
• 2000: manipolazione e posizionamento di singoli atomi (STM, AFM) nanotecnologia.
Cobalto
n = 139 atomiR = 0.65 nmF = 0.77
n = 369 atomiR = 0.90 nmF = 0.56
n = 3043 atomiR = 1.82 nmF = 0.28
Effetto della Superficie
Rapporto atomi superficie/atomi volume F
Nanocluster di Au ottenuti per impianto ionico in SiO2
Au
SiO2
n R(nm)
Sup/Vol
102 0.67 86 %103 1.44 40 %104 3.10 19 %106 14.4 0.4 %
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120
200
400
600
800
1000
1200
esperimento teoria
T M
(R) (
°C)
R (nm)
Temperatura di fusione Au - 1064° C
Variazione della temperatura di fusione con le dimensioni
2 nm
Assorbimento di nanoparticelle Ag, Au, Cu
in silice
Effetto della Composizione
200 300 400 500 600 7000,00
0,04
0,08
0,12
0,16
570 nmσ ext/V
0 (nm
-1)
wavelength (nm)
200 300 400 500 600 7000,00
0,04
0,08
0,12
Au530 nm
σ ext/V
0 (nm
-1)
200 300 400 500 600 7000,0
0,2
0,4
0,6
0,8R = 5 nm
Cu
Ag 405 nm
σ ext/V
0 (nm
-1)
NC di Si ottenuti per pirolisi laser dal SiH4
SiO2
Si NC
Se D < 5-7 nm emettono luce
Si
SiO2
Strutture core-shell
Fotoluminescenza
Radiazione incidente ad alta energia(UV)
Radiazione emessa a più bassa energia(visibile)
CdS
0.335 nm
CdS, CdSe, ZnS, ZnSe,Si…
Soluzioni colloidali di CdSe in esano con dimensioni decrescenti
1.8 eV (IR)D = 11.5 nm
3 eV (UV)D = 1.2 nm
FILM SOL-GEL VETROSI NANOSTRUTTURATI
2 nm
5 nm
Variazione della concentrazione,dimensione e forma
Luminescenza(visibile)
DNAbersaglio
substrato
Applicazioni in medicinaIdentificazione di sequenze di DNA con nanoparticelle
DNAsonda
NC
Radiazione(UV)
Molecola od organismo patogeno
2
1
3
5
spectrometer2
1
3
5
spectrometer
Test in vivo di luminescenza ed assorbimento da nanoparticelle
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
600 650 700 750 800
Wavelength (nm)
Fluo
resc
ence
(rel
. uni
ts)
tumor 1day norma 1 day
Spettri di fluorescenza di tessuti tumorali e normali di un topo, un giorno dopo l’iniziezione del tracciante. Eccitazione a 633 nm.Selettività del tumore può essere controllata..
ma la primaapplicazione delle nanotecnologie
• IV a.C. Roma –ITALIA
• Vaso di “Likurgus”
AuxAg1-x
Nanotecnologia del IV sec. d.C.
Vaso di Licurgo (Arte Vetraria Romana, British Museum)
…riflessione …transmissione
Nanoparticelle metalliche (~ 70 nm) di lega AuxAg1-x (x ~ 0.3) (confermato da
diffrazione X)
Kunckel1690
Mesopotamia, attuale Iraq, X a.C ► Middle East ► Iran circa XI a.C. Maggior sviluppo Sejuks XIII a.C.
Diffusion of islamic cultureXV‐XVII a.C.
Substrato ceramico
vetro
Lustro : strato nanocompositoeterogeneo metallo-vetro
Miscela di sali Fe, Cu/Ag, ossidi
Piatto con la storia di Pico, Circe e Canenet, maiolica a lustro (Francesco Xanto Avelli). Lustrato nella bottega di Mastro Giorgio (Gubbio 1528). Museo civico della ceramica di Gubbio
Nanotecnologia del XVI sec. d.C. Lustri di Gubbio e Deruta (Italia)
Nanocluster metallici (~ 5-10 nm) di Ag o Cu
Ricetta di preparazione del Lustro ( Mastro Giorgio , Gubbio, XVI sec.)
• Deposizione di ossidi o sali di Ag o di Cu in soluzionecon aceto; Riscaldamento a 600 °C in forno con fascine di ginestra secca (atmosfera riducente)
La Cina ci invade anche con le nanotecnologie..in opere artistiche!!!Ossido di oro in vetro ►irraggiamento con fascio fs laser►trattamento termico 550C, 30 min. Particelle Au 6-8 nm
La farfalla !! Il gufo !!
Mosé, Elia e 3 Apostoli , Giacomo, Giovanni e Pietro davanti a Cristo nella trasfigurazioneI raggi che partono da Cristo colpiscono la terra ed il cielo Altri tre emanano da essoChartres Basilica 1300
Tiziano 1488-1576Madonna della Salute
Venezia
La radiazione divinamodifica l’anima, mentreuna ovviamente differenteradiazione puòcreare…nanoparticelle
Materiali drogati con Fullerene per Limitazione Ottica
0,00
0,10
0,20
0,30
0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00
Input energy (µJ)
640 nm690 nm590 nm
Aumento dell’assorbimento in funzione dell’energia in ingresso
Fluenza di danneggiamento
Fdamage > 100 J/cm2
100 μm
Materiali compositi per impianti nelle articolazioni
Tempo di vita medio di un impianto dell’anca: 10-15 anni, con i materiali disponibili: Al2O3, ZrO2
Nanocomposito di allumina irrobustito con zirconia
Polveri contenenti 2.5 wt% di ZrO2 vengono pressate, trattate termicamente e formate per l’impianto
EcsinFocus - Analisi dell’impatto delle nanotecnologie su ambiente, salute e società. Obiettivi - Risk assessment per le imprese, di valutazioni sulla nano-eco-tossicità e di ricerche giuridico-sociali connesse all’uso delle nanotecnologie
Laboratori di ricerca nel Veneto (Nanotech ed Università)
NanofabFocus - Trattamenti
superficiali, nuovi materiali nanostrutturati e nanotrattati, sviluppo di nanosensori chimici e biochimici e microarrays.
Obiettivi –Trasferimento alle imprese
di tecnologieAttività di ricerca industriale
grazie al coordinamento con l’Associazione Civen (tquattro Università)
NanocompFocus - Materiali nanocompositi basati su polimeri termoindurenti Obiettivi – Dotare il territorio di una struttura in grado di integrare le competenze industriali ed accademiche già presenti sul territorio.
Campus nanotechFocus - Centro di Alta Formazione sulle nanotecnologie.
Obiettivi - Sviluppare la formazione post-lauream e creare un bacino di competenze al servizio delle imprese
LaNNFocus - Laboratorio di
Nanofabbricazione per lo sviluppo di nanodispositivi, nanosensori e lab-on chip (interfaccia con il mondo biologico)
Obiettivi –• Dotazione (EBL) unica in Italia• Possibilità di attrarre interesse e competenze da tutta Italia• Potenziamento ricerca nano nell’Università di Padova• Integrazione con CNR
RIVESTIMENTINANOSTRUTTURATI
Realizzazione di rivestimenti nanostrutturati con proprietà chimico, fisiche e tribologiche potenziate per migliorare le caratteristiche di antiusura, anticorrosione, antiriflesso, conferire un effetto autopulente ecc.
• Decorativi (accessori, occhialeria, bigiotteria-gioielleria, accessori per la casa: posateria, rubinetteria, ecc.)
• Antiusura (accessori, lenti per occhiali, vetri, componenti in plastica, componenti meccanici ecc.)
• Anticorrosione (componenti meccanici metallici, utensili, superfici esposte ad agenti atmosferici, serramenti ecc.)
• Lubrificanti solidi (componenti meccanici in applicazioni ad alta velocità: valvole, alberi, cuscinetti, turbine, ecc.)
• Autopulenti (rivestimenti per superfici vetrose, lunotti e parabrezza ecc.)
• Antiriflesso (rivestimenti per lenti, vetri, barriere termiche ecc.)
• Duri (rivestimenti per applicazioni meccaniche: stampi, utensili, lame, punte e punzoni, ecc.)
• Filtro interferenziale (rivestimenti per vetri conduttivi, barriere termiche, ecc.)
• Elettro/foto/termo cromici (rivestimenti per lenti, vetri per aerei, decorazioni luminose, ricoprimenti sensibili alla temperatura, ecc.)
• Metalli preziosi (rivestimenti per bigiotteria, gioielleria, posateria, sensori di gas e sostanze tossiche, ecc.)
• Polimerici (per impermeabilizzazioni, protezioni da agenti chimici aggressivi, trattamenti antiaderenti, ecc.)
RIVESTIMENTINANOSTRUTTURATI
MATERIALI SINTERIZZATII materiali sinterizzati sono l’esito di un processo di consolidamento che ha inizio con la pressatura ad alta velocità di polveri nanostrutturate tramite HVC (High Velocity Compaction).Questa tecnica consente di ottenere dei verdi con alte densità vicine al 100% e conferisce proprietà meccaniche eccezionali. I materiali pressati vengono poi sinterizzati al fine di creare un legame metallico che consolida la forma precedentemente acquisita ottenendo in questo modo gli oggetti finiti o semilavorati.
SETTORI DI APPLICAZIONE
componenti meccanici per l’automobilecomponenti per serramenticomponentistica sportiva componenti per elettrodomestici, ecc.
HYP35-7Impact Energy: 7 kJMin. time between strikes: 300 msMax. strike frequency: 200 / min.
SENSORI CHIMICI E BIOCHIMICI
SensibilitàSelettivitàLimiti di rilevabilità
SETTORI DI APPLICAZIONE
diagnostica clinica(per analisi rapide e non invasive)
monitoraggio ambientale (per sostanze inquinanti)
industria alimentare(per l’analisi dei cibi e l’individuazione di patogeni)
SENSORI e BIOSENSORI nanostrutturati
migliore
DNA MICROARRAYS
Microarrays con profili genici
desiderati
Applicazioni medichee diagnostiche
Esperimenti personalizzati
SETTORI DI APPLICAZIONE
Studio dell’espressione genica
Ricerca contro il cancro e le malattie genetiche
Diagnostica microbiologica
Il mio Gruppo di ricerca (ora!): Io , un pò vecchio, e le mie nipoti , con la tuta da Laboratorio, !!.
Conseguenza della politica della ricerca e del personale ricercatore del nostro Governo
My Laboratory…..due to the political approach in Laboratory…..due to the political approach in Italy toward the research and researcherstaly toward the research and researchers
My Laboratory… Il mio Laboratoriodue to the political approach in Italy toward the
research and researchers
GRAZIE
• Auguri da un vecchio ricercatore e docente per il vostro futuro!!!