Download - Nanotechnológia előadások 1
Nanotechnológia előadások 1.
Bevezetés,
Fogalmak,
Csoportosítások
NanotechnológiaA nanotechnológia a nagyon kicsiny
szerkezetekkel, illetve részecskékkel foglalkozik.
1 nm kb. 10 hidrogénatomból, vagy 5 szilíciumatomból álló egy egyenesben rendezett atomsor hosszával.
Mikrométeres tartományban az anyag megőrzi fizikai tulajdonságait, de nanométeresben a tulajdonságok megkülönböztethetően eltérnek a tömbi fázisú anyagokéitól.
Nanorészecskék új tulajdonságú anyagok.
Nemcsak a méret…Érdekes tulajdonságok:
– Kémia – a nagy felület/térfogat arány kihasználása– Elektronika – kvantumhatások, DOS, elektron
alagúthatás (STM)– Mágnesesség – óriási mágnetoresistance by
nanoscale multilayers, mágneses szuszceptibilitás változása
– Mechanika – speciális nanokompozitok (könnyű, erős, hajlékony, emlékezés, …)
– Optika – fluoreszcens nanorészecskék, 1 fotonos jelenségek
– Energetika – nanorészecskék megváltozott termoelektromos tulajdonságai, határfelületi hővezetés
NanotechnológiaAmikor egy anyag atomokból, ionokból vagy molekulákból felépül tömbi fázisig, akkor az anyag átmegy a „nano” állapoton. Ekkor a tuladonságai megváltoznak:
- a nanokristályoknak kisebb az olvadáspontjuk,
- az elemicella állandó kisebb a kevés felületi atom miatt,
- megszűnhet a ferromágneses és ferroelektromos tulajdonság,
- kialakulhat katalitikus hatás, pl. arany tömbi alakban nem, nanokristályként katalitikusan aktív.
Egy kis történelem• 5000 BC: Democritus szerint az atomok a látható világ
építőkövei: (atom – nem osztható)• 1905: Einstein számításai szerint egy cukor-molekula 1 nm.• 1959: Richard P. Feynman Nobel-díjas tudós:
„egy napon a tudomány segítségével képesek leszünk egy enciklopédia tartalmát egyetlen tűhegyre felírni” (Caltech: ‘There’s Plenty of Room at the Bottom’ – http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html)
• 1974: Norio Taniguchi bevezeti a ‘nanotechnológia’ fogalmát, definícióját – (Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering, 1974)
• 1981: Binnig & Rohrer megépíti az első STM berendezést – ugyanebben az évben megjelenik az első tudományos közlemény a témában a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban
• 2000: Bill Joy (a Sun Microsystems egyik alapítója) kijelentette, hogy a nanotechnológiai kutatásokat azonnal be kell fejezni, mert az rossz kezekbe kerülve az általunk ismert világ végéhez vezethet!(http://www.wired.com/wired/archive/8.04/joy.html)
Egy kis történelem: Feynman
Feynman felajánlott két díjat:1. Díj annak, aki először
épít olyan működő motort, aminek mérete 1/64”.
2. Díj annak, aki képes egy enciklopédia tartalmát egy gombostű fejére felírni – azaz az eredeti méret 1/25000-szeresére csökkenteni.
Richard Feynmanhttp://www.nobel.se/physics/articles/goodstein/
1. Megoldható?
1960 - William McLellan elkészítette a motort!
2. Megoldható?
átmérőm10825000
102,0 93
átmérőatom32
m/atom105,2
m10810
9
!-000,25105,1
12002
3szer
!atom1000)16( 2 terület
„„There’s plenty of room at the bottom!There’s plenty of room at the bottom!”” - Feynman - Feynman
A gombostű fejének átmérője = 1,5 mmEgy oldal felülete ~ 6 x 10-2 m2
400 duplaoldal x 24 kötet ~ 1200 m2 szövegA gombostű fejének átmérőjét meg kellene nagyítani:
Egy kis tintapötty ~0,2 mm átmérőjű.
Tudjuk ezt a méretet 25000-ére csökkenteni?
Új méret:
2. Megoldható?
1985-ben egy Stanford-i egyetemista, Thomas Newman e-beam litográfiával írta le Dickens “A Tale of Two Cities” című regényének első oldalát 6,25 m területre. A betűk kb. 50 nm szélesek.
Nano-Bika• A legkisebb ember
alkotta objektum (tárgy???). A Bika 10 mikrométer hosszú, 7 mikrométer a szélessége - nagyjából egy emberi vörösvértest mérete.
• Japánban, az Osakai Egyetemen készült. Két lézersugarat fókuszáltak műgyantába, és ahol a sugarak metszették egymást, ott a gyanta megszilárdult.
http://www.memx.com/image_gallery.htm
Érdekességek
A világ legkisebb gőzgépe, a dugattyúk mérete 5 m
Mikro-Zár:kerekek mérete 50 m
1956 IBM Ramac 305 vs. 2003 IBM Microdrive5 MB 120 GB50 x 24” dia. disks 1 x 1” disk weighs “a ton” < 1 oz.$50,000 $120
The shrinking disk drive
Az első germánium tranzisztor
John Bardeen és Walter Brattain a Bell Laboratóriumban elkészítették az első germánium transistort, amely működött december 23-án 1947-ben. A feltalálók William Shockley menedzserrel együtt Nobel díjat kaptak 1956-ban.
Meg
való
sulá
sM
egva
lósu
lás
ÉvÉv19001900 19501950 20002000 20502050
VVáácuum cuum elekt-elekt-roncsövekroncsövekttechnolechnológiájaógiája
RRáádiodio
RadarRadar
TelevTelevízióízió
FélvezetőFélvezetőttechnologechnologiaia
TranTranzzisiszztoto--ros ráros rádiodio
SzámítógépekSzámítógépek
MobilokMobilok InternetInternet
NanotechnolNanotechnolóóggiaia
““ViselhetőViselhető” ” vezeték nélküli vezeték nélküli
Internet használatInternet használat
MoleMolekkululárisáris eelectronilectronikaka
Nano-Nano-rrobotobotokok
Az „elektronika” fejlődése
DNS~2-1/2 nm átmérő
Természet Emberkéz
MikroElektroMechanikus eszköz10 -100 m
VörösvértestPollen szemcse
Légytojás~ 10-20m
Szilícium atomok
Gombostű feje1-2 mm
Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvelKorál átmérő 14 nm
Emberi haj~ 10-50m
Vörösvértestekfehérvérsejt
~ 2-5 m
Hangya~ 5 mm
Poratka
200 m
ATP szintetáz
~10 nm átmérő Nanocső elektród
Szén nanocső~2 nm
Nanocső tranzisztor
O O
O
OO
O OO O OO OO
O
S
O
S
O
S
O
S
O
S
O
S
O
S
O
S
PO
O
21. Század kihívásai
Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl., fotoszintetikus reakciócentrum egy félvezető részecskével összekapcsolva
Mik
rovi
lág
0.1 nm
1 nanométer (nm)
0.01 m10 nm
0.1 m100 nm
1 mikrométer (m)
0.01 mm10 m
0.1 mm100 m
1 milliméter (mm)
1 cm10 mm
10-2 m
10-3 m
10-4 m
10-5 m
10-6 m
10-7 m
10-8 m
10-9 m
10-10 m
Visi
ble
Nan
ovi
lág
1,000 nanométer = In
frar
edU
ltrav
iole
tM
icro
wav
eSo
ft x-
ray
1,000,000 nanométer =
Röntgen-sugár “lencsék”gyűrűk távolsága ~35 nm
Nano mérettartomány
Elképzelések arról, hogy mi a nanotechnológia?
- Nanorészecskékből felépülő mikrostruktúrák tanulmányozása (TEM),
- Buttom-up technológia alkalmazása és tanulmányozása,
- Gyógyszerek nanokapszullákba zárása,
- Mikro-elektromechanikus rendszerek (lab-on-a-chip),
- Nanorobotok, véráramba bevihető nanoeszközök.
Mi a nanotechnológia?
• A nanotechnológia definiálható, mint:
– a képesség, hogy nanométer mérettartományban tudunk anyagokat, eszközöket készíteni,
• http://physics.about.com
• http://www.whatis.com
– a tulajdonságok és jelenségek összessége, ami a „nano” mérettartományban megfigyelhetők.
• http://www.nano.gov
Nanoszerkezetű anyagok- Egyik kiterjedésük nanométer
nagyságú,
- Kvantum pöttyök (quantum dots), kvantum effektus,
- Nanorudak és nanoszálak,
- Vékony filmek,
- Nanorészecskékből felépülő tömbi anyagok
Nanoszerkezetek készítése
A technológiai megközelítés (1)- Gőzfázisú növesztés (laser-pirolízis,
atomrétegek leválasztása),
- Folyadékfázisú növesztés, kolloid rendszerek, önszerveződő rétegek,
- Szilárd fázisú képződés, fázisszétválás (fémrészecskék képződése üvegben),
- Hibrid növesztés, VLS, gőz-folyadék-szilárd növesztésű nanoszálak.
Nanoszerkezetek készítéseA technológiai megközelítés (2)- Kolloidkémia, lángban való égetés, fázis
szétválás,- Nanorudak és szálak templátolt lerakás,
oldat-folyadék-szilárd (SLS), spontán növekedés,
- Vékony rétegek növesztése molekulasugárból, atomi rétegdeponálás,
- Nanoszerkezetekből felépülő tömbi anyagok, pl. fotonikus kristályok önszerveződő nanorészecskékből
NanoszerkezetekLegalább egy dimenzió 1-100 nm között
• 2-D szerkezetek (1-D korlátozás):– Vékonyfilmek– Kvantum lyukak– Rácsok
• 1-D szerkezetek (2-D korlátozás):– Nanoszálak– Nanorudak– Nanocsövek
• 0-D szerkezetek (3-D korlátozás):– Nanorészecskék– Kvantum pöttyök
• Szerkezetfüggő dimenzionalitás:– Tömbi nanokristályos filmek– Nanokompozitok Si0.76Ge0.24 / Si0.84Ge0.16 rács
2 m
Si Nanoszálak
Többfalú szén nanocső
1960 1980 20002000 2020 2040
0,1 nm
0,1 µm
0,1 mm
NA
NO
MIK
RO
Méret
Fizika
Elektro- technológia
Elektronika
Miniatürizálás
Kvantumeffektek
Rendeződés
Kémia
A mikro- és nanovilág
összekapcsolása
Anyagtudomány
Szupra-molekuláris kémia
A biológiai elvek, a fizikai törvények és a kémiai tulajdonságok együttes kihasználása
MA
KR
O
Újgen
erác
iós
anya
gok
kifej
lesz
tése
Év
Mikro- elektronika
Sejtbiológia
Molekulárisbiológia
Biológia
Komplex Kémia
Új anyagokÚj anyagokMoleMolek.k. eelelekktronitronikaka
FFotoniotonikuskus eszközökeszközökBioBioérzékelőkérzékelőkBio-cBio-cssipipekek
......
Funkcionalizálás
Molekulatervezés
0,1 m
Nanoszerkezetek előállítása
Alulról-felfelé és a felülről-lefelé módszerek
Aprítás és őrlés – felülről lefelé (top-down).
Kolloid diszperziók készítése – alulról-felfelé (bottom-up).
Litográfia – hibrid módszer, mert:
a vékonyréteg növesztés az bottom-up,
a lebontás (etching) top-down módszer.
Nanolitográfia és nanomanipuláció bottom-up.
Mindkét módszer, a top-down és a bottom-up nagyon fontos a gyakorlatban, de vannak előnyeik és hátrányai.
Nanoszerkezetek előállítása„Top-down„ szintézis „Bottom-up” szintézis
Tradicionális megközelítés „Nanotech” megközelítés
Pl. Szobrászat Pl. Biológiai rendszerek
Kihívások, amelyek teljesítendők
Legyőzni a hatalmas felületi energiát, amely a nagy felület és a nagy felület/térfogat arány eredménye.
Biztosítani, hogy az anyag minden részecskéjének azonos a mérete, méreteloszlása, morfológiája, kristályossága, kémiai összetétele, mikroszerkezete, amelyek meghatározzák a kívánt fizikai tulajdonságot.
Megőrizni a nanoanyagot és a nanoszerkezetet a széteséstől és/vagy az agglomerizációtól az idő eltelésével.
A nanotechnológia fejlődése
• „Esetleges” nanotechnológia: szinte évszázadok óta (aktív szén)
• „Elszigetelt” felhasználások (katalizátorok, kompozitok, …) ‘80 óta
• 1. generáció, passzív nanoszerkezetek (bevonatok, tömbi anyagok, nanorészecskék) 2001-
• 2. generáció, aktív nanoszerkezetek (tranzisztor, erősítő, célzott gyógyszer-hatóanyagok, mesterséges izom, alkalmazkodó szerkezetek 2005-
• 3. generáció, heterogén komponensű 3D nanorendszerek, önrendeződő szerkezetek, nanoméretű tervezett hálózatok 2010-
• 4. generáció, különböző molekulákból felépülő molekuláris nanorendszerek, molekuláris motorok 2020(?)-