mena 1000; materialer, energi og nanoteknologi kap. 12 nanoteknologi

MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi

Kap. 12 Nanoteknologi

Truls NorbyKjemisk institutt/Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN)

Universitetet i Oslo

FERMiO, ForskningsparkenGaustadalleen 21NO-0349 Oslo

[email protected]

Historie

Definisjoner

Eksempler på applikasjoner

Nanovitenskap og –teknologi; nanoVT


Nanoteknologi – litt historie

• 29. desember 1959:

Richard P. Feynman (1918-1988):

foredrag for American Physical Society:

”There’s plenty of room at the bottom – an invitation to enter a new field of physics”.

se for eksempel. http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html

• De neste 20 årene skjedde det imidlertid lite

(Hvorfor?)

Figure by Chris Toumey

http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html


Eksempler i litt videre tidsskala

• Naturen:

– Informasjon lagres i DNA – en organisk nanostruktur som er selvreproduserende og -reparerende

– Sjødyr får meget sterke skall ved hjelp av nanokompositter

• Menneskene:

– Bruker leire – dispersjoner av nanopartikler

– Farger glass og annet med kolloid utfelte gull-nanopartikler

– Lager jern-legeringer med karbon-nanorør (sot) (”Damaskus-stål”)


Sveip-probe-mikroskopene (SPM, 1981)

• Atomic force microscope (AFM)– Nåla sveipes over prøveoverflaten i x- og y-retning vha piezoelement– Topografi på prøven bøyer nåla og flytter den reflekterte laserstrålen fra fotodetektoren– Piezoelementet justerer avstanden i z-retningen til å bli konstant. z-kontrollsignalet gir

prøveoverflatens høyde i hvert x,y-punkt



• Atomic force microscope (AFM)– Realistisk forestilling om nåla og overflaten– Flere atomer på nåla tar del– Vann (adhesjon) spiller en rolle

– Kontakt- og ikke-kontakt (tapping) moduser



• Scanning Tunneling Microscope (Sveip-tunneling-mikroskop, STM)

– Mye felles med AFM

– Det går en tunnelingstrøm av elektroner prøven og nåla, som varierer med avstanden

– Ofte bare det nærmeste atomet som står for tunnelstrømmen, derfor kan atomær oppløsning oppnås

– Krever ledende prøver

Figurer: T. Knutsen et al., J. Electrochem. Soc., 2007


C60-molekylet (1985)

– R. Buckminster Fuller

– Buckminster-fullerene

– “Fotballmolekylet”

– Fullerener

– Fullerider

http://images.google.no/imgres?imgurl=http://patentpending.blogs.com/patent_pending_blog/images/capture1119200411555_am.jpg&imgrefurl=http://patentpending.blogs.com/patent_pending_blog/historical_patents/index.html&h=425&w=350&sz=42&hl=no&start=9&um=1&tbnid=9EVgFH9oYQiLMM:&tbnh=126&tbnw=104&prev=/images%3Fq%3DBuckminster%2BFuller%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Dno%26rls%3DGGLJ,GGLJ:2006-39,GGLJ:no%26sa%3DN


Engines of Creation (1986)

– K. Eric Drexler:”Engines of Creation” (1986)– Utløste debatt om ”nanobots”, ”The Grey Goo”, etc.


Clinton-administrasjonens nanoteknologi-initiativ (2000)

– Clinton-administrasjonens nanoteknologi-initiativ (2000)

• National Nanotechnology Initiative (NNI)

0200400600800

1000120014001600

Million USD

2000 2002 2004 2006 2008

Year

US NNI budget


Nanoteknologi i går, i dag og i morgen

• I går: – Mange ”gamle” polymerer ville i dag bli kalt nanoteknologi; Kevlar, nylon

– Mange ”tradisjonelle” materialer er nanoskopiske; keramikk, legeringer, treverk

– Mat!?– Batterier har lenge brukt nanokorn i elektrodene– Solkrem!

• I dag: – Datamaskiner miniatyriseres– Nye og bedre batterier– Nye og bedre solceller– Smussavvisende tekstiler, selvrensende vinduer– Skismuring!– Nye og mer selektive – målsøkende – medisiner

• I morgen:– Nye egenskaper, nanosenorer, medisinske gjennombrudd, ekstreme

datamaskiner…..bare fantasien setter grenser


Nanoteknologi – dimensjoner og noen definisjoner

• Nanos (gresk) = ”dverg”

• 1 nm = 10-9 m = 10 Å

• Nanoteknologi omfatter strukturer på < 30 nm (ca. 100 atomer)

• Andre sier at nanoteknologi omfatter strukturer på 1-100 nm

• Nanometerskalaen er skalaen naturen bruker til sine konstruksjoner

– bio, mineral, biomineralsk


Nanoteknologi – dimensjoner og noen definisjoner

• Fysikk: – Minskende dimensjoner mot

nanoteknologi– Top-down

• Kjemi: – Økende dimensjoner mot

nanoteknologi– Bottom-up

• Nanoteknologi er krysningspunktet (i dimensjon) mellom fysikk og kjemi

”Konvergerende teknologier”


Nanoteknologi – definisjoner forts.

• Nanoteknologi: Når liten størrelse endrer materialets egenskaper, ikke forutsigbart utfra fysikkens lover.

– Intensiv egenskap: Ikke konstant

– Ekstensiv egenskap: Ikke lineær med størrelse, volum


Bionanoteknologi (bionano)

• Hva er bionano?– Tverrfaglig biologi, medisin og kjemi/fysikk

• Kan bidra til– nye behandlingsmetoder og materialer for behandling av

mennesker og dyr

– medisinsk diagnostikk

– å forutsi helsetilstand

– individualisere behandlinger

– biologiske analyser, toksikologi, og miljøanalyser


Bionanomaterialer og regenerativ medisin

• Erstatte deler av kroppen med nye

• bionano gir muligheter for å skape strukturer og overflater som vokser videre og reproduserer seg selv (”self-assembly”)

• Dette kan gi – biokompatible overflater– sammengroing med eksisterende

vev– oppbygging av hele kroppsdeler

(foreløpig særlig benvev)

Illustrasjoner fra American Institute of Physics og Murphy and Mooney, Nature Biotechnology 20, 30 - 31 (2002).


Bionanodiagnostikk

• in vitro– Nanosensorer

• for eksempel receptorer på vibrerende piezoelektriske tunger

– Lab-on-a-chip

• in vivo– Kontrastmidler

• Karbon-nanorør• Gullnanostaver• Kvanteprikker

Illustrasjon: Brunel University.


Bionanomedisiner

• Eksempel: Abraxan: Innkapsling av cellegiften Taxol i nanopartikler (albumin); Abraxan)


Nanoteknologiens verktøykasse - elektronmikroskopi


Nanoteknologiens verktøykasse – Focused Ion Beam (FIB)


Nanoteknologiens verktøykasse - SPM

• AFM

• STM


Fremstilling og manipulasjon av nanostrukturer; oversikt

• Litografiske metoder; elektronstrålelitografi

– Avsette– Reagere– Etse

• Skjæremetoder– FIB

• Bottom-up-metoder– Chemical Vapour Deposition

(CVD)– Lag-for-lag– Nanopartikler– Selvbyggende, selvrepliserende

• Manipulering– SPM-manipulering av atomer


Manipulering av atomer med STM

• Kan dra, løfte, avsette, avbilde atomer og molekyler

• Kan brukes til å måle bindingskrefter


Manipulasjon forts.

• Atomer kan manipuleres

• Formen på atomer og annet fremstår ofte som forvrengt, fordi spissen ikke er ideell

• Bilder kan også manipuleres:

– z-retningen kan overdrives

– Kunstig ”belysning”, ”skygge”, farge og lysrefleksjon brukes ofte


Kvanteprikker og qubits

• Elektronenes energier blir kvantisert i små dimensjoner

jfr. atomenes eller molekylenes orbitaler

• Et elektron i en kvanteprikk kan for eksempel innta ”lav” eller en eller flere ”høye” tilstander

• Denne informasjonen kalles en qubit

Figur: Imperial College


Nanoteknologi; kvantifisert strømÉn-elektron-transistoren

• Nanoskopiske dimensjoner; Kvanteprikker• Lages med STM-tipp• Transistor med slike dimensjoner i gate-strukturen

slipper kun gjennom ett elektron ad gangen• To eller flere elektroner krever høyere spenning;

kvantifisert strøm• Nye muligheter for informasjons-flyt


Graphene

• Graphene er enkelt-ark av grafitt (C)

• “Oppdaget” av Brodie, 1859

• Rene enkelt-ark karakterisert først i 2004 (Geim et al.)

• Ikke stabile i seg selv• Stabiliseres av

– terminerende O og/eller H

– Bølgestrukturer


Grafen og andre karbon-nanostrukturer


Karbon-nanorør

• Single walled carbon nanotubes

SWCN

• Multi-walled carbon nanotubes

MWCN


SWCN karbon-nanorør

• Sterkere enn stål!

• Rørets vs strukturens retning gir forskjellige egenskaper

• (n,n) er metallisk; meget god leder!

• (n,0) er halvledende


Karbon-nanostrukturer; mange former


Karbon-nanorør; Funksjonalisering ved struktur og doping


Karbon-nanorør som gate i MOS transistorer


Nanorør og nanostrenger

• Mange materialer (C, Si, InP, TiO2…)

• Rør, staver, strenger, tråder…

• Plassering, retning, manipulasjon er krevende


nano-sensorer


Nanoteknologi; lagring av data

• Spintronics– Elektroniske, magnetiske, optiske

egenskaper

– Ett elektrons spinn lagrer informasjon

– Hvert atom i en krystall kan holde informasjon!

– Hvert atom kan i prinsippet holde mer enn én bit

• Atomær lagring: Data lagret som atomer på overflater

• Molekylær lagring: Data lagret som kjemisk endring av et molekyl

– Hvert molekyl kan holde mer enn én bit

http://www.trnmag.com/Photos/2002/080702/Ultimate%20memory%20demoed%20Image.html


Fotonikk (photonics)

• Lys interakterer med periodiske strukturer

• Diffraksjon– 2 dimensjoner– 3 dimensjoner

• 3 dimensjoner på mer kontrollert måte: Fotoniske krystaller

– Varierende mikrostruktur, sammensetning, defekter

– Ytre påvirkning (magnetisk, elektrisk, optisk)

– Waveguides– Filtre

• osv.


Ethical

Legal and

Societal

Aspects

(ELSA)

of

Nanotechnology

Tabell; NFR


Noen bonus-lysbilder; Nanoteknologi og solceller


Nanoteknologi og katalysatorer

Figur: K.P. Lillerud, UiO


Nanoteknologi og hydrogenlagring

Figurer: IFE, UiO


Nanoteknologi og superledere

Figurer: T.H. Johansen, UiO


Nanoteknologi og batterier (akkumulatorer)

http://www.marcvidal.cat/photos/uncategorized/prius.jpg


Bionanoteknologi og energianvendelser


Nano- og mikroteknologi med organiske molekyler og strukturer

• Lag for lag av forskjellige monomerer

• Polymerisering eller pyrolyse til grafitt eller karbonrør (ledere) ved oppvarming med STM-tip-strøm

• Mulighet for molekylære motorer, katalytiske seter, osv.


Bonus2: The single ion electrode….?

Can the

tip of a nanowire or –tube

approaching

an ionically or electronically conducting surface

provide a single electrochemical reaction site

where one ion at the time will react or form?


An atomic switch

• Using a mixed electron-cation conductor

• Ag2S – acanthite or argentite

• Non-stoichiometry; Ag2-xS

• Cation vacancies

• Ag = Ag+ + e-

• > 1 MHz

+

-

Ag

Ag2S

vAg/

h*

Ag+ e-


An atomic switch

• K Terabe et al. 2005 Nature 433 47


Neural networks by mixed conductors and solid-state electrochemistry

• Microstructures of e.g. Cu in Cu2S matrix can grow in complex patterns by electrical currents and electrochemical reactions

• Solid-state inorganic neural network


Oppsummering m.m., kap. 12

• Mikroteknologi– Miniatyrisering av det kjente

• Nanoteknologi– Der fysikk og kjemi møtes– Der fysikkens kjente lover (eller der

materialenes bulkegenskaper) endres

• Picoteknologi ?– Atomær og subatomær teknologi,

”alchemic engineering”

• Femtoteknologi ?– Partikkel- og kjerneteknologi


Noen sluttord om nanoVT

• Klimaet og miljøet trenger radikalt nye teknologier

• Nanoteknologi gir radikalt nye muligheter; materialegenskaper og ideer

– Solceller

– Hydrogenlagring

– Batteriteknologi

– Brenselceller

– ELSA

• Nanoteknologi materialvitenskap fysikk kjemi bio

mena 1000; materialer, energi og nanoteknologi kap. 12 nanoteknologi

Documents