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(?)-