NANOTECNOLOGIE – 6 cfu L. Miglio, Tel. 02/64485217 e

NANOTECNOLOGIE – 6 cfu
L. Miglio,
Tel. 02/64485217
e-mail: [email protected]
Obiettivi dell’insegnamento:
L’argomento di questo Corso sono le Nanotecnologie come scienza multidisciplinare, che si è
recentemente sviluppata a partire dai diversi contributi della fisica, della chimica
dell’ingegneria e della biologia. Si sono quindi privilegiati gli aspetti concettuali, di sintesi e di
manipolazione trasversali a diversi materiali, sottintendendo che la caratteristica del controllo a
scala nanometrica accomuna tutte le procedure nanotecnologiche. Non saranno analizzate
sistematicamente nanostrutture particolari, o per specifiche applicazioni, perché molte di
queste sono trattate all’interno degli insegnamenti dedicati alle diverse classi di materiali, ma
un cfu di esercitazioni completa con maggior dettaglio preparativo alcuni esempi notevoli.
L’indicazione di diverse fonti bibliografiche per approfondimento, in aggiunta ad un paio di testi
principali (spesso troppo sintetici, disuniformi o superficiali) è purtroppo una necessità
ineluttabile, dovuta al fatto che le Nanotecnologie rappresentano una scienza giovane,
tutt’altro che consolidata. Allo studente si lascia quindi il compito di approfondire a piacimento
quelle tematiche, che possono essere più interessanti per la propria formazione o per il proprio
lavoro di Tesi. Il corso non richiede particolari conoscenze chimiche, perché quanto necessario
sarà fornito consistentemente.
Testi di principale riferimento:
1) Nanoscale Science and Technology, R.Kelsal, I.Hamley, M.Geoghegan. John Wiley and
Sons, Chichester, 2005. (Avanzato)
2) Introduction to Nanotechnology, C.P.Poole Jr, F.J. Owens. John Wiley and Sons,
Hoboken NJ, 2003 (Introduttivo)
Modalità di esame:
Prova orale.
Programma:
INTRODUZIONE ALLE NANOTECNOLOGIE ED ELEMENTI DI NANOSCIENZA: 3 CREDITI
- Introduzione al concetto di Nanotecnologia. La visione di Feyneman, la visione di
Drexler; un po’ di zoologia: nanoparticelle, materiali nanostrutturati e nanoporosi,
nanodispositivi e molecular electronics, nanomotori e nanosensori. Reff. (1) §1.1; (3)
§1; (5) §7.
- Effetti della ridotta dimensionalità sulle proprietà di stato fondamentale: cenni di
stabilità strutturale di wires e clusters; nuovo significato delle variabili termodinamiche;
proprietà reologiche e meccaniche determinate dal rapporto superficie/volume; dalla
microfluidica alla nanofluidica., Ref. (2) §4; articoli di magazine.
- Effetti della ridotta dimensionalità sulle proprietà di stato eccitato: generalità sul
confinamento elettronico e fononico ed effetti sulle proprietà ottiche; principi del
trasporto mesoscopico e dei fenomeni di tunneling con effetti sulle proprietà di
trasporto elettrico e termico. Reff. (4) §18; (6) §11
- Generalità sui metodi di fabbricazione, in relazione alle tipologie dei materiali e alla
morfologia dei prodotti. Ref. (1) §1.4
- Richiami sulle tecniche di analisi, con enfasi sulle tecniche di microscopia a risoluzione
nanometrica: AFM e STM, TEM e SEM. Dip pen nanolithography e tecniche di nano
posizionamento basato su strumenti a scansione di sonda. Reff. (1) §2.2-2.5; (2) §3;
(4) §18
- Principali settori industriali di applicazione, con alcuni esempi, e cenni sui rischi
ambientali e di salute. Ref. (3) §2.
Testi ausiliari:
(3) Nanotechnology Applications and Markets, L. Gasman. Artech House, Boston, 2006;
(4) Introduzione alla Fisica dello Stato Solido, C.Kittel. Editrice Ambrosiana, Milano, 2008;
Altre fonti:
(5) Feyneman and Computation, A.J.G. Hey Editor. Perseus Books, Reading, Mass., 1999;
(6) Nanomaterials from Research to Applications, H. Hosono et al. Editors. Elsevier, Oxford,
2006.
NANOSTRUTTURE INORGANICHE PER ICT E SENSORISTICA: 2 CREDITI
- Elementi di deposizione ed etching selettivi: processi di litografia a livello micrometrico.
Nanolitografie per electron beam e per focussed ion beam; softprinting.
- Crescita di nanostrutture epitassiali autoassemblate: etroepitassia con misfit reticolare,
droplet epitaxy e quantum wires da catalizzatore metallico.
- Arrays di nanostrutture: ordinamento spontaneo bidimensionale tridimensionale da
interazione elastica, ordinamento da patterning del substrato. Precipitati epitassiali in
matrice solida: dots e platlets.
- Confinamento e band offset in strutture bidimensionali, mono-dimensionali e zerodimensionali. Superreticoli.
- Processi di trasporto elettrico in nanostrutture: tunneling, trasporto balistico, Coulomb
blockade.
- Processi optoelettronici e caratterizzazione ottica di nanostrutture.
- Processi magnetici, cenni di spintronica e magnetotrasporto in nanostrutture.
- Nanowires di semiconduttori.
- Nanoparticelle a base carbonio: grafene, fullereni e CNT
Ref. (1) §3; §4; (2) §9; §10.1
Altre fonti:
Low-dimensional semiconductor structures, K. Barnham and D. Vveddesky Eds., Cambridge
University Press, Cambridge 2001.
Nanophysics and Nanotechnology, E.W. Wolf. Johm Wiley and Sons, Weinheim 2006, second
edition.
ESERCITAZIONI: 1 CREDITO
PREPARAZIONE DI NANOPARTICELLE INORGANICHE E LORO DISPERSIONE
- Sintesi di nanoparticelle inorganiche (ossidi, metalli). Sintesi per combustione di
precursori (fumed silica, carbon black, titania,…). Sintesi per via sol-gel di ossidi
inorganici, utilizzo di microemulsioni, metodi idrotermali e solvotermali.
- Sintesi di graphene, fullereni e CNT: laser ablation, scarica d’arco, e chemical vapor
deposition. Purificazione.
- Sintesi di quantum –dots e particelle core-shell di semiconduttori con metodi colloidali
e loro funzionalizzazione superficiale (place Exchange reactions).
- Tecniche di preparazione meccanica di materiali nanostrutturati: ball milling,
mechanical alloying, mechanofusion.
- Dispersione e stabilizzazione di nanopolveri in matrice polimerica: disgregazione degli
aggregati, funzionalizzazione delle nanoparticelle, dispersione nel momonero e
successiva polimerizzazione, dispersione nel fuso polimerico o in soluzione polimerica.
Ref. (1) §5; § 6.1, 6.3; (2) §4-6; §10.2
Altre fonti:
Nanoparticle Technology Handbook, M.Hosokawa et al Eds. Elsevier, Oxford 2007.
NANOSTRUTTURE ORGANICHE, BIO-ISPIRATE E BIOLOGICHE
- Materiali molecolari autoassemblati. Principi alla base dei fenomeni di autoassemblaggio
di materiali organici e ibridi organico-inorganico. Natura e ruolo delle interazioni non
covalenti.
-
Esempi di film nanostrutturati funzionali. Nanodielettrici auto assemblati, superfici fotoed elettro-responsive, macchine ed interruttori molecolari ancorati su superficie.
Film mesoporosi nanostrutturati. Tecniche di sintesi e caratterizzazione di materiali
nano e mesoporosi basate su auto-organizzazione dei precursori (sintesi template).
Applicazioni dei Copolimeri a blocchi in nanotecnologie: sintesi di nano particelle
polimeriche (polimersomi) e di film nanoporosi orientati e ordinati.
Dendrimeri, membrane, vescicole, liposomi, copolimeri a blocchi e nano strutture ibride
in nano medicina: approcci nanotecnologici all’imaging selettivo e drug delivery
Nanofabbricazione basata su auto assemblaggio programmato di DNA denaturato (DNA
nanofabrication)
Ref. (1) §7-9; (2) §11-13
Altre fonti:
Nanochemistry, G.A Ozin and A.C. Arsenault. Royal Society of Chemistry Publishing,
Cambridge 2006. paragrafi 1,2,3,4, 10.