Diapositiva 1 - INFN

Le nanotecnologie
Paolo Mazzoldi
Dipartimento di Fisica – Università di Padova, Via Marzolo 8, I-35131 PADOVA (Italia)
(1
Spesa Pubblica per le Nanotecnologie (2003)
Totale: 3540 Mld Euro
1070 (30.2%)
Europa
Giappone
USA
Altri
nm = 10-9 m)
Un miliardesimo
di metro
810 (22.9%)
510 (14.4%)
1150 (32.5%)
Dip. Fisica
23 febbraio 2010
[email protected]
nanotecnologie
Bisso
Capelli
Batteri
Transistor PIV
Fisica
quantistica
Scienza ed Ingegneria
dei Materiali
Dispositivi
nanomeccanici
Nanoelettronica
Autoassemblaggi
inorganici
Nanotubi al carbonio
Elettronica Organica
Nano-compositi
Nanotecnologia per dispositivi
ICT
Foto-voltaico
LED e laser tramite
nanosemiconduttori
Ricoprementi
per attrezzi
Aerospazio
Sospensioni ed inchiostri
Cosmetica
Tessile
Nanofabbricazione
Impianti micro-nano
Distribuzione
di medicinali
Farmaceutica
Sensori
DNA
Alimenti e bevande
Ambiente
Biochip
Coloranti
Catalizzatori
nanostrutturati
Sintesi di
materiali
Chimica
Energia
Nano-filtrazione
Nanotecnologie per la
Nanobiotecnologia
Autoassemblaggio
Biologico
Nanomateriali,
ricoprimenti e plastiche
Trasporto
Dispositivi
Electronica, informatica
Processamento di dati Magneto-resistivi
bio-molecolari
Miniaturizzazione
Bio-sintesi di molecole
funzionali
Nano-tribologia
Batterie
Bio-sensori
chimica e l’ambiente
Immagazzinamento
dell’idrogeno
Bio-catalisi
Auto-assemblaggio supra-molecolare
Biologia molecolare
Chimica
supramolecolare
Cosa sono i “nanomateriali”
(1 nm = 10-9 m)
Kong & Wang, Nano Lett. 3,
1625 (2003)
Nanoparticelle di oro su substrato di
TiO2, Valden, et al., Science 281 (1998)
Fili di rame (3 nm) su molibdeno
– Nanoparticelle (0 D)
– Nanofili, nanofibre, nanotubi (1 D)
Film di 160 nm di TaN on su
struttura di wafer di silicio.
– Film sottili (2 D)
– Nanomateriali massivi (3 D)
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Materiali Mesoporosi
Ibridi organico-inorganici
Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini)
Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie)
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)
Fibre di ossido (MoO3) in
matrice polimerica
Microstruttura di una lega
Ti/Al/V sinterizzata
Particelle di argilla in matrice
polimerica
Ad esempio …
ƒ 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.
Fullerene
C60
Nanotubo
di Carbonio
(CNT)
Conduttività termica di nanotubi con diverso diametro
singola parete SWNT (matassa)
multiparete (MWNT)
Lotus Effect
Superfici auto-pulenti: Effetto Lotus
10 μm
Cera cuticolare
Il controllo chimico e morfologico consente
di ottenere superfici super-idrofobiche con
proprietà auto-pulenti sfruttando il cosiddetto
“Effetto Loto”
Contributo
chimico
Film autopulente
superidrofobico
Innesto di alchilfluorosilani
Molecole idrofobiche
Morfologia
Contributo
geometrico
Inserire film
PMMA poly( methil methacrylate)
PDMS poly(dimethil-siloxane)
P(DMA-co-MEA) poly(dopamine methacrylamideco-methoxyethil acrylate)
Geckel
in aria
Forza per
pilastro
Geco
in aria
Geckel
in acqua
Geco
in acqua
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.
Le nanoparticelle
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
Sorgenti di nanoparticelle
90% da eventi naturali
10% da attività antropiche
fenomeni di erosione
eruzioni vulcaniche
sali marini
incendi
engineered
nanoparticles
nanotecnologie
emissioni secondarie
attività industriali
processi di combustione
procedimenti meccanici (abrasione) termici
motori diesel, incineritori
(saldatura)
utilizzo in diverse applicazioni industriali tra cui
cosmetica e medicina (rilascio di farmaci,
utilizzo a scopo diagnostico o terapeutico
….ma anche attività domestiche
…..nanoparticelle originate da attività domestiche
concentrazione
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
Macchine molecolari: dall’elettronica alla biologia
Elettronica basata sul DNA
Immagine tramite microscopia a Forza atomica di due
nanoparticelle di argento collegate dal DNA)
Abalone
Abalone
Nano- biotecnologie
Campo magnetico al centro 35 pT
0.5 μm
Microscopia di una cellula magnetospirillum gryphiswaldense
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).
OSSIDO DI ZINCO NANOSTRUTTURATO
PER COSMETICI
Nanofasi di ossido di zinco (nanoparticelle di 30-60 nm)
Barriera ottica per varie applicazioni: protezione solare, protezione
UV (occhiali, vetrate), fotovoltaico
BARRIERE AL GAS NANOSTRUTTURATE
Una 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
Applicazioni nel settore automobilistico
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
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
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
Nano-chitarra
Usando 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 Materiali
nanostrutturati
►
Sintesi
Caratterizzazione
Simulazione
Proprietà dei materiali
Ottiche
Catalitiche
Meccaniche
Magnetiche
Elettriche
Applicazioni tecnologiche
Industriali
Materiali Nanostrutturati
Assemblaggio da nano-blocchi
“Scultura” da materiale massivo
• Compattazione di polveri/aerosol
• Sintesi chimica
• Attrito meccanico (ball milling)..
• Litografia, attacco chimico…
Bottom-up
Top-down
BALL MILLING
~ 50 µm
Particelle
~ 50 µm
Sfere di Acciaio o di WC
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 singoli
nanocluster;
• 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.
Effetto della Superficie
Cobalto
Rapporto
atomi superficie/atomi volume F
n = 139 atomi
n = 369 atomi
n = 3043 atomi
R = 0.65 nm
R = 0.90 nm
R = 1.82 nm
F = 0.77
F = 0.56
F = 0.28
Nanocluster di Au ottenuti per impianto ionico in SiO2
SiO2
Au
n
R
(nm)
Sup
/Vol
102
0.67
86 %
103
1.44
40 %
104
3.10
19 %
106
14.4
0.4 %
Variazione della temperatura di fusione con le dimensioni
Temperatura di fusione Au - 1064° C
1200
2 nm
TM (R) (°C)
1000
800
600
esperimento
teoria
400
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
R (nm)
8
9 10 11 12
R = 5 nm
0,8
Ag
0,6
-1
σext/V0 (nm )
405 nm
Assorbimento di
nanoparticelle Ag, Au, Cu
in silice
0,2
300
400
500
0,08
700
Au
0,04
0,00
0,16200
-1
600
530 nm
-1
σext/V0 (nm )
0,0
200
0,12
σext/V0 (nm )
Effetto della Composizione
0,4
300
400
500
600
700
Cu
0,12
0,08
570 nm
0,04
0,00
200
300
400
500
600
wavelength (nm)
700
NC di Si ottenuti per pirolisi laser dal SiH4
Strutture core-shell
Si NC
SiO2
Si
SiO2
Se D < 5-7 nm
emettono luce
Fotoluminescenza
Radiazione
incidente ad
alta energia
(UV)
Radiazione
emessa a più
bassa energia
(visibile)
CdS, CdSe,
ZnS, ZnSe,
Si…
Soluzioni colloidali di CdSe in esano
con dimensioni decrescenti
3 eV (UV)
D = 1.2 nm
1.8 eV (IR)
D = 11.5 nm
CdS
0.335 nm
FILM SOL-GEL VETROSI NANOSTRUTTURATI
2 nm
5 nm
Variazione della concentrazione,
dimensione e forma
Applicazioni in medicina
Identificazione di sequenze di DNA con nanoparticelle
Luminescenza
(visibile)
Radiazione
(UV)
NC
DNA
sonda
DNA
bersaglio
substrato
Molecola od organismo patogeno
5
1
2
spectrometer
3
Test in vivo di luminescenza ed assorbimento da nanoparticelle
Fluorescence (rel. units)
3
2.5
tumor 1day
norma 1 day
2
1.5
1
0.5
0
600
650
700
750
800
Wavelength (nm)
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 prima
applicazione delle nanotecnologie
• IV a.C. Roma –ITALIA
• Vaso di “Likurgus”
Nanotecnologia del IV sec. d.C.
…riflessione
…transmissione
AuxAg1-x
Nanoparticelle
metalliche (~ 70 nm)
di lega AuxAg1-x (x ~
0.3) (confermato da
Vaso di Licurgo (Arte Vetraria Romana, British Museum)
diffrazione X)
Kunckel
1690
Miscela di sali Fe, Cu/Ag, ossidi Lustro : strato nanocomposito
eterogeneo metallo-vetro
vetro
Diffusion of islamic culture
XV‐XVII a.C.
Substrato ceramico
Mesopotamia, attuale Iraq, X a.C
► Iran circa XI a.C.
Maggior sviluppo Sejuks XIII a.C.
► Middle East
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 soluzione
con aceto; Riscaldamento a 600 °C in forno con
fascine di ginestra secca (atmosfera riducente)
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
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
trasfigurazione
I raggi che partono
da Cristo
colpiscono la terra
ed il cielo Altri tre
emanano da esso
Chartres Basilica
1300
Tiziano 1488-1576
Madonna della Salute
Venezia
La
radiazione
divina
modifica l’anima, mentre
una ovviamente differente
radiazione
può
creare…nanoparticelle
Materiali drogati con Fullerene per
Limitazione Ottica
0,30
640 nm
690 nm
0,20
590 nm
0,10
Fluenza di
danneggiamento
Fdamage > 100 J/cm2
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
1000,00
0,00
10000,00
Input e ne rgy (µJ)
Aumento dell’assorbimento in
funzione dell’energia in ingresso
100 μm
Materiali compositi per impianti nelle
articolazioni
Tempo di vita medio di un impianto dell’anca: 1015 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
Laboratori di ricerca nel Veneto (Nanotech ed Università)
Nanocomp
Focus - 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.
LaNN
Focus - Laboratorio di
Campus nanotech
Focus - Centro di Alta Formazione
sulle nanotecnologie.
Obiettivi - Sviluppare la formazione
post-lauream e creare un bacino di
competenze al servizio delle imprese
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
Ecsin
Focus - Analisi dell’impatto delle
nanotecnologie su ambiente, salute e
società.
Obiettivi - Risk assessment per le
imprese, di valutazioni sulla nanoeco-tossicità e di ricerche giuridicosociali connesse all’uso delle
nanotecnologie
Nanofab
Focus - Trattamenti
superficiali, nuovi materiali
nanostrutturati e nanotrattati,
sviluppo di nanosensori
chimici e biochimici e
microarrays.
Obiettivi –
Trasferimento alle imprese
di tecnologie
Attività di ricerca industriale
grazie al coordinamento con
l’Associazione Civen (tquattro
Università)
RIVESTIMENTI
NANOSTRUTTURATI
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, bigiotteriagioielleria, 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.)
RIVESTIMENTI
NANOSTRUTTURATI
•
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.)
MATERIALI SINTERIZZATI
I 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
SETTORI
DI APPLICAZIONE
questo modo gli oggetti finiti o semilavorati.
componenti meccanici per l’automobile
componenti per serramenti
componentistica sportiva
componenti per elettrodomestici, ecc.
HYP35-7
Impact Energy:
7 kJ
Min. time between strikes: 300 ms
Max. strike frequency:
200 / min.
SENSORI CHIMICI E BIOCHIMICI
SENSORI e
BIOSENSORI
nanostrutturati
migliore
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)
Sensibilità
Selettività
Limiti di rilevabilità
DNA
MICROARRAYS
Microarrays
con profili genici
desiderati
Applicazioni
mediche
e 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, !!.
My Laboratory… Il mio Laboratoriodue to the political approach in Italy toward the My Laboratory…..due to the political approach in Laboratory…..due to the political approach in Italy toward the research and researchers
taly toward the research and researchers
research and researchers
Conseguenza della politica della ricerca e del personale
ricercatore del nostro Governo
GRAZIE
• Auguri da un vecchio ricercatore e
docente per il vostro futuro!!!