1 / 52

MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi Kap. 12 Nanoteknologi

MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi Kap. 12 Nanoteknologi. Nanovitenskap og –teknologi; nanoVT. Historie Definisjoner Eksempler på applikasjoner. Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo FERMiO, Forskningsparken

gwylan
Download Presentation

MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologi Kap. 12 Nanoteknologi

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. MENA 1000; Materialer, energi og nanoteknologiKap. 12 Nanoteknologi Nanovitenskap og –teknologi; nanoVT Historie Definisjoner Eksempler på applikasjoner Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og Nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo FERMiO, Forskningsparken Gaustadalleen 21 NO-0349 Oslo truls.norby@kjemi.uio.no MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  2. Figure by Chris Toumey 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?) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  3. 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”) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  4. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  5. Sveip-probe-mikroskopene (SPM, 1981) • 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  6. Sveip-probe-mikroskopene (SPM, 1981) • 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  7. C60-molekylet (1985) • R. Buckminster Fuller • Buckminster-fullerene • “Fotballmolekylet” • Fullerener • Fullerider MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  8. Engines of Creation (1986) • K. Eric Drexler:”Engines of Creation” (1986) • Utløste debatt om ”nanobots”, ”The Grey Goo”, etc. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  9. Clinton-administrasjonens nanoteknologi-initiativ (2000) • Clinton-administrasjonens nanoteknologi-initiativ (2000) • National Nanotechnology Initiative (NNI) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  10. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  11. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  12. 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” MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  13. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  14. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  15. 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). MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  16. 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. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  17. Bionanomedisiner • Eksempel: Abraxan: Innkapsling av cellegiften Taxol i nanopartikler (albumin); Abraxan) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  18. Nanoteknologiens verktøykasse - elektronmikroskopi MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  19. Nanoteknologiens verktøykasse – Focused Ion Beam (FIB) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  20. Nanoteknologiens verktøykasse - SPM • AFM • STM MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  21. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  22. Manipulering av atomer med STM • Kan dra, løfte, avsette, avbilde atomer og molekyler • Kan brukes til å måle bindingskrefter MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  23. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  24. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  25. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  26. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  27. Grafen og andre karbon-nanostrukturer MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  28. Karbon-nanorør • Single walled carbon nanotubes SWCN • Multi-walled carbon nanotubes MWCN MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  29. SWCN karbon-nanorør • Sterkere enn stål! • Rørets vs strukturens retning gir forskjellige egenskaper • (n,n) er metallisk; meget god leder! • (n,0) er halvledende MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  30. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  31. Karbon-nanostrukturer; mange former MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  32. Karbon-nanorør; Funksjonalisering ved struktur og doping MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  33. Karbon-nanorør som gate i MOS transistorer MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  34. Nanorør og nanostrenger • Mange materialer (C, Si, InP, TiO2…) • Rør, staver, strenger, tråder… • Plassering, retning, manipulasjon er krevende MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  35. nano-sensorer MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  36. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  37. 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. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  38. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  39. Ethical Legal and Societal Aspects (ELSA) of Nanotechnology Tabell; NFR MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  40. Noen bonus-lysbilder; Nanoteknologi og solceller MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  41. Nanoteknologi og katalysatorer Figur: K.P. Lillerud, UiO MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  42. Nanoteknologi og hydrogenlagring Figurer: IFE, UiO MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  43. Nanoteknologi og superledere Figurer: T.H. Johansen, UiO MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  44. Nanoteknologi og batterier (akkumulatorer) MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  45. Bionanoteknologi og energianvendelser MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  46. 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. MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  47. 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? MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  48. + Ag Ag2S - 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+ e- vAg/ h* MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  49. An atomic switch • K Terabe et al. 2005 Nature433 47 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

  50. 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 MENA 1000 – Materialer, energi og nanoteknologi

More Related