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

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