Nanovetenskap och teknologi
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 33

Nanovetenskap och -teknologi PowerPoint PPT Presentation


  • 69 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Nanovetenskap och -teknologi. Kai Nordlund 23.8.2014. Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten Institutionen för fysikaliska vetenskaper Acceleratorlaboratoriet. Innehåll. Vad är nanovetenskap och teknologi? Varför är nano nytt och annorlunda? Bakgrund: Feynmans och Drexlers visioner

Download Presentation

Nanovetenskap och -teknologi

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.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


Nanovetenskap och teknologi

Nanovetenskap och -teknologi

Kai Nordlund

23.8.2014

Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten

Institutionen för fysikaliska vetenskaper

Acceleratorlaboratoriet


Inneh ll

Innehåll

  • Vad är nanovetenskap och teknologi?

  • Varför är nano nytt och annorlunda?

  • Bakgrund: Feynmans och Drexlers visioner

  • Verkligheten nu:

    • Forskning

    • Bottom-up vs. top-down

    • Historisk och naturlig nano

    • Industri och marknader

      • Finland

      • Världen

  • Framtid: moderna visioner och drömmar


Vad r nanovetenskap

Vad är nanovetenskap?

  • ”Vetenskap som undersöker och utnyttjar strukturer som är i storleksordningen 1 – 100 nm åtminstone i en dimension. Objekten är väl kontrollerade i detta storleksområde vad gäller tillverkning, modifikation eller analys, och forskningen har en grundläggande nyhetsaspekt vad gäller materialet självt, dess analysmetoder eller den vetenskapliga frågeställning”

    • Kai Nordlund

    • Syntes av flera mer auktoritära källor

  • Nyhetsbegreppet viktigt!

  • Nanoteknologi

    • Tillämpning av dito

  • Nanobusiness, nanoprodukter

    • Kommersialiserad nanoteknologi


  • Hur liten r en nanometer 1

    D ~ 13000 km

    D ~ 0.3 m

    D ~ 1 nm

    Djord/Dboll = Dboll/Lfulleren

    Hur liten är en nanometer? (1)


    Hur liten r en nanometer 2

    Hur liten är en nanometer? (2)

    Virus

    Tobaksrök

    Bakterier

    Svampsporer

    Växtsporer

    Regndroppe


    Ny vs gammal nano

    Ny vs. gammal nano

    • Gränsdragningen över vad som ‘förtjänar’ att kallas nano är ofta svårt

    • Exempel: halvledarindustrin

    • Den aktiva komponenten i kiselprocessorerna är MOSFET-transistorn

      • Det isolerande kiseldioksidlagrethar redan i åratal varit i nm-området

      • I den nyaste generationens chipsär hela den ledande kanalen < 100 nm

    • Men grundläggande lösningen är samma som förr

      • Miniatyrisering ger inte nyhetsvärde i sig självt!?

    • Men i år (2006) ersätts kiseldioxidlagret med ett Hf/Zr-oxidlager som tillverkats med en helt ny metod, ALD !?

      • ALD utvecklat i Finland

    • Semantik, inte egentligen så viktigt...


    Varf r r nano nytt

    Varför är nano nytt?

    • Nanometer (meso-) skalan är i och för sig känt i över hundra år, ända sedan atomens storlek bestämdes

    • Men därefter skedde grovt sett en tudelning i vetenskapen:

      • Atomfysiken fokuserade sig på enskilda atomer

      • Materialfysiken och metallurgin fokuserade sig på kontinuerligt bulkmaterial

    • Nanoskalan blir däremellan, och gäller uttryckligen fall där man behandlar enskilda nano-objekt, eller utnyttjar sådanas funktionalitet då den avviker från makroskalan

    • Iofs. forskades det ju nog hela tiden i nanometerskalan från många utgångspunkter, t.ex.

      • Kemi, molekylifysik

      • Strålninsskador i material

      • Biostrukturer

    • Men utgångspunkten var ”genomsnitts”-funktionaliteten


    Varf r r nano annorlunda

    2 Å

    Varför är nano annorlunda?

    • Exempel 1: atomboll

      • Hur stor del av atomerna i en boll är på ytan?

      • Vi vet att ett atomlager är ungefär t=0.2 nm tjockt

      • Volymen av ytatomerna:

        Vyta = 4 p r2 t

      • Hela bollens volym:

        Vboll = 4 p r3/3

      • Förhållandet, alltså fraktionen ytatomer:

        Vyta/ Vboll = 3 t / r

    • Betrakta nu olika värden på r:

      • Makroboll:r= 1 m => 3 t / r = 6 • 10-10

      • Mikroboll:r= 1 mm => 3 t / r = 6 • 10-4

      • Nanoboll:r= 1 nm => 3 t / r = 0.6 !!

    • På nanoskalan är andelen ytatomer enormt!

      • Dessa beter sig olikt de andra => stor effekt på materialets egenskaper!


    Varf r r nano annorlunda1

    Varför är nano annorlunda?

    • Exempel 2: Kvantmekaniken ändrar på materialens egenskaper

    • Om atomstrukturens längd är mindre än elektrontillståndets karakteristiska våglängd, kan elektronen ”infångas” i 1, 2 eller 3 dimesioner

      • Elektronernas våglängdere är typiskt i nanometerområdet

      • Man talar om 2D, 1D och 0D-strukturer beroende på hur många dimensioner är i nanometerskalan

      • 2D-nanostruktur: tunn film, elektronerna infångad i 1 dimension

      • 1D-nanostruktur: nanotråd, elektronerna infångade i 2 dimensioner

      • 0D-nanostruktur: kvantpunkt, elektronerna infångade i 3 dimensioner

    [“Quantum corral”, IBM]


    Varf r r nano annorlunda2

    Varför är nano annorlunda?

    • Elektronernas tillståndstäthet är dramatiskt olikt då man sänker på antalet dimensioner:

      • 3D: kontinuerlig

      • 2D: trappor

      • 0D: bara pikar

    • I en kvantpunkt är elektrontillståndenakvantiserade helt somi atomer

    • Men fördelen är attman kan ändra på kvantpunktensstorlek => man kanjustera punkternas platser

      • Spännande optiskaeffekter och tillämpningar!

    Fotoemission från olika stora CdSe/CdTe-nanopartiklar


    Bakgrund feynmans tal

    Bakgrund: Feynmans tal

    • Nanovetenskapens början kan anses vara i ett tal som nobelpristagaren i fysik Richard Feynman höll 1959 med rubriken ”There is plenty of room at the bottom”.

    • Han framförde att miniatyrisering av komponenter kunde föras ner ända på atomnivå, så att man kunde bygga material en atom i taget

    • De flesta nu aktuella visioner och tillämpningar i nanoteknologi kan hittas i detta tal

      • Jag presenterar nu några av hans huvudpoänger


    Feynmans tal miniatyrisering

    Feynmans tal: miniatyrisering

    • ”Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? “

      • Feynman räknade att om man kunde tillverka atomstrukturer med ett tvärsnitt på 40 atomer, kunde man skriva hela Encyclopaedia Brittanica på toppen av en nål

    • År 1959 var detta klart omöjligt

      • Feynman blev utsatt för åtlöje

    • Idag skulle det vara helt möjligt att göra, bokstavligen!

      • Åtminstone på kisel

      • Elektronstrålelitografi

    • I praktiken vill ju ingen göra det så, utan man använder en DVD-skiva eller USB-sticka

    • Men Feynmans vision har väsentligen förverkligats


    Feynmans tal fysik kemi bioteknologi

    Feynmans tal: fysik – kemi - bioteknologi

    • “This fact---that enormous amounts of information can be carried in an exceedingly small space---is, of course, well known to the biologists … in the tiniest cell, all of the information for the organization of a complex creature such as ourselves can be stored. “ …

      “The theory of chemical processes today is based on theoretical physics. In this sense, physics supplies the foundation of chemistry. But if the physicists [had a hundred times better electron microscope], they could also dig under the chemists in the problem of chemical analysis. It would be very easy to make an analysis of any complicated chemical substance; all one would have to do would be to look at it and see where the atoms are.”

      => När man rör sig nära atomnivå får fysik, kemi och biologi ett naturligt samband och de traditionella gränserna försvinner


    Feynmans tal elektronikens miniatyrisering

    Feynmans tal: elektronikens miniatyrisering

    • “I don't know how to do this on a small scale in a practical way, but I do know that computing machines are very large; they fill rooms. Why can't we make them very small, make them of little wires, little elements---and by little, I mean little. For instance, the wires should be 10 or 100 atoms in diameter, and the circuits should be a few thousand angstroms across.“.

    • Detta har förverkligats bokstavligen!


    Feynmans tal bio ja nanomaskiner

    Feynmans tal: bio- ja nanomaskiner

    • “Biology is not simply writing information; it is doing something about it.” … “What are the possibilities of small but movable machines?” … “A friend of mine (Albert R. Hibbs) suggests a very interesting possibility for relatively small machines. He says that, although it is a very wild idea, it would be interesting in surgery if you could swallow the surgeon. You put the mechanical surgeon inside the blood vessel and it goes into the heart and ``looks'' around. It finds out which valve is the faulty one and takes a little knife and slices it out.

    • Detta är en av de allra mest ambitiösa visionerna i nanovetenskap: nanomaskiner med komplicerad funktionalitet!

    • Detta var utopi på 1950-talet, och det är det fortfarande vad gäller en maskin som fungerar som kirurg!

    • Men biologin har nanomaskiner som bevisligen fungerar!


    Feynmans tal manipulering av atomer

    Feynmans tal: manipulering av atomer

    • “But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they are chemically unstable, for example).

    • Detta har förverkligats, på ytor


    Drexlers visioner

    Drexlers visioner

    • År 1986 tog K. Eric Drexler visioneringen i nanoteknologi ännu längre i sin bok “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology”

    • Grundideerna samma som Feynmans

    • Han beskrev också en värld med självreplikerande nanomaskiner som kan reparera celler och därmed hindra människor från att bli gamla

    • Å andra sidan beskrev han också nanorisker och nanovapen

    • ”Gray goo”: självreplikerande nanomaskiner som äter upp allt från sin väg

    • Denna ide har tom. Drexler själv dragit tillbaks som orealistik [år 1990s upplaga av boken]


    Verkligheten nu

    Verkligheten nu

    • Nu skall jag ge exempel på verklig, nu existerande nanovetenskap och forskning

    • Intresset i dessa är i ett enormt uppsving sedan ungefär år 1995


    Verkligheten nu atomniv s transistorer

    Verkligheten nu: atomnivås transistorer

    • En nanorörtransistor, där elledning sker i en enda kolmolekyl

      • Förverkligad också i Finland

    • Vissa av dessa kan fungera med en enda elektron i taget


    Verkligheten nu nanopinsetter

    Verkligheten nu: nanopinsetter

    C. Lieber, Harvard University


    Verkligheten nu nanomaskiner 1

    Verkligheten nu: nanomaskiner 1

    • I Århus universitet har man förverkligat en molekyl som rör sig på en metallyta och lyfter upp metallatomer från den, en i taget

      • Atomär skördetröska 


    Verkligeheten nu nanomaskiner 2

    Verkligeheten nu: nanomaskiner 2

    • Nanorotor

      (1939rotor.gif)


    Bottom up vs top down och self assembly

    Bottom-up vs. top-down och self-assembly

    • Man använder ofta följande begrepp om hur man kan bygga nanostrukturer:

    • Bottom-up

      • Man börjar från atomer och bygger uppåt

      • Förverkligad med atomkraftmikroskop på ytor

      • Verkligt långsamt och osäkert

      • Lösning: self-assembly: atomerna hittar sina platser genom självorganisation

    • Top-down

      • Man börjar från makroskala och förminskar

      • Kiselteknologi

      • Fungerar: Pentium eller Opteron > 1 miljard fungerande komponenter på nanoskala

    • Ofta nuförtiden en kombination av dessa två

    [IBM]


    Naturens nano

    Naturens nano

    • Biologin grundar sig naturligtvis på nanoskala

      • Men all biovetenskap är inte nano

    • Men i naturen förekommer objekt och funktionalitet som liknar mycket det som nu forskar i nanovetenskap

      • “Biomimetics”: bioinspirerade material

    • Naturens nanopartiklar

      • Aerosolpartiklars nukleation är i grunden samma process som den som leder tilltillväxt av nanopartiklar

      • Viktig för förståelseav luftförorening ochväxthuseffekten

    [Hanna Vehkamäki, HU]


    Naturens nanomaskiner

    Naturens nanomaskiner

    • Den bäst förstådda nanomaskinen är ATP-syntas

      • Den är verkligen som enmaskin med rörliga delar

      • Den befinner sig i cellmembraneri oss alla

      • Den skapar ATP ur ADP

        • ATP är cellernas viktigastebränsle

      • Animation ATPsynthase.mov


    Omvandling av naturens nanomaskiner

    Omvandling av naturens nanomaskiner

    • En av de mest lovande ideerna att bygga nanomaskiner är att ta existerande biologiska maskiner och modifiera dem

    • Detta har redan gjorts för ATP-syntas

    • I ändan av den rörliga delenhar man placerat en aktin-molekyl, som syntasen sedanroterade som en propeller!

    [Sambongi, Science 286 (1999) 1722]


    Verkligheten nu nanoprodukter

    Verkligheten nu: nanoprodukter

    • Billigare eller bättre mobiltelefoner med nanoprodukter

      • Förenade chips i telefonen

      • Ytbeläggning dit fingeravtryckinte fastnar

    • Textiler och fönster som inte blir smutsiga

      • Nanometerstora molekyler, som hindrarsmuts från att fastna på textil-ytor

      • Fönsterrutor som blir rena vid regn


    Verkligheten nu nanoprodukter1

    Verkligheten nu: nanoprodukter

    • Bilarnas katalysatorer är den största produkten som utan tvivel kan räknas till nanoteknologi

    • Deras funktionalitet grundar sig på Pt/Pd/Rh-nanopartiklar som söndrar skadliga kolväten, kolmonoxid och kväveoxider med hjälp av ytkatalys

      • P.g.a. metallernas höga pris är det helt nödvändigt att ha dem i nanopartikelform


    Verkligheten nu nanoprodukter i finland

    Verkligheten nu: nanoprodukter i Finland

    • Även i Finland har man lyckats kommersialisera nanovetenskap

    • Atomic Layer Deposition utvecklades i Finland

      • Planars elektroluminescensdisplayer

      • År 2006 i Intels chips

    • Orion Diagnostica

      • Nanopartiklar som ‘molekyldetektorer’i läkemedelsindustrin

    • Liekki Oy

      • Aktiva optiska fibrer

      • Direct Nanoparticle Deposition

        • Samarbete TTY – Konstindustriella högskolan


    Framtiden de verkligt vilda visionerna

    Framtiden: de verkligt vilda visionerna?

    • Det är redan klart att nanovetenskap har och kommer att ha en viktig roll i teknologi som påverkar vår vardag

    • Men vad kan man säga om de vildaste visionerna?

    • Att bygga en atom i taget kommer knappast attförverkligas enligt den ursprungliga visionen

      • Fundamentala problem och för krångligt

    • Begreppet nanomaskin såsom den visas av Drexler som en miniatyrisering av konventionell metallindustriförverkligas garanterat inte

      • Metaller beter sig annorlunda på nanoskala

    • Däremot förverkligas nanomaskiner som grundar sig på biologi i någon form säkert

      • Men skalan, “upscaling” ?


    Framtiden de vildaste visionerna

    Framtiden: de vildaste visionerna?

    • Den radikalaste visionen som verkligen skulle förändra saker som forskas i på allvar är rymdhissen

      • Gammal ide, bl.a. A. C. Clarke

      • Men konventionella material är inte tillräckligt starka

    • Men kolnanorör kunde i teorin vara tilläckligt starka för att möjliggöra det hela

    • NASA har ett litet projekt om detta

    • Men har inte funnit fundamentala hinder till iden

    • Men de praktiska problemen är ganska stora

      • T.ex. ett 50 km högt torn som botten…

    • Den uppskattade tidsskalan 100 år…


    Framtiden risker

    Framtiden: risker

    • Som redan sagt, behöver man inte vara rädd för “Gray goo”-maskiner som tar över allt inom överskådlig framtid

    • En stor del av nanoteknologi är relativt riskfritt, inte värre än nuvarande teknologi

    • Råvarumässigt är nanoteknologi enormt bra: bra funktionalitet med mycket lite råvaror

    • Men speciellt vad gäller nanopartiklars kosmetiska, bio- och medicinska tillämpningar kan det finnas allvarliga riskfaktorer

      • Nya material, små partiklar => vart rör de sig i kroppen?

    • Man skall varken ignorera eller överdramatisera riskerna


    Sammandrag

    Sammandrag

    • Nanovetenskap är rolig och spännande forskning

    • Nanotekonologi påverkar vår vardag redan nu, och kommer att göra det allt mer i framtiden


  • Login