Date post: | 27-Jun-2015 |
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Un materiale nanostrutturato (o nanomateriale) viene definito come un materiale solido caratterizzato da almeno una dimensione dell’ordine dei nanometri
Various Materials in Nanometer Dimension
< nm nm 1000’s nm’s Million nm’s Billions nm’s
Chimica, nanoparticelle, e fisica della materiacondensata
Atomi/Molecole
Quanto chimica
Particelle sunanoscala
?
Materiacondensata
Fisica dellostato solido
1 125 70,000 6 x 106 ∞Diametro 1-10 nm Diametro 100-∞ nm
In regime nanoscopico, non valgono nè le leggi della quanto chimica nè le leggidella fisica classica
Gli effetti dimensionali costituiscono un aspetto peculiare e affascinante dei nanomateriali. Gli effetti determinati dal cambiamento della dimensione di questi sistemi riguardano le proprietà strutturali, termodinamiche, elettroniche, spettroscopiche, elettromagnetiche e chimiche.
Le proprietà di un materiale dipendono dal tipo di moto degli elettroni, che a sua volta, dipende dallo spazio disponibile. Così, le proprietà del materiale sono caratterizzate da una specifica “scala di lunghezza”, in genere della dimensione dei nm. Se la dimensione fisica del materiale viene ridotta sotto questa scala di lunghezza, le sue proprietà cambiano e diventano sensibili alla dimensione e alla forma.
La La materiamateria ha ha proprietproprietàà insoliteinsolite sullasulla scalascala deidei nmnm
If you take gold and make particles about 10 nm in diameter, it looks wine-red or blue-gray, depending on how close the particles are together
ruby-red stained glass from goldnanoparticles
Relazione fra la dimensione delle particelled’oro e i loro punti di fusione
0
2 0 0
4 0 0
6 0 0
8 0 0
1 0 0 0
1 2 0 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0
Particle Radius (nm)
Mel
ting
Poin
t (o C
)
Effetti dimensionali
Proprietà che dipendono dalla riduzione delledimensioni : Bulk vs. Nano
Punti di fusioneProprietà otticheColoreReattivitàProprietà magneticheConducibilitàCalori specifici…….
Nanotecnologia:
• “….concerned with materials and systems whose structures and components exhibit novel and significantly improved physical, chemical and biological properties, phenomena and processes due to their nanoscale size”
• (Report by the Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology 2000).
Esempi dal mondo biologico:
Ferritina:
Microelettronica
ENIAC: il primo computer (1944)
Peso: ca. 30 tN. elementi: 19000 tubiConsumo: 200 kW
Computer (2004)
Peso: ca. 5 kgN. elementi: 55 milioni di transistors (pentium 4)Consumo: ca. 100 WDimensione minima elementi: ca. 100 nm
MINIATURIZZAZIONE
Microelettronica
Legge di Moore
Materiali macroscopici o mesoscopici
MICROSTRUTTURE (>100 nm)
NANOSTRUTTURE (1-100 nm)nuove tecnologie per elettronica,medicina, materiali, ecc.
Molecole
approccio“top down”
approccio“bottom up”
Tecniche “Top down” e “bottom up”
Micrografie a scansione elettronica di un toro inciso su una resina tramite fotopolimerizzazione a due fotoni, che mostrano la definizione raggiunta dalla miniaturizzazione con un approcciotop-down.Queste sculture sono lunghe 10 μm e alte 7 μm, e sono delle dimensioni di un globulo rosso.
“Nanochitarra”, scolpita tramite litografia a fascio elettronico su silicio cristallino. Ogni corda èlarga 50 nm (100 atomi)
larghezza = 50 micron
MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)
Dispositivi elettrici e/o meccanici di dimensioni dell’ordine dei micron (10-6 m).Prodotti usando tecniche top-down (di solito litografiche)
“Vedere” e “toccare” i singoli atomi
Immagine STM (Scanning TunnelingMicroscope) di un singlo atomo di Xedepositato su una superfici di Nickel(110)
Costruzione di un corral circolare tramite manipolazione atomica STMdi singoli atomi di Fe su una superficie di rame
Source: IBM Research Labs, Almadenwww.almaden.ibm.com
Top-Down
Ogni aspetto del sistema viene attentamente progettato e verificato a tutti i livelli.
Non-scalabile in termini di costo, tempo, affibabilità.
Bottom-Up
Vengono progettati solo i componenti base “semplici edeconomici”; il resto del sistema si organizza da solo.
Risposta non adattabile a mutate condizioni.
Intrinsecamente scalabile.
Flessibile, versatile, espandibile, adattabile.
Dipende drammaticamente dall’affidabilità del componen
PrincipaliPrincipali differenzedifferenze
StrategieStrategie di di svilupposviluppo
• Top-Down (tecnologia attuale).
– Miniaturizzazione continua dei dispositivi di bulk a semiconduttore
- Litografia ottica, ultra-violetta, a fascio di ioni, a fascio di elettroni
- Tecniche di Nanoimprinting (“soft lithography”)- “Proximal probe lithography” (STM, AFM, near field
microsopy,…)
• Bottom-Up– Epitassia– Self assembly– Deposizione di cluster– Design di molecole con funzionalità specifiche– Strutture supermolecolari– Sintesi chimica (e.g. nanotubi di carbonio)
Nanomaterials in current consumer products
Cosmetics, sunscreensContaining zinc oxide andTitanium oxide nanoparticles
Carbon nanotubes Nano polymercomposites for stainresistant clothing
• Expanding ability to characterize genetic makeup will revolutionize the specificity of diagnostics and therapeutics- Nanodevices can make gene sequencing
more efficient
• Effective and less expensive health care using remote and in-vivo devices
• New formulations and routes for drug delivery, optimal drug usage
• More durable, rejection-resistant artificial tissues and organs
• Sensors for early detection and prevention
Nanotube-basedbiosensor forcancer diagnostics
Health and Medicine
• Nanoparticles:– Catalysts for industrial chemical processing
• Nanocapsules– Possible organ specific drug delivery
• Nanomaterials– Improved strength and weight– E.g. carbon nanotube based materials
could be stronger and lighter than steel• Nanomechanical devices
– RF signal processing• Nanofluidic devices
– Lab on a chip• Nanoelectronic devices
– Computation– Communication– Nano-bio-electronic interfaces
• Chemical and biological weapons detection• DNA sequencing• Point-of-care clinical diagnoses• Fundamental studies of molecular biology
Some Nanotechnology UsesSome Nanotechnology Uses