Transcript nanodiszpergalas

Nanotechnológia előadások 1.
Bevezetés,
Fogalmak,
Csoportosítások
Nanotechnológia
A nanotechnológia a nagyon kicsiny
szerkezetekkel, illetve részecskékkel
foglalkozik.
1 nm kb. 10 hidrogénatomból, vagy 5
szilíciumatomból álló egy egyenesben
rendezett atomsor hosszával.
Mikrométeres tartományban az anyag megőrzi
fizikai tulajdonságait, de nanométeresben a
tulajdonságok megkülönböztethetően
eltérnek a tömbi fázisú anyagokéitól.
Nanorészecskék új tulajdonságú anyagok.
Nemcsak a méret…
Érdekes tulajdonságok:
– Kémia – a nagy felület/térfogat arány kihasználása
– Elektronika – kvantumhatások, DOS, elektron
alagúthatás (STM)
– Mágnesesség – óriási mágnetoresistance by
nanoscale multilayers, mágneses szuszceptibilitás
változása
– Mechanika – speciális nanokompozitok (könnyű, erős,
hajlékony, emlékezés, …)
– Optika – fluoreszcens nanorészecskék, 1 fotonos
jelenségek
– Energetika – nanorészecskék megváltozott
termoelektromos tulajdonságai, határfelületi hővezetés
Nanotechnológia
Amikor egy anyag atomokból, ionokból vagy
molekulákból felépül tömbi fázisig, akkor az
anyag átmegy a „nano” állapoton. Ekkor a
tuladonságai megváltoznak:
- a nanokristályoknak kisebb az
olvadáspontjuk,
- az elemicella állandó kisebb a kevés
felületi atom miatt,
- megszűnhet a ferromágneses és
ferroelektromos tulajdonság,
- kialakulhat katalitikus hatás, pl. arany
tömbi alakban nem, nanokristályként
katalitikusan aktív.
Egy kis történelem
• 5000 BC: Democritus szerint az atomok a látható világ
építőkövei: (atom – nem osztható)
• 1905: Einstein számításai szerint egy cukor-molekula 1 nm.
• 1959: Richard P. Feynman Nobel-díjas tudós:
„egy napon a tudomány segítségével képesek leszünk egy
enciklopédia tartalmát egyetlen tűhegyre felírni” (Caltech: ‘There’s
Plenty of Room at the Bottom’ –
http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html)
• 1974: Norio Taniguchi bevezeti a ‘nanotechnológia’ fogalmát,
definícióját – (Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan
Society of Precision Engineering, 1974)
• 1981: Binnig & Rohrer megépíti az első STM berendezést –
ugyanebben az évben megjelenik az első tudományos közlemény a
témában a Proceedings of the National Academy of Sciences című
folyóiratban
• 2000: Bill Joy (a Sun Microsystems egyik alapítója) kijelentette, hogy
a nanotechnológiai kutatásokat azonnal be kell fejezni, mert az
rossz kezekbe kerülve az általunk ismert világ végéhez vezethet!
(http://www.wired.com/wired/archive/8.04/joy.html)
Egy kis történelem: Feynman
Feynman felajánlott két díjat:
1. Díj annak, aki először
épít olyan működő
motort, aminek mérete
1/64”.
2. Díj annak, aki képes egy
Richard Feynman
enciklopédia tartalmát http://www.nobel.se/physics/articles/goodstein/
egy gombostű fejére
felírni – azaz az eredeti
méret 1/25000szeresére csökkenteni.
1. Megoldható?
1960 - William McLellan elkészítette a motort!
2. Megoldható?
A gombostű fejének átmérője = 1,5 mm
Egy oldal felülete ~ 6 x 10-2 m2
400 duplaoldal x 24 kötet ~ 1200 m2 szöveg
A gombostű fejének átmérőjét meg kellene nagyítani:
2
1200

1,5  10
3
 25,000 - szer!
Egy kis tintapötty ~0,2 mm átmérőjű.
Tudjuk ezt a méretet 25000-ére csökkenteni?
Új méret:
0,2  103
 8  109 m átmérő
25000
8  109 m
 32 atom átmérő
10
2,5  10 m/atom
 (16)2  1000 atom terület!
„There’s plenty of room at the bottom!” - Feynman
2. Megoldható?
1985-ben egy Stanford-i
egyetemista, Thomas
Newman e-beam
litográfiával írta le
Dickens “A Tale of Two
Cities” című regényének
első oldalát 6,25 mm
területre. A betűk kb. 50
nm szélesek.
Nano-Bika
• A legkisebb ember
alkotta objektum
(tárgy???). A Bika
10 mikrométer
hosszú, 7
mikrométer a
szélessége nagyjából egy
emberi vörösvértest
mérete.
• Japánban, az
Osakai Egyetemen
készült. Két
lézersugarat
fókuszáltak
műgyantába, és
ahol a sugarak
metszették
egymást, ott a
gyanta
megszilárdult.
Érdekességek
A világ legkisebb gőzgépe, a
dugattyúk mérete 5 mm
Mikro-Zár:
kerekek mérete 50 mm
http://www.memx.com/image_gall
ery.htm
The shrinking disk drive
1956 IBM Ramac 305
5 MB
50 x 24” dia. disks
weighs “a ton”
$50,000
vs.
2003 IBM Microdrive
120 GB
1 x 1” disk
< 1 oz.
$120
Az első germánium tranzisztor
John Bardeen és Walter Brattain a Bell Laboratóriumban
elkészítették az első germánium transistort, amely működött
december 23-án 1947-ben. A feltalálók William Shockley
menedzserrel együtt Nobel díjat kaptak 1956-ban.
Az „elektronika” fejlődése
Megvalósulás
Nanotechnológia
Nano-robotok
Félvezető
technologia
Vácuum elektroncsövek
technológiája
Mobilok
Molekuláris electronika
“Viselhető” vezeték nélküli
Internet használat
Internet
Számítógépek
Televízió
Tranzisztoros rádio
Radar
Rádio
1900
1950
2000
Év
2050
Nano mérettartomány
Természet
10-2 m
Emberkéz
1 cm
10 mm
Gombostű feje
1-2 mm
Hangya
~ 5 mm
Poratka
Vörösvértestek
fehérvérsejt
~ 2-5 mm
10-4 m
0.1 mm
100 mm
10-5 m
0.01 mm
10 mm
Vörösvértest
Pollen szemcse
1,000 nanométer =
1 mikrométer (mm)
-6
Visible
10 m
21. Század
kihívásai
10-8 m
0.1 mm
100 nm
0.01 mm
10 nm
P
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
S
S
S
S
S
S
S
S
Hogyan lehet kombinálni a
nanoméretű építőköveket,
hogy új eszközöket építsünk?
pl., fotoszintetikus
reakciócentrum egy félvezető
részecskével összekapcsolva
Nanocső elektród
Nanocső tranzisztor
1 nanométer (nm)
Soft x-ray
DNS
~2-1/2 nm átmérő
Szilícium atomok
10-10 m
0.1 nm
O
O
ATP szintetáz
10-9 m
O
O
Röntgen-sugár “lencsék”
gyűrűk távolsága ~35 nm
Ultraviolet
Nanovilág
10-7 m
~10 nm átmérő
MikroElektroMechanikus eszköz
10 -100 mm
O
Infrared
Légytojás
~ 10-20 mm
Mikrovilág
200 mm
Emberi haj
~ 10-50 mm
1,000,000 nanométer =
1 milliméter (mm)
Microwave
10-3 m
Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu
felületen STM tűvel
Korál átmérő 14 nm
Szén nanocső
~2 nm
-
-
Elképzelések arról, hogy mi a
nanotechnológia?
Nanorészecskékből felépülő
mikrostruktúrák tanulmányozása
(TEM),
Buttom-up technológia alkalmazása és
tanulmányozása,
Gyógyszerek nanokapszullákba zárása,
Mikro-elektromechanikus rendszerek
(lab-on-a-chip),
Nanorobotok, véráramba bevihető
nanoeszközök.
Mi a nanotechnológia?
• A nanotechnológia definiálható, mint:
– a képesség, hogy nanométer mérettartományban
tudunk anyagokat, eszközöket készíteni,
• http://physics.about.com
• http://www.whatis.com
– a tulajdonságok és jelenségek összessége, ami a
„nano” mérettartományban megfigyelhetők.
• http://www.nano.gov
Nanoszerkezetű anyagok
- Egyik kiterjedésük nanométer
nagyságú,
- Kvantum pöttyök (quantum
dots), kvantum effektus,
- Nanorudak és nanoszálak,
- Vékony filmek,
- Nanorészecskékből felépülő
tömbi anyagok
Nanoszerkezetek készítése
A technológiai megközelítés (1)
- Gőzfázisú növesztés (laser-pirolízis,
atomrétegek leválasztása),
- Folyadékfázisú növesztés, kolloid
rendszerek, önszerveződő rétegek,
- Szilárd fázisú képződés, fázisszétválás
(fémrészecskék képződése üvegben),
- Hibrid növesztés, VLS, gőz-folyadékszilárd növesztésű nanoszálak.
Nanoszerkezetek készítése
A technológiai megközelítés (2)
- Kolloidkémia, lángban való égetés, fázis
szétválás,
- Nanorudak és szálak templátolt lerakás,
oldat-folyadék-szilárd (SLS), spontán
növekedés,
- Vékony rétegek növesztése
molekulasugárból, atomi rétegdeponálás,
- Nanoszerkezetekből felépülő tömbi
anyagok, pl. fotonikus kristályok
önszerveződő nanorészecskékből
Nanoszerkezetek
Legalább egy dimenzió 1-100 nm között
• 2-D szerkezetek (1-D korlátozás):
– Vékonyfilmek
– Kvantum lyukak
– Rácsok
• 1-D szerkezetek (2-D korlátozás):
– Nanoszálak
– Nanorudak
– Nanocsövek
• 0-D szerkezetek (3-D korlátozás):
– Nanorészecskék
– Kvantum pöttyök
• Szerkezetfüggő dimenzionalitás:
– Tömbi nanokristályos filmek
– Nanokompozitok
2 mm
Si Nanoszálak
Többfalú szén
nanocső
Si0.76Ge0.24 / Si0.84Ge0.16 rács
Nanoszerkezetek előállítása
Méret
Fizika
0,1 m
MAKRO
Elektrotechnológia
Elektronika
MIKRO
0,1 mm
A mikro- és
nanovilág
összekapcsolása
Mikroelektronika
Biológia
Anyagtudomány
Sejtbiológia
Kvantumeffektek
0,1 µm
Molekuláris
biológia
NANO
Molekulatervezés
Kémia
Komplex
Kémia
Új anyagok
Molek. elektronika
Fotonikus eszközök
Bioérzékelők
Bio-csipek
...
Szupramolekuláris kémia
A biológiai elvek, a
fizikai törvények és a
kémiai tulajdonságok
együttes kihasználása
0,1 nm
1960
1980
2000
2020
2040
Év
Alulról-felfelé és a felülről-lefelé
módszerek
Aprítás és őrlés – felülről lefelé (top-down).
Kolloid diszperziók készítése – alulról-felfelé
(bottom-up).
Litográfia – hibrid módszer, mert:
a vékonyréteg növesztés az bottom-up,
a lebontás (etching) top-down módszer.
Nanolitográfia és nanomanipuláció bottom-up.
Mindkét módszer, a top-down és a bottom-up
nagyon fontos a gyakorlatban, de vannak
előnyeik és hátrányai.
Nanoszerkezetek előállítása
„Top-down„ szintézis
„Bottom-up” szintézis
Tradicionális megközelítés
„Nanotech” megközelítés
Pl. Szobrászat
Pl. Biológiai rendszerek
Kihívások, amelyek teljesítendők
Legyőzni a hatalmas felületi energiát, amely a
nagy felület és a nagy felület/térfogat arány
eredménye.
Biztosítani, hogy az anyag minden
részecskéjének azonos a mérete,
méreteloszlása, morfológiája, kristályossága,
kémiai összetétele, mikroszerkezete, amelyek
meghatározzák a kívánt fizikai tulajdonságot.
Megőrizni a nanoanyagot és a nanoszerkezetet
a széteséstől és/vagy az agglomerizációtól az
idő eltelésével.
A nanotechnológia fejlődése
• „Esetleges” nanotechnológia: szinte évszázadok óta (aktív
szén)
• „Elszigetelt” felhasználások (katalizátorok, kompozitok, …)
‘80 óta
• 1. generáció, passzív nanoszerkezetek (bevonatok, tömbi
anyagok, nanorészecskék) 2001• 2. generáció, aktív nanoszerkezetek (tranzisztor, erősítő,
célzott gyógyszer-hatóanyagok, mesterséges izom,
alkalmazkodó szerkezetek 2005• 3. generáció, heterogén komponensű 3D nanorendszerek,
önrendeződő szerkezetek, nanoméretű tervezett
hálózatok 2010• 4. generáció, különböző molekulákból felépülő
molekuláris nanorendszerek, molekuláris motorok
2020(?)-