Nanoteknologi i marken

Transkript

1 Nanoteknologi i marken Leif Schauser schauser@inano.dk Interdisciplinært Nanoscience Center ved Aarhus Universitet

2 Nano: Den næste industrielle revolution Merrill Lynch, Nanotech Index

3 Definitioner på Nanteknologi THE NEXT BIG THING? INVESTORER KAN VI BUSINESS TJENE PENGE PÅ DET? MEDIER SPEKTAKULÆRT? NYE TRENDS? FARLIGT? MILJØFORKÆMPERE KAN JEG OFFENTLIGGØRE MINE RESULTATER I NATURE? FORSKERE ØKONOMI? LOVGIVNING? REGERINGEN BEFOLKNINGEN HVILKEN BETYDNING FÅR DET FOR MIG?

4 Hvad er Nano? nano- Dværgagtig, lille. Angiver en milliardte del af en enhed. Gyldendals Fremmedordbog 5 atomer = 1 nanometer = m Et menneskes hår har en diameter på nanometer

5 Længde skala Menneske hår Celler Litografi Integrerede kredsløb Biologiske makromolekyler Atomer og molekyler 100 mm 10 mm 1 mm 100 nm 10 nm 1 nm Nanoteknologi kan defineres som forskning og udvikling, der foregår på 100 nanometer og derunder

6 At bygge strukturer af atomer og molekyler

7 Nanoscience og Nanoteknologi Fysik Kemi Biologi Mol. biol. Medicin Nanosyntese Nanokarakterisering Nanolitografi Selvorganisering Nanofood Nanomedicin Biokompatibilitet Nanosensorer Plastelektronik Nanofotonik Nanokatalyse Nanomaterialer

8 Størrelsen har betydning: Ohms lov V = I R eller I = G V Spænding V, strømstyrke I, modstand R og ledningsevne G I 1 Volt G V For en makroskopisk ledning med længden L, arealet A og den specifikke ledningsevne s er: G = sa/l

9 Kvantiseret ledningsevne Simulering af en nanoledning, der knækkes, og beregning af dens ledningsevne under processen L. Olesen et al., Phys Rev Lett, 74, 2146

10 Guld-nanopartikler

11 Størrelsen har betydning! Guld nanoklynger på TiO 2 CO+ ½O 2 CO 2 Science 299, 377 (2003) Science 303, 511 (2004)

12 # atomer på overflader sammenlignet med # atomer i volumet Størrelse på terning # atomer på overfladen 1mm 6x # atomer i volumet One atom/nanometer, crystalline structure 1 µm 6x a 10 nm a a

13 There is plenty of room at the bottom! Richard Feynmann 1959: Det ville være en stor hjælp for de problemstillinger, som findes indenfor fysik, kemi og biologi, hvis vores evne til at se hvad der sker på atomart niveau og til at påvirke dette blev udviklet til det optimale en udvikling, jeg ikke mener kan undgås De fysiske love, sådan som jeg ser dem, taler ikke imod at kunne flytte rundt på ting atom for atom.

14 Et paradigmeskift: Nano-eraen startede med udviklingen af Scanning Tunnel Mikroskopet - STM

15 Scanning Tunnel Mikroskopet Gerd Heinrich Opfundet af Gerd Binnig og Heinrich Rohrer,, IBM Billeder af atomer påp overflader 1986 Nobel Prisen i fysik

16 Et paradigme skift en rejse i nanokosmos Afbildning af enkelte atomer En ren Cu overflade Pt øer på en Cu overflade

17 Atomers bevægelse på overflader Diffusion af Pt på Pt(110) Linderoth et al., Phys Rev Lett 78, 4978 Horch et al., Nature 398, 134(1999)

18 Nanoteknologiske tilgange Top-down Bottom-up

19 Transistorer og integrerede kredsløb Bell laboratories Brattain, Bardeen, og Shockley, opfundet i 1947 (1956 Nobel pris i fysik) Texas Instruments Jack Kilby og Robert Noyce, opfundet i 1958 (2000 Nobel pris i fysik)

20 Drivkraften bag USA s Nano-initiativ: Halvleder-industrien Intel's Pentium 4 Processor (2000) 42 millioner transistorer, kredsløb på 180 nm og en hastighed på 1.5 milliard hertz

21 Litografiske teknikker Elektron-stråle litografi Seriel, langsom ~ 5 nm opløselighed Foto litografi Parallel, hurtig ~130 nm opløselighed 9

22 Silicon-nanoteknologi

23 Drivkraften for USA s Nano-initiativ: Silicon-vejen ender Halvleder-industriens roadmap: Nature Forudsigelser for tykkelsen på oxid-laget, SiO 2

24 Selvsamling: Naturens metode DNA virus protein Ikke-kovalente interaktioner: reversibel, selektiv and retningsorienteret binding Samling: genkendelse af selv og rettelse af fejl

25 Fra molekylære byggeklodser til supramolekylære ansamlinger Overflade Forståelse af principperne Kontrol af ansamlingen

26 Pace Maker Li-Batteries New Materials for Energy GPS Navigation Functional Materials Air Bag Accelaration Sensors MEMS Cosmetics TiO 2 Nanoparticle Mobile Phone SAW Structures Artificial Hips Biocompatible Materials Glasses and Coatings Optical Materials UV Filter Digital Camera CCD Chip Artificial Lens Biocompatible Polymers Bike Frame Carbon Fibres Composite Materials GMR Read Head Magnetic Multilayers LED Display Photonic Materials Intelligent Credit Card Integrated Circuits Exact Time via satellite Semiconductíng devices Micro-Batteries Nanomaterialer i arbejde.

27 Nanoteknologi nye muligheder Medico-nanomedicin Drug delivery, diagnosticering, biokompatible materialer Fødevarer Funktionelle fødevarer, biosensorer, anti-fouling Energi og miljø katalyse, mod et brintsamfund Nano-materialer Kompositter, polymerer, termoelektrika, skræddersyning Total-elektronik (elektronik-kommunikation-optik) computere, plasticelektronik, displays

28 inano (siden 2002) mission: Interdisciplinær forskning indenfor nanoscience Uddannelse, ny kandidatuddannelse - 66 studerende Forskerskolen inanoschool ( Samarbejde med dansk industri, innovation Direktør: Flemming Besenbacher

29 De vigtigste nanomaterialer: Heterogene Katalysatorer Aktive Nanopartikler (1-10nm)

30 Katalyse 2 CO + O 2 CO 2 2 Katalysatorer: Palladium Rhodium Platin

31 Katalyse Katalysatorer sænker aktiveringsenergien for reaktioner Energy A B A B A B A Uden katalysator Med katalysator A B B Katalysatorer kan øge hastigheden med adskillige x 10 6 Basis for de fleste kemiske transformationer Brug af nanomaterialer (flere aktive steder, speciale egenskaber Reaction coordinate

32 Nye katalysatorer på baggrund af nanoscience 1000 In-situ era Nanoscience Era Rel. vol. activity Trial-and and-error Era Year 2004: BRIM TM technology

33 En ny gerenation af katalysatorer ved Haldor Topsøe A/S

34 Nanoteknolgi i marken Katalysatorer oxiderer kulmonoxid og svovl på platin Litografiske masker til fremstilling af elektroniske chips Katalysatorer omdanner kvælstof til ammoniak

35 Haber-Bosch: Heterogen katalyse Fritz Haber: Nobel pris i Kemi 1918 N 2 + 3H 2 => 2NH 3 Katalysator: metaller, f. eks. jern partikler Gerhard Ertl: Nobel pris i Kemi 2007

36 Haber-Bosch katalyse

37 Nye materialer: Kulstof

38 Kulstof nanorør Φ=0.77 nm Enheds celle Styrke: 100x stærkere end stål, 1/5 vægt

39 Tribologi Hårde overflader til sliddele (Diamond-like Carbon) Mere effektiv smørelse (Nanostrukturer)

40 Aflejring af Me-C:H film Kulstof film amorf a-c:h matrix + nanokrystaline Metal urenheder (2-5 nm) Højt indhold af hydrogen (10-40 %) hårdhed: op til 20 GPa

41 Anvendelser af Me-C:H film Udformning af værktøj Værktøj til produktion af polymerer Glidende komponenter

42 Funktionelle nanomatrialer Sol-Gel funktionelle nano-coatninger Metal Alkoxide solution O O Me O O Hydrolysis polymerization = "Sol" Coating Anvendelser Substrate "Gel" Heat Substrate Dense film Korrosionsbeskyttelse Ikke-klistrende overflader Anti-biofouling Dug afvisende Is afvisende Anti-graffiti

43 Anti-fouling skibsmaling Projektet er finansieret af Dansk EPA i 2004 Anvendelse af 3 forskellige biocide-frie solgel coatninger på udvalgte skibsskrog og test-prøver (3 forskellige vandmiljøer, salt- og ferskvand) Eksempler på prøver fra danske vandmiljøer i 2004: Tydelig reduktion af fouling Meget nemmere at fjerne fouling Ref. Udviklingen fortsætter i 2005

44 Nanostrukturerede coatninger til Korrosionsbeskyttelse ikke-klistrende overflader Anti-biofouling Dug afvisende Is afvisende Anti-graffiti Bakterier

45 Forebyggelse af ophobning af skidt Selv-rensende overflader Plant name CA a Heliconia densiflora 28.4 ± 4.3 b Gnetum gnemon 55.4 ± μm 20μm c Magnolia denudata 88.9 ± 6.9 d Fagus sylvatica 71.7 ± 8.8 Superhydrophobic e Nelumbo nucifera* ± 0.7 f Colocasia esculenta ± 1.4 g Brassica oleracea ± 0.8 h Mutisia decurrens ± 3.6 *Lotus blad 20μm 100μm 20μm 100μm W. Barthlott, C. Neinhuis, Planta 202, 1-8 (1996) 100μm 100μm

46 Sådan klarer naturen det 20μm 50μm Kviksølv dråber på cikade-vinger W. Barthlott, C. Neinhuis, Planta 202, 1-8 (1996) Selvrensning ved hhv. lav og høj kontaktvinkel

47 Nanomaterialer med forbedrede funktionelle egenskaber

48 Nanoteknologi kan øge fødevaresikkerhed: Antifouling og biosensorer Industri: Bakterie-biofilm E.Coli, Salmonella Curli stabiliserer biofilm

49 Nanosensorer Cantion A/S og Basel Universitet

50 Aptamere

51 Mikrocantilever-baseret måling af patogener Salmonella EU: De årlige udgifter til fødevareoverført salmonella, der hvert år rammer mennesker, er beregnet til at være 2.8 milliard. Laboratorietest: timer-dage Cantilever-baseret test: sekunder-minutter

52 Photokatalyse v. titanium dioxid nanopartikler: selvrensende glas UV O 2 => O 2- + e -

53 Tak fordi I lyttede schauser@inano.dk