En ny verden: Nanoscience

Transkript

1 En ny verden: Nanoscience Forskning i Nanoscience Kirsten M. Ø. Jensen Assistant Professor Department of Chemistry and Nanoscience Center

2 Mig selv Udannet i kemi fra Aarhus Universitet, PhD i materialekemi fra Aarhus Universitet, års postdoc på Department of Applied Physics, Columbia University i New York Adjunkt på Københavns Universitet siden oktober 2015

3 Nanoscience er mange ting, også på UCPH NanoChemistry NanoGeoScience Quantum Devices Molecular Electronics Nanotechnology for biophysics Nanomaterials for energy

4 Hvad har vi så til fælles?

5 Nanoskala

6 Nanoteknologi Manipulation af materialer på atomar, molekylær og supermolekylær skala Studier og udnyttelse af nye egenskaber, der opstår når materialer og stoffer gøres små Fysik Kemi Molekylærbiologi Nanoteknologi

7 Nanoteknologi er ikke nyt! Lycurgus-koppen, 400 e.kr.

8 Lycurgus-koppen: Guld-nanopartikler absorberer og spreder lys afhængigt af størrelsen Transmission og reflektion af lys giver forskellige farver

9 Guld på nanoskala: Nye farver!

10 Hvorfor er nano anderleders? Nanopartikler: Større overfladeareal pr volumen materiale Atomerne arrangerer sig anderledes i overfladen Den elektroniske struktur ændres af nanoconfinement

11 Overfladeplasmoner i Lycurgus-koppen Surface plasmons: Delokaliserede elektroniske oscillationer i overfladen af et materialer ved interaktion med lys I nanopartikler: Nanoconfinement ændrer osciallationerne Ændringen er afhænging af partikelstørrelsen Ny plasmoniske egenskaber: Materialers spredning og absorption af lys ændres

12 Nanoteknologiens historie Richard Feynman, Foredrag hos American Physical Society: There s plenty of Room at the Bottom. Direkte manipulation af atomer som tilgang til kemisk syntese 1974: Nanotechnology blev omtalt af Norio Taiguchi, Tokyo om fremstilling af materialer med nanopræcision

13 Udvikling af nanoteknologi: Fremskridt i forskning i fysik og kemi Nye muligheder for karakterisering af struktur: AFM, STM, elektronmikroskopi Atomar kontrol af kemisk syntese: Nye muligheder for opbygning af stoffer og materialer Forståelse for byggesten i biokemi og molekylærbiologi: Grænseflader opstår

14 2000-: Nanoteknologi i kommercielle produkter

15 Vi er stadig i nanoteknologiens stenalder: Der er stadig Plenty of room at the bottom Masser af områder hvor nanoteknologiens metoder er vigtige! Medicinsk forskning: Nanobots I kroppen? Med nanoteknologi til kamp mod global opvarming Nanosensorer: Kontrol af infrastruktur? Self-healing: Kroppen og materialer?

16 Nanomaterialer til energi: Min forskning i materialekemi

17 Hvad er materialekemi? Kemi er studier af alt stof I Materialekemien begrænser vi os til stoffer og strukturer med specielle anvendendelige egenskaber - Magnetiske egenskaber - Elektriske egenskaber - Optiske egenskaber -.

18 Moderne materialekemi: Funktionelle materialer Stort fokus på bæredygtig energi Katalysatorer Brændselsceller Batterier Solceller Magneter Og meget mere.

19 Hvad har nanovidenskaben betydet for materialekemien? Bedre katalysatorer Bedre batterier med hurtigere opladning Effektive solceller Kendte teknologier bliver bedre...

20 Nye områder: Smart materials Materialer der reagerer på ekstern stimuli: Fotokromiske og termokromiske materialer: Reagerer på lys og varme Piezoelektriske materialer: Mekanisk energi (tryk) bliver til elektrisk energi Termoelektriske materialer: Varme bliver til strøm

21 Hvordan er vi nået hertil? Materialekemiens hellige gral Struktur Syntese Egenskaber

22 Hvorfor er struktur vigtigt?

23 Strukturbestemmelse med røntgenstråler

24 125 år med røntgenstråler

25 Røntgen-stråler hurtigt i klinisk brug

26 Hvordan kan røntgenstråler bruges til at finde krystallers struktur? William Lawrence and William Henry Bragg, Cambridge

27 Bragg-ligningen Krystaller: Gitre af atomer Vi ser lagenene som semitransperante spejle, som reflekterer røntgen-strålerne

28 Bragg-ligningen Krystaller: Gitre af atomer Vi ser lagenene som semitransperante spejle, som reflekterer røntgen-strålerne Røntgenstråler θ d

29 Bragg-ligningen Krystaller: Gitre af atomer Vi ser lagenene som semitransperante spejle, som reflekterer røntgen-strålerne Røntgenstråler θ d

30 Bragg-ligningen Ekstra vejlængde af den 2. stråle: Røntgenstråler θ l d

31 Bragg-ligningen Ekstra vejlængde af den 2. stråle: 2l θ d l = d sin(θ) 2 l = 2 d sin(θ) l θ l d

32 Hvornår er der konstruktiv interferens? Den ekstra vejlængde skal svare til et helt antal bølgelængder!

33 Hvornår er der konstruktiv interferens?

34 Braggs lov: Sammenhæng mellem diffrakteret signal og struktur! Et helt tal n λ = 2 d sin(θ) Indgangsvinkel og udgangsvinkel af den diffrakterede stråle Bølgelængden af den stråling der benyttes Atomare afstande i strukturen

35 Diffraktionseksperimenter

36 Bulk materials

37 Diffraktion benyttes overalt i naturvidenskaben Geologi: Strukturen af mineraler Materialekemi: Hvordan virker materialer? Proteinkrystallografi Fundamental kemi og fysik: Kemisk binding 29 nobelpriser!

38 Nanovidenskab og spredningseksperimenter Nye materialer kræver nye metoder!

39 X-ray diffraction on the nanoscale Bulk gold

40 X-ray diffraction on the nanoscale 100 nm

41 X-ray diffraction on the nanoscale 60 nm

42 X-ray diffraction on the nanoscale 50 nm

43 X-ray diffraction on the nanoscale 40 nm

44 X-ray diffraction on the nanoscale 30 nm

45 X-ray diffraction on the nanoscale 20 nm

46 X-ray diffraction on the nanoscale 10 nm

47 X-ray diffraction on the nanoscale 9 nm

48 X-ray diffraction on the nanoscale 8 nm

49 X-ray diffraction on the nanoscale 7 nm

50 X-ray diffraction on the nanoscale 6 nm

51 X-ray diffraction on the nanoscale 5 nm

52 X-ray diffraction on the nanoscale 4 nm

53 X-ray diffraction on the nanoscale 3 nm

54 X-ray diffraction on the nanoscale 2 nm

55 How can structural information be extracted? The Nanostructure Problem Structure Synthesis Properties

56 Still interference effects related to the structure Normalization

57 Standard-udstyr i et materialelaboratorium

58 Synkrotron: Partikelaccelerator

59 Synkrotronstråling

60 Synkrotronstråling

61 Synkrotroner

62 Verdens synkrotroner

63 Beamlines

64 Dataopsamling

65 Måletid: Strålen udnyttes 24 timer i døgnet

66 Nanoparticle formation

67 Energy Efficient, Fast and Versatile Hydrothermal reactors By Henrik Hellstern

68 Opening the black box Synthesis reactor By Christoffer Tyrste

69 In situ Total Scattering studies of nanoparticle formation Synchrotron Becker et al, J Appl Crystallogr 2010, 43, 729.

70 Maghemite nanoparticles Maghemite: γ-fe 2 O 3 Magnetic nanoparticles Hydrothermal synthesis from Ammonium Iron Citrate solution Octahedral iron Tetrahedral iron T=270, 320 o C, 370 o C p=250 bar

71 71

72 Tidopløst data G(r) (Arb. units) A: 320 o C, 4M, 40 seconds G(r) (Arb. units) A: 320 o C, 4M, 40 seconds G(r) (Arb. units) r (Å) 0.4 B: 320 o C, 4M, 70 seconds G(r) (Arb. units) r (Å) 0.4 B: 320 o C, 4M, 70 seconds r (Å) G(r) (Arb. units) r (Å) C: 320 o C, 4M, 3 minutes r (Å) its) 2 C: 320 o C, 4M, 3 minutes Jensen et al, ACS Nano, 2014

73 Struktur på nanoskala: Fra komplekser i opløsning til nanopartikler med nye egenskaber Jensen et al, ACS Nano, 2014

74 Struktur på nanoskala: Struktur af guldnanopartikler med nye egenskaber Jensen et al, Nature Communications, 2016

75 Verdens synkrotroner

76 MAXIV

77 MAXIV Indvielse: Juni 2016

78 MAXIV Indvielse: Juni 2016

79 Hvad kan MAXlab? Verdens mest brilliante synkrotron: Højeste flux af røntgenstråler med samme bølgelængde i samme retning. Vi kan lave hurtigere, bedre eksperimenter!

80 Mange forskellige brug af røntgenstrålen

81 DanMAX

82 Mere end bare MAXIV! MAXIV: Open June 2016 ESS: Opening 2023

83 Konklusion Nanoscience har givet vej til udvikling af ny teknolgi på tværs af videnskabelige dicipliner Nanoscience er ikke på vej væk! Masser af uløste udfordringer og nye problemstillinger Materialekemi: Eksempel på diciplin, hvor nanoscience har ændret den måde vi tænker på videnskab på Nye metoder giver ny viden Interdiciplinaritet bygger på stærk faglighed i grundfagene