Nanotudomány - Nanotechnológia

Átírás

1 Nanotudomány - Nanotechnológia Bányai István Kolloid- és Környezetkémiai Tanszék Size is matter

2 Tudomány és technológia (The theory is closer to practice in theory than in practice) Tudomány (elméletek, kísérletek) Technológia fejlesztés, alkalmazás Tyúk tojás probléma mi volt előbb

3 Definíciók Nanoméretű részecskék: speciálisan: azok melyek egy mérete kisebb mint 100 nm általában: legalább egy dimenzióban kisebbek mint 1 mikrométer majdnem olyan reaktívak mint a kis molekulák és nagy a fajlagos felületük majdnem olyan könnyen eltávolíthatók mint a mikrorészecskék és igen nagy a mozgékonyságuk

4 Méretek

5 Nano Definitions Design, engineer, manufacture, or control a process at the nanoscale dimension Atom by atom precise manipulation Functionalize and monetize properties at the nanoscale dimension Bottom up manufacturing self-assembly M (2:05 sec of 25 min)

6 Nano Definitions Further Nanotechnology is the study, design, creation, synthesis, manipulation, and application of functional materials, devices, and systems through control of matter and energy at the nanometer scale (1 100 nanometers, one nanometer being equal to of a meter). Exploitation of novel phenomena, including the properties of matter, energy, and information at the molecular, atomic, and sub atomic levels.

7 További definíciók Nanotudomány: A nanoméretű anyagok tanulmányozása, azoknak amelyek különleges tulajdonsága, viselkedés és az észlelt jelensége csakis a mérettel kapcsolatos Nanotechnológia Miniatürizálási technológia amely az atomok és molekulák manipulálása, ellenőrzött integrálása révén olyan anyagokat, szerkezeteket, eszközöket készít, amelyek alkalmazását a méret határozza meg.

8 Más definíciók Kolloid mérettartomány: nm Makromoleculák 1-50 nm (kis kolloidok) Micellák (tipikus méret 1-5 nm) diszperziós kolloidok a méret számít, de az alak is nagy a fajlagos felület

9 A nanoskála 1 nm = 10-9 m Feladat: számítsuk ki hány szén nanocső (átmérő 1 nm) fér bele egy hajszál csőbe (100 μm) Au atomok 1 nm

10 A természettől tanulnunk

11 Új ez? Lótusz-hatás g L,V vapor liquid q solid g S,L g S,V

12 Technológia

13 Akinek nincs multja Az absztrakció csodája: észlelés: a levegő összenyomható magyarázat: It must be composed of discrete particles separated by a void

14 Lycurgus pohár (BM) 1990: SEM- pal elemezve Üveg, benne eloszlatva nm-es fémek 66,2 % ezüst 31,2 % arany 2,6 % réz a piros: 520 nm abszorpció (Au) a lila : abszorpció (méretfüggő) a zöld : fényszórás Ag

15 Faraday 1856 christmas lecture

16 8 o Cassius bíbor (1600-as évek) z. b o t t l e P r i c e : $ Cca 30 ml 33 euro/g

17 mérföldkő (?): 1959 CALTECH Courtesy of The Archives, California Institute of Technology. Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman December 1959

18 Elektronika: tranzisztorok (MEMS) Bardeen, Shockley, Brattain: fizikai Nobel-díj 1956: 100 elfér egy tenyérben G.E. Moore: az intel alapítója: 1965 Intel Co: 1 tranzisztor 100nm) ilyen törvények (Moore): processzorok sebessége 18 havonta duplázódik 1975 módosítás: két évente 2005: $ Electronics Magazine 1965 április

19 A nanotudomány eredete: a kémia újítása

20 Új anyagok a nano anyagok? anódozott Al, színezett gumi, fehér festék (TiO 2 nanorészecskék ) kozmetikumok (TiO 2 nanorészecskék) szénszálas kompozitok NS teniszütők (nagyobb erő, jobb kontroll) Fullerének (szénlabdák) kvantum pöttyök 0D anyagok (félvezetők)

21 egyfalú és többfalú nanocsövek dióda: javaslat!!!!

22 mechanikai tulajdonságok rugalmasság nyújtó szakító

23 Új anyagok: nano anyagok? anódozott Al (oxid), színezett gumi, fehér festék (TiO 2 nanorészecskék ) kozmetikumok (TiO 2 nanorészecskék) szénszálas kompozitok NS teniszütők Fullerének (szénlabdák) kvantum pöttyök 0D anyagok (félvezetők)

24 A nanorészecskék színe A fémek színesek Az adszorpció és emisszió függhet a hullámhossztól Az ezüst jó reflektivitású, nem függ a hullámhossztól, a visszavert fény, tehát fehér A arany és réz esetében függ

25 Szín 2 Ha egyedi atomok, vagy egyedi molekulák vannak jelen, akkor az elektronátmenet atomi vagy molekulapályák között színt okoz Atomegyüttesek, molekulaegyüttesek esetén más a helyzet. A nanoméretű részecskék között különleges tulajdonságaik miatt kiemelkedőek a 2-10 nm átmérőjű, félvezető nanorészecskék, melyeket röviden kvantum pöttynek neveznek. Ha a részecskék mérete összemérhetővé válik az elektron hullámhosszával, a félvezetők tiltott sávja szélesedik, aminek következménye a jellemző optikai tulajdonság, az intenzív lumineszcencia.

26 Kvantumpöttyök Az emissziós hullámhossz erősen függ a részecske méretétől, ami lehetővé teszi a fotolumineszcencia hullámhosszának hangolását a mérettel. Ezért a méret és a szűk méreteloszlás meghatározó tulajdonsága a kvantum pöttyöknek, ami a gyártás elé is szigorú követelményt állít. A kvantum pöttyök jellemzően atomból épülnek fel, általában mag-héj szerkezetű részecskék, felületükön stabilizáló réteggel. Az anyagi minőség és méret mellett a felületi réteg is befolyásolja az optikai tulajdonságokat. A kvantum pöttyök anyaga általában CdSe/ZnS. Előállításuk a klasszikus kolloid eljárással, (ami kémiai reakció, lecsapás gyors gócképződéssel és stabilizálással) nagyméretű gyártásban nem volt eredményes, a minta polidiszperz lett

27 Kvantumpötty gyártása Az az eljárás, ami megfelelően monodiszperz nanorészecskéket eredményez molekula csíra módszer néven ismert. Az egyik változatban Cd és Se tartalmú prekurzorok (kadmium acetát, tri-n-oktilfoszfinszelenid) reakciójával egy molekulaklaszterre épül a kristály (ennek mérete a koncentrációtól függ), kationos felületaktív anyag stabilizátor (hexadecil amin) jelenlétében. (Ez micellába zárja, Kidolgoztak még olyan módszereket is, amelyekben a kémiai reakció térben korlátozott, a nanokristály képződés mikroemulzióban vagy rétegszilikát rétegközti terében megy végbe, ami biztosítja a kívánt méret elérését.

28 nano fénydiódák (CdSe)

29 Működési elv és alkalmazás

30 Nano eszközök Nem csak nanorendszereket mérnek, hanem maguk is a nanorendszerekben fellépő elveken (kvantumhatások) működnek, és a mérő részük mérete ilyen Nem csak mér, hanem alakít is

31 Alagúthatás mikroszkóp: STM

32 (Ez a képlet csak aszimptotikusan, határesetben igaz.) Az alagúteffektus elmélete szerint egy részecske egy d szélességű és V 0 magasságú potenciálgáton (1.2. ábra) akkor is véges valószínűséggel képes áthatolni, ha az E energiája kisebb a potenciálgát magasságánál, E < V 0. Az áthaladás valószínűsége: P

33 Nanolitográfia Xe atomokat lehet elhelyezni elektromos impulzusokkal fém felületekre. Először adszorbeáltatnak Xe atomokat, majd számítógéppel megtervezik az ábrát. Impuzusokkal leszedik és felrakják a megfelelő helyre az atomokat

34 Xenon atomok mozgatása Először megkeressük a mozgatni kívánt, felületen kötött atomot Az STM tűt az atom felé helyezzük Az alagútáram növelésével csökkentjük a tű és az atom közötti távolságot Ha a megfelelő alagútáram értéket állítottuk be, akkor ezek után az atom együtt fog mozogni tűvel a minta felszínén. Mozgassuk tehát a tűt a kiválasztott pozícióig. Csökkentsük az alagútáram értékét, aminek hatására az atom-tű kölcsönhatás gyengül, Az atom-felszín kötőerő hatására ismét megkötődik a felszínen.

35 Klisé készítés Nagy áramot adunk a felületre (nedves levegőn) és a H 2 O bomlik, a keletkezett oxigén eloxidálja a grafitot. Gyakorlatilag kivájja a grafitot. Atomi felbontású STM kép HOPG (Highly Oriented Pyrolytic Graphite) felületéről.

36 Pásztátó alagútmikroszkóp III. a hegy (tip) Az STM hegy természetesen vezető kell, hogy legyen ezen kívül pedig követelmény az anyagával szemben, hogy ellenálló Legyen (Volfrám, platina-iridium ötvözet) A hegyezés legkifinomultabb az elektrokémiai maratás: a volfrám esetében kálium-hidroxid (KOH) a platina-iridium ötvözet esetében kálium-klorid vizes oldata az STM képalkotását alig befolyásolják a mikroszkóp hegyének geometriai viszonyai. A legegyszerőbb STM alkalmazásokban gyakran elég egy finom vágóeszközzel kis szögben elvágni egy volfrám huzalt. Az ilyen módszerrel elkészített STM hegyek geometriája véletlenszerően alakul ki, a csúcs görbületi sugara 100 nm és 1 μm közé esik.

37 Nano-litográfia

38 Mér vagy alakít?

39 AFM EM felvétel

40 Művészi fotó

41 Fényképezés (nanokémia) Fekete fehér fényképek készítése: AgBr + h = Ag + Br (Ag ) AgBr + metol = Ag + Br (auto- katalitikus) Br + G = BrG AgBr + 2 Na S O = Ag(S O ) + 2Na +

42 Nanorészecskék előállítása Top-down aprítás, örlés stb termikus: párologtatás (aranyfüst) elektromos szikra: fullerének besugárzás (lézer impulzusokkal nanocsövek grafitból) Bottom-up gáz: távolság nagy a részecskék között, lassú, jól vezethető folyadék: közel és mozgékony (elektro finiselés), aerogélek, ceria szilárd: szerkezeti tervezés (aerogélek, templátok) biológiai módszer: katalízis ted

43 PAMAM_Ex.NH 2 a prototípus Monodisperse, spherical poly electrolites (D. Tomalia, UoM 1979)

44 Synthetic products, biological inportance

45 Application of dendrimers Baker s group (UM, Michigan Nanotechnology Institute for Medicine and Biological Sciences (Since late 1990s, 2003 visit)

46 Dendrimerek Structural control over size and shape of drug or imaging-agent cargospace. Biocompatible, non-toxic polymer/pendant functionality. Precise, nanoscale-container and/or scaffolding properties with high drug or imaging-agent capacity features. Well-defined scaffolding and/or surface modifiable functionality for cellspecific targeting moieties. Lack of immunogenicity. Appropriate cellular adhesion, endocytosis and intracellular trafficking to allow therapeutic delivery or imaging in the cytoplasm or nucleus. Acceptable bioelimination or biodegradation. Controlled or triggerable drug release. Molecular level isolation and protection of the drug against inactivation during transit to target cells. Minimal nonspecific cellular and blood-protein binding properties. Ease of consistent, reproducible, clinical grade synthesis.

47 Water balls in water (basic research) D obs = x d D d + x bulk D w molecules/dendrimer Calc: PAMAM_E5.NH 2 : V dendrimer = m 3 V(víz) = m 3 V (váz)= 0.6 x m 3

48 Nano containers (what can we do?) We determined the pshophate content (in vivo application and analysis) (Roswell Park Cancer Institute, L.P. Balogh group) Vanadate coordination inside but in non-specific way (keeps peroxydes for days) Specific coordination of copper and silver (toxic metal ions removal, molecular silver spoon) Make it cheaper?

49 Hol vannak az arany nanorészecskék???? r p =1.8 nm r p =2.5 nm r H = nm r= nm Dendrimer Dendrimer+ nano Au Au (TEM) Shan et.al., Biomaterials 2012, 33, Guo et.al., J. Phys. Chem. C 2010, 114(1), 50-

50

51 PGA részleges amidálás (65 kda) COOH COOH -NH-CH-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH-CH 2 -CH 2 -CO- -H 2 O + H 2 N-R CO-NH-R COOH -NH-CH-CH 2 -CH 2 -CO-NH-CH-CH 2 -CH 2 -CO-

52 The result of partial amidation 10 nm N N N N N N N N. 50 nm PGA is a cheap polymer Strong complex formation with transition Metals (other donor groups?) Specific complex formation with VO(H 2 O 2 )

53 Catalysis with nanoparticles

54 Társadalmi és gazdasági tények

55 Nanotechnológia: társadalom Fontos, politika, gazdaság: a mai tudomány felfoghatatlan a szakképzetlenek számára, ezért közvetíteni kell a döntéshozókhoz rendkivül gyors a kutatás fejlesztés- alkalmazás pénz!!!! Jog verseny szabályozása, nemzeti kérdések szellemi tulajdon Etikai kérdések nanoetika? erkölcsi választások, dilemmák, jó-rossz? az ember becsülése (élőlény?) jócselekedet : szükségtelen fájdalom, minimális kockázat maximális előny

56 Társadalmi elfogadottság Tanítás-tájékoztatás egy felfedezetlen terület pozitív-negatív hatások társadalmi elfogadottság (USA 51.8 % több +, EU 29%, ) A magánszféra megsértése: kis méretek, rejthetők Környezeti kérdések faicilitált transzport ivóvizek (100 nm) egészségügyi kérdések (reaktivitás, tisztaság) Paracelsus: a dózis a méreg! Nanotoxikológia

57 A nanotechnológia vége: egyszer minden elmúlik

58 Checking Industry Already in decline, the end of the handwritten check is drawing near. Within ten years the appearance of a paper check will be quite rare. Space Shuttle This Model T of the space age is long overdue to be replaced by an efficient, low-prep craft that makes space accessible to the common man. Sign Language Advances in cochlear implant technology will soon make the need for the visual person-to-person sign language unnecessary. Fax Machine Museum curators are already dusting off a spot for this once staple of the business world. Already in its twilight, the remaining days of the fax machine are numbered. Traditional AM-FM Radio With commercial-free satellite radio making major inroads, the success of ipods and other MP3 players, and internet radio gaining ground, traditional radio has been loosing ground quickly. Broadcast Television Internet TV is gaining ground. Pay-per-View options along with McDonald s DVD rentals and services like Netflix are all causing the traditional broadcast TV market to dwindle. Wires As we move further into the wireless age, more and more of our wired infrastructure will begin to disappear. First the cable television lines, then the telephone wires, and eventually the power lines.

59 Végpontok? A Moore törvény vége (kb. 200 év mulva elérjük a minimumot) A legkisebb motor megszületése (100 nm dollár Feynmandíj) A legkisebb repülőgép (láthatatlan) A legkisebb komputer ( dollár 50 nm és még összeadni tud) egyedi molekula átalakítás (piko technológia) nanotengeralattjáró (gyógyászat) a megsemmisíthetetlen anyagok, önjavító sejtek stb.

60 Vége