Nanovetenskap och -teknologi

Nanovetenskap och -teknologi

Kai Nordlund

22.04.23

Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten

Institutionen för fysikaliska vetenskaper

Acceleratorlaboratoriet

Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet

Innehåll

Vad är nanovetenskap och teknologi?

Varför är nano nytt och annorlunda?

Bakgrund: Feynmans och Drexlers visioner

Verkligheten nu: Forskning

Bottom-up vs. top-down

Historisk och naturlig nano

Industri och marknader

- Finland

- Världen

Framtid: moderna visioner och drömmar


Vad är nanovetenskap?

”Vetenskap som undersöker och utnyttjar strukturer som är i

storleksordningen 1 – 100 nm åtminstone i en dimension.

Objekten är väl kontrollerade i detta storleksområde vad gäller

tillverkning, modifikation eller analys, och forskningen har en

grundläggande nyhetsaspekt vad gäller materialet självt, dess

analysmetoder eller den vetenskapliga frågeställning”- Kai Nordlund

- Syntes av flera mer auktoritära källor

Nyhetsbegreppet viktigt!

Nanoteknologi Tillämpning av dito

Nanobusiness, nanoprodukter Kommersialiserad nanoteknologi


Hur liten är en nanometer? (1)

D ~ 1 nm

Djord/Dboll = Dboll/Lfulleren

D ~ 13000 km

D ~ 0.3 m


Hur liten är en nanometer? (2)

Regndroppe

Växtsporer

Bakterier

Tobaksrök

Virus

Svampsporer


Ny vs. gammal nano

Gränsdragningen över vad som ‘förtjänar’ att kallas nano är ofta svårt

Exempel: halvledarindustrin

Den aktiva komponenten i

kiselprocessorerna är MOSFET-

transistorn Det isolerande kiseldioksidlagret

har redan i åratal varit i nm-området

I den nyaste generationens chips

är hela den ledande kanalen < 100 nm

Men grundläggande lösningen är samma som förr Miniatyrisering ger inte nyhetsvärde i sig självt!?

Men i år (2006) ersätts kiseldioxidlagret med ett Hf/Zr-oxidlager som

tillverkats med en helt ny metod, ALD !? ALD utvecklat i Finland

Semantik, inte egentligen så viktigt...


Varför är nano nytt?

Nanometer (meso-) skalan är i och för sig känt i över hundra år,

ända sedan atomens storlek bestämdes Men därefter skedde grovt sett en tudelning i vetenskapen:

Atomfysiken fokuserade sig på enskilda atomer Materialfysiken och metallurgin fokuserade sig på kontinuerligt

bulkmaterial

Nanoskalan blir däremellan, och gäller uttryckligen fall där man

behandlar enskilda nano-objekt, eller utnyttjar sådanas

funktionalitet då den avviker från makroskalan Iofs. forskades det ju nog hela tiden i nanometerskalan från

många utgångspunkter, t.ex. Kemi, molekylifysik Strålninsskador i material Biostrukturer

Men utgångspunkten var ”genomsnitts”-funktionaliteten


Varför är nano annorlunda?

Exempel 1: atomboll Hur stor del av atomerna i en boll är på ytan? Vi vet att ett atomlager är ungefär t=0.2 nm tjockt Volymen av ytatomerna:

Vyta = 4 r2 t Hela bollens volym:

Vboll = 4 r3/3 Förhållandet, alltså fraktionen ytatomer:

Vyta/ Vboll = 3 t / r

Betrakta nu olika värden på r: Makroboll: r= 1 m => 3 t / r = 6 • 10-10

Mikroboll: r= 1 m => 3 t / r = 6 • 10-4

Nanoboll: r= 1 nm => 3 t / r = 0.6 !!

På nanoskalan är andelen ytatomer enormt! Dessa beter sig olikt de andra => stor effekt på materialets

egenskaper!

2 Å



Exempel 2: Kvantmekaniken ändrar på materialens egenskaper

Om atomstrukturens längd är mindre än elektrontillståndets

karakteristiska våglängd, kan elektronen ”infångas” i 1, 2 eller 3

dimesioner Elektronernas våglängdere är typiskt i nanometerområdet

Man talar om 2D, 1D och 0D-strukturer beroende på hur många

dimensioner är i nanometerskalan

2D-nanostruktur: tunn film, elektronerna

infångad i 1 dimension

1D-nanostruktur: nanotråd, elektronerna

infångade i 2 dimensioner

0D-nanostruktur: kvantpunkt, elektronerna

infångade i 3 dimensioner

[“Quantum corral”, IBM]



Elektronernas tillståndstäthet är dramatiskt olikt då man sänker på antalet

dimensioner: 3D: kontinuerlig

2D: trappor

0D: bara pikar

I en kvantpunkt är

elektrontillståndena

kvantiserade helt som

i atomer

Men fördelen är att

man kan ändra

på kvantpunktens

storlek => man kan

justera punkternas platser Spännande optiska

effekter och tillämpningar!

Fotoemission från olika stora CdSe/CdTe-nanopartiklar


Bakgrund: Feynmans tal

Nanovetenskapens början kan anses vara i ett tal som

nobelpristagaren i fysik Richard Feynman höll 1959 med

rubriken ”There is plenty of room at the bottom”.

Han framförde att miniatyrisering av komponenter kunde föras

ner ända på atomnivå, så att man kunde bygga material en atom

i taget

De flesta nu aktuella visioner och tillämpningar i nanoteknologi

kan hittas i detta tal Jag presenterar nu några av hans huvudpoänger


Feynmans tal: miniatyrisering

”Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on

the head of a pin? “

Feynman räknade att om man kunde tillverka atomstrukturer med ett

tvärsnitt på 40 atomer, kunde man skriva hela Encyclopaedia

Brittanica på toppen av en nål

År 1959 var detta klart omöjligt Feynman blev utsatt för åtlöje

Idag skulle det vara helt möjligt att göra, bokstavligen! Åtminstone på kisel

Elektronstrålelitografi

I praktiken vill ju ingen göra det så, utan man använder en DVD-

skiva eller USB-sticka

Men Feynmans vision har väsentligen förverkligats


Feynmans tal: fysik – kemi - bioteknologi

“This fact---that enormous amounts of information can be carried in

an exceedingly small space---is, of course, well known to the biologists

… in the tiniest cell, all of the information for the organization of a

complex creature such as ourselves can be stored. “ …

“The theory of chemical processes today is based on theoretical

physics. In this sense, physics supplies the foundation of chemistry. But

if the physicists [had a hundred times better electron microscope], they

could also dig under the chemists in the problem of chemical analysis.

It would be very easy to make an analysis of any complicated chemical

substance; all one would have to do would be to look at it and see

where the atoms are.”

=> När man rör sig nära atomnivå får fysik, kemi och

biologi ett naturligt samband och de traditionella

gränserna försvinner


Feynmans tal: elektronikens miniatyrisering

“I don't know how to do this on a small scale in a practical way, but I do know

that computing machines are very large; they fill rooms. Why can't we make

them very small, make them of little wires, little elements---and by little, I mean

little. For instance, the wires should be 10 or 100 atoms in diameter, and the

circuits should be a few thousand angstroms across. “.

Detta har förverkligats bokstavligen!


Feynmans tal: bio- ja nanomaskiner

“Biology is not simply writing information; it is doing something about it.” …

“What are the possibilities of small but movable machines?” … “A friend of

mine (Albert R. Hibbs) suggests a very interesting possibility for relatively small

machines. He says that, although it is a very wild idea, it would be interesting in

surgery if you could swallow the surgeon. You put the mechanical surgeon

inside the blood vessel and it goes into the heart and ``looks'' around. It finds

out which valve is the faulty one and takes a little knife and slices it out.

Detta är en av de allra mest ambitiösa visionerna i

nanovetenskap: nanomaskiner med komplicerad funktionalitet!

Detta var utopi på 1950-talet, och det är det fortfarande vad

gäller en maskin som fungerar som kirurg!

Men biologin har nanomaskiner som bevisligen fungerar!


Feynmans tal: manipulering av atomer

“But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in

the great future---we can arrange the atoms the way we want; the very atoms,

all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one

the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they

are chemically unstable, for example).

Detta har förverkligats, på ytor


Drexlers visioner

År 1986 tog K. Eric Drexler visioneringen i

nanoteknologi ännu längre i sin bok “Engines of

Creation: The Coming Era of Nanotechnology” Grundideerna samma som Feynmans Han beskrev också en värld med

självreplikerande nanomaskiner som kan

reparera celler och därmed hindra människor

från att bli gamla Å andra sidan beskrev han också

nanorisker och nanovapen ”Gray goo”: självreplikerande nanomaskiner

som äter upp allt från sin väg Denna ide har tom. Drexler själv dragit tillbaks

som orealistik [år 1990s upplaga av boken]


Verkligheten nu

Nu skall jag ge exempel på

verklig, nu existerande

nanovetenskap och

forskning

Intresset i dessa är i ett

enormt uppsving sedan

ungefär år 1995


Verkligheten nu: atomnivås transistorer

En nanorörtransistor, där elledning sker i en enda kolmolekyl Förverkligad också i Finland

Vissa av dessa kan fungera med en enda elektron i taget


Verkligheten nu: nanopinsetter

C. Lieber, Harvard University


Verkligheten nu: nanomaskiner 1

I Århus universitet har man förverkligat en

molekyl som rör sig på en metallyta och lyfter

upp metallatomer från den, en i taget Atomär skördetröska


Verkligeheten nu: nanomaskiner 2

Nanorotor

(1939rotor.gif)


Bottom-up vs. top-down och self-assembly

Man använder ofta följande begrepp om hur man kan bygga

nanostrukturer:

Bottom-up Man börjar från atomer och bygger uppåt

Förverkligad med atomkraftmikroskop på ytor

Verkligt långsamt och osäkert

Lösning: self-assembly: atomerna hittar sina

platser genom självorganisation

Top-down Man börjar från makroskala och förminskar

Kiselteknologi

Fungerar: Pentium eller Opteron > 1 miljard

fungerande komponenter på nanoskala

Ofta nuförtiden en kombination av dessa två

[IBM]


Naturens nano

Biologin grundar sig naturligtvis på nanoskala Men all biovetenskap är inte nano

Men i naturen förekommer objekt och funktionalitet som liknar

mycket det som nu forskar i nanovetenskap “Biomimetics”: bioinspirerade material

Naturens nanopartiklar Aerosolpartiklars nukleation

är i grunden samma process

som den som leder till

tillväxt av nanopartiklar

Viktig för förståelse

av luftförorening och

växthuseffekten

[Hanna Vehkamäki, HU]


Naturens nanomaskiner

Den bäst förstådda nanomaskinen är ATP-syntas Den är verkligen som en

maskin med rörliga delar

Den befinner sig i cellmembraner

i oss alla

Den skapar ATP ur ADP

- ATP är cellernas viktigaste

bränsle

Animation ATPsynthase.mov


Omvandling av naturens nanomaskiner

En av de mest lovande ideerna att bygga nanomaskiner är att ta

existerande biologiska maskiner och modifiera dem

Detta har redan gjorts för ATP-syntas

I ändan av den rörliga delen

har man placerat en aktin-

molekyl, som syntasen sedan

roterade som en propeller!

[Sambongi, Science 286 (1999) 1722]


Verkligheten nu: nanoprodukter

Billigare eller bättre mobiltelefoner med nanoprodukter Förenade chips i telefonen

Ytbeläggning dit fingeravtryck

inte fastnar

Textiler och fönster som inte blir smutsiga Nanometerstora molekyler, som hindrar

smuts från att fastna på textil-ytor

Fönsterrutor som blir rena vid regn


Verkligheten nu: nanoprodukter

Bilarnas katalysatorer är den största produkten som utan tvivel

kan räknas till nanoteknologi

Deras funktionalitet grundar sig på Pt/Pd/Rh-nanopartiklar som

söndrar skadliga kolväten, kolmonoxid och kväveoxider med

hjälp av ytkatalys P.g.a. metallernas höga pris är det helt nödvändigt att ha dem i

nanopartikelform


Verkligheten nu: nanoprodukter i Finland

Även i Finland har man lyckats kommersialisera nanovetenskap

Atomic Layer Deposition utvecklades i Finland Planars elektroluminescensdisplayer

År 2006 i Intels chips

Orion Diagnostica Nanopartiklar som ‘molekyldetektorer’

i läkemedelsindustrin

Liekki Oy Aktiva optiska fibrer

Direct Nanoparticle Deposition

- Samarbete TTY – Konstindustriella högskolan


Framtiden: de verkligt vilda visionerna?

Det är redan klart att nanovetenskap har och kommer att ha en

viktig roll i teknologi som påverkar vår vardag

Men vad kan man säga om de vildaste visionerna?

Att bygga en atom i taget kommer knappast att

förverkligas enligt den ursprungliga visionen Fundamentala problem och för krångligt

Begreppet nanomaskin såsom den

visas av Drexler som en miniatyrisering

av konventionell metallindustri

förverkligas garanterat inte Metaller beter sig annorlunda på nanoskala

Däremot förverkligas nanomaskiner som grundar sig på

biologi i någon form säkert Men skalan, “upscaling” ?


Framtiden: de vildaste visionerna?

Den radikalaste visionen som verkligen

skulle förändra saker som forskas i på

allvar är rymdhissen Gammal ide, bl.a. A. C. Clarke Men konventionella material är inte

tillräckligt starka

Men kolnanorör kunde i teorin vara

tilläckligt starka för att möjliggöra det hela NASA har ett litet projekt om detta Men har inte funnit fundamentala hinder till

iden Men de praktiska problemen är ganska

stora T.ex. ett 50 km högt torn som botten…

Den uppskattade tidsskalan 100 år…


Framtiden: risker

Som redan sagt, behöver man inte vara rädd för “Gray goo”-

maskiner som tar över allt inom överskådlig framtid

En stor del av nanoteknologi är relativt riskfritt, inte värre än

nuvarande teknologi

Råvarumässigt är nanoteknologi enormt bra: bra funktionalitet

med mycket lite råvaror

Men speciellt vad gäller nanopartiklars kosmetiska, bio- och

medicinska tillämpningar kan det finnas allvarliga riskfaktorer Nya material, små partiklar => vart rör de sig i kroppen?

Man skall varken ignorera eller överdramatisera riskerna


Sammandrag

Nanovetenskap är rolig och spännande forskning

Nanotekonologi påverkar vår vardag redan nu, och kommer att

göra det allt mer i framtiden

Documents

Nanovetenskap och -teknologi