Nytt studietilbod ved UiB:Bachelorprogram i nanoteknologi

Knut J. Børve

Kva er nanoteknologi?

• Nanovitenskap: Dèt å måle, beskrive, modellere og systematisk manipulere og kontrollere nanostrukturer og dynamiske prosesser som foregår på nanoskala.

• Nanostrukturer: Materialer, komponenter og systemer med en størrelse på 0,1-100 nm.

• Nanoteknologi: Utvikling av anvendelser basert på nanovitenskap, herunder kontroll og manipulasjon av nanostrukturer.

nanoVT er sterkt tverrfagleg

Kjelde: Nasjonal strategi for nanovitenskap og nanoteknologi

Kor viktig blir nanoVT?

BACHELORPROGRAM I NANOTEKNOLOGI

Mål/innhold Teknologiske nyvinningar gjer det råd å måle og systematisk endre strukturar og prosessar som skjer på ein skala frå 0,1 til 100 nanometer. Dette opnar for heilt spesielle eigenskapar som ofte er styrt av kvantemekanikken sine lover. (..) Studiet gir teoretisk forståing og praktisk kompetanse innan den naturfaglege basisen for nanoteknologi. Vidare får studentane ei innføring i det som er særmerkt for nanovitskap og nanoteknologi, gjennom døme og arbeid på moderne laboratorium.

Tilrådde forkunnskaper

3MX, 2KJ/3KJ og 2FY

Opptaks-grunnlag

Generell studiekompetanse eller realkompetanse. 2MX/2MY/3MZ + 3MX/3FY/3KJ/3BI/(2KJ+3BT)/(2BI+3BT)

Første opptak: Vår 2007!

Studieplan

6. V Val Val Val

5. H NANO 200 INF 100/STAT 101

Val

4. V NANO 160 PHYS 102/112 Val

3. H KJEM 120 PHYS 101/111 MOL 200

2. V NANO 100 MAT 112 MOL 100

1. H Ex. phil. MAT 111 KJEM 110

Perspektiv i nanovitskap og -teknologi

Emnet skal formidle nanovitenskapen sin eigenart gjennom eksempel henta frå forskning, og bruk av nanoteknologi, og diskutere problemstillingar knytt til teknologi og samfunn.

Arbeidsformen består av- Ei forelesningsrekke med lokale og eksterne foredragshaldarar, fulgt av eit diskusjonskollokvium. - Kvar student assosiert til ei forskningsgruppe gjennom semesteret og deltar kvar veke i arbeidet i gruppa for åbli kjent med problemstillingar og arbeidsmetodar. - I slutten av semesteret blir det arrangert ein ”Nanodag”kor kvar student presenterer poster over ei nanovitskapleg eller nanoteknologisk problemstilling frå”si” forskningsgruppe.

Innføring i nanoteknologi

Emnet omhandlar fysiske og kjemiske føresetnader for nanoteknologi. Det vert lagt vekt på å forstågrunnleggjande samanhengar mellom atomære vekselverknader og strukturen av ulike aggregat.

Emnet gir innføring i utprøvde teknikkar og skal diskutere føresetnader for planlagte teknologier.

Fysiske prinsipp for "atomic force microscopy" og relaterte metodar for manipulering av atom, nye optiske metodarsom kan operere på lengdeskala langt under bølgelengda, bruk av elektronmikroskopi samt avbildning med massive partiklar blir behandla både i forelesningarog gjennom prosjektarbeid.

Nanoprosessar og nanomaterial

• Emnet er primært eit laboratoriekurs som brukar nanoteknologiske prosessar i framstilling og analyse av nanomaterial. Emnet er 3-delt,og kvar del hentar teknikkar fra éit av områda kjemi, fysikk og molekylærbiologi.

Nanochemistry@UiBSynthesis Approaches toward

Nanostructured Catalysts

Reiner AnwanderDepartment of Chemistry/UiB, Allégt. 41, phone: 89491, fax: 89490,

Email: reiner.anwander@kj.uib.no, website: http://www.kj.uib.no/anwander

MOxnanoparticles

SiO2

50 nm1 nm

functionallayer(s)

NANOhas its origin in theGreek word νανοσ (= nanos)which translates into dwarf,same in Italian (nano = dwarf)

is nanochemistrychemistry which is done by nisser?

Nanochemistry

„Nano is a wordthat has now left the science reservationand entered the public consciousness“ Geoff Ozin

„Going Nano does not mean going nuts“

The NANO Size Regime

1 nm 1 mm

Nanochemistry

The NANO Size Regime

1 nm= 10-9 m= 10 Å

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm

NANO-scale

C–C bond(0.15 nm)

dwarf(10-1 m)

iPod nano

micrometer-scale

Nanochemistry

The NANO size regime

1 nm= 10-9 m= 10 Å

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm

NANO-scale

proteins

carbonic anhydraseca. 30 kDa (259 amino acids)size: 4×4×5.5 nm

C–C bond(0.15 nm)

micrometer-scale

Nanochemistry

The NANO size regime

1 nm= 10-9 m= 10 Å

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm

NANO-scale

C–C bond(0.15 nm)

micrometer-scale

Nanochemistry

The NANO Size Regime

1 nm= 10-9 m= 10 Å

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm

NANO-scale

HIV virus

human hair

red bloodcell

proteins

„In the Beginning There was Nano“ Geoff Ozin

C–C bond(0.15 nm)

DNAdouble helix

micrometer-scale

Nanochemistry

The NANO Size Regime

1 nm= 10-9 m= 10 Å

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm

NANO-scale

C–C bond(0.15 nm)

dendrimers

„Chemistry Before Nano Hysteria started“

C60(0.7 nm)

micrometer-scale

Nanochemistry

The NANO Size Regime

1 nm= 10-9 m= 10 Å

10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm

NANO-scale

C–C bond(0.15 nm)

dendrimers

Au or Ag sols

polymer latexes

silica colloids

„Chemistry Before Nano Hysteria started“

C60(0.7 nm)

micrometer-scale

Nanochemistry

Nanochemistry„designing and synthesizing ofmaterials with the right length scaleand particular form“„(nano)size and shape determinesparticular property, function, utility“„all matter has a shapeand all shapes matter“

„nanoscience and nanotechnology are visions of making,imaging, manipulating, and utilizing things really small“

Nanochemistry

Nanochemistryis the „bottom-up“ approach

and not

the “top-down“ approachwhich is used bysolid-state engineering physics

Nanochemistry

Nature went NANO long ago bio-inspired research!

Nature 1991, 349, 541-544; Science 1992, 257, 522-523.

Ferritin: Major Iron-Storage Protein in Living Organisms- spherical shell consisting of 24 subunits (peptide chains, total 474 kDa)- hollow sphere ca. 8 nm in diameter with walls that are 1 nm thick- storage of as many as 4500 Fe centers as [FeIIIO(OH,H2PO4)] clusters

Nanochemistry

Magnetotactic Bacteria – Biomineralization of Magnetite

mineralize „magnetosomes“ (14-120 nm ~ size single magnetic domains)magnetite (Fe3O4) crystals in intracellular membrane vesicles,in a highly controlled manner

exhibit orientation along the earth´s magnetic field

50 nm

Nanochemistry

Do Animals Use Magentism in a NANO Way to Navigate?

Nanochemistry

Applications and Perspectives ofNanostructured Materials

Do We Need NANO?

Nanoparticles: Medicine and Pharmaceuticals

cancer detection and treatment:- [Au]nano-antibody specifically binds (600:1) to EGFR (epidermal growth factor receptor) - [Au]nano (best when 35 nm in size) absorb laser light which helps to kill (breast) cancer cells - noninvasive

more efficient mineral uptake:- „nano-liquid“ and „spray active“ - nano-Si, nano-Ca, and nano-Mg (3-10 nm)

heart stroke diagnosis:- colored [Au]nano (40 nm) bind to blood troponin T via an antibody reaction

Nanochemistry

Nanoparticles: Engineered Textiles and Packaging

safer food packaging:- antimicrobial [ZnO]nano or [MgO]nano are effective in killing microorganisms- replacement of [Ag]nano- SINTEF: uses nanocomposites of nanoparticles in thin films to transport gases through the plastic film to pump out dirty air such as CO2

nanofibers in textiles:- coatings and nanoscaled fibers- sportwear: „waterproof“, „breathable“- antimicrobial nanocoatings kill bacteria, reduce inflammation and promote healing („wound dressings“)

Nanochemistry

Nanoporous Materials: Petrochemical Catalysis

Fischer-Tropsch synthesis (FTS):- synthesis of gasoline (benzine) from syngas (CO + H2)- nanostructured catalysts (Al2O3/[Co]nano/Re2O7)

fluid catalytic cracking (FCC):- synthesis of gasoline (benzine) from crude oil feeds- rare-earth-exchanged zeolite-Y catalyst with high surface (1000 m2g-1)

Ln3+

Nanochemistry

Nanoporous Materials: Hydrogen Storage

carbon nanotubes:- 5 wt% at 77 K- <1 wt% at room temperature and high pressure

requirements for transportation applications(U.S. Department of Energy):- vehicles should have a range of 480 km (300 miles)- 9.0 wt% uptake and 81 kg H2 per m3

MOF-5Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4670-4679.

MOFs (metalorganic frameworks):- 1.62 wt% at 77 K- 1 wt% at room temperature and 10 bar

Nanochemistry

Nanoporous Materials: Advanced Computing

SWNT for molecular electronics technologies:- SWNTs are either metallic or semiconducting- SWNTs are strong, nonreactive, and tolerant of extreme temperatures- molecular wires or molecular switches will enable next-generation memory and logic chips- device fabrication: diodes and transistors

Nanochemistry

More Fancy Stuff

A „NanoCar“ (3-4 nm sized):- development of molecular machines (Rice University/Houston)- chassis and „free-rotating axles in pivoting suspension“ (organic molecules) and „bucky-balls“ as wheels- STM (scanning tunneling microscope) proves „rolling“ and not „sliding“

Nanochemistry

1 nm 10 nm 100 nm 1 µm

NANO-scale

[Ag344S124(StBu)96]a even larger salt-like clustersize: ø = 3.0 nmcolor: black

C–C bond(0.15 nm)

D. Fenske et alAngew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 5242-5246.

The Largest Single-Crystalline Nano-Sized Clusters

micrometer-scale

Nanochemistry

1 nm 10 nm 100 nm 1 µm

NANO-scale

Na48[HxMo368O1032(H2O)240(SO4)48] × ca. 1000H2O:the largest salt-like cluster iscalled Mo368 nano-hedgehog- size: ø = 6.0 nm (cf., hemoglobin)- 1880 non-hydrogen atoms- color: dark blue

C–C bond(0.15 nm)

A. Müller et alAngew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1162-1167.

The Largest Single-Crystalline Nano-Sized Clusters

micrometer-scale

Nanochemistry

1 nm 10 nm 100 nm 1 µm

NANO-scale

Na48[HxMo368O1032(H2O)240(SO4)48] × ca. 1000H2O:the largest salt-like cluster iscalled Mo368 nano-hedgehog- size: ø = 6.0 nm (cf., hemoglobin)- 1880 non-hydrogen atoms- color: dark blue

C–C bond(0.15 nm)

A. Müller et alAngew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1162-1167.

The Largest Single-Crystalline Nano-Sized Clusters

micrometer-scale

Nanochemistry

synthesis of ligand-capped semiconductor nanoclusters:

- cluster size depends on precursor concentration in solution (1-5 nm)- optical emission spectra depend on the cluster size

Smart Clusters: Quantum Size Effects

J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706.

n Me2Cd + n nBu3PSe + m nOct3PO(nOct3PO)m(CdSe)n + n/2 C2H6 + n nBu3P

solvent, 300°C

RRR

RRRR

R

RRR

RRRRR

RRRRR

RRRRR

CdSe

[CdSe]nano size

Nanochemistry

Mesoporous Silica (SiO2)x:Shaping Inorganics as Nature Does

50 nm

Nanochemistry

Mesoporous Silica (SiO2)x:Structural Order in the Nanoregime

50 nm

Nanochemistry

Semicrystalline, Periodic Mesoporous Silicas (PMSs):Versatile Hosts for Intrapore Chemistry

MCM-41/SBA-15(hexagonal, P6mm)

pores: 2-30 nm

MCM-48(cubic, Ia3d)

pores: 1.5-4 nm

SBA-1(cubic, Pm3n)

pores: 2.0-3.0 nmsuper cage: d = 4 nm

Chem. Mater. 2002, 14, 1827-1831.

Nanochemistry

OrganometallicGrafting

Surface Organometallic Chemistry @ PMS Materials:Molecularly Defined Nanoreactors

OSiOSiOSi

OSiOSiOSi

OHOH OHOH

„MRn“@PMSPeriodic Mesoporous Silica

OO

OSiOSiOSi

OSiOSiOSi

OO

SiR3 MM

R

Nanochemistry

Rare-Earth Elements in Industrial Homogeneous Catalysis:High-Cis Polybutadiene Rubbers

Ultra-high-performance composite materials

• high-cis polybutadiene• soot („carbon black“)• zink oxide• sulfur• stearic acid• TBBS, silica, silane• oil

Tires (tread)

Nanochemistry

OrganometallicGrafting

Periodic Mesoporous Silica

High-Surface Modular Mesoporous Catalysts

Calcination

„MRn“@PMS

MxOz@PMS

100 nm

Nanochemistry

OrganometallicGrafting

Periodic MesoporousSilica

High-Surface Modular Mesoporous Catalysts

Calcination

(M2xOz)(M1

yOz)@PMS

(„M2Rm“)(M1

xOz)@PMS

Nanochemistry

High-Surface Heterobi(tri)metallic Mesoporous Catalysts:

[Rh/MgO/CeOx]@PMS RhRh

O SiO Si OSi

OO SiO Si O Si

O

Ce Ce

O O

O

O O O

Ce

OMg

O

MgOH

O

OH

RhRh

O O

Mo

O

Mo

O HO

Mo

O

OSiOSiOSi

O

OSiOSiOSi

O O

Bi

O

Bi

OH

O

OH

SOHIO acrolein process:oxidation of propylenewith air at 350 °C/0.2 MPa

[Bi2O3/MoO3]@PMS

DeNOx catalysis:automotive exhaust three-way catalysts at 500 °C/air

Nanochemistry

OrganometallicGrafting

Periodic Mesoporous Silica

Nanocasting of Oxidic Materials via PMS Templating

NaOH

Nanoscale MxOy

Calcination

MxOy@PMS

„MRn“@PMS

Nanochemistry

Nanocasting of Rare-Earth Metal Oxides

n-[La2O3]

n-[Tb2O3]

n-[ZrO2(Y2O3)]

„YSZ“

n-[CeO2(Tb2O3)]

Dielectrics for Transistors:“down“ scaling of criticaltransistor dimensions of integratedcircuit (IC) components

Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs):anode, Ni-ZrO2(Y) cermetcathode, LnMnO3 perovskite

Automotive Exhaust:3-way catalystNOx-storage catalyst

Nanochemistry

„Nanomaterials may have a different toxicitythan their bulk counterparts.“ Jeoff Ozin

Nano Safety

Nanochemistry

„ ... nanochemistry (technology) is a tool-driven field“

„The field of nanoscience ...is one of today`s most challenging, exciting,multi-disciplinary and competitive fields,and one of the most highly funded ...

... it is considered poised to revolutionize the world as weknow it, and transform it into something better.“ Jeoff Ozin

Nanoscience@UiB ... started fall 2005

NanoEdu

NanoBio

NanoBasic

NanoProcess

Knut Børve

ReinerAnwander

Hans-HermannGerdes

Nanochemistry

1

Design av nanokatalysatorer og aktive forbindelser

• Molekylmodelleringens typiske rolle– Forklare (i ettertid…)

• Rolle for fremtiden

– Forklare og forutsi• Utforske modelleringens prediksjonspotensial

– Industriell katalyse, nanokatalysatorer– Enzymatisk katalyse, metalloenzymer

Molekylmodelleringens rolle

• Innsikt – mekanisme

• Utviklingsverktøy: for eksempel ”in silico drug design”– Medikamentutvikling basert på beregnede egenskaper– Rask ”screening” av store biblioteker av molekyler– Prediksjon av aktive strukturer � syntese– Bruk av multivariate metoder (f.eks.: QSAR)

– ”In silico” modellering svært viktig for farmasøytisk industri:• 2006: ca. 10% av F&U-kostnadene• 2016: ca. 20% av F&U-kostnadene

(Nature Reviews Drug Discovery 2003, 2, 193)

2

Molekylmodellering ved Kjemisk institutt

• Nanokatalaysatorer:– Industriell katalyse

• Studier av industrielt viktige prosesser, mekanisme• Design av katalysatorer

– Biokatalyse• Studier av metalloenzymer• Design av ligander/medikamenter• ”Bio-mimic”, små modeller av metalloenzymer

• Spektroskopi – (Knut J. Børve)

Utvikling av katalysatorer for olefinmetatese

• Prosedyre– Kvantekjemisk beregnede egenskaper– Multivariat modellering prediksjon (QSAR)– Uttesting av prediksjoner

• Prof. Hans-René Bjørsvik (UiB)• Prof. Alois Fürstner (MPI-Kohlenforschung),

Tyskland

Arbeider–G. Occhipinti, H.R. Bjørsvik, and V.R. Jensen, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 6952-6964.

3

Beregnede katalytiske aktiviteter

N N..

N N HH ..

IMes

H2IMesCO

N

C

+

As(CH3)3

PPh3

PP HH..

S

N

N

H

N(CH3)3O

Cl2IMesPCy3

PiPr3P(OCH3)3

NN..

NN

NPhPh

Ph

..

Metalldopede karbon-nanostrukturer

• Systematiske studier av struktur/stabilitet– Substituerte fullerener, MC59.– ”Exohedral” metallofullerener, MC60.

• Systematisk søk etter katalytiske egenskaper– Hydroformylering, hydrogenering,

olefinmetatese, Monsanto-prosessen, etc

Arbeider–O. Loboda, V.R. Jensen, K.J. Børve, Fullerenes Nanotubesand Carbon Nanostructures, 2006, 14, 365-371.

–M. Sparta, V.R. Jensen, K.J. Børve, Fullerenes Nanotubesand Carbon Nanostructures, 2006, 14, 269-278.

–Sparta, M.; Børve, K. J.; Jensen, V. R. J. Phys. Chem. A2006, 110, 11711-11716.

4

Eksempel: Substituerte metallofullerener

• Kan forvente at egenskaper kan skreddersys:– Tett metall—fulleren-kontakt, – Gjensidig påvirkning

gjennom delokalisert πsystem.

– Overgangsmetallet eksponert

• Metastabile– MC59 observert kun for Fe, Co, Rh, Ir, Ni, Pt– Lite strukturinformasjon fra eksperiment– Teori kan avhjelpe mangelen på informasjon

MC59 – Form og struktur

5

Strukturdeformasjon som følge av doping

• Deformasjonene er lokale!

• Strukturen til YC59 superposisjonert på C60 :

Beregnet stabilitet

• Referansereaksjon:C60 + MCl3 + ½Cl2 � MC59 + CCl4(C60 + NiCl2 + Cl2 � NiC59 + CCl4)

6

Biokatalyse – Aromatisk aminosyre hydroksylaser

• Fysiologisk viktige metalloenzymer– Syntese av nevrotransmittere– Nedbrytning av fenylalanin.

• Modellering / QSAR-prosedyre– Design av modellenzymer (bio-

mimic)– Design av ligander (drug-design)

• Samarbeid: – Prof. Aurora Martinez (Institutt for

biomedisin)– Dr. Nathalie Reuter (BCCS)

Arbeider–K. Teigen, V. R. Jensen, A. Martinez, Pteridines 2005, 16, 27-34

Eksempel på nanomotor: kalsium ATPase

Aggregattilstandar: Frå gass tilfaste stoff

AtomMolekyl

KlasarNanodråpar

Kondensertefasar

Fast stoff

væske

Klasar

• Klasar er ansamlingar/aggregat av atom eller molekyl og kan variere i storleik frå dimerar og opp til ti-tusenvis av byggeklossar.

• Klasar blir klassifisert etter type byggeklossar og bindingstypen: metalliske, kovalente, edelgass-, og molekylære klasar.

Karbon60 Argon13 Metanol200

Kvifor studere klasar?

Klasar er interessante fordi dei fysiske og kjemiske eigenskapane deira varierer med storleiken.

Storleik

Fysi

sk e

igen

skap

Storleiksområde for kvanteeffektar

Karakterisering på nanoskala

Døme: Gull som katalysator

Oksidasjon av CO som funksjon av Auklasestorleik for Au/TiO2(001)/Mo(100)Kjelde: Valden et al., Catal. Lett. 56 (1998) 7.

Topografiske STM bilete av Au klasar påTiO2 etter reaksjon med CO/O2Kjelde: Choudhary & Goodman, Topics in Catalysis 21 (2002) 25.

Modellering av klasar

Klasestorleik

Kvantemekanikk(electrona er i fokus)

Klassisk mekanikk(klasen blir behandla

som ein ’ball’)

Hybrid kvante/klassisk mekanikk

Lite, N< 100 Medium, 100<N<10000 Stort, N>10000

Klassisk mekanikk via kraftfeltKrafter internt i klasen blir rekna ut ved hjelp av kraftfeltet.

( )⎪⎩

⎪⎨⎧

⎪⎭

⎪⎬⎫

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

612

LJ 4rr

rU σσε

Dispersjon

Metan

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−= 30

21

42

rUdd πε

µµ

dipol-dipol

Metylchlorid

EnergiFFE

H-binding

Metanol

][1

2121

θµQMMTMUElec

==

Intermolekylærekrefter

Geometrisk struktur av klasar

Klasar kan typisk eksistere i veldig mange ulike strukturar som har same eller liknande energi.

Globaltminimum

Lokaleminima

Struktur og tidsutvikling

Informasjon frå éin struktur vil gjerne gi ei dårlegskildring av eigenskapane til klasen.

Struktur og tidsutvikling

We use computational techniques capable of accuratelyreproducing the probabilistic distribution of clusterstructures: Molecular Dynamics (MD) Simulations

Molekyldynamikk av metanolklase

Vel start posisjonar og fartarR0,V0

Rekn ut kreftene på kvart atom

Bruk Newtons likningF = ma til å finne nye

Nye fartar V, og Nye posisjonar R

Rekn ut eigenskapar

Stabilisering av klasar

Deponering på overflater.

Problem: Klasar kan smelta saman til einhomogen film

Vi undersøkjer om ein kan stabilisereKlasar ved å bruka eit passiverande lag..