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Le Nanotecnologie Paolo Mazzoldi Dipartimento di Fisica – Università di Padova, Via Marzolo 8, I-35131 PADOVA (Italia) Scuola Galileiana dicembre 2006.

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1 Le Nanotecnologie Paolo Mazzoldi Dipartimento di Fisica – Università di Padova, Via Marzolo 8, I PADOVA (Italia) Scuola Galileiana dicembre 2006

2 nanotecnologie Capelli Batteri Transistor PIV Bisso

3 Nanofabbricazione Sintesi di materiali Chimica Electronica, informatica Farmaceutica Trasporto Cosmetica Tessile Miniaturizzazione Alimenti e bevande Ambiente Autoassemblaggi inorganici Fisica quantistica Aerospazio Nanomateriali, ricoprimenti e plastiche Nanotecnologia per dispositivi ICT Bio-sintesi di molecole funzionali Nanobiotecnologia Autoassemblaggio Biologico Nanotecnologie per la chimica e lambiente Catalizzatori nanostrutturati Biochip Sensori DNA Chimica supramolecolare Dispositivi Magneto-resistivi Nanoelettronica Processamento di dati bio-molecolari Nano-filtrazione Nano-compositi Nanotubi al carbonio Distribuzione di medicinali Dispositivi nanomeccanici Ricoprementi per attrezzi Coloranti Sospensioni ed inchiostri Elettronica Organica LED e laser tramite nanosemiconduttori Energia Immagazzinamento dellidrogeno Foto-voltaico Impianti micro-nano Bio-sensori Biologia molecolare Scienza dei materiali Nano-tribologia Auto-assemblaggio supra-molecolare Batterie Bio-catalisi

4 Cosa sono i nanomateriali (1 nm = m) –Nanoparticelle (0 D) –Nanofili, nanofibre, nanotubi (1 D) –Film sottili (2 D) –Nanomateriali massivi (3 D) Materiali Mesoporosi Materiali Mesoporosi Ibridi organico-inorganici Ibridi organico-inorganici Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie) Nanoparticelle di oro su substrato di TiO2, Valden, et al., Science 281 (1998) Fili di rame (3 nm) su molibdeno Kong & Wang, Nano Lett. 3, 1625 (2003) Film di 160 nm di TaN on su struttura di wafer di silicio.

5 Fullerene C 60 Nanotubo di Carbonio (CNT)

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7 Conduttività termica di nanotubi con diverso diametro singola parete SWNT (matassa) multiparete (MWNT)

8 Nanomateriali massivi (3 D) Materiali Mesoporosi Es.: Film mesoporoso con tecniche di autoassemblaggio molecolare

9 Nanomateriali massivi (3 D) Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie) Particelle di argilla in matrice polimerica Fibre di ossido (MoO 3 ) in matrice polimerica Microstruttura di una lega Ti/Al/V sinterizzata

10 Ad esempio … Piccole quantità di nanoparticelle di argilla in matrice polimerica consentono la riduzione della diffusione di gas, un incremento importante della resistenza ed un ancora più grande aumento della rigidità, soprattutto alle alte temperature. Piccole quantità di nanoparticelle di argilla in matrice polimerica consentono la riduzione della diffusione di gas, un incremento importante della resistenza ed un ancora più grande aumento della rigidità, soprattutto alle alte temperature.

11 PROVE DI INFIAMMABILITA TEST UL94 HB (fiamma orizzontale) Nanocompositi a matrice polimerica velocità di propagazione della fiamma diminuisce aumento della frazione di residuo carbonioso assenza di gocciolamento e fiamma vivace

12 Lotus Effect

13 10 m Cera cuticolare Superfici auto-pulenti: Effetto Lotus

14 Il controllo chimico e morfologico consente di ottenere superfici super-idrofobiche con proprietà auto-pulenti sfruttando il cosiddetto Effetto Loto

15 Film autopulente superidrofobico Innesto di alchilfluorosilani Contributo chimico Contributo geometrico Morfologia Molecole idrofobiche

16 Inserire film

17 Nanofasi di ossido di zinco (nanoparticelle di nm) Barriera ottica per varie applicazioni: protezione solare, protezione UV (occhiali, vetrate), fotovoltaico OSSIDO DI ZINCO NANOSTRUTTURATO PER COSMETICI

18 BARRIERE AL GAS NANOSTRUTTURATE Una nuova nanotecnologia introduce un nanostrato depositato sulla sfera centrale della pallina, contenente il gas, riducendo la permeazione dellaria del 200%. Palle normali sono utilizzabili per due settimane, mentre con la nuova tecnologia si arriva a più di quattro settimane

19 Nanopolveri e ricoprimenti determineranno laumento della durata della vernice Leghe basate su nanotubi al carbonio vengono studiate per sostituire le cornici dellautomobile per la loro elevata resistenza e il peso ridotto Catalizzatori ceramici a base di ossidi metallici di nanodimensioni potranno ridurre le emissioni dannose Tecnologie basate su nanocatalizzatori e membrane avranno un ruolo critico nelle celle a combustibile e nella sostituzione dei motori a combustione La combinazione di tenacità e resistenza meccanica di nanocompositi a matrice polimerica sarà importante, considerando il ridotto peso, per la sostituzione dellacciaio nelle automobili. Inoltre pannelli composti da nanocompositi polimerici permetteranno la verniciatura elettrostatica, riducendo i costi e limpatto ambientale Applicazioni nel settore automobilistico

20 Nano-chitarra Usando un AFM la nanochitarra può essere suonata ma non si può sentire perché le sue corde risuonano a frequenze non udibili Circuito Integrato Ottenuto per nanolitografia

21 Nano-macchine Nanomacchina biologica Nano-ingranaggio Nano-robot Rotaxane: ascensore molecolare

22 Prima metà IV d.C Colonia,

23 Abalone

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25 La vita stessa potrebbe essere vista come un sistema nanofasico »Dominic Dickson Science Communication »University of Liverpool

26 SCENARIO DI RIFERIMENTO - nanofabbricazione Approccio Bottom-Up ispirata alle forme spontanee con cui la biologia realizza architetture e funzioni complesse a partire da costituenti chimici, le molecole sintesi di origine fisica, chimica e biologica Approccio Top-Down riduzione sempre maggiore delle dimensioni degli oggetti provenendo da dimensioni relativamente grandi attuato con successo nel campo della microelettronica da fisici ed ingegneri NANOFABBRICAZIONE La nanofabbricazione è destinata a diventare un elemento costitutivo nella sequenza di sviluppo definita da ricerca, trasferimento tecnologico, industrializzazione e commercio

27 Bottom-up Top-down Materiali Nanostrutturati Assemblaggio da nano-blocchi Compattazione di polveri/aerosol Sintesi chimica Scultura da materiale massivo Attrito meccanico (ball milling).. Litografia, attacco chimico…

28 Impianto Ionico ~ 50 µm Sfere di Acciaio o di WC Particelle ~ 50 µm BALL MILLING

29 Strategia dellauto-assemblaggio Distribuzione di nanoparticelle di InAs cresciute su un substrato di GaAs

30 Ipse dixit… There is plenty of room at the bottom (Ci sono molte possibilità alla base) (R. Feynman, 1959) If I were asked for an area of science and engineering that will most likely produce the breakthroughs of tomorrow, I would point to nanoscale science and engineering (Se mi venisse chiesto di indicare una area della scienza e dellingegneria che con maggiore probabilità produrrà innovazioni nel futuro prossimo io indicherei le nanotecnologie) (N. Lane, Introduction to National Nanotechnology Initiative: Leading on the Next Industrial Revolution, U.S. National Science and Technology Council, 2002)

31 Breve storia dei nanomateriali 1861: Thomas Graham conia il termine colloide per descrivere una soluzione contente particelle di diametro inferiore a 100 nm in sospensione; (Faraday, Ostwald,…) fine inizio 1900: Rayleigh, Maxwell e Einstein studiano i colloidi (proprietà ottiche); 1908: Gustav Mie, calcolo elettrodinamico esatto della risposta ottica di nanocluster metallici 1930: metodo di Langmuir-Blodgett per deporre monostrati atomici; 1960: Uyeda studia con la microscopia e la diffrazione elettronica singoli nanocluster; 1970: nanocluster di lega metallica; 1985: Smalley & Kroto scoprono il C 60 (fullerene); 1991: Iijima studia i nanotubi di C; 1993: Creato negli Usa il primo laboratorio di nanotecnologie (Rice University) 2000: manipolazione e posizionamento di singoli atomi (STM, AFM) nanotecnologia LEuropa stanzia 700 milioni in quattro anni Viene creato dal MIUR il I distretto di nanotecnologie in Veneto Viene realizzato un Laboratorio di Nanotecnologie a Marghera (NanoFab) …la storia continua…...Sistemi biologici…

32 Cobalto n = 139 atomi R = 0.65 nm F = 0.77 n = 369 atomi R = 0.90 nm F = 0.56 n = 3043 atomi R = 1.82 nm F = 0.28 Effetto della Superficie Rapporto atomi superficie/atomi volume F

33 Nanocluster di Au ottenuti per impianto ionico in SiO 2 Au SiO 2 nR (nm) Sup /Vol % % % % Au NC visto lungo la direzione

34 Temperatura di fusione Au C Variazione della temperatura di fusione con le dimensioni 2 nm

35 NC di Si ottenuti per pirolisi laser dal SiH 4 SiO 2 Si NC Se D < 5-7 nm emettono luce Si SiO 2 Strutture core-shell

36 Fotoluminescenza Radiazione incidente ad alta energia (UV) Radiazione emessa a più bassa energia (visibile) CdS nm CdS, CdSe, ZnS, ZnSe, Si… Soluzioni colloidali di CdSe in esano con dimensioni decrescenti 1.8 eV (IR) D = 11.5 nm 3 eV (UV) D = 1.2 nm D = 3.0 nm σ = 0.8 nm

37 FILM SOL-GEL VETROSI NANOSTRUTTURATI Vetri ad alta luminescenza per drogaggio di matrici ibride organo-inorganiche con nanocristalli di CdSe. 2 nm 5 nm

38 Seleniuro di Cadmio, CdSe

39 Le dimensioni dei nanograni di oro determinano lo spettro di assorbimento Sfere di Silice (SiO2) rivestite con particelle doro [struttura core (SiO2) –shell(Au)] Assorbimento in funzione della lunghezza donda per diverse dimensioni della shell

40 Variazione della concentrazione, dimensione e forma

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44 Luminescenza (visibile) DNA bersaglio substrato Applicazioni in medicina Identificazione di sequenze di DNA con nanocluster DNA sonda NC Radiazione (UV)

45 Nano- biotecnologie

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49 Test in vivo di luminescenza ed assorbimento da nanoparticelle

50 Spettri di fluorescenza di tessuti tumorali e normali di un topo, un giorno dopo liniziezione del tracciante. Eccitazione a 633 nm. Selettività del tumore può essere controllata..

51 Introduzione di nanoparticelle di CdTe in sfere polimeriche Riempimento a pH 3 + Sfere polimeriche Nano particelle di CdTe Sfere polimeriche contenenti CdTe Confinamento a pH Rilascio a pH > 11 STRATEGIA

52 Multicolor encoding Traccianti per emissione, il colore di emissione dipende dal rapporto di numero di particelle di differente dimensione Confinamento a pH

53 ~ 5-20 nm SiO 2 + NanoCluster Materiale non-lineare (composito SiO 2 + NC) n = n 0 n 0 (SiO 2 ) = 1.46 Proprietà Ottiche Non-lineari Indice di rifrazione n SiO 2 n = n 0 + n 2 I Materiale lineare (vetro, SiO 2 ) I = intensità laser n 2 I ~ ÷ 0.10

54 Nanofotonica: interferometro di Fabry-Perot 2 n d = m λ n 0 n d n = n 0 off Specchi semi-riflettenti Laser λ I ITIT

55 Nanofotonica: interferometro di Fabry-Perot Laser λ I ITIT 2 n d = m λ n = n 0 + n 2 I FP = n d Specchi semi-riflettenti Commutatore ottico off on off n = n 0 + n 2 I Materiale nonlineare Tempi di commutazione 1000 volte più rapidi dei transistor

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57 Au x Ag 1-x Nanotecnologia del IV sec. d.C. Vaso di Licurgo (Arte Vetraria Romana, British Museum) …riflessione…transmissione Nanocluster metallici (~ 70 nm) di lega Au x Ag 1-x (x ~ 0.3) (confermato da diffrazione X)

58 Kunckel 1690

59 75 d.C. Roma

60 I d.C. Coppa a striscie colorate Roma

61 Piatto con la storia di Pico, Circe e Canenet, maiolica a lustro (Francesco Xanto Avelli). Lustrato nella bottega di Mastro Giorgio (Gubbio 1528). Museo civico della ceramica di Gubbio Nanotecnologia del XVI sec. d.C. Lustri di Gubbio e Deruta (Italia)

62 TEM su un frammento di lustro Nanocluster metallici (~ 5-10 nm) di Ag o Cu Ricetta di preparazione del Lustro ( Mastro Giorgio, Gubbio, XVI sec.) Deposizione di ossidi o sali di Ag o di Cu in soluzione con aceto; Riscaldamento a 600 °C in forno con fascine di ginestra secca (atmosfera riducente)

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65 Materiali drogati con Fullerene per Limitazione Ottica Aumento dellassorbimento in funzione dellenergia in ingresso Fluenza di danneggiamento F damage > 100 J/cm m

66 VETRI BIOATTIVI E BIOCOMPATIBILI Biomateriali ferromagnetici per la cura dei tumori mediante ipertermia Ipertermia: aumento di T° delle cellule tumorali = loro distruzione. Riscaldamento:accuratamente localizzato, per non distruggere cellule sane. Nuovi materiali ceramici contenenti magnetite (ferromagnetica, genera calore per isteresi se immersa in un campo magnetico alternato).

67 Materiali compositi per impianti nelle articolazioni Tempo di vita medio di un impianto dellanca: anni, con i materiali disponibili: Al 2 O 3, ZrO 2 Nanocomposito di allumina irrobustito con zirconia Polveri contenenti 2.5 wt% di ZrO 2 vengono pressate, trattate termicamente e formate per limpianto

68 E-paper

69 Archimede Pitagorico 1968 d.C.

70 Conclusioni La Scienza e Ingegneria dei Materiali è, di per sé, una disciplina assai potente che consente lo sviluppo, il controllo e la gestione di materiali con le proprietà desiderate. La nanoscienza fornisce uno strumento concettuale estremamente potente ed innovativo, che apre orizzonti nuovi e vastissimi. Le nanotecnologie forniscono gli strumenti per lo sfruttamento pratico di questi nuovi concetti, consentendo la realizzazione di materiali nanostrutturati, di nanocompositi, di nanodispositivi. Al di là delle definizioni più o meno discusse su ciò che può essere considerato nanotecnologia, le attività avviate sotto questa etichetta sono comunque una realtà importante, che avrà importanti conseguenze sul nostro mondo tecnologico.

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