Nanoteknologi i marken

Leif SchauserEmail: schauser@inano.dk

Interdisciplinært Nanoscience Centerved Aarhus Universitet

Nano: Den næste industrielle revolution

Merrill Lynch, Nanotech Index

BUSINESS

INVESTORER

REGERINGEN

FORSKERE BEFOLKNINGEN

MILJØFORKÆMPERE

THE NEXT BIG THING ?

KAN VI TJENE PENGE PÅ DET ?

ØKONOMI ?LOVGIVNING ?

MEDIER

SPEKTAKULÆRT ? NYE TRENDS ?

FARLIGT ?

HVILKEN BETYDNING FÅR DET FOR MIG ?

KAN JEG OFFENTLIGGØRE MINE RESULTATER I NATURE ?

Definitioner på Nanteknologi

5 atomer = 1 nanometer = 0.000000001m

Et menneskes hår har en diameter på 100.000 nanometer

nano- Dværgagtig, lille. Angiver en milliardte del af en enhed. Gyldendals Fremmedordbog

Hvad er Nano ?

http://www.oxfordreference.com/views/ENTRY.html?ssid=319037212&entry=t14.003705&srn=10

Længde skala

10 mm 1 mm 100 nm 10 nm 1 nm

Menneske hår Celler LitografiIntegrerede kredsløb

Biologiske makromolekyler

Atomer og molekyler

100 mm

Nanoteknologi kan defineres som forskning og udvikling, der foregår på 100 nanometer og derunder

At bygge strukturer af atomer og molekyler

BiologiKemi

Fysik Mol. biol.

Medicin

Nanoscience og Nanoteknologi

NanomedicinBiokompatibilitetNanosensorerPlastelektronik

NanofotonikNanokatalyse

Nanomaterialer

NanosynteseNanokarakterisering

NanolitografiSelvorganisering

Nanofood

Størrelsen har betydning: Ohms lovV = I R eller I = G V

Spænding V, strømstyrke I, modstand R og ledningsevne G

For en makroskopisk ledning med længden L, arealet A og den specifikke ledningsevne s er:

G = sA/L

V

I

1 Volt

G

Kvantiseret ledningsevne

Simulering af en nanoledning, der knækkes, og beregning af dens ledningsevneunder processen

L. Olesen et al., Phys Rev Lett, 74, 2146

Guld-nanopartikler

Størrelsen har betydning! Guld nanoklynger på TiO2

CO+ ½O2 → CO2

Science 299, 377 (2003) Science 303, 511 (2004)

# atomer på overflader sammenlignetmed # atomer i volumet

a

a

a

One atom/nanometer, crystalline structure

Størrelse påterning

# atomer påoverfladen

# atomer i volumet

1mm 6x1012 1018

1 µm 6x106 109

10 nm 600 1000

Richard Feynmann 1959:

“Det ville være en stor hjælp for de problemstillinger, som findes indenfor fysik, kemi og biologi, hvis vores evne til at se hvad der sker på atomart niveau og til at påvirke dette blev udviklet til det optimale – en udvikling, jeg ikke mener kan undgås”

”De fysiske love, sådan som jeg ser dem, taler ikke imod at kunne flytte rundt på ting atom for atom.”

There is plentyof room at the

bottom!

Et paradigmeskift:Nano-eraen startede med udviklingen af

Scanning Tunnel Mikroskopet - STM

Scanning Tunnel Mikroskopet

GerdGerd HeinrichHeinrich

•• Opfundet af Gerd Opfundet af Gerd BinnigBinnig og Heinrich og Heinrich RohrerRohrer, IBM, IBM•• Billeder af atomer pBilleder af atomer påå overfladeroverflader••1986 Nobel Prisen i fysik1986 Nobel Prisen i fysik

Et paradigme skift – en rejse i nanokosmosAfbildning af enkelte atomer

Pt øer på en Cu overfladeEn ren Cu overflade

Atomers bevægelse på overflader

Diffusion af Pt på Pt(110) Linderoth et al., Phys Rev Lett 78, 4978 Horch et al., Nature 398, 134(1999)

Nanoteknologiske tilgange

Top-down

Bottom-up

Transistorer og integrerede kredsløb

Brattain, Bardeen, og Shockley, opfundet i 1947(1956 Nobel pris i fysik)

Jack Kilby og Robert Noyce, opfundet i 1958(2000 Nobel pris i fysik)

Texas Instruments Bell laboratories

Drivkraften bag USA’s Nano-initiativ: Halvleder-industrien

Intel's Pentium® 4 Processor (2000)

42 millioner transistorer, kredsløb på 180 nmog en hastighed på1.5 milliard hertz

Litografiske teknikker

9

Elektron-stråle litografiSeriel, langsom

~ 5 nm opløselighed

Foto litografiParallel, hurtig

~130 nm opløselighed

Silicon-nanoteknologi

Halvleder-industriens roadmap: Forudsigelser for tykkelsen på oxid-laget, SiO2

Drivkraften for USA’s Nano-initiativ: Silicon-vejen ender

Nature

Selvsamling: Naturens metode

virus proteinDNA

• Ikke-kovalente interaktioner:reversibel, selektiv and retningsorienteret binding

• Samling: genkendelse af „selv“ og rettelse af fejl

Fra molekylære byggeklodser til supramolekylære ansamlinger

Overflade

• Forståelse af principperne• Kontrol af ansamlingen

Mobile PhoneSAW Structures

Air BagAccelaration SensorsMEMS

CosmeticsTiO2 Nanoparticle

GMR Read HeadMagneticMultilayers

Pace MakerLi-BatteriesNew Materials for Energy

Bike FrameCarbon FibresComposite Materials

Digital CameraCCD Chip

Intelligent Credit CardIntegrated Circuits

LED DisplayPhotonic Materials

GPS NavigationFunctional Materials

Glasses and CoatingsOptical MaterialsUV Filter

Artificial LensBiocompatiblePolymers

Artificial HipsBiocompatibleMaterials

Exact Time via satelliteSemiconductíng devicesMicro-Batteries

Nanomaterialer i arbejde ….

Nanoteknologi – nye muligheder

• Energi og miljø– katalyse, mod et brintsamfund

• Fødevarer– Funktionelle fødevarer, biosensorer, anti-fouling

• Medico-nanomedicin– Drug delivery, diagnosticering, biokompatible materialer

• Nano-materialer– Kompositter, polymerer, termoelektrika, ”skræddersyning”

• ”Total-elektronik” (elektronik-kommunikation-optik)– computere, plasticelektronik, displays

iNANO (siden 2002) mission:• Interdisciplinær forskning indenfor nanoscience• Uddannelse, ny kandidatuddannelse - 66 studerende • Forskerskolen iNANOschool (www.inanoschool.dk)• Samarbejde med dansk industri, innovation • www.inano.dk

• Direktør: Flemming Besenbacher

http://www.inano.dk/

De vigtigste nanomaterialer:De vigtigste nanomaterialer:Heterogene Katalysatorer Heterogene Katalysatorer

Aktive Nanopartikler (1-10nm)

Katalyse

22 CO 2OCO 2 →+

PalladiumRhodium

Platin

Katalysatorer:

Katalyse

Katalysatorer kan øge hastigheden med adskillige x 106Basis for de fleste kemiske transformationerBrug af nanomaterialer (flere aktive steder, speciale egenskaber

Reaction coordinate

Ene

rgy A B

A B

A B

BAA B

Uden katalysator

Med katalysator

Katalysatorer sænker aktiveringsenergien for reaktioner

Nye katalysatorer på baggrund afnanoscience

1000

1001950 1960 1970 1980 1990 2000 Year2010

TrialTrial--andand--errorerrorEraEra

InIn--situsitu eraera

2004: BRIM2004: BRIMTMTM technologytechnology

Rel

. vol

. act

ivity

NanoscienceNanoscienceEraEra

En ny gerenation af katalysatorer vedHaldor Topsøe A/S

Nanoteknolgi i marken

• Katalysatorer oxiderer kulmonoxid og svovl påplatin

• Litografiske masker til fremstilling af elektroniske chips

• Katalysatorer omdanner kvælstof til ammoniak

Haber-Bosch: Heterogen katalyse

• Fritz Haber: Nobel pris i Kemi 1918• N2 + 3H2 => 2NH3

– Katalysator: metaller, f. eks. jern partikler• Gerhard Ertl: Nobel pris i Kemi 2007

Haber-Bosch katalyse

Nye materialer: Kulstof

Kulstof nanorør

Styrke: 100x stærkere end stål, 1/5 vægt

Enheds celle

Φ=0.77 nm

Tribologi

• Hårde overflader til sliddele (Diamond-like Carbon)

• Mere effektiv smørelse (Nanostrukturer)

Aflejring af Me-C:H film

Kulstof film– amorf a-C:H matrix

+ nanokrystaline Metal urenheder (2-5 nm)

– Højt indhold af hydrogen (10-40 %)

– hårdhed: op til 20 GPa

Anvendelser af Me-C:H film

Udformning af værktøj

Glidende komponenter

Værktøj til produktion af

polymerer

Funktionelle nanomatrialerSol-Gel funktionelle nano-coatninger

Substrate

Substrate

"Gel"

Dense film

Coating

Heat

Metal Alkoxidesolution

MeO

OO

O

Hydrolysispolymerization

"Sol"

=

Anvendelser

Korrosionsbeskyttelse”Ikke-klistrende” overflader

• Anti-biofouling• Dug afvisende • Is afvisende• Anti-graffiti

Anti-fouling skibsmaling

RefRef..

Eksempler på prøver fra danskevandmiljøer i 2004:

• Tydelig reduktion af fouling

• Meget nemmere at fjerne fouling

• Udviklingen fortsætter i 2005

Projektet er finansieret af Dansk EPA i 2004

Anvendelse af 3 forskellige biocide-frie sol-gel coatninger på udvalgte skibsskrog og test-prøver

(3 forskellige vandmiljøer, salt- og ferskvand)

Nanostrukturerede coatninger til • Korrosionsbeskyttelse• ”ikke-klistrende” overflader

– Anti-biofouling– Dug afvisende– Is afvisende– Anti-graffiti– Bakterier

Forebyggelse af ophobning af skidtSelv-rensende overflader

Plant name CA

a Heliconia densiflora 28.4 ± 4.3

b Gnetum gnemon 55.4 ± 2.7

c Magnolia denudata 88.9 ± 6.9

d Fagus sylvatica 71.7 ± 8.8

e Nelumbo nucifera* 160.4 ± 0.7

f Colocasia esculenta 159.7 ± 1.4

g Brassica oleracea 160.3 ± 0.8

h Mutisia decurrens 128.4 ± 3.6

W. Barthlott, C. Neinhuis, Planta 202, 1-8 (1996)

*Lotus blad

20μm 20μm

20μm 20μm

100μm 100μm

100μm 100μm

Supe

rhyd

roph

obic

Sådan klarer naturen det…

W. Barthlott, C. Neinhuis, Planta 202, 1-8 (1996)

Kviksølv dråber på cikade-vinger

20μm

50μm

Selvrensning ved hhv. lav og høj kontaktvinkel

Nanomaterialer med forbedrede funktionelle egenskaber

Nanoteknologi kan øge fødevaresikkerhed: Antifouling og biosensorer

Industri: Bakterie-biofilmE.Coli, SalmonellaCurli stabiliserer biofilm

Nanosensorer

Cantion A/S og Basel Universitet

Aptamere

Mikrocantilever-baseret måling af patogener

EU: De årlige udgifter til fødevare-overført salmonella, der hvert årrammer 160 000 mennesker, erberegnet til at være 2.8 milliard €.

Laboratorietest: timer-dage

Cantilever-baseret test: sekunder-minutter

Salmonella

Photokatalyse v. titanium dioxid nanopartikler: selvrensende glas

O2 => O2- + e-

UV

schauser@inano.dk

Tak fordi I lyttede

Nanoteknologi i markenNano: Den næste industrielle revolutionLængde skalaAt bygge strukturer af atomer og molekylerStørrelsen har betydning: Ohms lov Kvantiseret ledningsevneGuld-nanopartiklerStørrelsen har betydning! �Guld nanoklynger på TiO2Richard Feynmann 1959: Et paradigmeskift:�Nano-eraen startede med udviklingen af Scanning Tunnel Mikroskopet - STMEt paradigme skift – en rejse i nanokosmos�Afbildning af enkelte atomerAtomers bevægelse på overfladerNanoteknologiske tilgangeTransistorer og integrerede kredsløbDrivkraften bag USA’s Nano-initiativ: �Halvleder-industrienLitografiske teknikkerSilicon-nanoteknologi Drivkraften for USA’s Nano-initiativ: �Silicon-vejen enderSelvsamling: Naturens metodeFra molekylære byggeklodser til supramolekylære ansamlingerNanoteknologi – nye mulighederDe vigtigste nanomaterialer:�Heterogene Katalysatorer KatalyseKatalyseNye katalysatorer på baggrund af nanoscienceEn ny gerenation af katalysatorer ved �Haldor Topsøe A/S Nanoteknolgi i markenHaber-Bosch: Heterogen katalyseHaber-Bosch katalyseNye materialer: KulstofKulstof nanorørTribologiAflejring af Me-C:H filmAnvendelser af Me-C:H filmFunktionelle nanomatrialer �Sol-Gel funktionelle nano-coatningerAnti-fouling skibsmalingNanostrukturerede coatninger til Forebyggelse af ophobning af skidtSådan klarer naturen det…Nanomaterialer med forbedrede �funktionelle egenskaberNanoteknologi kan øge fødevaresikkerhed: � Antifouling og biosensorer �NanosensorerAptamerePhotokatalyse v. titanium dioxid nanopartikler: selvrensende glas