nanotechnonologia: nadzieje i ą ę ą ś niebezpiecze ństwagaj/fwws/prezentacje/jm... · •...
TRANSCRIPT
1
Nanotechnonologia: nadzieje i niebezpieczeństwaJacek A. Majewski
Wydział FizykiInstytut Fizyki TeoretycznejUniwersytet Warszawski
26 listopada, 2009
www.fuw.edu.pl
Fizyka we współczesnym świecie
Podstawy fizyki współczesnej Nanotechnologiapowszechnie uważana za najważnie wyzwanietechnologiczne dzisiejszych czasów
Materiały i urządzenia w skali nano
dają nadzieję na inowacyjne rozwiązaniaw wielu dziedzinach ludzkiej aktywności
zdrowie
elektronika (technologie informacyjne)
transport
środowisko
bezpieczeństwo narodowe
Nanotechnologia w życiu codziennym
PonadPonadPonadPonad 300 300 300 300 produktproduktproduktproduktóóóówwww
Nanotechnologia koncentruje się
na projektowaniu i wytwarzaniu
funkcjonalnych materiałów,
struktur,
urządzeń i układów,
poprzez bezpośrednią kontrolę materii
na poziomie nano-skali,
jak również na praktycznym wykorzystaniu nowychzjawisk i własności zachodzących w nano-skali.
Nanotechnologia – co to jest ?
http://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology
Nanotechnologiazawiera wiele technik używanych do
wytwarzania struktur na skali poniżej 100 nm, …
2
interdysciplinarna dziedzina nauki poświęconabadaniom zjawisk zachodzących w skali nano, które znajdują zastosowanie w nanotechnologii.
To jest świat
atomów,
molekuł & makromolekuł,
kropek i drutów kwantowych,
makromolekularnych agregatów.
Ten świat jest zdominowany przez efekty
kwantowo-mechaniczne, gdzie efekty makroskopowe
(takie, jak inercja) nie odgrywają praktycznie żadnej
roli.
Nanonauka Nanotechnologia jest multidyscyplinarna
Nanotechnologia
Fizyka
Chemia
Elektronika
BiologiaTechnologieInformacyjne Nauka o
Materiałach
InżynieriaMechaniczna
A picture of nanofibrils shown with a human hair for reference (Espin Technologies, Inc.)IMAGE SOURCE: http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Chemistry/Materials_Science/Nanomaterials/Tutorial/Nanotechnology.html
Co znaczy nano?
1 nm = 10-9 m
nanodrutynanodrutynanodrutynanodruty
włos ludzkiśrednica: 10000-80000 nm
Skale długości
3
High energy
Physics
< 10-19 m
Astrophysics
> 105 m
Geophysics
~ 101 m
Solid State
Physics
~10-3 m
Atomic Physics
~10-11 m
Nuclear Physics
~10-15 m
NanoscienceMesoscopic Physics
Molecular Biology~10-7
Skale długości w fizyce
Krótka historiananotechnologii
St. Thomas- Canterbury Cathedral
Kolor czerwony:kwantowanie plazmonów
w mikrokulkach złota
Bitwa pod Legnicą 1241 r.
Pierwsze użycie prochu w Europie
Nanomateriały w średniowieczu Krótka historia nanotechnologii
Demokryt w starożytnej Grecji, koncepcja atomu
Richard P. Feynman, 1959, speech at Caltech
There’s Plenty of Room at the Bottom
Zasugerował, że powinno stać się w przyszłości możliwebezpośrednie manipulowanie pojedyńczymi atomami imolekułami
Wspomniał też o problemach skalowania. Gdy wymiarystają się mniejsze, zmienia się względna siła różnych sił,
Grawitacja staje się mniej ważna,
Napięcie powierzchniowe staje się bardziej ważne,
Siły przyciągające Van der Waals stają się bardziej
ważne, etc.
4
Richard P. Feynman
Born, May 11, 1918, Queens, New YorkDied, February 15, 1988, LA, California
Nobel Prize in Physics 1965: Theory ofQuantum Electrodynamics
Krótka historia nanotechnologii
Wyzwania Feynmana (nagroda 1000$ każde)
Zbudować motor o objętości 1/64 sześciennego cala~ 0.26 cm3
– zbudowany w 1960 przez zdolnego rzemieślnika
– do dzisiaj wystawiany w Caltech
Encyklopedia Britannica na główce szpilki !!!
Zapisać informację zawartą na typowej stronie książkina powierzchni 1/25000 mniejszej w skali liniowej
– czyli na powierzchni ~(10 µm)2
– zrealizowano w 1985 przez Tom’a Newman’a, studenta z Uniwersytetu w Stanfordzie
– użyto metodę litografii elektronowej
1st Feynman’s Challenge
motormotormotormotor
Główkaszpilki
Richard Feynman ogląda mikromotorpod mikroskopem
William Mclellan
Foresight Challenges
Foresight/Feynman $250 000 prize
100 nm arm nano-robot
50 nm3 8-bit adder
You may still win a prize !You may still win a prize !You may still win a prize !You may still win a prize !
Not a viper but that which adds
5
Norio Taniguchi, Tokyo University, 1974Wprowadził termin Nanotechnologia
K. Eric Drexler, dwie książki1986: Engines of Creation: The Coming Era
of Nanotechnology, Nowa technologia będzie w stanie manipulować w kontrolowany sposób pojedyńczymi atomami
1992: Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and ComputationIdea, że nano-maszyny mogłyby się same reprodukować
Bill Clinton, wystąpienie, Caltech, 2000National Nanotechnology Initiative, od 2000
http://www.nano.gov
Krótka historia nanotechnologii
Siły napędzające nanotechnologię ?
Dalszy rozwójtechnologii informacyjnych
Rewolucja informatyczna
Wykładniczy wzrosttechnologii informatycznych
Przetwarzana, zapamiętywana, i transmitowanagęstość informacji (liczba bitów na jednostkę pow.)rośnie wykładniczo.
Ten szybki wzrost powoduje zmiany cywilizacyjne
wpływa silnie na światową gospodarkęokreśla sposób w jaki pracujemy, bawimy się, etc.
Moore’s Law
Rozwój technologii obwodów scalonych
Pierwsze obwody scalone Texas Instruments
Procesor Pentium
Wielkość chipu prawiebez zmian
kilka tranzystorów
Kilka milionów tranzystorów
MINIATURYZACJA!!!
Jack Jack Jack Jack KilbyKilbyKilbyKilby
½ Nagrody Nobla
z Fizyki w 2000 r.
6
Wykładniczy postęp w integracji
LiczbaLiczbaLiczbaLiczba tranzystortranzystortranzystortranzystoróóóówwww w w w w procesorzeprocesorzeprocesorzeprocesorzepodwajapodwajapodwajapodwaja sisisisię co ~2 co ~2 co ~2 co ~2 latalatalatalata
PRAWO MOORE’a
Cena tranzystora 10-7 $
Liczba sprzedanych tranzystorów w r. 2002 -- 1018
Przeciętna cena tranzystora
Technologia CMOS osiąga skalę nano Nanotechnologia krzemowa
Obecnie produkowany procesor Intel’a w technologii 90 nm
Influenza virus
Dłudość bramki ~ 2000 x mniejsza od średnicy ludzkiego włosa
Grubość tlenku po bramką ~1.2 nm (5 atomowych warstw Si)
7
Nanotechnologia ma już obecnieduże znaczenie w dziedzinieelektroniki, gdzie utrzymuje się trend w kierunku miniaturyzacji
Nanoelektronika
to już nie jest tylko przemysł,
ale ekonomiczne i kulturowe zjawisko,
zasadnicza siła w sercunowoczesnego świata
Gordon Moore o przemyśle półprzewodników:
Czy uda się utrzymać wykładniczycharakter wzrostu?
Prawo Moore’ato już piątyparadygmatdotyczącymaszynliczących
Nowatechnologiazastąpi CMOS
Lic
zba
op
era
cji
na s
ekundę
za1000 $
Manipulowanie obiektami nano
Pojedyńcze molekuły
Pojedyńcze atomy
Pojedyńcze elektrony
nanorurkiwęglowe
48 atomów Fe
2DEG –AlGaAs/GaAs
Berkeley U.
IBM
TU Delf
8
S. E. Thompson & S. Parthasarathy, materialstoday, June 2006
Si technology industry time line: possible time frame for new device types
What lies What lies What lies What lies beyond?beyond?beyond?beyond?
Ge, III-Vchannelmaterials
Carbonnanotubes
Quantum
Electronic
Device
Single ElectronTransistor
QEDSET
spintronics
Nanorurki węglowe (carbon nanotubes - CNTs)
S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)
Czy uda się utrzymać wykładniczycharakter wzrostu?
Nanorurki węglowe podstawą przyszłychtechnologii informacyjnych ?
Delft, Tans, et al., Nature 393 (1998)
Harvard, Javel et al., Nano Letters 393 (1998)
Parametry tranzystorów lepsze od 2D FETsstosowanych w obecnych procesorachopartych o technologię CMOS
Nanorurki dla układów elektromechanicznych
Deepak Srivastava
9
Nanotechnologia – nanorurki węglowe
Deepak Srivastava
Nanomechanika
CNT- polymer composite
Gazeta Wyborcza,listopad 2006
Niezniszczalną stal wzmacnia nanorurka
Nature 444, 444, 444, 444, Nov 2006
Remnants of cementite nanowires encapsulated
by carbonnanotubes, which prevent the wires
from dissolving in acid. Scale bar, 5 nm. The
fringe spacing of the wire is 0.635 nm
Systemy biologicznea nanotechnologia
InterdyscyplinarnyInterdyscyplinarnyInterdyscyplinarnyInterdyscyplinarny charaktercharaktercharaktercharakter nanotechnologiinanotechnologiinanotechnologiinanotechnologii
Biologia, nanobiologia, fizyka
Coraz częściej biologia stawia ilościowe pytania
jest to np. niezbędne jeżeli chcemy mieć możliwośćregulacji komórki
Nauki fizyczne dostarczająnarzędzi i strategii dokładnych pomiarówtechnik (modele) zrozumienia procesów
Nanobiologia jest łącznikiem pomiędzy biologią a fizyką
Biologia oferuje naukom fizycznym
fascynujące problemy,złożone systemybogactwo materiałów i kształtów
Zastosowanie użytecznych funkcji biologicznych do ICT
10
Motor Protein – A Biological Nanosystemin Nature
http://www.cnr.berkeley.edu/~goster/oster
Current experimental techniques allow measurements of biochemical and
mechanical properties
of motor proteins with single-molecule precision
Fundamental question:
how the chemical energy is transformed into mechanical motion
remains still unanswered
Molecular-scale communication inspired by protein motor function
Kazuhiro Oiwa, Ferdinand Peper,Kansai Advanced Research Center,
National Institute of Information and Communications Technology
Nanometer-scale communication network
based upon functions of protein motors
Protein motors provide directional transport of information
Nano-therapeutics
Devices should be non-invasive
Devices target therapeutics payloads to site of disease.
Devices should maximize therapeutic benefit and minimize
undesired side effect
Nanobodies
nanobodiescould deliver radioactive payloads
nanobodiescould descent on cancerous cell
nanobodiescould attach, preventing pro-growthsignals
cell’s receptor
cancerous cell
Biotex company Ablynx (Belgium) – research phase
11
Nanotechnologia w terapii nowotworów
Nanocząsteczki tlenku żelaza posiadająmoment magnetyczny,
Wstrzykiwane bezpośrednio w tkankęnowotworową
Obszar nowotworu poddany działaniusilnego pola magnetycznego
Cząsteczki wibrują i wytwarzają ciepło, które niszczy chorą tkankę
W Niemczech przeprowadza się aktualniepróby na ludziach
Biological molecule must retain functions
Nano-therapeutics -- Implants
Obesity – help with nanoparticles ?
Tim GilbertsonUtah State University in Logan
There are fat receptors in stomach
Nanoparticlesinfiltrate into receptorsand ‘cheat’ them
Receptors send a signal to the brain‘enough fat’
Przyszłośćnatotechnologii: technologie
o atomowej
dokładności
12
Zasadnicze zadanie nanotechnologii: wytwarzanie układów i nanomateriałów
z atomową precyzją
Atomically precise technologies (APT) –technologie o atomowej dokładności mają potencjał� sprostać największym globalnym wyzwaniom,� przynosząc rewolucję w nauce, medycynie, przemyśle
APT – zasadniczy front badań naukowych
jak zwiększyć liczbę układów wytwarzanychz atomową dokładnością
Mapa drogowa ((((nananana okresokresokresokres 30 lat)30 lat)30 lat)30 lat)
29.01.200829.01.200829.01.200829.01.2008
http://foresight.org/
Produktytechnologii o atomowej dokładności (APT)
• Precyzyjne leki przeciw nowotworom
• Efektywne ogniwa fotowoltaiczne
• Efektywne ogniwa o dużej mocy
• Czujniki substancji chemicznych i biologicznych
• Pamięci komputerowe o bardzo dużej pojemności
• Układy komputerowe w molekularnej skali
• Selektywne katalizatory
• Wyświetlacze i układy optyczne
• Materiały o niezwykłych własnościach (‘smart’ materials)
• Nanoukłady do technologii o atomowej dokładności
Atomic Fabrication Technology
http://www.upst.eng.osaka-u.ac.jp/21coe/english/atom/index.html
Idealnie gładka powierzchnia
13
Obliczenia numeryczneoparte o mechanikękwantową dostarczajązrozumienia mechanizmureakcji chemicznej i pozwalają na projektowanieefektywnych procesów
Istotna rolamodelowania
Aktualny stantechnologii o atomowej dokładności
Niezbyt zaawansowany w stosunku do zamierzeńmapy drogowej dla technologii APT,
Niemniej, liczne przykłady wytwarzania struktur z atomową precyzją
Podłoże
Epitaksjalny wzrost struktur warstwowych
Nichia, Japan
Struktura niebieskiego laserazawiera ok. 400 warstw
Warstwa 1
Warstwa 2
Warstwa 3
Warstwa 4
14
5500 Series Atmospheric Pressure CVD Systems MBE (Molecular Beam Epitaxy) - machine
Techniki skaningowe
Schematyczna zasada działania mikroskopu skaningowego
Powierzchnia
Miernik
Oddziaływanie Sygnał
Oddzialywanie może byćnaturyelektrycznej, magnetycznej, mechanicznej, etc. i daje mierzony sygnał:prąd tunelowania, siłę, etc.
“obraz powierzchni”
Scanning Probe Microscopy Techniques
The development of scanning probe microscopes started in 1981 with
the invention of the Scanning Tunneling Microscope
GerdGerdGerdGerd BinningBinningBinningBinning
Nobel Prize1986
Heinrich RohrerHeinrich RohrerHeinrich RohrerHeinrich Rohrer IBM’s Zurich
Research Laboratory
Proposal of Atomic Force Microscope
G. Binning, C. F. Quate, and Ch. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).
First experiments: G. Binning, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel,Phys. Rev. Lett. 49, 57
(1982)
15
The Nanosurf® easyScan STM
Skaningowy mikroskop tunelowySTM pozwala na manipulacjęposzczególnych atomów
Atomy żelaza na powierzchni miedzi
http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/blue.html
Techniki skaningowemają duże znaczenie dla rozwoju
technologii o atomowej dokładności
• Kropki kwantowe
• Manipulacja molekuł (np. CNT)
• Łączenie nanoukładów z obiektami makroskopowymi(np. CNT do elektrod)
Mechaniczna manipulacja atomamiw celu budowy większych aglomeratów
Practicable
Nanotechnology Research Initiatives
16
Wydatki na nanotechnologie
Brak inwestycji w naukęto inwestycja w ignorancję
Festiwal Nauki 2002
Czy nanotechnologiastanowi zagrożenie?
Czy nanocząstki staną się problemem ?
Pomimo wielkich nadziei związanych z nanotechnologiąmnożą się też obawy o potencjalne ‘side effects’
Nanocząstki o strukturach i powierzchniachnie spotykanych w naturze
Największe obawy –wnikanie nanocząstek do organizmu człowieka
Brak regulacji prawnych
Społeczna akceptacja technologii
• technologie akceptowalne: np. samochody6 tys/rocznie ofiar wypadków w Polsce; większa liczba ofiar spalin
technologie nieakceptowalne: np. energia jądrowaGMO
17
Przyczyny nieakceptowania technologiiuznanych za bezpieczne przez ekspertów
• brak bezpośredniej przyjemności• brak bezpośrednich korzyści• podejrzewanie istnienia grup interesu• podejrzewanie utajniania/niezbadania możliwych skutków• zagrożenie o charakterze katastrofy• powolna kumulacja zagrożenia dla zdrowia/życia/mienia • zagrożenie dla prywatności• nieznajomość/niezrozumienie• brak osobistej kontroli/niekontrolowana ekspozycja• istnienie technologii alternatywnych• łatwiejsza mobilizacja opinii społecznej przeciw niż za• …
Obawy związane z nanotechnologią
1. „Niezwiązane” nanomateriały – nanocząstki-- zastosowania: kataliza, medycyna, energia-- zagrożenia typu DDT, azbestu, …
2. „Związane” nanomateriały – w układzie scalonym-- zastosowania: ICT-- zagrożenia ICT
-- rozpowszechnianie terroryzmu, pornografii, .. -- zagrożenie prywatności (wszechobecność)-- zagrożenie zdrowia/życia (katastroficzne)
zdalna scentralizowana kontrola pojazdów i zdrowia• -- …
Dwa działy nanotechnologiio różnych zastosowaniach i potencjalnych zagrożeniach (nierozróżnialne przez niefachowców)
Przykłady aktywności anty-nanotechDemonstracja uliczna w Grenobleprzeciwko otwarciu MINATEC (1 lipca 2006)
„„„„nanotechnologia = nekrologia
– przeciw nanoproszkom i nanorobotom”
18
The GMO-Nanotech (Dis)Analogy?
Dyskusja o socjalnych i etycznychimplikacjach nanotechnologii
Bardzo często dyskusja toczona w kontekście
Środowiska naukowe i przemysłowe zaangażowane w nanotechnologię muszą otwarcie dyskutowaćsocjalny i etyczny (SEI = social & ethical issue) aspekt nanotechnologii.
Wymaga to zaangażowania opinii publicznej orazbadań naukowych nad SEI.
W przeciwnym wypadku ryzykują kosztownąreakcję przeciw nanotechnologii.
Nanotechnologiapodstawą
gospodarkiopartej na wiedzy
Świetna sytuacja dla naukiduży rynek na badania naukowe
Poszukiwanie nowych nanotechnologii
Czy polskie instytucje naukowe mogą na tym skorzystać?
ale, potrzebnewyraźne określenie priorytetów badawczych, startowa pomoc finansowa
Czy “Polska Fizyka” może odegraćrolę w światowym wyścigu ?
Wydatki niektórych krajów EU na badania naukowe (R&D) w % produktu krajowego brutto
Szw
ecja
Fin
lan
dia
Nie
mcy
Śre
dn
iaE
U-2
7
Po
lsk
a
Bu
łgari
a
Ru
mu
nia
3.8
6
3.4
3
1111 2222 3333 23232323 25252525 27272727
2.5
1
1.8
4
0.5
7
0.5
0
0.3
9
7777
19
Świetna sytuacja dla naukiduży rynek na badania naukowe
Poszukiwanie nowych nanotechnologii
Czy polskie instytucje naukowe mogą na tym skorzystać?
ale, potrzebnewyraźne określenie priorytetów badawczych, startowa pomoc finansowa
Czy polska gospodarka może skorzystać z tej szansy?
brak programów powstawania inowacyjnych firm
brak pro-technologicznego nastawienie elit naukowych
brak pro-rozwojowej polityki
Made in Poland
Oprócz badań czysto poznawczych, konieczne jest
tworzenie nowych kierunków badańbędących podstawą nowoczesnych technologii oraz
kształcenie specjalistów w tych dziedzinach
Rola Uniwersytetu
Od r. 2009/2010 dwa nowe kierunkina Wydziale Fizyki UW
ZastosowanieZastosowanieZastosowanieZastosowanie fizykifizykifizykifizyki w w w w biologiibiologiibiologiibiologii i i i i medycyniemedycyniemedycyniemedycynie
InInInInżynieriaynieriaynieriaynieria nanostrukturnanostrukturnanostrukturnanostruktur
Programy wspomagające
Gospodarka oparta na wiedzy - gwarantem dalszegorozwoju społeczeństw
Przechodzenie od ery społeczeństwa przemysłowego do społeczeństwa realizującego gospodarkę opartą na wiedzywymaga zwiekszęnia liczby specjalistów w dziedzinachnauk matematyczno-przyrodniczych i technicznych
Program Unii Europejskiej
KAPITAŁ LUDZKI
Nowe kierunki studiów i programy POKL
na Wydziale Fizyki UW
Zastosowanie fizyki w biologii i medycynie
Fizyka - kształcenie dla wiedzy(kierunek zamawiany)
Makrokierunek
20
Dziękuję za uwagę!