NTNU. Liten Mindre Minst Nano Fremtidens Teknologi. Det skapende universet. Fride Vullum. Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet

Transkript

1 1 NTNU Det skapende universet Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet Liten Mindre Minst Nano Fremtidens Teknologi Fride Vullum Fagdag i kjemi, 23. april 2008

2 2 Oversikt Del 1 Introduksjon og historie Noen definisjoner Hvorfor nanoteknologi? Dagens nanoteknologi og noen bruksområder Karbon-nanorør og andre karbonstrukturer Zeolitter Nanoteknologi i medisin Sportsutstyr, kosmetikk og klær Hva skjer innen forskningen og noen fremtidsprospekter Om du ønsker, kan du sette inn navn, tittel på foredraget, o.l. her.

3 3 Oversikt Del 2 Noen synteseruter Karbonstrukturer Nanorør og nanostaver Karakteriseringsmetoder SEM AFM TEM Litt overflatekjemi Kvanteeffekter Helse og miljø Noen tanker til slutt. Om du ønsker, kan du sette inn navn, tittel på foredraget, o.l. her.

4 4 There s plenty of room at the bottom Foredrag holdt 29. desember 1959 Direkte manipulasjon av enkelte atomer. Mindre datamaskiner og annet elektronisk utstyr. Mikroskop som kunne se atomer og molekyler. Richard Feynman Nobelpris i fysikk (1965) sammen med Sin-Itiro Tomonaga fra Japan og Julian Schwinger fra USA. Var med i utviklingen av atombomben. Var med da Challenger-ulykken skulle etterforskes. Foregangsmann innen kvanteberegninger.

5 5 Feynmans $1000-utfordringer Bygge en liten motor som ikke skulle være større enn 1/64 in 3. William McLellan bygde en slik motor ved å bruke pinsett og lysmikroskop 4 måneder etter Feynmans foredrag. Motoren hadde 13 deler, veide 250 µg og roterte med 2000 rpm. Skrive informasjon fra en bokside på en over flate som var ganger mindre enn selve boksiden og som kunne leses med et elektronmikroskop. Tom Newman klarte i 1985 å redusere første paragrafen av A Tale of Two Cities til 1/ av orginal størrelse. Ble gjort ved å bruke elektronstråle-litografi sammen med et spesielt skriveprogram.

6 6 Noen definisjoner Hva er en nanometer? 1/ meter (10-9 m) Å se en nanometer uten mikroskop er som å se et fotavtrykk på månen fra jorda. Ett hårstrå er ca nm i tykkelse Hva er nanoteknologi? Brukes om all teknologi som kan defineres i størrelsesordenen 100 nm og mindre. Gjelder alt fra medisin til materialteknologi, kjemi, biologi og elektronikk; kort sagt alt mellom himmel og jord som kan lages eller defineres i den bestemte størrelsesorden.

7 7 Hvorfor nanoteknologi? Utnytte overflateegenskaper Overflateareal / Volum øker eksponentielt Overflate Løse bindinger Mer reaktiv Bulkmaterialet Ingen eller få løse bindinger Mindre reaktivt og delvis inert Små partikler og strukturer kan trenge inn i områder som ellers er utilgjengelige Kvanteeffekter materialer forandrer egenskaper når de blir redusert til en kritisk størrelse

8 8 Dagens nanoteknologi og noen bruksområder Nanopartikler i kosmetikk Nanopartikler av TiO og ZnO brukes i solkrem, antirynkekrem, sjampo og andre hud- og hårprodukter.

9 9 Dagens nanoteknologi og noen bruksområder Nanopartikler i kosmetikk Nanopartikler av TiO og ZnO brukes i solkrem, antirynkekrem, sjampo og andre hud- og hårprodukter. Nanopartikler i tekstiler Sølv nanopartikler antibakteriell TiO 2 nanopartikler dekomponerer organiske urenheter Karbon nanopartikler absorberer vond lukt

10 10 Dagens nanoteknologi og noen bruksområder Nanopartikler i kosmetikk Nanopartikler av TiO og ZnO brukes i solkrem, antirynkekrem, sjampo og andre hud- og hårprodukter. Nanopartikler i tekstiler Sølv nanopartikler antibakteriell TiO 2 nanopartikler dekomponerer organiske urenheter Karbon nanopartikler absorberer vond lukt Dale of Norway Garn dekkes med polymerkjeder i form av nanohår polyuretan endegruppe fester polymeren til garnet og fluorpolymerkjeden rettes vender bort fra stoffet og gir ønskede effekter Gir klær som strikkes av garnet bl.s. vann- og oljeavstøtende

11 11 Nanoteknologi i skisport Med nanospray kan man legge et veldig tynt lag som gir god gli og avstøter skitt og støv og virker som anti-isemiddel Viskøse fluorpolymerer sprayes på overflaten og organiserer seg på overflaten i form av et monolag Self-assembly Et uordnet system former en ordnet struktur uten ekstern påvirkning Organiserer seg i.f.t. mest gunstige energetiske formasjon på overflaten Gjensidig påvirkning mellom partiklene (polymerene) og partiklene og overflaten Hvordan partiklene organiserer seg blir bestemt av Størrelse Form og overflate struktur Tiltrekkende og frastøtende krefter Påvirkning fra løsemiddelet Kontaktflater og eksterne avgrensninger

12 12 Karbonstrukturer a) Diamant b) Grafitt c) Lonsdaleite (heksagonal diamant som dannes når grafitt fra meteorer havner på jorda) d) Fulleren (C60) e) Fulleren (C540) f) Fulleren (C70) g) Amorf carbon h) Karbon-nanorør

13 13 Karbon-nanorør Kan lage enkle karbon nanorør eller flere konsentriske rør. Tre ulike strukturer: a) Lenestol metallisk b) Sikksakk metallisk c) Chiral halvleder Ekstremt god mekanisk styrke, leder veldig godt elektrisitet og varme. Resistans målt til mω m sammenlignet med mω m for kobber. Youngs modul (elastisitetsmodul) ligger på 1 TPa sammenlignet med 800 GPa for de stiveste karbonfiber som kan lages og 70 GPa for glassfiber. Når et karbon-nanorør bøyes eller strekkes vill det returnere til opprinnelig form når trykket fjernes. Kan brukes til å styrke plastikk, keramiske materialer og metallkompositter.

14 14 Hva kan karbonstrukturer brukes til? Fullerener brukes bl.a. i Zelens dagkrem fungerer som antioksiderende middel (reduserer rynker). Karbon-nanorør i tennisracketer Brukes til å styrke de mest skjøre områdene mellom håndtak og nett. Høyere stivhet reduserer energien som blir absorbert av racketen. Karbon-nanofiber brukes også i andre typer sportsutstyr som hockeykøller sterkere og lettere. Brukes til å styrke epoksy.

15 15 Zeolitter Krystallin aluminosilikat med generell formel M 2/n O Al 2 O 3 xsio 2 yh 2 O n = ladningstall på det mobile kationet M + x 2 y = hydratiseringsgrad Fines mange naturlige zeolitter (~50), men enda flere syntetiske (~150). Tredimensjonal ramme med langsgående porer og homogen porestørrelse Porer er ~0.3 to 1 nm i diameter Porevolum varierer fra 0.1 til 0.35 cm 3 /g.

16 16 Zeolittens egenskaper Stort overflateareal i.f.t. volum. Kationet sitter veldig løst i strukturen og kan lett byttes ut med andre kation i en løsning. Høy termisk stabilitet. Svært absorberende kan fjerne vann med en kapasitet på ca 25% av egen vekt. Relativt lette og billige å lage Lages ved hydrotermisk syntese (høyt trykk og temperatur) hvor det brukes en autoklav. Forløpere som inneholder silisium oksid og aluminium oksid blandes med struktur-styrende middel og et mineraliserende middel (f.ex. NaOH).

17 17 Hva kan zeolitter brukes til? Noen anvendelsesområder Katalyse Adsorberende middel Molekylær sil (veldig selektiv på størrelse) Vaskemiddel Brukes til å filtrere ammoniakk i fiskeklekkeri Kan fylle porene med næringsstoff eller gjødsel som så slipper ut disse over en lengre tidsperiode ( slow release fertilizers har bl.a. blitt brukt av NASA).

18 18 Hva kan zeolitter brukes til? Noen anvendelsesområder Katalyse Adsorberende middel Molekylær sil (veldig selektiv på størrelse) Vaskemiddel Brukes til å filtrere ammoniakk i fiskeklekkeri Kan fylle porene med næringsstoff eller gjødsel som så slipper ut disse over en lengre tidsperiode ( slow release fertilizers har bl.a. blitt brukt av NASA). Kan brukes i luktreduserende produkt zeolitter adsorberer H 2 S (hydrogen sulfid) og formaldehyd. Brukes veldig mye i olje- og gassindustrien som katalysatorer i gass-separasjon.

19 19 Nanoteknologi i medisin Kapsler inn medisin som blir ført inn i kroppen ved injeksjon. Materialet kapslene er laget av reagerer på forandring i ph. ph-forandring vil løse opp kapselen og frigi medisin eller de aktive stoffene. Kan også bruke kapsler som reagerer på ultralyd eller annen form for ekstern påvirkning.

20 20 Lokalisert medisinering

21 21 Hvordan lage nanomedisin Micelle Samling av surfaktantmolekyler som er dispergert i en kolloidal væske. En typisk micelle i vannløselig medium danner et kuleformet aggregat med den hydrofile enden mot omgivelsene og den hydrofobe enden mot midten av formasjonen. Det aktive stoffet kapsles inn i kjernen og kan frigis ved hjelp av ekstern eller intern påvirkning når micellen når kreftcellene. Dendrimer Repeterende forgrenet molekyl. Medisinen eller det aktive materialet kan innlemmes i kjernen på molekylet eller hektes på grenene. Det aktive stoffet vil kunne hektes av eller slippes ut når det når kreftcellene

22 22 Fremtidsprospekter: Hva skjer innen forskningen? MEMS (micro-electromechanical systems) og NEMS (nanoelectromechanical systems) Mindre systemer som gir bedre effekt og varer lengre Kan man lage en evighetsmasking med superledere som fungerer i romtemperatur? Nanolitografi Er alt like nyttig? Nye og forbedrede metoder innen medisin

23 23 Del 2

24 24 Syntese av karbon-nanorør Arc discharge Laserablasjon Kjemisk dampdeponering (chemical vapor deposition) Flytende katalysator syntese

25 25 Arc discharge Arc discharge Elektrisk nedbryting av gass som produserer en kontinuerlig plasma. Dette fører til at strøm kan gå gjennom normalt insulerende materiale som luft. Kontinuerlig plasma i en gassfylt atmosfære mellom to electrisk ledende elektroder vil resultere I ekstremt høy temperatur som kan smelte så og si hva som Hvordan lager vi så karbon-nanorør ved hjelp av arc discharge Ved å kjøre likestrøm mellom to grafittelektroder plassert i inert gass (Ar). En hul grafittelektrode som inneholder en blanding av overgangsmetaller (Fe, Co, Ni) og grafittpulver blir så varm at materialet fordamper C, 100 A, 20 V. Gasstrykk, volumstrøm og metallkonsentrasjon avgjør utbytte. Diameter: nm Både enkle og flere konsentriske rør blir laget. Utbytte ~30 vekt%.

26 26 Laserablasjon Startmaterialet består her av grafitt som er blandet med små mengder overgangsmetall i partikkelform. Metallet fungerer som katalysator og plasseres i enden av et kvartsrør i en lukket ovn. Startmaterialet bombarderes så av en laserstråle bestående av argonioner (eller helium). Denne fordamper materialet og nukleéringen av nanorørene starter i sjokkbølgen like foran startmaterialet. Ovnen holder ca 1200 C og de startende nanorørene føres videre gjennom ovnen ved hjelp av argongass og fortsetter å vokse til de blir deponert på en kald overflate i enden av reaktoren. Utbytte ~70%.

27 27 Kjemisk dampdeponering Kvartsrør reaktor med temperatur C Overgangsmetall er deponert på et substrat (Si, SiO 2, kvarts, Al 2 O 3 ) Metallpartiklene spalter forløperen og katalyserer reaksjonen. Type metall, partikkelstørrelse og hvordan metallpartikkelen lages kan være med på å avgjøre utbytte og kvalitet på nanorørene. Hydrokarboner eller CO som forløper CO og CH 4 gir stort sett enkle nanorør. CO, CH 4 og andre hydrokarboner gir flere konsentriske nanorør. Atmosfærisk trykk eller litt lavere. Høyere temperatur og lav karbontilførsel gir ofte enkle nanorør.

28 28 Syntesemetoder for nanorør og nanostaver av andre materialer Vapor-liquid-solid syntese av nanostaver Templatsyntese og elektrodeponering Kan brukes til å lage både rør og staver Elektrospinning Kan lage både rør og staver

29 29 Vapor-liquid-solid syntese (VLS) Kan lage enkrystallinske nanotråder. Kan kontrollere diameter, lengde, sammensetning og strukturer i radial og lengderetning. Hvordan lage Si nanotråder: Laserablasjon av Fe-Si startmateriale den varme dampen kondenserer til små nanoklaser når Fe og Si kolliderer med buffergassen inne i reaktoren (normalt Ar). Si-nanotråden begynner å vokse når en Fe-Si nanoklase i væskeform blir overmetta med. Diameteren av tråden bestemmes av diameteren på nanoklasen. Nanotråden slutter å vokse viss temperaturen blir for lav eller Si-forløperen tar slutt.

30 30 Templatsyntese En tynn metallfilm deponeres på ene siden av en porøs Al 2 O 3 membran. Denne fungerer som en catode. Denne senkes i en løsning av metallsalt sammen med en anode. Når strøm påføres begynner metallet i løsningen å deponere i bunnen av porene. Lengde på metallstaven bestemmes av hvor stor strømmen er og hvor lenge det holdes. Man kan lett lage nanostaver med flere metallsegmenter ved å bytte til annet metallsalt og la det vokse oppå det første segmentet. Al 2 O 3 -malen kan løses opp i NaOH. Katoden kan løses opp i en syre som f.eks. HNO 3.

31 31 Elektrospinning En konsentrisk dobbel kappilærtube brukes til å lage enten nanotuber eller nanostaver/tråder. En uorganisk polymerhybrid som inneholder Ti og polyvinylpyrrolidone (PVP) blir presset ut gjennom det ytre laget i kappilærtuben. En tung mineralolje presses samtidig ut gjennom den indre tuben. Nanofibrene samles opp på et. Kjærnen kan nå bli fjernet med oktan amorfe nanorør av TiO 2 og PVP. Ved å varmebehandle kan disse oksideres til krystallinsk TiO 2. Denne metoden kan også brukes på andre materialer.

32 32 Karakteriseringsmetoder SEM scanning electron microscope AFM atomic force microscope TEM transmission electron microscope

33 33 SEM Bruker elektroner for å danne et bilde av overflaten. Tilbakespredte elektroner Sekundærelektroner Kan oppnå nanometer oppløsning.

34 34 AFM Bruker en svært liten tipp (~10nm) som beveger seg frem og tilbake over overflaten på materialet. Bevegelser i vertikal retning blir forstørret ved hjelp av laser. Kan oppnå atomær oppløsning og se på gitterstrukturer. Får tredimensjonale bilder

35 35 TEM Bruker elektroner til å danne bilde. Får både topografisk og krystallografisk informasjon. Prøvene må være veldig tynne slik at elektronene kan trenge gjennom materialet.

36 36 Grunnleggende overflatekjemi Alkantioler reagerer veldig lett med gull og sølv og danner monolag av molekyler på overflate. Overflate dekkes helt av monolaget og egenskapene til overflaten bestemmes nå av egenskapene til endegruppen på molekylene i monolaget. Reaksjonen er oksiderende hvor S-H bindingen i ene enden av alkantiolen splittes og en S-Au kovalent binding dannes på overflaten. Samtidig dannes det H 2 gass. X SH +Au 0 X SAu 1 +1/2H 2

37 37 Lag på lag med amfifiler Amfifiler er molekyler hvor de to endene av molekylet har ulike egenskaper, som for eksempel hydrofil og hydrofob, eller positiv og negativ ladning. Disse molekylene kan brukes til å binde sammen to ulike faser og homogenisere blandinger som normalt er separert i to faser, som for eksempel olje og vann. Det kan også brukes til å lage lag-på-lag strukturer og gjør det enklere å kontrollere tykkelsen på overflatelag og hinner.

38 38 Kvantestørrelser og kvanteeffekter Kvanteeffekter oppstår når en partikkel blir mindre enn eksitronstørrelsen til det bestemte materialer. Eksitron-størrelsen er definert ved energigapet (E g ) mellom valensbåndet og ledningsbåndet i en leder eller halvleder, og størrelsen vil variere fra ett materiale til et annet. Fargen på lys som sendes ut fra slike materialer bestemmes av E g. I bulkmaterialer er E g en konstant som bestemmes av materialets natur. For nanopartikler som er mindre enn eksitronstørrelsen til materialet, vil båndgapet bli større jo mindre partikkelen er. Elektronene føler de ytre begrensningene til partikkelen og kompenserer med endringer i energien.

39 39 Helseogmiljø Hvordan kan nanopartikler og andre nanostrukturer påvirke menesker og miljø på kort og lang sikt? Det er fire ulike måter for nanopartikler å komme inn i kroppen Innhalering Injeksjon Gjennom huden Gjennom mat og drikke

40 40 Helseogmiljø Hvordan kan nanopartikler og andre nanostrukturer påvirke menesker og miljø på kort og lang sikt? Det er fire ulike måter for nanopartikler å komme inn i kroppen Innhalering Injeksjon Gjennom huden Gjennom mat og drikke

41 41 Nanotoxikologi Det er størrelsen som gir nanopartiklene de unike egenskapene, men det kan også være det som gjør dem mer skadelige pga at forholdet areal/volum blir mye større. Diffusjon inn i celler gjennom cellemembraner. Transport gjennom det indre i cellene og inn i blodomløpet, lymfesystemet, beinmargen, hjertet, hjernen og sentralnervesystemet. Mer biologisk aktive. Giftige materialer kan bli enda mer giftige i nanoskala. Noen nanopartikler endrer egenskaper fullstendig i forhold til bulkmaterialet. Agglomerater av nanopartikler kan gi ulike egenskaper både fra bulkmaterialet og enkelte nanopartikler.

42 42 Noen tanker til slutt Nanoteknologi er allerede etablert innen mange områder og det er på rask vei opp i mange andre felt. Ingen tvil om at nanoteknologi kommer til å bli en stor del av fremtidens utvikling innen både medisin, data, elektronikk, tekstiler og mange andre områder. Hva innebærer dette for miljøet og menneskene? Vet lite om hvordan nanopartikler og andre nanostrukturer påvirker oss og miljøet rundt oss Trenger mer forskning på helse og miljø!!!