Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Nanotechnológia előadások 1. Bevezetés, Fogalmak, Csoportosítások.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Nanotechnológia előadások 1. Bevezetés, Fogalmak, Csoportosítások."— Előadás másolata:

1 Nanotechnológia előadások 1. Bevezetés, Fogalmak, Csoportosítások

2 Nanotechnológia A nanotechnológia a nagyon kicsiny szerkezetekkel, illetve részecskékkel foglalkozik. 1 nm kb. 10 hidrogénatomból, vagy 5 szilíciumatomból álló egy egyenesben rendezett atomsor hosszával. Mikrométeres tartományban az anyag megőrzi fizikai tulajdonságait, de nanométeresben a tulajdonságok megkülönböztethetően eltérnek a tömbi fázisú anyagokéitól. Nanorészecskék új tulajdonságú anyagok.

3 Nemcsak a méret… Érdekes tulajdonságok: –Kémia – a nagy felület/térfogat arány kihasználása –Elektronika – kvantumhatások, DOS, elektron alagúthatás (STM) –Mágnesesség – óriási mágnetoresistance by nanoscale multilayers, mágneses szuszceptibilitás változása –Mechanika – speciális nanokompozitok (könnyű, erős, hajlékony, emlékezés, …) –Optika – fluoreszcens nanorészecskék, 1 fotonos jelenségek –Energetika – nanorészecskék megváltozott termoelektromos tulajdonságai, határfelületi hővezetés

4 Nanotechnológia Amikor egy anyag atomokból, ionokból vagy molekulákból felépül tömbi fázisig, akkor az anyag átmegy a „nano” állapoton. Ekkor a tuladonságai megváltoznak: - a nanokristályoknak kisebb az olvadáspontjuk, - az elemicella állandó kisebb a kevés felületi atom miatt, - megszűnhet a ferromágneses és ferroelektromos tulajdonság, - kialakulhat katalitikus hatás, pl. arany tömbi alakban nem, nanokristályként katalitikusan aktív.

5 Egy kis történelem 5000 BC: Democritus szerint az atomok a látható világ építőkövei: (atom – nem osztható) 1905: Einstein számításai szerint egy cukor-molekula 1 nm. 1959: Richard P. Feynman Nobel-díjas tudós: „egy napon a tudomány segítségével képesek leszünk egy enciklopédia tartalmát egyetlen tűhegyre felírni” (Caltech: ‘There’s Plenty of Room at the Bottom’ – 1974: Norio Taniguchi bevezeti a ‘nanotechnológia’ fogalmát, definícióját – (Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering, 1974) 1981: Binnig & Rohrer megépíti az első STM berendezést – ugyanebben az évben megjelenik az első tudományos közlemény a témában a Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban 2000: Bill Joy (a Sun Microsystems egyik alapítója) kijelentette, hogy a nanotechnológiai kutatásokat azonnal be kell fejezni, mert az rossz kezekbe kerülve az általunk ismert világ végéhez vezethet! (http://www.wired.com/wired/archive/8.04/joy.html)

6 Egy kis történelem: Feynman Feynman felajánlott két díjat: 1.Díj annak, aki először épít olyan működő motort, aminek mérete 1/64”. 2.Díj annak, aki képes egy enciklopédia tartalmát egy gombostű fejére felírni – azaz az eredeti méret 1/ szeresére csökkenteni. Richard Feynman

7 1. Megoldható? William McLellan elkészítette a motort!

8 2. Megoldható? „There’s plenty of room at the bottom!” - Feynman A gombostű fejének átmérője = 1,5 mm Egy oldal felülete ~ 6 x m duplaoldal x 24 kötet ~ 1200 m 2 szöveg A gombostű fejének átmérőjét meg kellene nagyítani: Egy kis tintapötty ~0,2 mm átmérőjű. Tudjuk ezt a méretet ére csökkenteni? Új méret:

9 2. Megoldható? 1985-ben egy Stanford-i egyetemista, Thomas Newman e-beam litográfiával írta le Dickens “A Tale of Two Cities” című regényének első oldalát 6,25  m területre. A betűk kb. 50 nm szélesek.

10 Nano-Bika A legkisebb ember alkotta objektum (tárgy???). A Bika 10 mikrométer hosszú, 7 mikrométer a szélessége - nagyjából egy emberi vörösvértest mérete. Japánban, az Osakai Egyetemen készült. Két lézersugarat fókuszáltak műgyantába, és ahol a sugarak metszették egymást, ott a gyanta megszilárdult.

11 ery.htm Érdekességek A világ legkisebb gőzgépe, a dugattyúk mérete 5  m Mikro-Zár: kerekek mérete 50  m

12 1956 IBM Ramac 305 vs IBM Microdrive 5 MB 120 GB 50 x 24” dia. disks 1 x 1” disk weighs “a ton” < 1 oz. $50,000 $120 The shrinking disk drive

13 Az első germánium tranzisztor John Bardeen és Walter Brattain a Bell Laboratóriumban elkészítették az első germánium transistort, amely működött december 23-án 1947-ben. A feltalálók William Shockley menedzserrel együtt Nobel díjat kaptak 1956-ban.

14 Megvalósulás Év Vácuum elekt- roncsövek technológiája Rádio Radar Televízió Félvezető technologia Tranziszto- ros rádio Számítógépek Mobilok Internet Internet Nanotechnológia “Viselhető” vezeték nélküli Internet használat Molekuláris electronika Nano-robotok Az „elektronika” fejlődése

15 DNS ~2-1/2 nm átmérő Természet Emberkéz MikroElektroMechanikus eszköz  m Vörösvértest Pollen szemcse Légytojás ~  m Szilícium atomok Gombostű feje 1-2 mm Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvel Korál átmérő 14 nm Emberi haj ~  m Vörösvértestek fehérvérsejt ~ 2-5  m Hangya ~ 5 mm Poratka 200  m ATP szintetáz ~10 nm átmérő Nanocső elektród Szén nanocső ~2 nm Nanocső tranzisztor 21. Század kihívásai Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl., fotoszintetikus reakciócentrum egy félvezető részecskével összekapcsolva Mikrovilág 0.1 nm 1 nanométer (nm) 0.01  m 10 nm 0.1  m 100 nm 1 mikrométer (  m) 0.01 mm 10  m 0.1 mm 100  m 1 milliméter (mm) 1 cm 10 mm m m m m m m m m m Visible Nanovilág 1,000 nanométer = Infrared Ultraviolet Microwave Soft x-ray 1,000,000 nanométer = Röntgen-sugár “lencsék” gyűrűk távolsága ~35 nm Nano mérettartomány

16 Elképzelések arról, hogy mi a nanotechnológia? -Nanorészecskékből felépülő mikrostruktúrák tanulmányozása (TEM), -Buttom-up technológia alkalmazása és tanulmányozása, -Gyógyszerek nanokapszullákba zárása, -Mikro-elektromechanikus rendszerek (lab-on-a-chip), -Nanorobotok, véráramba bevihető nanoeszközök.

17 Mi a nanotechnológia? A nanotechnológia definiálható, mint: –a képesség, hogy nanométer mérettartományban tudunk anyagokat, eszközöket készíteni, –a tulajdonságok és jelenségek összessége, ami a „nano” mérettartományban megfigyelhetők.

18 Nanoszerkezetű anyagok -Egyik kiterjedésük nanométer nagyságú, -Kvantum pöttyök (quantum dots), kvantum effektus, -Nanorudak és nanoszálak, -Vékony filmek, -Nanorészecskékből felépülő tömbi anyagok

19 Nanoszerkezetek készítése A technológiai megközelítés (1) -Gőzfázisú növesztés (laser-pirolízis, atomrétegek leválasztása), -Folyadékfázisú növesztés, kolloid rendszerek, önszerveződő rétegek, -Szilárd fázisú képződés, fázisszétválás (fémrészecskék képződése üvegben), -Hibrid növesztés, VLS, gőz-folyadék- szilárd növesztésű nanoszálak.

20 Nanoszerkezetek készítése A technológiai megközelítés (2) -Kolloidkémia, lángban való égetés, fázis szétválás, -Nanorudak és szálak templátolt lerakás, oldat-folyadék-szilárd (SLS), spontán növekedés, -Vékony rétegek növesztése molekulasugárból, atomi rétegdeponálás, -Nanoszerkezetekből felépülő tömbi anyagok, pl. fotonikus kristályok önszerveződő nanorészecskékből

21 Nanoszerkezetek Legalább egy dimenzió nm között 2-D szerkezetek (1-D korlátozás): –Vékonyfilmek –Kvantum lyukak –Rácsok 1-D szerkezetek (2-D korlátozás): –Nanoszálak –Nanorudak –Nanocsövek 0-D szerkezetek (3-D korlátozás): –Nanorészecskék –Kvantum pöttyök Szerkezetfüggő dimenzionalitás: –Tömbi nanokristályos filmek –Nanokompozitok Si 0.76 Ge 0.24 / Si 0.84 Ge 0.16 rács 2  m Si Nanoszálak Többfalú szén nanocső

22 ,1 nm 0,1 µm 0,1 mm NANO MIKRO Méret Fizika Elektro- technológia Elektronika Miniatürizálás Kvantumeffektek Rendeződés Kémia A mikro- és nanovilág összekapcsolása Anyagtudomány Szupra- molekuláris kémia A biológiai elvek, a fizikai törvények és a kémiai tulajdonságok együttes kihasználása MAKRO Újgenerációs anyagok kifejlesztése Év Mikro- elektronika Sejtbiológia Molekuláris biológia Biológia Komplex Kémia Új anyagok Molek. elektronika Fotonikus eszközök Bioérzékelők Bio-csipek... Funkcionalizálás Molekulatervezés 0,1 m Nanoszerkezetek előállítása

23 Alulról-felfelé és a felülről-lefelé módszerek Aprítás és őrlés – felülről lefelé (top-down). Kolloid diszperziók készítése – alulról-felfelé (bottom-up). Litográfia – hibrid módszer, mert: a vékonyréteg növesztés az bottom-up, a lebontás (etching) top-down módszer. Nanolitográfia és nanomanipuláció bottom-up. Mindkét módszer, a top-down és a bottom-up nagyon fontos a gyakorlatban, de vannak előnyeik és hátrányai.

24 Nanoszerkezetek előállítása „Top-down„ szintézis„Bottom-up” szintézis Tradicionális megközelítés„Nanotech” megközelítés Pl. SzobrászatPl. Biológiai rendszerek

25 Kihívások, amelyek teljesítendők Legyőzni a hatalmas felületi energiát, amely a nagy felület és a nagy felület/térfogat arány eredménye. Biztosítani, hogy az anyag minden részecskéjének azonos a mérete, méreteloszlása, morfológiája, kristályossága, kémiai összetétele, mikroszerkezete, amelyek meghatározzák a kívánt fizikai tulajdonságot. Megőrizni a nanoanyagot és a nanoszerkezetet a széteséstől és/vagy az agglomerizációtól az idő eltelésével.

26 A nanotechnológia fejlődése „Esetleges” nanotechnológia: szinte évszázadok óta (aktív szén) „Elszigetelt” felhasználások (katalizátorok, kompozitok, …) ‘80 óta 1. generáció, passzív nanoszerkezetek (bevonatok, tömbi anyagok, nanorészecskék)  generáció, aktív nanoszerkezetek (tranzisztor, erősítő, célzott gyógyszer-hatóanyagok, mesterséges izom, alkalmazkodó szerkezetek  generáció, heterogén komponensű 3D nanorendszerek, önrendeződő szerkezetek, nanoméretű tervezett hálózatok  generáció, különböző molekulákból felépülő molekuláris nanorendszerek, molekuláris motorok  2020(?)-


Letölteni ppt "Nanotechnológia előadások 1. Bevezetés, Fogalmak, Csoportosítások."

Hasonló előadás


Google Hirdetések