Nanotechnológia előadások 1. Bevezetés, Fogalmak, Csoportosítások

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.

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

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.

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’ – http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html) 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)

Egy kis történelem: Feynman Richard Feynman http://www.nobel.se/physics/articles/goodstein/ Feynman felajánlott két díjat: Díj annak, aki először épít olyan működő motort, aminek mérete 1/64”. Díj annak, aki képes egy enciklopédia tartalmát egy gombostű fejére felírni – azaz az eredeti méret 1/25000-szeresére csökkenteni. First page if Dicken’s tale of two cities – 50 atoms across for each letter. 1975 Motor – prize claimed in 1960. Then predicted it could be made even smaller – 64,000 times smaller. Picture – Pollen grain – upper right Coagulated blood cells, upper left/lower right. Have now reached point of building molecular motors

1960 - William McLellan elkészítette a motort! 1. Megoldható? 1960 - William McLellan elkészítette a motort!

„There’s plenty of room at the bottom!” - Feynman 2. Megoldható? A gombostű fejének átmérője = 1,5 mm Egy oldal felülete ~ 6 x 10-2 m2 400 duplaoldal x 24 kötet ~ 1200 m2 szöveg A gombostű fejének átmérőjét meg kellene nagyítani: Egy kis tintapötty ~0,2 mm átmérőjű. Tudjuk ezt a méretet 25000-ére csökkenteni? Új méret: „There’s plenty of room at the bottom!” - Feynman

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 mm területre. A betűk kb. 50 nm szélesek.

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.

Érdekességek A világ legkisebb gőzgépe, a dugattyúk mérete 5 mm Mikro-Zár: kerekek mérete 50 mm http://www.memx.com/image_gallery.htm

The shrinking disk drive 1956 IBM Ramac 305 vs. 2003 IBM Microdrive 5 MB 120 GB 50 x 24” dia. disks 1 x 1” disk weighs “a ton” < 1 oz. $50,000 $120

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.

Az „elektronika” fejlődése Nanotechnológia “Viselhető” vezeték nélküli Internet használat Molekuláris electronika Nano-robotok Félvezető technologia Tranziszto- ros rádio Számítógépek Mobilok Internet Vácuum elekt- roncsövek technológiája Rádio Radar Televízió Megvalósulás 1900 1950 2000 2050 Év

Nano mérettartomány Természet Emberkéz 21. Század kihívásai Mikrovilág 0.1 nm 1 nanométer (nm) 0.01 mm 10 nm 0.1 mm 100 nm 1 mikrométer (mm) 10 mm 100 mm 1 milliméter (mm) 1 cm 10-2 m 10-3 m 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-7 m 10-8 m 10-9 m 10-10 m Visible Nanovilág 1,000 nanométer = Infrared Ultraviolet Microwave Soft x-ray 1,000,000 nanométer = Emberkéz Hangya ~ 5 mm Gombostű feje 1-2 mm Poratka 200 mm 21. Század kihívásai Hogyan lehet kombinálni a nanoméretű építőköveket, hogy új eszközöket építsünk? pl., fotoszintetikus reakciócentrum egy félvezető részecskével összekapcsolva MikroElektroMechanikus eszköz 10 -100 mm Légytojás ~ 10-20 mm Emberi haj ~ 10-50 mm Vörösvértestek fehérvérsejt ~ 2-5 mm Vörösvértest Pollen szemcse Röntgen-sugár “lencsék” gyűrűk távolsága ~35 nm ATP szintetáz ~10 nm átmérő Nanocső elektród Nanocső tranzisztor Kvantum korál - 48 Fe atom egyesével pozícionálva Cu felületen STM tűvel Korál átmérő 14 nm Szén nanocső ~2 nm DNS ~2-1/2 nm átmérő Szilícium atomok

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.

Mi a nanotechnológia? A nanotechnológia definiálható, mint: a képesség, hogy nanométer mérettartományban tudunk anyagokat, eszközöket készíteni, http://physics.about.com http://www.whatis.com a tulajdonságok és jelenségek összessége, ami a „nano” mérettartományban megfigyelhetők. http://www.nano.gov

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

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.

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

Nanoszerkezetek Legalább egy dimenzió 1-100 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 2 m Si Nanoszálak Többfalú szén nanocső Si0.76Ge0.24 / Si0.84Ge0.16 rács

Nanoszerkezetek előállítása Méret Fizika 0,1 m Elektro- technológia MAKRO Elektronika 0,1 mm Miniatürizálás A mikro- és nanovilág összekapcsolása Mikro- elektronika Újgenerációs anyagok kifejlesztése MIKRO Biológia Funkcionalizálás Anyagtudomány Sejtbiológia Kvantumeffektek 0,1 µm Molekuláris biológia Új anyagok Molek. elektronika Fotonikus eszközök Bioérzékelők Bio-csipek ... A biológiai elvek, a fizikai törvények és a kémiai tulajdonságok együttes kihasználása Molekulatervezés NANO Rendeződés Szupra- molekuláris kémia Komplex Kémia Kémia 0,1 nm 1960 1980 2000 2020 2040 Év

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.

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

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.

A nanotechnológia fejlődése „Esetleges” nanotechnológia: szinte évszázadok óta (aktív szén) „Elszigetelt” felhasználások (katalizátorok, kompozitok, …) ‘80 óta 1. generáció, passzív nanoszerkezetek (bevonatok, tömbi anyagok, nanorészecskék) 2001- 2. generáció, aktív nanoszerkezetek (tranzisztor, erősítő, célzott gyógyszer-hatóanyagok, mesterséges izom, alkalmazkodó szerkezetek 2005- 3. generáció, heterogén komponensű 3D nanorendszerek, önrendeződő szerkezetek, nanoméretű tervezett hálózatok 2010- 4. generáció, különböző molekulákból felépülő molekuláris nanorendszerek, molekuláris motorok 2020(?)-