2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A nanotudománytól a nanotechnológiáig Gyulai József www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/

Az előadások a következő témára: "2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A nanotudománytól a nanotechnológiáig Gyulai József www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/"— Előadás másolata:

1 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A nanotudománytól a nanotechnológiáig Gyulai József www.mfa.kfki.hu/~gyulai/_/

2 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Vázlat Több, mint húsbavágó, „fajunkbavágó” alapkérdés: a Föld lakhatósága… A nano lényege az építkezés, akár molekulákból, atomokból is A „nano” világa, a mikro- és a makrovilág Néhány fontos területe –Nanoelektronika –(Polimér)kémiai termékek (kozmetikumok, öntisztító felületek, stb.) –Nanometallurgia, -kompozitok –Nanomedicina –Nanobiotech –Metaanyagok A „nanotudománynak” „nanotechnológiává” válásához –a termék „megbízhatósága”, megfelelő minőség-ellenőrzés, és –az alkalmazás és gyártás környezeti kérdéseinek kézbentartása kell Azok a területek terjednek ma, ahol a minőség-ellenőrzés a hagyományos, pl. gyógyszeripar módszereiből lehet kiindulni A biztonság, a Nanosafety kérdése!

3 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A mai tudománynak egyetlen „fajbavágó” missziója és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel a faj- és az önfenntartás ösztönének is: 1. megkeresni annak a módozatait, hogy hogyan élhet hét-, majd tízmilliárd ember a Földön? – a többi élőlénnyel kölcsönhatásban, különben létrehozzuk a mesterséges „nagy kipusztulást”… 2.emellett az egyén élettartam-növelése domináns érdeklődést vonz – a biotudományok súlya, érdekessége, amely eredmények hatással vannak az első súlypontra is. Képes lesz-e a társadalom ezt az életforma receptet idejében magáévá tenni? Én az „elviselhetővé” tételt a humanióráktól, ill. kiknek- kiknek a vallástól remélem … Az alapkérdés

4 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A Credom… Az alapkérdés fő következménye a XXI. században: –az energia, annak előállítása, energia-gazdálkodás Az "írástudók" tudhatják csak a megoldást megtalálni: minden termék gyártástechnológiáját át kell gondolni, hogy –azonos feladatot, terméket kevesebb energiával, anyaggal, –zárt termelési-fogyasztási folyamatokat létrehozni. Mérni, intelligens módon visszaszabályozni – ez a jövő világának esélyes technikája Itt a nanotudomány-, de főleg a nanotechnológia nagy terepe

5 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A zárt termelési-fogyasztási folyamatok elérése A zárt termelési-fogyasztási ciklusok stratégiája beleszól az ún. ökológiai lábnyom számításába, amely 4-6 Földet igényelne már a mai emberiség túlélésének biztosítására is, és amely alapvető szempont a Föld lakhatóságának biztosítására – jelentősen megváltozik: ha ui. az (alap)anyagok zömmel, pláne kizárólag az emberi termelésen-fogyasztáson belül forognának, akkor csak az átalakításukhoz szükséges energetika okán terhelik a Földet és növelik meg az ökológiai lábnyomot… Ez paradigmaváltó lehetőség!

6 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A nanotudomány, -technológia fajtái Az élővilág eljárásainak felhasználásával létrehozott nanotermékek, a –Nanobiotechnológia, A biomimetika átvezet a következő „világba”: a hagyományos(abb) fizikai, kémiai technológiákkal létrehozott nanoszerkezetű termékek köre; ma úgy tűnik, hogy ezek egy része elérte e „termék” szintet: –Nanoelektronika –Metaanyagok –(Polimér)kémiai termékek (kozmetikumok, öntisztító felületek, stb.) –Nanomedicina –Nanometallurgia, -kompozitok Az alapvető technológiai eljárás az önszerveződés

7 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A nanotudomány – szerintem Kolliod-kémikusok: „mi mindig is nano-t csináltunk…” Majdnem igaz: a reaktorban ui. csak a nano-molekulákat eredményező reakció volt fontos – a helye, azaz a termékmolekula „címezhetősége” nem, pedig csak így igazi nano… Kémiai-orvosi: önszerveződés; a természettörvények, ha tudják, eljuttatják az atomokat az egyensúlyi állapotba – amolyan "laissez passer” – a kémiai kötőerők és a termikus mozgás mérkőzése, ennek határai adják a végső teljesítményt, a megbízhatóságot. Fizikai-mérnöki: hozzájön még pl. az atomi, ionos, elektronos megmunkálás, az önszerveződés tökéletessége (címezhetőség), de a perspektíva a kvantumfizikába való metamorfózis, entanglement Kombinálhatók még a mikrotechnológiával

8 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A biológia nyújtotta lehetőségek A sejten belüli molekuláris „gépek” felhasználása –a (kontroverz) génmódosítás – semmiség, –DNS-felhasználású replikákkal anyagelőállítás; –vírusok, mint önszerveződést provokáló „gépek”; –Ezeket „tudománynak” érzem, egyelőre –Szeretném hinni, hogy ez senkinek a hitét nem befolyásolja: mindez a törvények alkalmazása … A Materials Today illusztrációja

9 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc „Biomimetikus” rendszerek A XXI. század "biológiája" jobban fog hasonlítani a XX. század fizikájára, kémiájára, informatikájára, mint a XX. század biológiájára Az a szójárás tehát, hogy "a XX. volt a fizikáé, a XXI. a biológiáé" – így értelmetlen De: a fizikának agresszíven bele kell vonulnia az interdiszciplinákba és nem visszahúzódnia pl. a részecskefizikába, asztrofizikába – mint tartósabban "saját" területekre...

10 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A biológiai módszerek megbízhatósága Lesz-e a nanotudományból nanotechnológiai nanogyár? A biorendszerek "minőségellenőrzése" az evolúció: 1.a ön-reprodukció, 2.a véletlen mutációk (ez a "majdnem selejt"), 3.a 'minőség' a természetes kiválogatódás révén Az emberiség azonban termeléssel és logisztikai elosztással dolgozik Minőségellenőrzés –Ma: az ún. Total Quality Management, TQM, a cél, A nanotechnológiai analóg nincs kitalálva: lehet-e a minőségellenőrzés valamiféle 'gyorsított evolúció'?

11 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Kezdjük a nanoelektronikával: a Moore ”törvény” Évente-kétévente kétszer annyi elem egyetlen chipen „Talán a hetvenes évek végéig…” – mondta Gordon Moore. Generikus törvény született, ami – szerintem – inkább üzleti, semmint technológiai! Az arányos kicsinyítés 2020-ig… Mára a telekommunikáció is A szilíciumon ül egy átok: Nem lehet belőle lézert készíteni De igyexik a szakma… http://public.itrs.net/ Fontos a többi területtel való integráció

12 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A kvantumkomputer A „qubit” kvantummechanikai fogalom, amely összekapcsolt részecskéket jelöl, amelyek számolni képesek. Az öt fluor és a két szén hét qubitje képes 15-öt faktorizálni: 3.5=15 Rádióhullámok indítják a gépet, NMR olvassa ki az eredményt IBM Research Dicarbonylcyclopenta dienyl (perfluorobutadien-2- yl) iron (C11H5F5O2Fe ) (ill. pentafluorobutadienyl cyclopentadienyldicar bonyl-iron complex)

13 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A kutatás „forró” területei - példák Komputer-távközlés –Hordozható eszközök –Viselhető (Wear-on) –Szórt (Ambience) intelligencia (intelligens autó, intelligens „homok”) –Akusztikai eszközök Érzékelők/beavatkozók forradalma –Akár biológiai is… –Közlekedés automatizálása Mikro- és nanotechnológia –Hajlékony lemez alapú elektronika –„Energy harvesting” – energiaforrások Világítás forradalma –Világító dióda (LED), Organikus LED

14 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A nanoelektronika gondjai Az arányos kicsinyítés korlátai, új elemek: –Nem elektronvezetés, más bináris rendszerek: spin, spintronika –A chipen optikai információtovábbítás a fémezés helyett – elkerülhetetlen –Optika: plazmonika? –Analóg vs digitális rendszerek –Szerintem a mai gyárakban is megvalósítható változat lehet csak nyerő – különben elkezdődik egy akár ocsmány verseny…

15 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc MFA- eredmények: grafén – az új „izgalom” (Biró László Péter kollégám csapata igen jókor bekapcsolódott) Pásztázó szondák, MFA: „plazmapisztoly” Junior Prima-díj 2008: Tapasztó Levente, MFA Nemes-Incze Péter 2010, MFA http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/

16 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc A grafén alakítása - litográfia Önszerveződően hatszöges szimmetria Fontos, hogy ún. „karosszék” vagy „cikk-cakk” a határa: a karosszék esetén ui. félvezető, 0,5 eV tilos sávval…

17 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Fél-kvantitatív gázérzékelés szén nanocsövekkel Választott ‘demo’ anyagok/oldószerek: –víz, –aceton, –etilalkohol, –kloroform, –Triklóretilén –Tod Pascal, Caltech: a víz belefolyik a nanocsőbe – nanofluidika? A szén nanocső atomi felbontású képe; szerkezeti hiba kell, hogy „érzékeljen”

18 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc "Nanodrót" átvezetések, fantomkép ZnO nanokristályok – energiaforrás, „energy harvesting”, Volk J., MFA

19 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc (a)(b) D3 D2 (a) Csillók befogást végző Ni atomokkal (D2, D3) (b) Eloszlás flagelláris felületeken Csillók képe üvegen Ua. 3D AFM nitrocellulózon

20 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Megbízhatóság a nanoérában Találkozik-e a mikro-nanoelektronikai és a biológiai „megbízhatóság” koncepció valahol középtájon, azaz pl. milyen a „megbízhatósága” egy More-than-More eszköznek a „vírusé”-hoz hasonlítva? (Mert méretben hasonlóak, sőt, a vírus a nagyobb) Elég-e ez a „megbízhatóság” egy emberi termékben realizálódó műveletsornak? Bevihetjük-e a szervezetünkbe ezekkel a tulajdonságokkal? E ponton változik át a nanotudomány nanotechnológiává A gyógyszerek KF-je ad modellt a minősítés fő vonalának – de a „nano” méretek új standardokat is követelnek, ami a költségeket emeli…

21 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Megbizhatóság (Swiss Fed. Labs for Matls Testing and Res.) A nem-skálázó fizikai folyamatok – tömeg és hődiffúzió, elektromos vezetőképesség, reakciókinetika, korróziós folyamatok, stb. Fáradás, súrlódás, fáradás, javítási mechanizmusok mások az atomi és molekuláris léptékben. Redundancia, a kvantumállapotok korrelációja is kvantumstatisztika- és hulláminterferencia-függő Modellezés, kutatásigényes Hibatűrő megoldások igénye

22 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Egy példa: a biomimetika és gondjai A nano tanulni kíván a természettől. De nem egyszerű: az evolúció mindig némileg másra optimált! Bioüzemanyag: a fotoszintézis „túlprocesszálja” a napenergiát – cellulózzá, de tárolhatóvá teszi. –Így a napelemmel, szélerőművel való összevetésnél a már tárolt energia (hidrogén, stb.) kinyerésével kell hasonlítani A pókháló vs. kevlar: egyetlen fizikai paraméterben van különbség köztük, a lassú, ill. gyors deformáció munkájában. Ettől jó az egyik légyfogásra, ill. golyóálló mellénynek a másik. A van der Waals erők szerepe – gekko. A fotonikus kristályok a természeti „színekben”?

23 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Metaanyagok Credit: Image by Jie Yao, UC Berkeley (Credit: Image by Jason Valentine, UC Berkeley) (UC Berkeley)

24 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Nanomedicina A legnagyobb elvárások területe Oda és akkor adagolni az (egyéni!) gyógyszert, ami és ahol kell Pl. a lipidbe zárás (kapszulázás) terjedése Itt a mikro- (Micromechanical Systems, MEMS) és nanotechnológia együttese fontos szerepet kaphat.

25 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc „Nanosafety” A gyártás és alkalmazás biztonsági, környezeti kérdéseinek tudománya. A nanotechnológia nem-informatikai ágai jelentenek elsősorban veszélyt, egészségügyi kockázatot – kozmetikumok, festékek, stb. Lejutottunk ui. abba a mérettartományba, amelynek számára –Nem csak a szűrőink alkalmatlanok, hanem –a sejtfalak, az ioncsatornák is átjárhatók… Standardok kellenek. –Friss példa: a szén nanocsövek hatásának szimulálására a fekete tetoválási festék alkalmas standard (Saito, Nature)…

26 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Kitekintés Az életünket egyre jobban átszövi, birtokba veszi a „nano” Fontos, hogy kellő biztonságot is jelentsen. Az EU programjai irányt vettek a –Nanobiztonság, –Megbízhatóság, de főleg –A szabványosítás felé. Reméljük, hogy kellő önmérséklet fogja kísérni a nanotechnológia alkalmazásait De a nanotudománynak zöld utat kell kapnia Körülvesznek bennünket a nanotudomány jelenségei…

27 2011. november 5.Magyar Tudomány Ünnepe, Miskolc Jó lenne megérteni, milyen sejten belüli emelő mechanizmusok okozzák egy fiatal gyertyánhajtás felegyenesedését?