Le nanotecnologie

Paolo Mazzoldi Dipartimento di Fisica – Università di Padova, Via Marzolo 8, I-35131 PADOVA (Italia)

510 (14.4%)

1070 (30.2%)

810 (22.9%)

1150 (32.5%)

Europa Giappone USA Altri

Totale: 3540 Mld Euro Spesa Pubblica per le Nanotecnologie (2003)

Dip. Fisica23 febbraio 2010

(1 nm = 10-9 m)

Un miliardesimodi metro

paolo.mazzoldi@unipd.it

nanotecnologie

CapelliBatteriTransistor PIV

Bisso

NanofabbricazioneSintesi di materialiChimica

Electronica, informatica

Farmaceutica

Trasporto

CosmeticaTessileMiniaturizzazione

Alimenti e bevande

Ambiente

Autoassemblaggiinorganici

Fisica quantistica

Aerospazio

Nanomateriali, ricoprimenti e plastiche

Nanotecnologia per dispositivi ICT

Bio-sintesi di molecolefunzionali

Nanobiotecnologia

Autoassemblaggio Biologico

Nanotecnologie per la chimica e l’ambiente

Catalizzatori nanostrutturati

Biochip

Sensori DNA

Chimica supramolecolare

Dispositivi Magneto-resistivi

Nanoelettronica

Processamento di dati bio-molecolari

Nano-filtrazione

Nano-compositi

Nanotubi al carbonio

Distribuzione di medicinali

Dispositivi nanomeccanici

Ricoprementi per attrezzi

Coloranti

Sospensioni ed inchiostri

Elettronica Organica

LED e laser tramite nanosemiconduttori

Energia

Immagazzinamento dell’idrogeno

Foto-voltaico

Impianti micro-nano

Bio-sensori

Biologia molecolare

Scienza ed Ingegneria dei Materiali

Nano-tribologia

Auto-assemblaggio supra-molecolare

Batterie

Bio-catalisi

Cosa sono i “nanomateriali” (1 nm = 10-9 m)

– Nanoparticelle (0 D)

– Nanofili, nanofibre, nanotubi (1 D)

– Film sottili (2 D)

– Nanomateriali massivi (3 D)Materiali MesoporosiIbridi organico-inorganiciMateriali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie)

Nanoparticelle di oro su substrato di TiO2, Valden, et al., Science 281 (1998)

Fili di rame (3 nm) su molibdeno

Kong & Wang, Nano Lett. 3, 1625 (2003)

Film di 160 nm di TaN on su struttura di wafer di silicio.

Nanomateriali massivi (3 D)

Materiali Mesoporosi Es.: Film mesoporoso con tecniche di autoassemblaggio molecolare

Nanomateriali massivi (3 D)Materiali Nanostrutturati (nanograni cristallini) Nanocompositi (nanoparticelle o nanofibre in matrici varie)

Particelle di argilla in matrice polimerica

Fibre di ossido (MoO3) in matrice polimerica

Microstruttura di una lega Ti/Al/V sinterizzata

Ad esempio …Piccole quantità di nanoparticelle di argilla in matrice polimerica consentono la riduzione della diffusione di gas, un incremento importante della resistenza ed un ancora più grande aumento della rigidità, soprattutto alle “alte” temperature.

FullereneC60

Nanotubo di Carbonio(CNT)

Conduttività termica di nanotubi con diverso diametrosingola parete SWNT (matassa)

multiparete (MWNT)

Lotus Effect

10 μm

Cera cuticolare

Superfici auto-pulenti: Effetto Lotus

Il controllo chimico e morfologico consente di ottenere superfici super-idrofobiche con proprietà auto-pulenti sfruttando il cosiddetto “Effetto Loto”

Film autopulente superidrofobico

Innesto di alchilfluorosilaniContributo

chimico

Contributo geometrico

Morfologia

Molecole idrofobiche

Inserire film

PMMA poly( methil methacrylate)PDMS poly(dimethil-siloxane)P(DMA-co-MEA) poly(dopamine methacrylamideco-methoxyethil acrylate)

Forza perpilastro

Geco in aria

Geco in acqua

Geckel in acqua

Geckelin aria

Numero di cicli di adesione

Cosa sono le nanoparticelle

…sono particelle del diametro di milionesimi di millimetro prodotte industrialmente per vari usi (dalle creme solari ai biosensori, ai farmaci antitumorali).

…particelle ultrafini sono presenti anche nell’inquinamento atmosferico.

Possono spostarsi più facilmente da un compartimento biologico all’altro

Hanno una superficie esterna, a parità di massa, molto più elevata

Hanno un fortissima tendenza a formare aggregati ed agglomerati

In alcuni casi alle dimensioni nanometriche si manifestano proprietà chimico fisiche nuove, assenti nelle particelle più grosse

Le nanoparticelle

Sorgenti di nanoparticelle

….ma anche attività domestiche

90% da eventi naturali fenomeni di erosioneeruzioni vulcanichesali marini incendi

10% da attività antropiche nanotecnologie

emissioni secondarie

attività industriali processi di combustionemotori diesel, incineritoriprocedimenti meccanici (abrasione) termici

(saldatura)utilizzo in diverse applicazioni industriali tra cui cosmetica e medicina (rilascio di farmaci, utilizzo a scopo diagnostico o terapeutico

engineered nanoparticles

…..nanoparticelle originate da attività domestiche

concentrazioneconcentrazioneconcentrazione

aspirapolvere

sigarette

PROVE DI INFIAMMABILITA’TEST UL94 HB (fiamma orizzontale)

Nanocompositi a matrice polimerica

velocità di propagazione della fiamma diminuisce

aumento della frazione di residuo carbonioso

assenza di gocciolamento e fiamma vivace

Elettronica basata sul DNAImmagine tramite microscopia a Forza atomica di due nanoparticelle di argento collegate dal DNA)

Macchine molecolari: dall’elettronica alla biologia

Abalone

Abalone

Nano- biotecnologie

Microscopia di una cellula magnetospirillum gryphiswaldense

0.5 μm

Campo magnetico al centro 35 pT

Biomateriali ferromagnetici per la cura dei tumori mediante ipertermia

Ipertermia: aumento di T°delle cellule tumorali = loro distruzione.

Riscaldamento:accuratamente localizzato, per non distruggere cellule sane.

Nuovi materiali ceramici contenenti magnetite (ferromagnetica, genera calore per isteresi se immersa in un campo magnetico alternato).

Nanofasi di ossido di zinco (nanoparticelle di 30-60 nm)Barriera ottica per varie applicazioni: protezione solare, protezione

UV (occhiali, vetrate), fotovoltaico

OSSIDO DI ZINCO NANOSTRUTTURATO PER COSMETICI

BARRIERE AL GAS NANOSTRUTTURATEUna nuova nanotecnologia introduce un nanostrato depositato sulla sfera centrale della pallina, contenente il gas, riducendo la permeazione dell’aria del 200%.Palle normali sono utilizzabili per due settimane, mentre con la nuova tecnologia si arriva a più di quattro settimane

Nanopolveri e ricoprimenti determineranno l’aumento della durata della vernice

Leghe basate su nanotubi al carbonio vengono studiate per sostituire le cornici dell’automobile per la loro elevata resistenza e il peso ridotto

Catalizzatori ceramici a base di ossidi metallici di nanodimensioni potranno ridurre le emissioni dannose

Tecnologie basate su nanocatalizzatori e membrane avranno un ruolo critico nelle celle a combustibile e nella sostituzione dei motori a combustione

La combinazione di tenacità e resistenza meccanica di nanocompositi a matrice polimerica sarà importante, considerando il ridotto peso, per la sostituzione dell’acciaio nelle automobili. Inoltre pannelli composti da nanocompositi polimerici permetteranno la verniciatura elettrostatica, riducendo i costi e l’impatto ambientale

Applicazioni nel settore automobilistico

Nano-chitarraUsando un AFM la nanochitarra può essere suonata ma non si può sentire perché le sue corde risuonano a frequenze non udibili

Circuito Integrato Ottenuto per nanolitografia

Nano-macchina

Nano-ingranaggio

• La vita stessa potrebbe essere vista come un sistema nanofasico

» Dominic Dickson Science Communication» University of Liverpool

Scienza dei Materialinanostrutturati

Sintesi

Caratterizzazione Simulazione

Proprietà dei materialiOttiche MagneticheCatalitiche ElettricheMeccaniche

Applicazioni tecnologicheIndustriali

►

Bottom-up Top-down

Materiali Nanostrutturati

Assemblaggio da nano-blocchi

• Compattazione di polveri/aerosol• Sintesi chimica

“Scultura” da materiale massivo

• Attrito meccanico (ball milling)..• Litografia, attacco chimico…

~ 50 µm

Sfere di Acciaio o di WC

Particelle ~ 50 µm

BALL MILLING

Impianto ionico

Ipse dixit…

“There is plenty of room at the bottom” (“Ci sono molte possibilità alla “base”)(R. Feynman, 1959)

“If I were asked for an area of science and engineering that will most likely

produce the breakthroughs of tomorrow, I would point to nanoscale science and

engineering” (“Se mi venisse chiesto di indicare una area della scienza e dell’ingegneria che con maggiore probabilità produrrà innovazioni nel futuro prossimo io indicherei le nanotecnologie”)(N. Lane, Introduction to National Nanotechnology Initiative: Leading on the Next Industrial Revolution, U.S. National Science and Technology Council, 2002)

Breve storia dei nanomateriali• 1861: Thomas Graham conia il termine colloide per descrivere una soluzione contente particelle di diametro inferiore a 100 nm in sospensione; (Faraday, Ostwald,…)

• fine 1800 - inizio 1900: Rayleigh, Maxwell e Einstein studiano i colloidi (proprietà ottiche);

• 1908: Gustav Mie, calcolo elettrodinamico esatto della risposta ottica di nanocluster metallici

• 1930: metodo di Langmuir-Blodgett per deporre monostrati atomici;

• 1960: Uyeda studia con la microscopia e la diffrazione elettronica singolinanocluster;

• 1970: nanocluster di lega metallica;

• 1985: Smalley & Kroto scoprono il C60 (fullerene);

• 1991: Iijima studia i nanotubi di C;

• 1993: Creato negli Usa il primo laboratorio di nanotecnologie (Rice University)

• 2000: manipolazione e posizionamento di singoli atomi (STM, AFM) nanotecnologia.

Cobalto

n = 139 atomiR = 0.65 nmF = 0.77

n = 369 atomiR = 0.90 nmF = 0.56

n = 3043 atomiR = 1.82 nmF = 0.28

Effetto della Superficie

Rapporto atomi superficie/atomi volume F

Nanocluster di Au ottenuti per impianto ionico in SiO2

Au

SiO2

n R(nm)

Sup/Vol

102 0.67 86 %103 1.44 40 %104 3.10 19 %106 14.4 0.4 %

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

200

400

600

800

1000

1200

esperimento teoria

T M

(R) (

°C)

R (nm)

Temperatura di fusione Au - 1064° C

Variazione della temperatura di fusione con le dimensioni

2 nm

Assorbimento di nanoparticelle Ag, Au, Cu

in silice

Effetto della Composizione

200 300 400 500 600 7000,00

0,04

0,08

0,12

0,16

570 nmσ ext/V

0 (nm

-1)

wavelength (nm)

200 300 400 500 600 7000,00

0,04

0,08

0,12

Au530 nm

σ ext/V

0 (nm

-1)

200 300 400 500 600 7000,0

0,2

0,4

0,6

0,8R = 5 nm

Cu

Ag 405 nm

σ ext/V

0 (nm

-1)

NC di Si ottenuti per pirolisi laser dal SiH4

SiO2

Si NC

Se D < 5-7 nm emettono luce

Si

SiO2

Strutture core-shell

Fotoluminescenza

Radiazione incidente ad alta energia(UV)

Radiazione emessa a più bassa energia(visibile)

CdS

0.335 nm

CdS, CdSe, ZnS, ZnSe,Si…

Soluzioni colloidali di CdSe in esano con dimensioni decrescenti

1.8 eV (IR)D = 11.5 nm

3 eV (UV)D = 1.2 nm

FILM SOL-GEL VETROSI NANOSTRUTTURATI

2 nm

5 nm

Variazione della concentrazione,dimensione e forma

Luminescenza(visibile)

DNAbersaglio

substrato

Applicazioni in medicinaIdentificazione di sequenze di DNA con nanoparticelle

DNAsonda

NC

Radiazione(UV)

Molecola od organismo patogeno

2

1

3

5

spectrometer2

1

3

5

spectrometer

Test in vivo di luminescenza ed assorbimento da nanoparticelle

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

600 650 700 750 800

Wavelength (nm)

Fluo

resc

ence

(rel

. uni

ts)

tumor 1day norma 1 day

Spettri di fluorescenza di tessuti tumorali e normali di un topo, un giorno dopo l’iniziezione del tracciante. Eccitazione a 633 nm.Selettività del tumore può essere controllata..

ma la primaapplicazione delle nanotecnologie

• IV a.C. Roma –ITALIA

• Vaso di “Likurgus”

AuxAg1-x

Nanotecnologia del IV sec. d.C.

Vaso di Licurgo (Arte Vetraria Romana, British Museum)

…riflessione …transmissione

Nanoparticelle metalliche (~ 70 nm) di lega AuxAg1-x (x ~ 0.3) (confermato da

diffrazione X)

Kunckel1690

Mesopotamia, attuale Iraq, X a.C ► Middle East ► Iran circa XI a.C. Maggior sviluppo Sejuks XIII a.C.

Diffusion of islamic cultureXV‐XVII a.C.

Substrato ceramico

vetro

Lustro : strato nanocompositoeterogeneo metallo-vetro

Miscela di sali Fe, Cu/Ag, ossidi 

Piatto con la storia di Pico, Circe e Canenet, maiolica a lustro (Francesco Xanto Avelli). Lustrato nella bottega di Mastro Giorgio (Gubbio 1528). Museo civico della ceramica di Gubbio

Nanotecnologia del XVI sec. d.C. Lustri di Gubbio e Deruta (Italia)

Nanocluster metallici (~ 5-10 nm) di Ag o Cu

Ricetta di preparazione del Lustro ( Mastro Giorgio , Gubbio, XVI sec.)

• Deposizione di ossidi o sali di Ag o di Cu in soluzionecon aceto; Riscaldamento a 600 °C in forno con fascine di ginestra secca (atmosfera riducente)

La Cina ci invade anche con le nanotecnologie..in opere artistiche!!!Ossido di oro in vetro ►irraggiamento con fascio fs laser►trattamento termico 550C, 30 min. Particelle Au 6-8 nm

La farfalla !! Il gufo !!

Mosé, Elia e 3 Apostoli , Giacomo, Giovanni e Pietro davanti a Cristo nella trasfigurazioneI raggi che partono da Cristo colpiscono la terra ed il cielo Altri tre emanano da essoChartres Basilica 1300

Tiziano 1488-1576Madonna della Salute

Venezia

La radiazione divinamodifica l’anima, mentreuna ovviamente differenteradiazione puòcreare…nanoparticelle

Materiali drogati con Fullerene per Limitazione Ottica

0,00

0,10

0,20

0,30

0,01 0,10 1,00 10,00 100,00 1000,00 10000,00

Input energy (µJ)

640 nm690 nm590 nm

Aumento dell’assorbimento in funzione dell’energia in ingresso

Fluenza di danneggiamento

Fdamage > 100 J/cm2

100 μm

Materiali compositi per impianti nelle articolazioni

Tempo di vita medio di un impianto dell’anca: 10-15 anni, con i materiali disponibili: Al2O3, ZrO2

Nanocomposito di allumina irrobustito con zirconia

Polveri contenenti 2.5 wt% di ZrO2 vengono pressate, trattate termicamente e formate per l’impianto

EcsinFocus - Analisi dell’impatto delle nanotecnologie su ambiente, salute e società. Obiettivi - Risk assessment per le imprese, di valutazioni sulla nano-eco-tossicità e di ricerche giuridico-sociali connesse all’uso delle nanotecnologie

Laboratori di ricerca nel Veneto (Nanotech ed Università)

NanofabFocus - Trattamenti

superficiali, nuovi materiali nanostrutturati e nanotrattati, sviluppo di nanosensori chimici e biochimici e microarrays.

Obiettivi –Trasferimento alle imprese

di tecnologieAttività di ricerca industriale

grazie al coordinamento con l’Associazione Civen (tquattro Università)

NanocompFocus - Materiali nanocompositi basati su polimeri termoindurenti Obiettivi – Dotare il territorio di una struttura in grado di integrare le competenze industriali ed accademiche già presenti sul territorio.

Campus nanotechFocus - Centro di Alta Formazione sulle nanotecnologie.

Obiettivi - Sviluppare la formazione post-lauream e creare un bacino di competenze al servizio delle imprese

LaNNFocus - Laboratorio di

Nanofabbricazione per lo sviluppo di nanodispositivi, nanosensori e lab-on chip (interfaccia con il mondo biologico)

Obiettivi –• Dotazione (EBL) unica in Italia• Possibilità di attrarre interesse e competenze da tutta Italia• Potenziamento ricerca nano nell’Università di Padova• Integrazione con CNR

RIVESTIMENTINANOSTRUTTURATI

Realizzazione di rivestimenti nanostrutturati con proprietà chimico, fisiche e tribologiche potenziate per migliorare le caratteristiche di antiusura, anticorrosione, antiriflesso, conferire un effetto autopulente ecc.

• Decorativi (accessori, occhialeria, bigiotteria-gioielleria, accessori per la casa: posateria, rubinetteria, ecc.)

• Antiusura (accessori, lenti per occhiali, vetri, componenti in plastica, componenti meccanici ecc.)

• Anticorrosione (componenti meccanici metallici, utensili, superfici esposte ad agenti atmosferici, serramenti ecc.)

• Lubrificanti solidi (componenti meccanici in applicazioni ad alta velocità: valvole, alberi, cuscinetti, turbine, ecc.)

• Autopulenti (rivestimenti per superfici vetrose, lunotti e parabrezza ecc.)

• Antiriflesso (rivestimenti per lenti, vetri, barriere termiche ecc.)

• Duri (rivestimenti per applicazioni meccaniche: stampi, utensili, lame, punte e punzoni, ecc.)

• Filtro interferenziale (rivestimenti per vetri conduttivi, barriere termiche, ecc.)

• Elettro/foto/termo cromici (rivestimenti per lenti, vetri per aerei, decorazioni luminose, ricoprimenti sensibili alla temperatura, ecc.)

• Metalli preziosi (rivestimenti per bigiotteria, gioielleria, posateria, sensori di gas e sostanze tossiche, ecc.)

• Polimerici (per impermeabilizzazioni, protezioni da agenti chimici aggressivi, trattamenti antiaderenti, ecc.)

RIVESTIMENTINANOSTRUTTURATI

MATERIALI SINTERIZZATII materiali sinterizzati sono l’esito di un processo di consolidamento che ha inizio con la pressatura ad alta velocità di polveri nanostrutturate tramite HVC (High Velocity Compaction).Questa tecnica consente di ottenere dei verdi con alte densità vicine al 100% e conferisce proprietà meccaniche eccezionali. I materiali pressati vengono poi sinterizzati al fine di creare un legame metallico che consolida la forma precedentemente acquisita ottenendo in questo modo gli oggetti finiti o semilavorati.

SETTORI DI APPLICAZIONE

componenti meccanici per l’automobilecomponenti per serramenticomponentistica sportiva componenti per elettrodomestici, ecc.

HYP35-7Impact Energy: 7 kJMin. time between strikes: 300 msMax. strike frequency: 200 / min.

SENSORI CHIMICI E BIOCHIMICI

SensibilitàSelettivitàLimiti di rilevabilità

SETTORI DI APPLICAZIONE

diagnostica clinica(per analisi rapide e non invasive)

monitoraggio ambientale (per sostanze inquinanti)

industria alimentare(per l’analisi dei cibi e l’individuazione di patogeni)

SENSORI e BIOSENSORI nanostrutturati

migliore

DNA MICROARRAYS

Microarrays con profili genici

desiderati

Applicazioni medichee diagnostiche

Esperimenti personalizzati

SETTORI DI APPLICAZIONE

Studio dell’espressione genica

Ricerca contro il cancro e le malattie genetiche

Diagnostica microbiologica

Il mio Gruppo di ricerca (ora!): Io , un pò vecchio, e le mie nipoti , con la tuta da Laboratorio, !!.

Conseguenza della politica della ricerca e del personale ricercatore del nostro Governo

My Laboratory…..due to the political approach in Laboratory…..due to the political approach in Italy toward the research and researcherstaly toward the research and researchers

My Laboratory… Il mio Laboratoriodue to the political approach in Italy toward the 

research and researchers

GRAZIE

• Auguri da un vecchio ricercatore e docente per il vostro futuro!!!