Corso di NanotecnologieGiampaolo Zuccheri (giampaolo.zuccheri@unibo.it)

NANOTECHNOLOGY

NANOTECNOLOGIE: Una questione di scalaLa dimensionalit dei sistemi determina spesso le loro propriet.

sempre pi necessario avere la consapevolezza della dimensione degli oggetti.

Cosa sono le nanotecnologie?Probabilmente ogni scienziato avr una sua risposta (che probabilmente includer il proprio campo di lavoro). una tecnologia molto nuova e promettente (ma qualcosa ha gi mantenuto) che coinvolge molti ambiti disciplinari: la chimica, la fisica, la biologia, ma anche lelettronica.

Forse la definizione pi larga possibile quella di tecnologia che ha a che fare con oggetti con almeno una dimensione nella scala da 1 a 100 nanometri. Essendo una tecnologia, si presume che si tratti di scienza in qualche modo applicativa: le conoscenze di base dovrebbero prendere il nome di nanoscienza, ma a volte il confine sembra alquanto confuso.

Lideale delle nanotecnologie raggiungere lassemblaggio di oggetti atomo per atomo. Ma la biologia gi fa questo e le biotecnologie lo sfruttano (in modo consapevole) da qualche decade. Ma allora anche la chimica lo fa le nanotecnologie sono, forse pi propriamente, luso consapevole di proprietdella materia sulla scala dei nanometri, propriet che non si realizzano a scale maggiori od inferiori. Come conclusione, direi che non tutta la chimica nanotecnologie e non tutta la biologia o la biotecnologia sono nanobiotecnologie. Sono nanotecnologie quelle tecniche che tendono consapevolmente a trattare (studiare e costruire) materia e processi che hanno almeno una dimensione caratteristica sulla scala del nanometro e che non avrebbero le stesse propriet su altre scale dimensionali.

What is Nanotechnology

Manipulation of objects at the atomic scale Dimensions not exceeding 100 nanometers

Bottom up assembly Top down synthesis

Micronizing of bulk materials $Billion government research funding Estimated $multi billion market for products

Una definizione tra le tante:

La nanotecnologia tende a lavorare a livello atomico o molecolare e creare strutture con una organizzazione molecolare nuova. Strutture con dimensioni tra il nanometro ed i 100 nm talvolta mostrano comportamenti nuovi, che non sono condivisi da atomi isolati o piccole molecole n da strutture macroscopiche. Lobiettivo delle nano(bio)tecnologie potere controllare le strutture a livello del nanometro per poter sfruttare queste propriet innovative.

Sono incluse nelle nanotecnologie quelle tecniche di misura innovative che consentono lo studio della nanoscala.

I comportamenti innovativi ottenuti non sono solamente conseguenza della riduzione di quantit, ma da fenomeni di nuova osservazione che sono intrinseci della nanoscalao che in quella scala diventano dominanti. Questi fenomeni includono il confinamento, la predominanza dei fenomeni interfacciali, la meccanica quantistica.

LAUTOASSEMBLAGGIO E LE NANOTECNOLOGIE (il Sacro Graal)

Come se un motore macroscopico si costruisse da solo semplicemente buttando insieme i pezzi che lo costituiscono.Lideale delle nanotech sarebbe lassemblaggio atomo per atomo. La biologia gi fa questo e le biotecnologie lo sfruttano (in modo pi o meno consapevole) da qualche decade.

Similmente importanti stanno diventando processi che avvengono su scale molecolari di forze e processi, spesso soprattutto di misura, che coinvolgono singole molecole.

Nanostoria delle nanotecnologie 1/2

29 Dicembre 1959: nascono le nanotecnologie!Nel suo ormai celebre discorso There is plenty of room at the bottom a

Caltech il fisico premio Nobel Richard Feynman prevede la possibilit di manipolare la materia atomo per atomo.

1968 Alfred Cho and John Arthur of Bell labs invent molecularbeam epitaxy, a technique to deposit single atomic layers on a surface

1974 Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM)1974: Norio Taniguchi conia il termine nanotecnologie1981: Gerd Binnig, Heini Rohrer e Carl Gerber inventano lSTM1986: Smalley scopre i fullereni; Gerd Binnig, Heini Rohrer e Carl Quate inventano

lAFM1986: K. Eric Drexler pubblica Engines of Creation testo futurista sulle

nanotecnologie.

Richard FeynmanNanotubi al carbonio (fullereni) e Richard Smalley

K. Eric Drexler

35 atomi di xenon

1988 La Dupont progetta la prima proteina artificiale1989 D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon1991 S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio1993 Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie2001 IBM e Universit di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di nanotubi2002 Cornell University (NY) realizza il primo nanomotore2003 USA stanziano 3.7 MLD di $ in 4 anni per la ricerca

Nanostoria delle nanotecnologie 2/2 Richard Feynmann:What I want to talk about is the problem of manipulating

and controlling things on a small scale.

As soon as I mention this, people tell me about electric motors that are the size of a finger nail, and that there is a device on the market which can write the Lords prayer on the head of a pin. But thats nothing; thats most primitive I want to discuss the staggeringly small world below.

Feynmanns speech written at the nanoscale!K. Eric Drexler usa il concetto di assemblatori, dei nanobot capaci di assemblare materiali e dispositivi partendo dagli atomi, in pratica si tratta di dispositivi in grado di costruire qualsiasi cosa, compreso se stessi: per rendere compatibile la creazione utile di oggetti con i tempi dellassemblaggio da parte di un nanobot (anche prendendo spunto da assemblatori efficientissimi come le DNA polimerasi) bisogna considerare la necessit di avere contemporaneamente al lavoro miriadi di assemblatori, per cui gli assemblatori devono soprattutto assemblare loro stessi.

Filmato ottenibile da www.foresight.org

NanotubiNanotubi di carboniodi carbonio

I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni che consistono di cilindri di grafene. Furono scoperti nel 1991 da S. Iijima quasi per caso, durante la sintesi di fullereni per evaporazione ad arco.

Molecola di Fullerene (C60)

Nanotubi di carbonio

Carbon nanotubes and the Space ElevatorA new form of carbon, bucky-ballsand nanotubes are one of the promise tools of nanotechnology. Carbon nanotubes can be conductiveor semi-conductive depending on their structure. They can be made of a single sheet of graphite rolled intoa tube (SWCNT) or of manyconcentric sheets (MWCNT)

Their electric and mechanical properties are exeptional, such thatresearchers are working towards their use in electronic circuits

The dream of a space elevator

A cosa serviranno i A cosa serviranno i nanotubinanotubi??ProprietDimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli)Resistenza: oltre 20 volte pi del migliore acciaioFlessibilit: molto superiore alle fibre di carbonioElettricit: conducono fino a 1000 volte pi del rameStabilit: resistono fino a 2800CCosti: 150 volte pi delloro

Future applicazioniNanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti 100 volte pi piccoli di quelli attualiSonde chimiche: per scansionare le molecoleMuscoli artificiali: 100 volte pi forti di quelli umaniNanopinze: per afferrare le molecoleNanobilance: per pesare gli atomiCelle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

Nanocircuito (IBM)

GRAFENE

un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cio uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo).

Le scoperte sul grafene e le sue applicazioni (realizzazione di un transistor) conseguite nel 2004 sono valse il premio Nobel per la fisica 2010 ai due fisici Andre Geim e Konstantin Novoselovdell'Universit di Manchester.

[Fonti: wikipedia 2013]

Uno strato ideale di grafene consiste esclusivamente di celle esagonali; strutture di tipo pentagonale o ettagonale costituiscono infatti dei difetti. In particolare, in presenza di una cella pentagonale isolata, lo strato planare di grafene si deforma fino ad assumere una forma conica; se invece le strutture pentagonali sono 12 si ha la formazione di un fullerene. Allo stesso modo la presenza di una cella isolata ettagonale causa una deformazione che trasforma la struttura planare in una sella. Quindi l'inserimento controllato di tali celle pentagonali o ettagonali permette la realizzazione di strutture molto complesse. Nanotubi di carbonio a singola parete possono essere considerati come dei cilindri di grafene; talvolta alle estremit di questi nanotubi si possono trovare delle strutture emisferiche, costituite da fogli di grafene contenenti 6 strutture pentagonali, che fungono da "tappo".

Propriet del grafene

Graphene can self-repair holes in its sheets, when exposed tomolecules containing carbon, like hydrocarbons. When bombardedwith pure carbon atoms, the holes in graphene sheets are completely filled, with carbon atom snapping to the gaps and perfectly aligning into hexagon shapes

[image from extremetech.com]

Graphene differs from most conventional three-dimensional materials. Intrinsic graphene is a semi-metal or zero-gap semiconductor.Experimental results from transport measurements show that graphene has a remarkably high electron mobility at room temperature.

The corresponding resistivity of the graphene sheet would be 106 cm. This is less than the resistivity of silver, the lowest resistivity substance known at room temperature.It may therefore be a suitable material for the constructionof quantum computers using anyonic circuits.Measurements have shown that graphene has a breaking strength over 100 times greater than a hypothetical steel film of the same (incredibly thin) thickness. A 1 squaremeter graphene hammock would support a 4 kg cat butwould weigh only as much as one of the cat's whiskers, at 0.77 mg (about 0.001% of the weight of 1 m2 of paper).

Applicazioni possibili del grafeneGraphene has the ideal properties to be an excellent component of integrated circuits

Graphene's high electrical conductivity and high optical transparency make it a candidate fortransparent conducting electrodes

Graphene oxide membranes allow water vapor to pass through, but have been shown to beimpermeable to all other liquids and gases including helium. This phenomenon has been used for further distilling of vodka to higher alcohol concentrations, in a room-temperature laboratory, without the application of heat or vacuum. Research suggests that graphenefilters could outperform other techniques of desalination by a significant margin.

Theoretically graphene makes an excellent sensor due to its 2D structure.

Owing to high thermal conductivity of graphene, it could be used as additives in coolants.

It is believed that graphene could be used to produce ultracapacitors with a greater energystorage density than is currently available.

Graphene's modifiable chemistry, large surface area, atomic thickness and molecularlygatable structure make antibody-functionalized graphene sheets excellent candidates formammalian and microbial detection and diagnosis devices.

The most ambitious biological application of graphene is for rapid, inexpensive electronic DNA sequencing. Integration of graphene (thickness of 0.34 nm) layers as nanoelectrodesinto a nanopore can solve one of the bottleneck issues of nanopore-based single-molecule DNA sequencing.

Una ricerca della Brown University afferma la potenziale tossicit del grafene per l'uomo, il quale intaccherebbe e danneggerebbe le cellule umane

Working Group NanotechnologyDr. Pter Krger May 2009 Seite 2 peter.krueger@bayerbms.com

Nanotech: purposeful tool or process to engineer matter on a scale betweenappr. 1 and 100 nm, to achieve modified or new sized dependent properties

Nanoscale and Nanotechnology

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Objects for comparison

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Blood cell

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Source: R. Tomellini, DG Research (Commissione Europea) Source: R. Tomellini, DG Research (Commissione Europea)

Source: R. Tomellini, DG Research (Commissione Europea)

Funding2000 The Clinton administration announces NNI, the National Nantotechnology Initiative-large funding now available for projects in nanotech (started in 2001)2003 Beginning of European Framework Programme 6th (FP6, 2003-2006), strongly financing nanotechnological research. Significant funding to nanotechnology was also granted through FP5 (1998-2002). In 2007 the FP7 begun, with substantial funding for nanotechnology and converging technologies.

In the US

Source: National Science Foundation

7th Framework Programme

Source: Small Times Media (2004)

Private investment in nanotech: where does it go?(the situation in the U.S.A.)

Outcome for governments (US investment is approx. 25% of global)

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Number of publications (USA vs total)

Number of high impact factorpapers (USA vs total)

Number of nanotech patents

Many new journals are fully dedicated to nanotechnology issues

While several important science journals (in chemistry and physics in particular) are

dedicating a growing portion of their issues to nanotech papers

A cosa servono le nanotecnologie?

Trattamenti superficiali che ottengono questo tipo di risultato sono stati sviluppati nel laboratorio di George Whitesides ad Harvard

La superficie delle foglie, specie quelle del fiore di loto, mostra una estrema idrofobicit(grandi angoli di contatto per lacqua, superiori a 150)

Queste superfici idrofobiche mostrano anche un rimarchevole effetto autopulente

Spiegazione:-il materiale idrofobico-c una struttura superficiale (20-100 m)

Leffetto della foglia di loto

IBM scientists have had some fun manipulating atoms and making pictures!

Viewed with an STM.http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html

2000 2000 EiglerEigler and other devise a quantum mirageand other devise a quantum mirage-- placing a placing a magnetic atom at the focus of an elliptical ring of atoms magnetic atom at the focus of an elliptical ring of atoms creates an mirage atom at the other focuscreates an mirage atom at the other focus-- transmitting info transmitting info without wires?without wires?

(Fasi di costruzione di un corallo quantico, Don Eigler, IBM)

Scendendo verso la scala del nanometro, gli EFFETTI DELLA SUPERFICIE sono sempre pi importantiSu una particella sferica: S/V1/r, per cui alto se r piccoloLa composizione chimica del materiale alla superficiedetermina: il comportamento chimico (reattivo / inerte) il comportamento fisico (conduttore / isolante) la polarit (idrofilico / idrofobico) la struttura superficiale su scala molecolareLa topografia (valli e colline") determina la cinetica della reattivit chimica (reazioni lente o veloci, siti reattivi) il comportamento fisico della superficie (riflettivit, bagnabilit effettiva) il comportamento tribologico (la frizione su una superficieruvida o liscia)

EFFETTI DI SCALAMolte propriet fisiche hanno una dimensione caratteristica. Quando una particella (o una dimensione di un oggetto) diventa pi piccola di questa dimensione, allora mostra proprietnuove e caratteristiche. Ad esempio,la struttura elettronica, la conduttivit, la reattivit, la temperatura di fusione, le propriet meccaniche cambiano quando la dimensione delle particelle scende sotto una soglia critica. Le nanoparticelle sono pi piccole della lunghezza donda della luce e interagiscono con essa con effetti quantistici: il loro colore non dipende solo dal materiale, ma anche dalle loro dimensioni. Gi nelle vetrate delle chiese medievali, si usavano nanoparticelle di ossidi metallici per colorare: oggi si utilizzano perch sono spesso molto pi colorate (o fluorescenti) dei corrispettivi coloranti organici e durano molto pi a lungo.

quantum-dots come fluorofori

Fluorescence microscopy of quantum dots internalized in CHO-K1 cells. Cells were labeled in four separate reactions with quantum dots havingemission maximas of 519 nm, 535 nm, 587 nm, or 616 nm. Cells were mixed, fixed, and mounted for fluorescencemicroscopy.

Why cant we just scale down machines, build the same mechanical parts only smaller? Stickiness, Brownian motion, surface to volume ratio, weird quantum forces

Water, at the nanoscale, is not the free flowing liquid we are used to in the macroscale. Tiny objects in water are surrounded by a sticky viscous fluid-more like molasses.

The properties of fluids at the nanoscale become dominated by viscosity. In order to move forward, the volume of fluid we have to move out of the

way, in a given time, varies like the velocity (v) times the area (a). Momentum (p) is mass times velocity. Mass is density () times volume. Inertial force is;

Force = dp/dt ~ avForce of viscosity is; F= av, where is the liquid viscosity.

The ratio gives Reynolds number; (Inertial Force)/(Viscous Force) = av/

As you can see for a smaller surface area (a), the ratio gets smaller and hence the effect of viscosity gets greater and will affect the motion of the small object more.

A bacterium is a million times smaller than a human, so the bacterium feels water one million times more viscous than we do!

Brownian Motion Objects under a microscope appear

to be undergoing continuous random motion-jiggling.

This is due to the constant bombardment of a microscopic object by atoms and molecules. Atoms and molecules are always in constant motion and they collide frequently with other larger objects, making the object, look like it is jiggling around by itself. You cannot see the atoms bombarding the larger object.

The discrete nature of atoms means that it is possible to have an imbalance in the number of impacts from one direction, hence the object moves one way and then another in an apparent random motion or random walk.

[filmato]

Due strategie per la nanofabbricazioneTop-down

Sfruttando strumentazioni complesse e grandi si possono costruire oggetisempre pi piccoli

(ad esempio usando la litografia, le microscopie a sonda, le pinzette ottiche, gli assemblatori molecolari)

Bottom-up

Si pu codificare linformazione dellassemblaggio in mattoni intelligenti, molecole o gruppi di molecole che poi autonomamente si trovano, si riconoscono e formano strutture via via pi grandi e complesse. (come agitare un sacco di mattoni e aprendolo trovarci dentro una casa costruita)

LE NANOTECNOLOGIE SONO GI TRA NOIAlcune scoperte nanotecnologiche sono gi state incluse in prodotti:- La magnetoresistivit gigante che si ottiene frapponendo film di materiale non magnetico spesso pochi nm tra strati di materiale magnetico viene gi utilizzata (dal 1997) per costruire testine di lettura di dischi magnetici con sensibilit centinaia di volte superiore a quelle prodotte qualche anno prima. Questo fenomeno potrebbe essere in grado, nel giro di pochi anni, di portare alla realizzazione di RAM magnetiche non volatili a lettura veloce;- Le nanoparticelle sono ormai prodotte per le applicazioni pi disparate: rilascio controllato di farmaci, filtri solari (per i parabrezza delle auto), antiossidanti, catalizzatori; Strati protettivi per vetri resistenti ai graffi sono realizzati con nanoparticelle di ossido di titanio: sono trasparenti nel visibile e assorbono gli UV. Se poste sui vetri, i vetri diventano idrorepellenti e possono sfruttare la luce del sole per degradare lo sporco (finestre autopulenti).Le nanoparticelle sono forse lesempio pi antico di nanotecnologia (inconsapevole): venivano usate per colorare i vetri dai Romani nel IV secolo A.C.- Ci sono gi esempi di produzione di materiali nanostrutturati (fatti di nanoparticellemescolate, ad esempio) che hanno propriet (ottiche, elettroniche, meccaniche) migliori dei costituenti. Un esempio naturale di questo tipo di materiale sia ha nella biomineralizzazione: pochissimi peptidi in un materiale inorganico lo rendono molto duro e centinaia di volte piresistente del materiale inorganico cristallino puro;- I laser a punti quantici sono gi utilizzati nei lettori di CD

Una grande attesa per le nanotecnologie viene dallelettronica, che ha un forte bisogno di ridurre le dimensioni dei componenti per metterne un numero sempre maggiore dentro ai computers. Non si pu per semplicemente ridurre di dimensione il tipo di componenti attuali (costi e problemi) per cui si spera di trovare strade alternative.

MATERIALI NANOSTRUTTURATI CON PROPRIET ECCEZIONALI

Controllando la struttura dei materiali sulla scala dei nanometri si possono ottenere materiali con propriet molto superiori a quelle dei materiali conosciuti.

Un esempio delle possibilit offerto da un caso naturale oggetto di studi nanotecnologici: la seta del ragno.

Questa molto promettente per le applicazioni tecnologiche e potr ricoprire un grande valore economico. Ha propriet eccezionali di resistenza allo stiramento (meglio dellacciaio), una estensibilit paragonabile alla gomma, grande capacitdi assorbire acqua (come la lana) ed biodegradabile. Le propriet meccaniche della seta di certi ragni (Nephila clavipes) persino superiore a quella del Kevlar, utilizzato oggigiorno per i corpetti antiproiettile.

Gli organi del ragno che filano la seta

Le propriet sono dovute sia alla sequenza di amminoacidi, che alla tecnica di filatura: questi producono una nanostrutturazione sia resistente che elastica.-sheets

Product life time, Nano in Steel? CNT > 500 years..

Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre

Nano in Construction

http//www.nanodynamics.com/encement.php

Additive to ordinary cement

Reduces shrinkage of pre-fabricated structures

Rapid set times

Significant increase in compressive strength

Minimizes energy consumption and carbon

footprint by reducing material requirements

Low-impact manufacturing process

The Lycurgus Cup(The British Museum)Late Roman, 4th century ADProbably made in RomeThe opaque green cupturns to a glowingtranslucent red whenlight is shone through it. The glass contains tinyamounts of gold and silver nanoparticles, which give it theseunusual opticalproperties.

Le nanotecnologie prendono spunto dalla natura

Seguire lesempio della natura prendendo spunti e mettendo insieme tecnologia artificiale e biomimetica. Un esempio ingegnerizzare un adesivo prendendo spunto dalladesione del geco e della cozza.

Achievements in devices and systems

Carbon nanotubes as emitters for FED (Field Emission Display)

Samsung SDI and LG Electronics 38 inch FED demonstrated

ZnO nanorods for display applications POSTECH

Cross sectional view of typical CNT-emitters by Samsung Advanced Institute of Technology

Retail Product on the market: CORSA NANOTECH High Altitude Climbing, Ski Mountaineering Second lightest ice axe in the world! Sandvik Nanoflex steel pick and spike for durability and ice penetration Ideal for snow travel and self arrest Can be used as an anchor for glacier rescue and traversing cornices Nylon spike plug on all lengths keeps ice out of shaft Optional sliding leash (1305) easily attaches to shaftThe most advanced mountaineering ice axe on the market. Employs the same 7075-T6 aluminumalloy as the hyperlight Corsa, but features innovative Sandvik Nanoflex steel reinforcementson the pick and spike. The steel components dramatically increase the durability and strength ofthese critical points without significantly increasing the weight of the axe. In addition, the Corsa Nanotech has an aggressive single-curve shaft that provides better clearance without interferingwith walking or plunging performance. Can be fit with either the sliding leash (1305) formountaineering or the Alpina leash (1304) for alpine climbing.SPECSID: 1429Sizes: 50, 60, 70 cmShaft: BPick: BSpike: Sandvik Nanoflex SteelLeash: NoWeight: 250 g, 8.8 oz$159.95 USD

http://www.nanotechproject.org

Per propriet meccaniche

Benefit:- Stronger- More stable- More power

Nano-enhanced fabric: the lotus leaf effect in your wardrobe

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Trattamenti superficiali disponibili commercialmente

Nano in Cosmetics, >20 year old story of money makingBesides all the small SMEs, some samples how big industries benefitfrom nano-inside:LOrealLOreal, the worlds largest cosmetics company, is devoting about $600million dollars, of its $17 billion dollar revenues, to Nano patents, andhas patented the use of dozens of nanosome particles 800 timessmaller than a human hair as delivery systems for nutrients. With 192patents in Nanotechnology, LOreal now ranks No. 6 amongNano patents in the United States. At LOreal factories,nanosize bits are being created with high-pressuremachinery that fires droplets of material at thespeed of soundhttp://www.nanoscienceinstitute.com/NanoCosmetics.htmShiseidoShiseido independently developed the "nano-coating technology" in 1988to treat the powder surface with an ultrathin film. The technology improvedthe functions of cosmetics in various ways: the color production anddispersibility of colored powder were improved and the smell change wasreduced(http://www.shiseido.co.jp/e/ken/develop/dvp_fti.htm)and a wide range of SME, selling e.g. nano enhanced sol-gel based nail coatings

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What They SayThe natural health benefits of cocoa have been combined with RBCs NanoCluster delivery system to give you CocoaClusters a technologicallyadvanced form of cocoa that offers enhanced flavor without the need for excesssugar.The natural benefits of cocoa have now been combined with modern technologyto create CocoaClusters. RBCs NanoClusters are tiny particles, 100,000th the sizeof a single grain of sand, and they are designed to carry nutrition into your cells.* During the process of creating NanoClusters, pure Cocoa is added to the Clusterformation to enhance the taste and the benefits of this treasured food.

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Un inventario dei prodotti contenenti componenti nanotechpresenti sul mercato: [link]Documenti 2012 dellFDA con raccomandazioni per i prodotti dellindustria alimentare(link) e cosmetica (link) riguardo alle nanotecnologie.

Primea RingCompany: Saeco USA Inc.What They SayNanotechnology: Standard on all Primea machines, nanotechnology ensures the milk frothed inside the machine does not adhere to any of the internal components. A silver ion coating inhibits the milk from building up on the internal facets of the machine. Bytouching the appropriate icon, the machine will perform a cleaning cycle using the nanotechnology to remove any milk that may be left in the machine after frothing or steaming.Nanotea

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Prepared with nano-technology, the nano-tea can release effectively all the excellentessences of the tea, thus boosting the adsorption (adsorbing viruses, free radicals, cholesterol and blood fat) and annihilation of viruses through penetration so that a good supplement of selenium can be achieved and the selenium supplement functioncan be increased by 10 times.

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Nanoceuticals Citrus Mint Shampoo RBC Life Sciences, Inc. Health and Fitness > Personal Care

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Nanoelectronics to sustain Moores law?

COSA SONO LE NANOBIOTECNOLOGIE?Sono un sottoinsieme delle nanotecnologie: studi e costruzioni a livello atomico usando building-blocks biologici. Sono ovviamente correlate da vicino alle biotecnologie ma con la possibilitaggiunta del controllo dei dettagli atomici degli oggetti costruiti. Il pi delle volte comprende un uso nuovo o anomalo delle macchine molecolare e dei dispositivi biologici.

Le nanobiotecnologie sono un campo di ricerca interdisciplinare e giovano della chimica, della fisica, della biologia, dellinformatica.

Le nanobiotecnologie come erano intese negli anni 60 (un fotogramma da Viaggio allucinante, 1966)

Semantica? Le Nanobiotecnologie comprendono lo studio delle interazioni tra i materiali e gli strumenti delle nanotecnologie e le molecole biologiche, o la possibilit di costruire oggetti non naturali con propriet innovative con le molecole biologiche o facendo ibridi delle molecole biologiche con altre strutture.

Lautoassemblaggio allordine del giorno nei sistemi biologici (ma cos duramente ottenuto nelle nanotecnologie classiche) e pu essere sfruttato per fare costruzioni, come nellesempio a fianco ove la presenza di un DNA bersaglio promuove la creazione di complesse strutture con nanoparticelle inorganiche. La presenza del DNA bersaglio cos rivelata grazie alle propriet particolari della nuova costruzione (alternativamente la nuova costruzione pu servire per sequestrare il DNA bersaglio dalla soluzione)

Ad esempio il legame di DNA su una microleva dove questo trova una sequenza di oligonucleotidi ad essa complementare produce variazioni nel comportamentoofisico della microleva e quindi rivela la presenza del DNA target in una miscela complessa di DNA ed altre molecole. questo un approccio alternativo ai DNA-array, con una lettura integrata del segnale: senza bisogno di etichettare il DNA (ad esempio con molecole fluorescenti) e potendo costruire chip con i loro rivelatori integrati delle dimensioni dei micrometri)

Synthetic Biology seeks to understand and design biological systems andtheir components to address a host of problems that cannot be solved usingnaturally-occurring entities. Employing organisms and biologically inspiredsystems to solve real-world problems has enormous potential for humanhealth, renewable energy, and the environment. Synthetic biology alsoprovides an alternative perspective from which to consider, analyze, andultimately understand our living world.

Synthetic biology is a new area of research thatcombines science and engineering in order to design and build novel biological functions and systems. So what tricks does Nature use and

what can we borrow? Self assembly methods, used by lipids or cell

walls, DNA (software) and proteins (hardware machines of the cells)

Molecular recognition (selective bonding or stickiness)

Brownian motion Activated conformational change (molecules

folding up in a certain way)E.g.: Photosynthesis uses all the above tricks to

convert solar power into usable energy for cells.

Paralleli tra motori tecnologici e biologici

Paralleli: un ribosoma ed una catena di montaggio robotizzata

Comprendono ad esempio lo studio come molecole singole dei nanomotori biologici e la loro inclusione in nanocostruzioni decontestualizzate rispetto al loro ambito naturale: ad esempio immobilizzate su nanocircuiti ottenuti per litografia

A volte i nanomotori appaiono decisamente simili ai macromotori

Il motore che muove un flagello

Ad esempio il motore molecolare F1 ATPasi, isolato dalle cellule, stato legato covalentemente ad un supporto microfabbricato, in modo che le molecole si legassero stabilmente in modo orientato ed in punti determinati (ordinati) e noti. Sui motori stato legato un braccio, anchesso di materiale inorganico. Allaggiunta di ATP i motori ruotano i bracci.

Montemagno e collaboratori

Il movimento dellATPasirivelato nel lab. di Kinosita

Nei motori convenzionali lenergia viene convertita in movimento, in quelli molecolari, invece, lenergia viene spesso usata per interrompere un movimento. Il mondo in miniatura regolato da fluttuazioni termiche e quantomeccaniche ed i motori funzionano nei pressi dellequilibrio termico. Per le molecole muoversi in maniera deterministica difficile come camminare dritti allinterno di un uragano. Il trucco che usano le molecole per tirare fuori qualcosa di buono dal rumore browniano quello di selezionare le variazioni casuali desiderate da quelle indesiderate.

Spesso i motori macroscopici e quelli molecolari funzionano con principi diversi (ed efficienze diverse)

(Univ. Sapienza, Roma)[filmato]

Una certa variet di costruzioni, dispositivi e calcoli si possono fare con gli acidi nucleici: lautoassemblaggio di questi prevedibile con una certa facilitsfruttando le regole dellappaiamento secondo Watson e Crick

DNA cube (Ned Seeman) DNA computing (Adleman)

LE TECNICHE DELLE NANOBIOTECNOLOGIEMoltissime sono le tecniche sperimentali utilizzate nelle nano(bio)tecnologie, rispecchiando la multidisciplinarit degli approcci e delle competenze coinvolte. Alcune tecniche, per, sono state ideate ed ottimizzate con il nanomondo in mente, per visualizzare, misurare e manipolare oggetti della scala dei nanometri, operando con forze dellordine di quelle di interazione tra le molecole. Alcuni esempi:- Le tecniche di fluorescenza (spettroscopia e microscopia) di singola molecola- Le microscopie a sonda- Le pinzette laser (optical tweezers)

Principio dellAFM e cantilevers

Manipolazione con optical tweezers

Microscopia a fluorescenza di singole molecole

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activity

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Single molecule

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Single molecule techniques

-Probability distribution function- frequency histogram of the actual distribution of values

-Important for systems which may show local heterogeneity

-May reveal unusual phenomena not observed in bulk measurements

Trends in HealthcareModern Issues:

-We are getting older and sicker

-Demand of care is growing

-We dont take good care of ourselves

-We expect better choices

HEALTHY LIVING AND HEALTHY AGEING

-Prevention and earlier diagnosis

-More precise and individualized treatment

-Integral disease management tailored to the medical conditions of the patient

-Inclusive healthcare tailored to the setting: hospital->home, urban & remote

-Engaged and empowered patients, participating in their own treatment

(prevenzione secondaria)

MagForceNanotechnologies AG:Nano-Cancer-Therapy

No. 1 worldwide in the field ofnanotechnology cancer treatments Cancer therapy without side-effects (can be combined withconventional treatments) 20 years of basic research Cost-efficient and simple application Ongoing licensing studieswww.magforce.com [movie]

Curiox Biosystems:

DropArray Technology platform for the convenient and cost-efficientminiaturization of aqueous bioassays Thousand-fold reduction of material and reagent required;reduction of reaction time by a factor of ten Possible reduction of the research costs for drugdiscovery by 50% Chip and bench-top station First commercialization success in May 2008:sales partnership with Biobud, Korea, 2009:DropArray units sold in Singaporewww.curiox.com

Troponin levels can be used as a test of several different heart disorders, including myocardial infarction.

Needs in nanomedicineA number of academic centers of excellence in nanomedicine exist, but with no adequate resources and expertise for the development and no access to market

need to understand market

Large number of Pharma, Med-Tech companies and Healthcare providers haveaccess to market but most of them do not know how to handle very innovative technologies and do not want to take uncontrolled risk

need de-risked innovation

Small numer of qualified SMEs involved in nanomedicine exist but they have onlylimited development capacities

need to leverage capabilities

Early stage research projects most of the time are not market and medical needoriented and lot of money has been spent with limited output

need to refocus projects and money investment

Huge need for efficient translation research from discovery to developmentand commercialization

(from bench to market and the Common Strategic Framework of the EU)ETP Nanomedicine annual meeting, 2011

Cost Considerations for Nanomedicine Applications

I. Demographic changes, cancer, cardiovascular, neurodegenerative & muscolo-skeletal diseases are expected to be the major cost-causing diseases.

II. Further, personnel-intensive care (e.g. days in hospital) is very cost-intensive

Taking this into account, nanomedicine innovations are likely to reduce future health costs if they:

aim at major cost-causing diseases, and at the same time

reduce personnel costs, for example by reducing the required days of in-patient care

contribute to healthy-aging via raising the health status of the population

On the other hand, nanomedicine innovations are lilely to have no major effect or even increase future health care costs if they

aim at disease of minor cost relevance such as infections or diseases with a low prevalence and incidence, or

come as add-on technology, which offers only a small health effect at significant costs so that the cost-benefit ratio is unfavourable, or

result in additional procedures without substantial health effects (e.g. more diagnostic procedures).

ETP Nanomedicine annual meeting, 2011

Cost Considerations for Nanomedicine ApplicationsExample: Cardiovascular disease

With 30 % of the projected deaths the leading cause of death worldwide

Due to huge number of patients, even small effects will result in large costimpacts

Main cost drivers are intensive care for chronic patients and rehabilitation forstroke patients

Potential nanotechnology innovations which may offer a cost reduction:

detection of unstable plaques to early identify those patients at high risk of heart attack for effective protection streategies

or even more simultaneous detection and treatment of unstableplaques

ETP Nanomedicine annual meeting, 2011

A nanomechanical biosensor

nanobiosensors sensitivity

2001 - Prince Charles refers to grey goo and Michael Crichton writes Prey

In the Nevada desert, an experiment has gone horribly wrong. A cloud of nanoparticles -- micro-robots -- has escaped from the laboratory. This cloud is self-sustaining and self-reproducing. It is intelligent and learns from experience. For all practical purposes, it is alive. It has been programmed as a predator. It is evolving swiftly, becoming more deadly with each passing hour. Every attempt to destroy it has failed. And we are the prey.

Non tutto necessariamente positivo riguardo alle nanotecnologie e i dibattiti etici infuriano quasi quanto quelli scientifici

The real Dark Side of Nanotechnology?

There has not been enough research done to know what the biological implications of NanoIndustry will be.

There is evidence to suggest possible problems.

As a scientific community, we should be pro-active in addressing the possible risks.

Cellular Uptake of Nanoparticles

Often, most nanoparticles do not interact with cells unless their surface is bound to cell-interacting molecules

Receptor-targetedNanoparticles

Non-targetedNanoparticles

Social and Ethical Issues in NanomedicinePossible health benefits must be balanced against possible adverse health effects, social and ethical issues.

Health risks of nanoparticles

Engineered nanoparticles can pose health risks such as the exposure to ultrafine dust particles poses health risks for humans, such as Natural Nanoparticle sources (e.g. salt spray from the ocean) & produced (e.g. cooking, material fabrication, diesel exhaust).

Generally 2 forms of application of nanoparticles need to be distinguished with respect to exposure and possible health risks:

Nanoparticles bound into a chemical matrix, such as a polymer or a metal. Unless nanoparticles are released due to chemical processes or wear, these materials are generally considered safe

Free nanoparticles in the air or in fluids that can be takn up by the body via the lung, skin or the intestinal tract.

Nanoparticle emission can occur during R&D activities, manufacturing, use, and after use/during disposal, and after their dispersion in the environment.

Potentially exposed groups comprise staff in R&D manufacturing, diagnosis and treatment, disposal, recycling, remediation and cleaning, transport and trade, and accidents, patients and the general population. The need to Develop harmonized nomenclature, criteria for nanoparticle characterization. Develop methodologies for routine measurements. Develop equipment and methods for production

ETP Nanomedicine annual meeting, 2011

More Studies are Needed to Understand Biouptake!

Systematic studies over a range of nanoparticles sizes and surface chemistries

Evaluation of specific Nanoconjugates Nanoparticles bound to particular

molecules that may play a role in biouptake

Bioaccumulation? Accumulation of a substance within a

species due to lack of degradation or excretion

Most nanoparticles are not biodegradable If nanoparticles enter organisms low in the

food chain, they may be expected to accumulate in organisms higher in the food chain

Need to understand possible healtheffects of nanoparticle exposure!

Nanoparticle Aggregation

In complex aqueous environments, many types of nanoparticles undergo aggregation Biological interactions with aggregated

nanoparticles similar to bulk materials Intracellular aggregation may cause

extensive damage and induce cell death May expect similar results to diseases

caused by protein aggregation (i.e., sickle cell disease, prion diseases)

Facilitated Transport of Toxins

Adsorbed molecules will enter cells if nanoparticles do

Substances normally excluded from cells may then enter

Substance may be toxic tothat organism or onesfurther up the food chain

Toxin

Any evidence for this?

Many studies show facilitated transport of heavy metals, fertilizers, and pesticides into fish Chemicals adsorb to naturally occurring

colloidal particles, resulting in tremendous increases in biouptake

Nanoparticle-Induced Activation of the Immune System

In an organism, proteins will be the dominant adsorbate. All extracellular proteins involved.

Proteins change their conformation during adsorption, and thus may change function.

Complement ProteinsAntibodies (IgG, IgM)

Potential Effects?

Inhaled particles induce inflammationin respiratory tract, causing tissue damage. Example: Inhalation of silicaparticles in industrial workers causessilicosis.

Ingested nanoparticles may cause liverdamage. Ingested nanoparticles (i.e. for oral drug delivery) have been found toaccumulate in the liver. Excessive immune/inflammatory responses cause permanentliver damage.

Possible Induction of Auto-Immune Disorders

MacrophagePhagocytoses ForeignMaterial, Binds C3BC5B

Phagocytosis

LymphocyteProduces Antibodies

MacrophageInstructs lymphocytes to generate antibodies against phagocytosed material

Y YY Y Y

Y

Y

Y Y

Antibodies

These antibodies may recognize proteins that were adsorbed to the nanoparticles. These were denatured proteins from the same animal. Antibodies may cross-react with nativeproteins, inducing Auto-Immunity.

Auto-Immune Disorders are Linked to Small Particulates

Example: Wear debris is generated byorthopedic implants. Patients with suchimplants have a statistically significant rise in the incidence of auto-immune diseases.

Example: Industrial workers who breatheparticulate matter (i.e. silica dust) have asignificantly higher risk of auto-immunedisorders.

A preemptive war is a war that is commenced in an attempt to repel or defeat a perceived inevitable offensive or invasion, or to gain a strategic advantage in an impending (allegedly unavoidable) war before that threat materializes. It is a war which preemptively 'breaks the peace'. The term: 'preemptive war' is sometimes confused with the term: 'preventive war'. The difference is that a preventive war is launched to destroy the potential threat of an enemy, when an attack by that party is not imminent or known to be planned, while a preemptive war is launched in anticipation of immediate enemy aggression. Most contemporary scholarship equates preventive war with aggression, and therefore argues that it is illegitimate. The waging of a preemptive war has less stigma attached than does the waging of a preventive war. Prevenzione Primaria: la forma classica e principale di prevenzione, focalizzata sull'adozione di interventi e comportamenti in grado di evitare o ridurre l'insorgenza e lo sviluppo di una malattia o di un evento sfavorevole. La maggior parte delle attivit di promozione della salute verso la popolazione sono, ad esempio, misure di prevenzione primaria, in quanto mirano a ridurre i fattori di rischio da cui potrebbe derivare un aumento dell'incidenza di quella patologia. Frequentemente la prevenzione primaria si basa su azioni a livello comportamentale o psicosociale (educazione sanitaria, interventi psicologici e psicoeducativi di modifica dei comportamenti, degli atteggiamenti o delle rappresentazioni). Un esempio di prevenzione primaria rappresentato dalle campagne antifumo promosse dai governi. Prevenzione Secondaria: si tratta di una definizione tecnica che si riferisce alla diagnosi precoce di una patologia, permettendo cos di intervenire precocemente sulla stessa, ma non evitando o riducendone la comparsa. La precocit di intervento aumenta le opportunit terapeutiche, migliorandone la progressione e riducendo gli effetti negativi. Un esempio di prevenzione secondaria lo svolgimento del Pap test nella popolazione femminile sana. Prevenzione Terziaria: un termine tecnico relativo non tanto alla prevenzione della malattia in s, quanto dei suoi esiti pi complessi. La prevenzione in questo caso quella delle complicanze, delle probabilit di recidive e della morte (anche se, in tale caso, tutti i trattamenti terapeutici sarebbero in un certo senso, paradossalmente, "prevenzione"). Con prevenzione terziaria si intende anche la gestione dei deficit e delle disabilit funzionali consequenziali ad uno stato patologico o disfunzionale. La prevenzione quaternaria la prevenzione della medicina non necessaria o la prevenzione della

Le forme di prevenzione