Un materiale nanostrutturato (o nanomateriale) viene definito come un materiale solido caratterizzato da almeno una dimensione dell’ordine dei nanometri

Various Materials in Nanometer Dimension

< nm nm 1000’s nm’s Million nm’s Billions nm’s

Chimica, nanoparticelle, e fisica della materiacondensata

Atomi/Molecole

Quanto chimica

Particelle sunanoscala

?

Materiacondensata

Fisica dellostato solido

1 125 70,000 6 x 106 ∞Diametro 1-10 nm Diametro 100-∞ nm

In regime nanoscopico, non valgono nè le leggi della quanto chimica nè le leggidella fisica classica

Gli effetti dimensionali costituiscono un aspetto peculiare e affascinante dei nanomateriali. Gli effetti determinati dal cambiamento della dimensione di questi sistemi riguardano le proprietà strutturali, termodinamiche, elettroniche, spettroscopiche, elettromagnetiche e chimiche.

Le proprietà di un materiale dipendono dal tipo di moto degli elettroni, che a sua volta, dipende dallo spazio disponibile. Così, le proprietà del materiale sono caratterizzate da una specifica “scala di lunghezza”, in genere della dimensione dei nm. Se la dimensione fisica del materiale viene ridotta sotto questa scala di lunghezza, le sue proprietà cambiano e diventano sensibili alla dimensione e alla forma.

La La materiamateria ha ha proprietproprietàà insoliteinsolite sullasulla scalascala deidei nmnm

If you take gold and make particles about 10 nm in diameter, it looks wine-red or blue-gray, depending on how close the particles are together

ruby-red stained glass from goldnanoparticles

Relazione fra la dimensione delle particelled’oro e i loro punti di fusione

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

Particle Radius (nm)

Mel

ting

Poin

t (o C

)

Effetti dimensionali

Proprietà che dipendono dalla riduzione delledimensioni : Bulk vs. Nano

Punti di fusioneProprietà otticheColoreReattivitàProprietà magneticheConducibilitàCalori specifici…….

Nanotecnologia:

• “….concerned with materials and systems whose structures and components exhibit novel and significantly improved physical, chemical and biological properties, phenomena and processes due to their nanoscale size”

• (Report by the Interagency Working Group on Nanoscience, Engineering and Technology 2000).

Esempi dal mondo biologico:

Ferritina:

Microelettronica

ENIAC: il primo computer (1944)

Peso: ca. 30 tN. elementi: 19000 tubiConsumo: 200 kW

Computer (2004)

Peso: ca. 5 kgN. elementi: 55 milioni di transistors (pentium 4)Consumo: ca. 100 WDimensione minima elementi: ca. 100 nm

MINIATURIZZAZIONE

Microelettronica

Legge di Moore

Materiali macroscopici o mesoscopici

MICROSTRUTTURE (>100 nm)

NANOSTRUTTURE (1-100 nm)nuove tecnologie per elettronica,medicina, materiali, ecc.

Molecole

approccio“top down”

approccio“bottom up”

Tecniche “Top down” e “bottom up”

Micrografie a scansione elettronica di un toro inciso su una resina tramite fotopolimerizzazione a due fotoni, che mostrano la definizione raggiunta dalla miniaturizzazione con un approcciotop-down.Queste sculture sono lunghe 10 μm e alte 7 μm, e sono delle dimensioni di un globulo rosso.

“Nanochitarra”, scolpita tramite litografia a fascio elettronico su silicio cristallino. Ogni corda èlarga 50 nm (100 atomi)

larghezza = 50 micron

MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)

Dispositivi elettrici e/o meccanici di dimensioni dell’ordine dei micron (10-6 m).Prodotti usando tecniche top-down (di solito litografiche)

“Vedere” e “toccare” i singoli atomi

Immagine STM (Scanning TunnelingMicroscope) di un singlo atomo di Xedepositato su una superfici di Nickel(110)

Costruzione di un corral circolare tramite manipolazione atomica STMdi singoli atomi di Fe su una superficie di rame

Source: IBM Research Labs, Almadenwww.almaden.ibm.com

Top-Down

Ogni aspetto del sistema viene attentamente progettato e verificato a tutti i livelli.

Non-scalabile in termini di costo, tempo, affibabilità.

Bottom-Up

Vengono progettati solo i componenti base “semplici edeconomici”; il resto del sistema si organizza da solo.

Risposta non adattabile a mutate condizioni.

Intrinsecamente scalabile.

Flessibile, versatile, espandibile, adattabile.

Dipende drammaticamente dall’affidabilità del componen

PrincipaliPrincipali differenzedifferenze

StrategieStrategie di di svilupposviluppo

• Top-Down (tecnologia attuale).

– Miniaturizzazione continua dei dispositivi di bulk a semiconduttore

- Litografia ottica, ultra-violetta, a fascio di ioni, a fascio di elettroni

- Tecniche di Nanoimprinting (“soft lithography”)- “Proximal probe lithography” (STM, AFM, near field

microsopy,…)

• Bottom-Up– Epitassia– Self assembly– Deposizione di cluster– Design di molecole con funzionalità specifiche– Strutture supermolecolari– Sintesi chimica (e.g. nanotubi di carbonio)

Nanomaterials in current consumer products

Cosmetics, sunscreensContaining zinc oxide andTitanium oxide nanoparticles

Carbon nanotubes Nano polymercomposites for stainresistant clothing

• Expanding ability to characterize genetic makeup will revolutionize the specificity of diagnostics and therapeutics- Nanodevices can make gene sequencing

more efficient

• Effective and less expensive health care using remote and in-vivo devices

• New formulations and routes for drug delivery, optimal drug usage

• More durable, rejection-resistant artificial tissues and organs

• Sensors for early detection and prevention

Nanotube-basedbiosensor forcancer diagnostics

Health and Medicine

• Nanoparticles:– Catalysts for industrial chemical processing

• Nanocapsules– Possible organ specific drug delivery

• Nanomaterials– Improved strength and weight– E.g. carbon nanotube based materials

could be stronger and lighter than steel• Nanomechanical devices

– RF signal processing• Nanofluidic devices

– Lab on a chip• Nanoelectronic devices

– Computation– Communication– Nano-bio-electronic interfaces

• Chemical and biological weapons detection• DNA sequencing• Point-of-care clinical diagnoses• Fundamental studies of molecular biology

Some Nanotechnology UsesSome Nanotechnology Uses