Nanovetenskap och -teknologi Kai Nordlund 29.3.2015 Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten Institutionen för fysikaliska vetenskaper Acceleratorlaboratoriet.

En presentation över ämnet: "Nanovetenskap och -teknologi Kai Nordlund 29.3.2015 Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten Institutionen för fysikaliska vetenskaper Acceleratorlaboratoriet."— Presentationens avskrift:

1 Nanovetenskap och -teknologi Kai Nordlund 29.3.2015 Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten Institutionen för fysikaliska vetenskaper Acceleratorlaboratoriet

2 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Innehåll Vad är nanovetenskap och teknologi? Varför är nano nytt och annorlunda? Bakgrund: Feynmans och Drexlers visioner Verkligheten nu: Forskning Bottom-up vs. top-down Historisk och naturlig nano Industri och marknader -Finland -Världen Framtid: moderna visioner och drömmar

3 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Vad är nanovetenskap? ”Vetenskap som undersöker och utnyttjar strukturer som är i storleksordningen 1 – 100 nm åtminstone i en dimension. Objekten är väl kontrollerade i detta storleksområde vad gäller tillverkning, modifikation eller analys, och forskningen har en grundläggande nyhetsaspekt vad gäller materialet självt, dess analysmetoder eller den vetenskapliga frågeställning” -Kai Nordlund -Syntes av flera mer auktoritära källor Nyhetsbegreppet viktigt! Nanoteknologi Tillämpning av dito Nanobusiness, nanoprodukter Kommersialiserad nanoteknologi

4 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Hur liten är en nanometer? (1) D ~ 1 nm D jord /D boll = D boll /L fulleren D ~ 13000 km D ~ 0.3 m

5 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Hur liten är en nanometer? (2) Regndroppe Växtsporer Bakterier Tobaksrök Virus Svampsporer

6 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Ny vs. gammal nano Gränsdragningen över vad som ‘förtjänar’ att kallas nano är ofta svårt Exempel: halvledarindustrin Den aktiva komponenten i kiselprocessorerna är MOSFET- transistorn Det isolerande kiseldioksidlagret har redan i åratal varit i nm-området I den nyaste generationens chips är hela den ledande kanalen < 100 nm Men grundläggande lösningen är samma som förr Miniatyrisering ger inte nyhetsvärde i sig självt!? Men i år (2006) ersätts kiseldioxidlagret med ett Hf/Zr-oxidlager som tillverkats med en helt ny metod, ALD !? ALD utvecklat i Finland Semantik, inte egentligen så viktigt...

7 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Varför är nano nytt? Nanometer (meso-) skalan är i och för sig känt i över hundra år, ända sedan atomens storlek bestämdes Men därefter skedde grovt sett en tudelning i vetenskapen: Atomfysiken fokuserade sig på enskilda atomer Materialfysiken och metallurgin fokuserade sig på kontinuerligt bulkmaterial Nanoskalan blir däremellan, och gäller uttryckligen fall där man behandlar enskilda nano-objekt, eller utnyttjar sådanas funktionalitet då den avviker från makroskalan Iofs. forskades det ju nog hela tiden i nanometerskalan från många utgångspunkter, t.ex. Kemi, molekylifysik Strålninsskador i material Biostrukturer Men utgångspunkten var ”genomsnitts”-funktionaliteten

8 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Varför är nano nytt? Hyvä esimerkki siitä että vielä 1970-luvulla nanotiede ei kiinnostanut juuri ketään on nanoputkien löytöhistoria Nanoputket ovat nanotieteen “prototyyppi”- materiaali. Yleensä kunnia nanoputkien löytämisestä annetaan Sumio Ijimalle joka kuvasi niitä 1991. Mutta mutta: R. Bacon, National Carbon Comp., Parma, Ohio luultavasti tuotti niitä tietämättään vuonna 1960. M. Endo, Japani, tuotti ja kuvasi niitä tarkasti vuonna 1977 P. Wiles, University of Canterbury, Uusi Seelanti tuotti ja kuvasi niitä vuonna 1979 Aika ei ollut kypsä nanolle

9 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Varför är nano annorlunda? Exempel 1: atomboll Hur stor del av atomerna i en boll är på ytan? Vi vet att ett atomlager är ungefär t =0.2 nm tjockt Volymen av ytatomerna: V yta = 4  r 2 t Hela bollens volym: V boll = 4  r 3 /3 Förhållandet, alltså fraktionen ytatomer: V yta / V boll = 3 t / r Betrakta nu olika värden på r: Makroboll: r= 1 m => 3 t / r = 6 10 -10 Mikroboll: r= 1  m => 3 t / r = 6 10 -4 Nanoboll: r= 1 nm => 3 t / r = 0.6 !! På nanoskalan är andelen ytatomer enormt! Dessa beter sig olikt de andra => stor effekt på materialets egenskaper! 2 Å

10 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Varför är nano annorlunda? Exempel 2: Kvantmekaniken ändrar på materialens egenskaper Om atomstrukturens längd är mindre än elektrontillståndets karakteristiska våglängd, kan elektronen ”infångas” i 1, 2 eller 3 dimesioner Elektronernas våglängdere är typiskt i nanometerområdet Man talar om 2D, 1D och 0D-strukturer beroende på hur många dimensioner är i nanometerskalan 2D-nanostruktur: tunn film, elektronerna infångad i 1 dimension 1D-nanostruktur: nanotråd, elektronerna infångade i 2 dimensioner 0D-nanostruktur: kvantpunkt, elektronerna infångade i 3 dimensioner [“Quantum corral”, IBM]

11 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Varför är nano annorlunda? Elektronernas tillståndstäthet är dramatiskt olikt då man sänker på antalet dimensioner: 3D: kontinuerlig 2D: trappor 0D: bara pikar I en kvantpunkt är elektrontillståndena kvantiserade helt som i atomer Men fördelen är att man kan ändra på kvantpunktens storlek => man kan justera punkternas platser Spännande optiska effekter och tillämpningar! Fotoemission från olika stora CdSe/CdTe-nanopartiklar

12 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Bakgrund: Feynmans tal Nanovetenskapens början kan anses vara i ett tal som nobelpristagaren i fysik Richard Feynman höll 1959 med rubriken ”There is plenty of room at the bottom”. Han framförde att miniatyrisering av komponenter kunde föras ner ända på atomnivå, så att man kunde bygga material en atom i taget De flesta nu aktuella visioner och tillämpningar i nanoteknologi kan hittas i detta tal Jag presenterar nu några av hans huvudpoänger

13 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Feynmans tal: roll i vetenskap “I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done in principle. This field is not quite the same as the others in that it will not tell us much of fundamental physics (in the sense of, ``What are the strange particles?'') but it is more like solid-state physics in the sense that it might tell us much of great interest about the strange phenomena that occur in complex situations. Furthermore, a point that is most important is that it would have an enormous number of technical applications.” Nanotiede svarar alltså inte på fundamentala frågor om varför universum existerar o.dyl. Den är från atomer uppåt Trots detta kan man finna filosofiska frågor i nanovetenskap Emergens, “more is different” Är det nånsin möjligt att förutspå makroskopiskt beteende från atomnivå??

14 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Feynmans tal: miniatyrisering ”Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? “ Feynman räknade att om man kunde tillverka atomstrukturer med ett tvärsnitt på 40 atomer, kunde man skriva hela Encyclopaedia Brittanica på toppen av en nål År 1959 var detta klart omöjligt Feynman blev utsatt för åtlöje Idag skulle det vara helt möjligt att göra, bokstavligen! Åtminstone på kisel Elektronstrålelitografi I praktiken vill ju ingen göra det så, utan man använder en DVD- skiva eller USB-sticka Men Feynmans vision har väsentligen förverkligats

15 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Feynmans tal: fysik – kemi - bioteknologi “This fact---that enormous amounts of information can be carried in an exceedingly small space---is, of course, well known to the biologists … in the tiniest cell, all of the information for the organization of a complex creature such as ourselves can be stored. “ … “The theory of chemical processes today is based on theoretical physics. In this sense, physics supplies the foundation of chemistry. But if the physicists [had a hundred times better electron microscope], they could also dig under the chemists in the problem of chemical analysis. It would be very easy to make an analysis of any complicated chemical substance; all one would have to do would be to look at it and see where the atoms are.” => När man rör sig nära atomnivå får fysik, kemi och biologi ett naturligt samband och de traditionella gränserna försvinner

16 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Feynmans tal: elektronikens miniatyrisering “I don't know how to do this on a small scale in a practical way, but I do know that computing machines are very large; they fill rooms. Why can't we make them very small, make them of little wires, little elements---and by little, I mean little. For instance, the wires should be 10 or 100 atoms in diameter, and the circuits should be a few thousand angstroms across. “. Detta har förverkligats bokstavligen!

17 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Feynmans tal: bio- ja nanomaskiner “Biology is not simply writing information; it is doing something about it.” … “What are the possibilities of small but movable machines?” … “A friend of mine (Albert R. Hibbs) suggests a very interesting possibility for relatively small machines. He says that, although it is a very wild idea, it would be interesting in surgery if you could swallow the surgeon. You put the mechanical surgeon inside the blood vessel and it goes into the heart and ``looks'' around. It finds out which valve is the faulty one and takes a little knife and slices it out. Detta är en av de allra mest ambitiösa visionerna i nanovetenskap: nanomaskiner med komplicerad funktionalitet! Detta var utopi på 1950-talet, och det är det fortfarande vad gäller en maskin som fungerar som kirurg! Men biologin har nanomaskiner som bevisligen fungerar!

18 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Feynmans tal: manipulering av atomer “But I am not afraid to consider the final question as to whether, ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them (within reason, of course; you can't put them so that they are chemically unstable, for example). Detta har förverkligats, på ytor

19 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Drexlers visioner År 1986 tog K. Eric Drexler visioneringen i nanoteknologi ännu längre i sin bok “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology” Grundideerna samma som Feynmans Han beskrev också en värld med självreplikerande nanomaskiner som kan reparera celler och därmed hindra människor från att bli gamla Å andra sidan beskrev han också nanorisker och nanovapen ”Gray goo”: självreplikerande nanomaskiner som äter upp allt från sin väg Denna ide har tom. Drexler själv dragit tillbaks som orealistik [år 1990s upplaga av boken]

20 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Visiot ja tutkimus Feynmanin ja Drexlerin visiot ovat varmasti olleet vaikutusvaltaisia etenkin inspiraatiomielessä Toisaalta nanotiede olisi varmasti kehittynyt jossain muodossa myös ilman heitä Materiaalitiede on kauan kiinnostunut pienemmistä ja pienemmistä objekteista Piiteknologian äärimmäisen onnistunut miniatyrisointi on hyvä motivaatio pyrkiä samaan kehitykseen muussakin -Myös piiteknologian menetelmät auttavat paljon Pienten atomiklustereiden tutkimus alkoi 1970-luvulla ilman nano- sanan käyttöä Atomivoimamikroskoopin keksimisellä 1980-luvun alkupuolella on ollut valtava vaikutus Todellisessa nanotutkimuksessa tänään vanhat visiot ovat lähes aina toissijaisia

21 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu Nu skall jag ge exempel på verklig, nu existerande nanovetenskap och forskning Intresset i dessa är i ett enormt uppsving sedan ungefär år 1995

22 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu: atomnivås transistorer En nanorörtransistor, där elledning sker i en enda kolmolekyl Förverkligad också i Finland Vissa av dessa kan fungera med en enda elektron i taget

23 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu: nanopinsetter C. Lieber, Harvard University

24 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu: nanomaskiner 1 I Århus universitet har man förverkligat en molekyl som rör sig på en metallyta och lyfter upp metallatomer från den, en i taget Atomär skördetröska

25 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligeheten nu: nanomaskiner 2 Nanorotor (1939rotor.gif)

26 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Bottom-up vs. top-down och self-assembly Man använder ofta följande begrepp om hur man kan bygga nanostrukturer: Bottom-up Man börjar från atomer och bygger uppåt Förverkligad med atomkraftmikroskop på ytor Verkligt långsamt och osäkert Lösning: self-assembly: atomerna hittar sina platser genom självorganisation Top-down Man börjar från makroskala och förminskar Kiselteknologi Fungerar: Pentium eller Opteron > 1 miljard fungerande komponenter på nanoskala Ofta nuförtiden en kombination av dessa två [IBM]

27 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Inget nytt under solen… Nanoteknologisia sovelluksia löytyy myös historiasta Lasinvalmistuksessa on lasimassaan usein sekoitettu esim. metalleja jotka muodostavat nanohiukkasia siinä Jänniä optisia efektejä “Wootz”-teräs alkuperäisissä Damaskeeni- miekoissa Nanopartikkelit antoivat hyviä ominaisuuksia [Verhoeven, Scientific American 284 (2001) 62] Mutta nämä eivät täytä nano-määritelmää hallittavuus Damaskeenimiekkoja ei enää pystytty valmistamaan kun Intian raudantuottajat muuttivat prosessejaan

28 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Naturens nano Biologin grundar sig naturligtvis på nanoskala Men all biovetenskap är inte nano Men i naturen förekommer objekt och funktionalitet som liknar mycket det som nu forskar i nanovetenskap “Biomimetics”: bioinspirerade material Naturens nanopartiklar Aerosolpartiklars nukleation är i grunden samma process som den som leder till tillväxt av nanopartiklar Viktig för förståelse av luftförorening och växthuseffekten [Hanna Vehkamäki, HU]

29 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Luonnon nanokoneet Prototyyppi nanokoneille, ja tavallaan ainoa todiste sille että konsepti ylipäätään on mahdollinen, tulee luonnosta Esim. Vorticella-vesieläin kykenee vetäytymään turvaan varttaan pitkin 2-3 mm muutamassa millisekunnissa. Tämä perustuu “spasmoneme”-varressa oleviin nanometriluokan jänteisiin Niitä pitää samansuuntaisina negatiivinen varaus Mutta jos varteen tulee neutraloivia Ca + -ioneja se luhistuu

30 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Naturens nanomaskiner Den bäst förstådda nanomaskinen är ATP-syntas Den är verkligen som en maskin med rörliga delar Den befinner sig i cellmembraner i oss alla Den skapar ATP ur ADP -ATP är cellernas viktigaste bränsle Animation ATPsynthase.mov

31 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Omvandling av naturens nanomaskiner En av de mest lovande ideerna att bygga nanomaskiner är att ta existerande biologiska maskiner och modifiera dem Detta har redan gjorts för ATP-syntas I ändan av den rörliga delen har man placerat en aktin- molekyl, som syntasen sedan roterade som en propeller! [Sambongi, Science 286 (1999) 1722]

32 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Todellisuus nyt: nanomarkkinat Nanoteknologia ei kuitenkaan ole rajoittunut tutkimukseen Sillä on jo nyt merkittävät markkinat Arviointi hyvin vaikeaa, mutta: Deutsche Bank [M. Werner], plenaariesitelmä EMRS 2003: -Tämänhetkiset maailmanmarkkinat 100 MEUR/vuosi -Ennuste vuodelle 2006: 1000 MEUR/vuosi -Nämä luvut sisältävät pääasiassa tietokoneiden kovalevy- ja piisiru-teknologiaa, joka oli 2003 päässyt nanometriskaalalle -Varsinainen uusien nanomateriaalien markkina on paljon pienempi: -Vuonna 2003: 0.4 MEUR/vuosi -Mutta kasvuvauhti hurja, noin 90 % vuodessa! -Ennuste 2006: 3 MEUR/vuosi

33 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu: nanoprodukter Billigare eller bättre mobiltelefoner med nanoprodukter Förenade chips i telefonen Ytbeläggning dit fingeravtryck inte fastnar Textiler och fönster som inte blir smutsiga Nanometerstora molekyler, som hindrar smuts från att fastna på textil-ytor Fönsterrutor som blir rena vid regn

34 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu: nanoprodukter Bilarnas katalysatorer är den största produkten som utan tvivel kan räknas till nanoteknologi Deras funktionalitet grundar sig på Pt/Pd/Rh-nanopartiklar som söndrar skadliga kolväten, kolmonoxid och kväveoxider med hjälp av ytkatalys P.g.a. metallernas höga pris är det helt nödvändigt att ha dem i nanopartikelform

35 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Verkligheten nu: nanoprodukter i Finland Även i Finland har man lyckats kommersialisera nanovetenskap Atomic Layer Deposition utvecklades i Finland Planars elektroluminescensdisplayer År 2006 i Intels chips Orion Diagnostica Nanopartiklar som ‘molekyldetektorer’ i läkemedelsindustrin Liekki Oy Aktiva optiska fibrer Direct Nanoparticle Deposition -Samarbete TTY – Konstindustriella högskolan

36 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Tulevaisuus: nykyhetken visiot “Ennustaminen on vaikeaa, varsinkin tulevaisuuden” -J. K. Paasikivi (?) Mutta alalla on jonkinlainen näkemys siitä mitkä nanoteknologian visiot toteutuvat lähi- ja mitkä kauemmassa tulevaisuudessa Siitä että jotain on toteutettu laboratoriossa on valtavan pitkä ja vaativa tie kaupalliseen sovellukseen Hinta Perinteisen ratkaisun syrjäyttäminen Markkinointi

37 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Tulevaisuus: nykyhetken visiot Todellisuutta jo nyt: Nanometriohutkalvot puolijohteissa Kovalevyjen valtava magnetoresistanssi (GMR)-lukupäät Lämmön- ja sähkönjohtavuuden parantaminen nanoputkilla Mekaanisten ominaisuuksien parantaminen nanoputkilla ja klustereilla -Tennismailat, golfmailat, polkupyörät jne. Aurinkorasvat joissa titaanidioksidihiukkasia Autojen katalysaattorit Jne jne.

38 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Tulevaisuus: nykyhetken visiot Tulevaisuuden aikaskaaloja on arvioitu mm. raportissa “The [US] National Nanotechnology Initiative at Five Years: Assessment and Recommendations of the National Nanotechnology Advisory Panel”, May 2005 (http://www.nano.gov/index.html ). Siinä arvioitiin millä tutkimusalueilla voi eri aikaskaaloilla odottaa “merkittävää menestymistä” 1-5 vuotta: Nanokomposiitit, joiden lujuus/paino-suhdetta, kestävyyttä ja muita ominaisuuksia on merkittävästi parannettu. Veden puhdistukseen, suolanpoistoon ja muihin sovelluksiin kehitetyt nanokalvot ja –suodattimet. Katalyytit, joissa tarvitaan nykyistä selvästi vähemmän jalometalleja. Herkät, selektiiviset ja luotettavat kiinteän olomuodon kemialliset ja biologiset anturit. Point-of-care lääketieteen diagnostiikkalaitteet. Pitkäkestoiset ladattavat paristot.

39 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Tulevaisuus: nykyhetken visiot 5-10 vuotta: Täsmälääkehoito Tehostettu lääketieteellinen kuvantaminen Tehokkaat ja edulliset aurinkokennot Paremmat polttokennot Tehokas teknologia vedyn tuottamiseksi vedestä Hiilipäästöjen torjunta Yli 20 vuotta: Lääkkeiden annostelu soluseinän läpi. Molekylaarinen elektroniikka. Täysoptinen tiedon prosessointi. Hermokorvikkeet halvausten, sokeuden ja muiden sairauksien hoidossa. Energian tuotanto ympäristön lämpöön ja kemiallisiin reaktioihin perustuen.

40 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Framtiden: de verkligt vilda visionerna? Det är redan klart att nanovetenskap har och kommer att ha en viktig roll i teknologi som påverkar vår vardag Men vad kan man säga om de vildaste visionerna? Att bygga en atom i taget kommer knappast att förverkligas enligt den ursprungliga visionen Fundamentala problem och för krångligt Begreppet nanomaskin såsom den visas av Drexler som en miniatyrisering av konventionell metallindustri förverkligas garanterat inte Metaller beter sig annorlunda på nanoskala Däremot förverkligas nanomaskiner som grundar sig på biologi i någon form säkert Men skalan, “upscaling” ?

41 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Framtiden: de vildaste visionerna? Den radikalaste visionen som verkligen skulle förändra saker som forskas i på allvar är rymdhissen Gammal ide, bl.a. A. C. Clarke Men konventionella material är inte tillräckligt starka Men kolnanorör kunde i teorin vara tilläckligt starka för att möjliggöra det hela NASA har ett litet projekt om detta Men har inte funnit fundamentala hinder till iden Men de praktiska problemen är ganska stora T.ex. ett 50 km högt torn som botten… Den uppskattade tidsskalan 100 år…

42 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Framtiden: risker Som redan sagt, behöver man inte vara rädd för “Gray goo”- maskiner som tar över allt inom överskådlig framtid En stor del av nanoteknologi är relativt riskfritt, inte värre än nuvarande teknologi Råvarumässigt är nanoteknologi enormt bra: bra funktionalitet med mycket lite råvaror Men speciellt vad gäller nanopartiklars kosmetiska, bio- och medicinska tillämpningar kan det finnas allvarliga riskfaktorer Nya material, små partiklar => vart rör de sig i kroppen? Man skall varken ignorera eller överdramatisera riskerna

43 Prof. Kai Nordlund, Helsingfors Universitet Sammandrag Nanovetenskap är rolig och spännande forskning Nanotekonologi påverkar vår vardag redan nu, och kommer att göra det allt mer i framtiden