Bendall, University of Cambridge, UK.

Transcript

1 Ανακαλύψτε h τα µυστικά του Νανόκοσµου Ευγενική παραχώρηση της εικόνας από τον Dr James Bendall, University of Cambridge, UK.

2 To Nάνο έχει γίνει µία λέξη buzzστο λαϊκό πολιτισµό και απλά σηµαίνει µικρό.

3 Για να κατανοήσουµε τη Για να κατανοήσουµε τη νανοτεχνολογία πρέπει πρώτα να σκεφτούµε την κλίµακα.

4 Ένα νανόµετρο είναι η µονάδα µέτρησης που χρησιµοποιείται στη νανοκλίµακα.

5 Αρκετά νανόµετρα εδώ! Το C 60 είναι ένα νανοσωµατίδι ο αφού η διάµετρός του είναι λίγο µεγαλύτερη από 1 nm

6

7 Σκύλος10 0 m ή1,000,000,000 nm σε µάκρος. Ψύλλος10-3 m ή1,000,000 nm σε µάκρος Ερυθρά αιµοσφαίρια10-5 m ή 6000 nm σε διάµετρο DNA 10-8 m ή2.5nm σε διάµετρο. Νανοσωµατίδιο10-9 m. Μία διάσταση µεταξύ 1 και 100 nm.

8 Ένα µόριο νερού, το οποίο έχει µέγεθος περίπου 0.5 nm,είναι σχεδόν τόσο µεγάλο, σε σχέση µε ένα µήλο, όσο ένα µήλο σε σχέση µε τη Γη. Ο δρόµος προς τη νανοκλίµακα είναι µακρύς!

9 Τα νανοσωµατίδια είναι απλά µικροσκοπικά τεµαχίδια ενός µεγαλύτερου υλικού, αλλά τι συµβαίνει όταν δηµιουργείτε τόσο µικρά κοµµάτια; Ευγενική παραχώρηση των εικόνων χρυσών νανοσωµατιδίων από τον Paul Rhatigan, Cambridge University.

10 Μικροσκοπικά κοµµάτια= µεγαλύτερη.

11 1cm Επιφάνεια 1cm 4cm 2cm 6cm 2 3cm 12cm 2 3cm

12

13 Τα νανοσωµατίδιαέχουν µεγαλύτερη επιφάνεια. Αυτό τα κάνει πιο αντιδραστικά αφού συµβαίνουν χηµικές αντιδράσεις στην επιφάνεια. Πιο αντιδραστικά σηµαίνει πιο χρήσιµα δυνητικά.

14 Σε ένα κυβικό εκατοστό ενός υλικού, ένα στα 10 εκατοµµύρια άτοµα βρίσκονται στην επιφάνεια, αλλά για ένα κυβικό νανόµετρο, το 80% των ατόµων βρίσκονται στην επιφάνεια και δυνητικά έτοιµα να αντιδράσουν! Ευγενική παραχώρηση των εικόνων από τον Dr Colm Durkan, Cambridge University.

15 Εδώ, το κλειδί είναι το µέγεθος! Στη νανοκλίµακα οι ιδιότητες ενός υλικού µπορούν να αλλάξουν δραµατικά.αυτές µπορεί να είναι το σηµείο βρασµού τους, η διαλυτότητα ή η καταλυτική δραστηριότητα. Με µίαµόνοµείωση µεγέθους τα υλικά µπορούν να εµφανίσουν νέες ιδιότητες, ιδιότητες τις οποίες δεν κατέχουν όταν βρίσκονται σε µεγαλύτερη ή µάκρο κλίµακα. Οι κανονικοί κλασικοί νόµοι της φυσικής δεν εφαρµόζονται πλέον!

16 Αλλαγές χρώµατος Για παράδειγµα, µερικές φορές αλλάζοντας απλά το µέγεθος ενός σωµατιδίου µπορούµε να µεταβάλλουµε δραστικά το χρώµα του. Τελλουριούχο Καδµίου ΜΑΚΡΟ Χρυσός ΜΑΚΡΟ Αυξανόµενο µέγεθος Νανοσωµατίδια CdTe. A. Eychmüller, Technische Universität Dresden

17 Ακόµη και οι µηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες µπορούν να επηρεαστούν από το µέγεθος! Το γραφένιο είναι εύθραυστο και µη-αγώγιµο. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σαν τα φύλλα του γραφένιου αλλά τυλιγµένοι...ωστόσο έχουν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Το γνωρίζατε;οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι πολύ πιο ισχυροί από το ατσάλι αλλά πολύ ελαφρύτεροι, και µπορούν να είναι αγώγιµοι.

18 Πώς, λοιπόν, εργάζονται οι επιστήµονες σε τόσο µικροσκοπική κλίµακα;

19

20 Κυρίως επειδή τα µικροσκόπια είναι πολύ εξελιγµένα. Τα πρώτα µικροσκόπια που αναπτύχθηκαν, γύρω στο 1665 άνοιξαν έναν εντελώς νέο κόσµο για τους επιστήµονες.για πρώτη φορά, έγιναν ορατά τα κύτταρα και οι δοµές της φύσης, µε τις οποίες είµαστε τώρα εξοικειωµένοι. Η κοινή γνώµη ήταν φοβισµένηγι αυτό το ταξίδι στον αθέατο κόσµο του µικροσκοπικού.

21 Τώρα έχουµε µικροσκόπια που µπορούν να δουν ακόµη πιο βαθιά σε αυτόν τον κόσµο, και ειδικότερα τα άτοµα, τα οποία είναι οι βασικές δοµικές µονάδες του κόσµου διαβίωσής µας. Αυτά τα πιο πολύπλοκα µικροσκόπια είναι συλλογικά γνωστά ως Scanning Probe Microscopes ήspms.

22 ΈναScanning Probe Microscope χρησιµοποιεί µία άκρως λεπτή µύτη καθετήρα (µερικές φορές καταλήγει σε µόνο λίγα άτοµα) και σαρώνει την επιφάνεια αισθανόµενη τα περιγράµµατα και τις µορφές. Άκρη του καθετήρα που αισθάνεται τις µορφές. Τα παραδείγµατα περιλαµβάνουν: Αtomic Force Microscope, Scanning Tunnelling Microscope

23 Ένας πρόβολος, παρόµοιος µε µία εξέδρα κατάδυσης, είναι προσκολληµένος στην άκρη ενός Atomic Force Microscope ήafm. Ολόκληρο το σύστηµα κινείται πάνω και κάτω καθώς η άκρη κινείται πάνω από τους λόφους και τις κοιλάδες σε ατοµική κλίµακα της επιφάνειας του δείγµατος. Ανιχνευτής Λέϊζερ Καθετήρας Ένα λέϊζερ αντικατοπτρίζει το πίσω µέρος του προβόλου. Όταν ο πρόβολος αποκλίνει, το ίδιο κάνει και η δέσµη λέϊζερ. Ένας ανιχνευτής σε έναν υπολογιστή καταγράφει την κίνηση του λέϊζερκαι µεταφράζει αυτά τα δεδοµένα σε εικόνες, όπως αυτές στη δεξιά πλευρά. Υπολογιστής είγµα Αυτό είναι το διάγραµµα ενός Atomic Force Microscope, ή AFM Ευγενική παραχώρηση των εικόνων από τον T. Oppenheim, Cambridge University

24 Scanning tunnelling microscope. Έναscanning tunnelling microscope λειτουργεί διαθέτοντας έναν µικροσκοπικό καθετήρα, ο οποίος σαρώνει µία επιφάνεια και ανιχνεύει τις διακυµάνσεις του ρεύµατος, που κινείται µεταξύ του ίδιου και των ατόµων στην επιφάνεια. Αυτός ο καθετήρας είναι κατασκευασµένος από αγώγιµο υλικό (συνήθωςβολφράµιο) και η απόληξή του έχει πλάτος µόνο 1 ατόµο! Αυτές οι διακυµάνσεις στο ρεύµα µεταφράζονται σε εικόνες, όπως αυτές που βρίσκονται δεξιά. Μία άκρη βολφραµίου για απεικόνιση. Ευγενική παραχώρηση των εικόνων από το Cambridge university, Nanoscience Centre.

25 Οι άκρες του καθετήρα µπορούν επίσης να χρησιµοποιηθούν για τη µετακίνηση µεµονωµένων ατόµων. Αρχική δηµιουργία της εικόνας από τον Don Eigler, IBM corporation. Η εικόνα δείχνει άτοµα σιδήρου, που έχουν µετακινηθεί µεµονωµένα.

26

27 Αυτή η ιδέα της δόµησης των πραγµάτων από τα άτοµα και την επεξεργασία τους είναι ενδιαφέρουσα για τους ερευνητές. ΠΡΟΣ ΤΑ ΚΑΤΩ Οι υπολογιστές και τα τηλέφωνα γίνονται µικρότερα και, παρόλ αυτά, ισχυρότερα. Αυτή η τάση απαιτεί όλο και µικρότερα συστατικά, κατεβαίνοντας στη νανοκλίµακα. Είναι λογικό να µπορούµε να δηµιουργούµε αυτές τις νανοσυσκευές από κάτω προς τα επάνω, αντί για την πιο παραδοσιακή προσέγγιση κατασκευής από επάνω προς τα κάτω. ΠΡΟΣ ΤΑ ΕΠΑΝΩ Η κατασκευή προς τα επάνω θα σήµαινε λιγότερη ενέργεια και λιγότερα απόβλητα.

28 Η µετακίνηση µεµονωµένων ατόµων δεν είναι ακόµη µία πραγµατοποιήσιµη τεχνική για τη δηµιουργία νανοδοµών, επειδή είναι πολύ αργή. Ωστόσο, υπάρχει µία άλλη επεξεργασία που ονοµάζεται ΑΥΤΟ ΣΥΝΑΡΜΟΛΟΓΗΣΗ, την οποία συναντάµε συχνά στη φύση και την οποία µπορούν να αξιοποιήσουν οι επιστήµονες. Τα άτοµα, τα µόρια ή τα νανοσωµατίδια θα αναπτύξουν τη διάταξή τους σε µεγαλύτερες δοµές, αν έχουν τις σωστές ιδιότητες και περιβάλλοντα. Αυτή η διαδικασία διαδραµατίζει κεντρικό ρόλο στην κατασκευή του DNA, των κυττάρων, των οστών και των ιών. Όλα αυτά αυτο συναρµολογούνται χωρίς υποστήριξη.

29 Ένας άλλος τρόπος µε τον οποίο οι επιστήµονες µπορούν να δηµιουργήσουν συσκευές νανοµεγέθους, είναι µία διαδικασία που ονοµάζεται λιθογραφία. Χρησιµοποιείται συχνά για την κατασκευή chipsυπολογιστών. Λειτουργεί µε παρόµοιο τρόπο µε αυτόν της εκτύπωσης, ή εάν ζωγραφίζατε µε ψεκασµό σε ένα στένσιλ.αλλά η λιθογραφίαχρησιµοποιεί φως ή ηλεκτρόνια αντί για µελάνι ή χρώµα. Η φωτολιθογραφία χρησιµοποιεί φως και δοµές τόσο µικρές όσο περίπου 20 nm. Αν οι επιστήµονες επιθυµούν να κατασκευάσουν ακόµη µικρότερες δοµές (περίπου5 nm), χρησιµοποιούν ηλεκτρόνια αντί για φως, αυτό ονοµάζεται, λιθογραφία E-beam. Αυτή είναι µία ολοκληρωµένη δοµή που δηµιουργήθηκε µε λιθογραφία E-beam. Ευγενική παραχώρηση των εικόνων από τους Dr Atif Aziz καιdr Colm Durkan., Cambridge University.

30 Σε αυτή την εικόνα, κάθε γράµµα έχει δηµιουργηθεί από εκατοντάδες νανοσωλήνες!! Είναι ισχυρότεροιαλλά σηµαντικά ελαφρύτεροι από το ατσάλικαι εύκαµπτοι. Μπορούν να συµπεριφερθούν όπως τα µέταλλα, αλλά όπως και τα ηµιαγώγιµα, είναι καταπληκτικοί στη µετάδοση της θερµότητας και έχουν συναρµολογηθεί από άτοµα άνθρακα. Είναι µία συναρπαστική ανακάλυψη, η οποία µπορεί να φέρει την επανάσταση στα υλικά του µέλλοντος. Ευγενική παραχώρηση από τον Stephan Hoffman, Cambridge University. Ακόµη και όταν οι νανοσωλήνες είναι πλήρως ανεπτυγµένοι, η κάθε οντότητα είναι µικρότερη από ένα ανθρώπινο αιµοσφαίριο. Με τέτοιες ιδιότητες, θα µπορούσαν να παίξουν καίριο ρόλο στην ανάπτυξη νέων υλικών και µελλοντικών ηλεκτρονικών.

31 Η φύση είναι ειδική στην κατασκευή δοµών νανοκλίµακας. Αυτός είναι ο λόγος που οι επιστήµονες παρατηρούν την φύση για να εµπνευστούν, όταν ερευνούν τη δοµή σε αυτή τη µικροσκοπική κλίµακα.

32

33 Βιοµίµηση Βιοµίµηση είναι ο όρος που χρησιµοποιείται όταν οι επιστήµονες αντιγράφουν τη φύση. Μελετώντας τα φύλλα του νούφαρου και τη δοµή τους, οι επιστήµονες σχεδίασαν υλικά που δεν υγραίνονται και αυτοκαθαριζόµενα παράθυρα. Μελετώντας τα φτερά της πεταλούδας και τις νανοδοµές τους, οι επιστήµονες εξήγησαν πώς το φως µπορεί να αλληλεπιδράσει διαφορετικά µε τις επιφάνειες.αυτό βοήθησε στο σχεδιασµό ολογραµµάτων ασφάλειας και προϊόντων για τα µαλλιά! Φτερά πεταλούδας υπό το µικροσκόπιο Ακόµη και η νανοδοµή του ράµφους ενός Toucan προσέφερε διορατικότητα για τον σχεδιασµό πολύ ελαφριών συστατικών για τα αεροσκάφη.

34 Τα πόδια των geckos διαθέτουν νανοδοµές. Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: A.Dhinojwala, University of Akron Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: C. Mathisen, FEI Company Μνεία για το φωτογραφικό υλικό: A.Kellar, Lewis & Clark College Τα πόδια των geckos (µικρές σαύρες) καλύπτονται από µικροσκοπικές δοµές που µοιάζουν µε τρίχες και ονοµάζονται setaes. Αυτές οι δοµές µπορούν να πλησιάσουν τόσο πολύ σε µία επιφάνεια, ώστε οι αδύναµες κολλώδεις αλληλεπιδράσεις µεταξύ µορίων να γίνονται σηµαντικές. Το αποτέλεσµα είναι µία ισχυρή προσκόλληση, η οποία οφείλεται αποκλειστικά στις δυνάµεις Van der Waals. Οι επιστήµονες εµπνεύστηκαν από αυτή τη νανοδοµή για να δηµιουργήσουν εσωτερικούς επιδέσµους, οι οποίοι επικολλώνται ακόµη και σε ένα υγρό περιβάλλον. Η φύση έχει εµπειρία στο να λειτουργεί στη νανοκλίµακα και µπορούµε να µάθουµε πολλά από τις επιτυχίες της, ώστε να δηµιουργήσουµε φυσική νανοτεχνολογία.

35

36 Η νανοτεχνολογία υπάρχει ήδη στη ζωή µας. Η νανο-ηλεκτρονική έχει δώσει τη δυνατότητα για τη µικρογράφηση ηλεκτρονικών gadgets στην καθηµερινή ζωή. Κάποιες µπάλες του τένις αναπηδούν για περισσότερη ώρα χάρη σε ένα νανοδοµηµένο εσωτερικό στρώµα. Οι κάλτσες που περιέχουν αντιβακτηριακά νανοσωµατίδια αργύρου, θεωρούνται ότι διατηρούν τα πόδια σας υγιή και άοσµα. Κάποιες ρακέτες του τένις έχουν κατασκευαστεί από νανοσύνθετα που βασίζονται στον άνθρακα, κάνοντάς τις ισχυρότερες και ελαφρύτερες από ποτέ.

37 Η νανοτεχνολογία υπάρχει ήδη στη ζωή µας. Τα καλλυντικά και τα αντηλιακά, που περιέχουν νανοσωµατίδια, µπορούν να προσφέρουν καλύτερη προστασία και άνεση. Κάποια υφάσµατα γίνονται πολύ υδρόφοβα, χρησιµοποιώντας νανοδοµές που απωθούν το υγρό, δίνοντας τη δυνατότητα να είναι ανθεκτικά στο νερό και τους λεκέδες. Τα γυαλιά ηλίου που έχουν νανοδοµηµένο επίστρωµα καθαρίζονται ευκολότερα, γραντζουνίζονται δυσκολότερα,είναι αντιστατικά, αντιοµιχλώδη και αντιβακτηριακά.

38

39 Η νανοτεχνολογία είναι ένα πολυκλαδικό θέµα, καθώς ενσωµατώνει πολλούς διαφορετικούς τοµείς της επιστήµης και της βιοµηχανίας :

40

41 Η δυναµική της Νανοτεχνολογίας είναι αυτό που την κάνει τόσο ενδιαφέρουσα. Κάποιοι τοµείς, όπου η Νανοτεχνολογία θα µπορούσε να έχει ένα δραµατικό αντίκτυπο, περιλαµβάνουν Ιατρικές Εφαρµογές π.χ. θεραπεία του καρκίνου Τεχνολογία Πληροφόρησηςπ.χ. ταχύτεροι υπολογιστές Ενεργειακές Λύσειςπ.χ. όπως περισσότερα οικονοµικά κύτταρα καυσίµων και ηλιακά κύτταρα Τοµείς που έχουν αντίκτυπο στη ζωή όλων µας.

42