ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΕΛΛΑ ΚΕΝΝΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ

Transcript

1 ΣΤΕΛΛΑ ΚΕΝΝΟΥ ΚΑΘΗΓΗΤΡΙΑ 1

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή. Πλεονεκτήματα και εφαρμογές της νανοτεχνολογίας. Ιστορική αναδρομή. Μελλοντικές προοπτικές. Σύντομη περιγραφή των ηλεκτρονικών, μηχανικών, ηλεκτρικών, μαγνητικών και οπτικών ιδιοτήτων των υλικών. Eπίδραση της νανοκλίμακας στις ιδιότητες αυτές. Ταξινόμηση των νανοϋλικών σε : νανοδομές μηδενικών διαστάσεων (νανοσωματίδια), μονοδιάστατες δομές (νανοσύρματα, νανοσωλήνες και νανοράβδοι) και διδιάστατες δομές (γραφένιο και άλλα 2-D υλικά). Ιδιότητες και εφαρμογές. Επισκόπηση των μεθόδων παραγωγής νανοϋλικων: Προσεγγίσεις top-down και bottom-up, λιθογραφία, μέθοδοι εναπόθεσης, CVD, PVD, υγρή χάραξη, ξηρή χάραξη, άλλοι μέθοδοι τροποποίησης υλικών, μοτίβο μεθόδων μεταφοράς, διαδικασίες και εξοπλισμός. Μέθοδοι και τεχνικές πολυμερισμού που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνθεση κατά συστάδες και εμβολιασμένων συμπολυμερών, κατάλληλων για την δημιουργία νανοδομημένων συστημάτων. Μελέτη του διαχωρισμού φάσεων των συσταδικών συμπολυμερών, μικροφασικός διαχωρισμός, εμφάνιση νανοδομών. Αξιοποίηση του μικροφασικού διαχωρισμού των κατά συστάδες συμπολυμερών για τη δημιουργία χρήσιμων νανοδομών. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΙΙ Νανοσύνθετα υλικά μορφές εγκλεισμάτων, είδη μήτρας, διασπορά των εγκλεισμάτων, τροποποίηση της μήτρας σε νανοκλίμακα, μέθοδοι παραγωγής (ανάμιξη με διάτμηση, ανάμιξη με φυγοκέντρηση, εξώθηση κλπ). Ιδιότητες (ηλεκτρικές, μηχανικές, κ.λπ.) και εφαρμογές. Μέθοδοι Χαρακτηρισμού και Εργαλεία- Οπτικής μικροσκοπίας, Προφιλομετρία, Ελλειψομετρία, IR και φασματοσκοπία Raman, Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης, AFM κλπ.. Εφαρμογές των νανοϋλικών, νανοσωλήνες άνθρακα, κβαντισμένα νανοσωματίδια, γραφένιο, Οργανικές ενώσεις κ.λ.π. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Fundamentals and Applications of Nanomaterials by Zhen Guo, Li Tan 2. Nanostructured Materials by C. Koch 3. Nanostructures and Nanomaterials_ Synthesis, Properties, and Applications by Guozhong Cao, Ying Wang 3

4 Ατομικός πυρήνας~ meters = 10-5 nanometers Ατομα ~ meters = 0.1 nanometers Νανοκλίμακα ~ 1 to 100 nanometers Κόσμος~ 1 meter = nanometers 4

5 Γιατί Νανοκλίμακα 5

6 Εξέλιξη της τεχνολογίας με τον χρόνο 6

7 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ Εφαρμογή Παραδείγματα Ιατρική Διαγνωστικές μέθοδοι, μεταφορά φαρμάκων Πληροφορική και Επικοινωνία Κάρτες μνήμης, νέες οπτοηλεκτρονικές διατάξεις, οθόνες, νέες διατάξεις ημιαγωγών, κβαντικοί υπολογιστές Βιομηχανία Κατάλυση, αυτοκινητοβιομηχανία Καταναλωτικά αγαθά Τρόφιμα καλλυντικά, υφάσματα, είδη σπορ

8 Τι είναι Νανοτεχνολογία Η ικανότητα να καταλαβαίνουμε και να χρησιμοποιούμε δομές, διατάξεις, συστήματα με νέες ιδιότητες λόγω της νανοκλίμακας. Να αποτυπώνουμε, να μοντελοποιούμε και να χρησιμοποιούμε τις ιδιότητες αυτές. Ν α ενσωματώνουμε αυτές τις ιδιότητες σε συστήματα από την νανο σε μακρο κλίμακα Ερευνα και κατανόηση του υλικου σε nanometer the nanoscale 8

9 Why is nanotechnology unique? Surface effects are very important: surface to volume ratio is extremely large Think of water flowing through your garden hose - the fluid right near the wall acts very differently than the rest of the fluid. This has a negligible effect on the water coming out of the hose end. When the garden hose shrinks to nanoscale dimensions - all of the fluid is near the wall, and the laws that predict how much fluid comes out as a function of pressure no longer apply. 9

10 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΝΑΝΟΥΛΙΚΩΝ 10

11 ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΝΑΝΟΥΛΙΚΩΝ 0-D 1-D 2-D 3-D 11

12 ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ ΜΗΔΕΝΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΑΣΗΣ Υλικά με όλες τις διαστάσεις στην νανοκλίμακα Νανοσωματίδια Μπορεί να είναι Αμορφα ή κρυσταλλικά Μονοκρυσταλλικά ή πολυκρυσταλλικά Με διάφορα σχήματα ή μορφές Μονο-στοιχειακά ή πολύ-στοιχειακά Να υπάρχουν μόνα τους ή ενσωματωμένα σε μήτρα Μεταλλικά, κεραμικά πολυμερή 12

13 ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ 1-D Μια διάσταση εκτός νανοκλίμακας Δίνει βελονοειδή υλικά. 1-D υλικά είναι οι νανοσωλήνες, νανοράβδοι και νανοσύρματα Μπορεί να είναι Άμορφα ή κρυσταλλικά Μόνο ή πολύ-κρυσταλλικά Χημικά καθαρά ή με προσμίξεις Μόνα τους ή ενσωματωμένα σε κάποιο άλλο υλικό. Μεταλλικά κεραμικά ή πολυμερικά 13

14 NANOYΛΙΚΑ 2-D Δύο από τις διαστάσεις εκτός νανοκλίμακας Έχουν το σχήμα της πλάκας Νανοφίλμς, νανοστρώματα και νανοεπιστρώσεις Μπορεί να είναι Άμορφα ή κρυσταλλικά Έχουν πολλές και διαφορετικές χημικές συστάσεις Χρησιμοποιούνται σαν μόνο ή πολλά στρώματα Αποτίθενται σε υποστρώματα Ενσωματώνονται σε μήτρες Μεταλλικά κεραμικά ή πολυμερικά 14

15 NANOYΛΙΚΑ 3-D Τρισδιάστατα υλικά με καμία διάσταση στην νανοκλίμακα Και οι 3 διαστάσεις πάνω από 100nm Έχουν μια νανοκρυσταλλική δομή ή περιέχουν χαρακτηριστικά στην νανοκλίμακα Αποτελούνται από νανοκρυσταλλίτες με διαφορετικό προσανατολισμό. Περιέχουν διασπορά νανοσωματιδίων, συρμάτων, και νανοσωλήνων και στρωμάτων. 15

16 ΝΑΝΟΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ Νανοκρυσταλλικά υλικά Νανοσωματίδια Νανοκάψουλες Νανοπορώδη υλικά Νανοίνες Νανοσύρματα Φουλερένια Νανοσωλήνες Νανοελατήρια Νανοζώνες Δενδριμερή Μοριακά ηλεκτρονικά Κβαντικές τελείες NEMS, Νανορευστά Νανο-φωτονικά, Νανο-οπτικά Νανομαγνητικά Νανοκατασκευές Νανολιθογραφία Νανο-ιατρική νανο-βιοτεχνολογία 16

17 Προσέγγιση Bottom-up ή top-down?

18 Τα νανοϋλικά έχουν τεράστειες επιφάνειες σε σχέση με το μέγεθος τους Ειδική επιφάνεια: λ=α/μ περίπου 1cm 2 /gr για μακροσκοπικά υλικά Για νανοϋλικά 6-7 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη Συγκέντρωση επιφανειακών ατ.ή μορίων χ=νατ/νtot λ ανάλογο του χ χ=0 για συνήθη υλικά, =1 για νανοϋλικά Ειδική επιφάνεια κύβου ακμής L λ=σταθ/l Α ανάλογο d 2, V ανάλογο d 3 για όλα τα νανοσωματίδια Η σφαίρα έχει το μικρότερο εμβαδόν για τον ίδιο όγκο 18

19 Νανοσωματίδια Τα περισσότερα άτομα στην επιφάνεια 30nm σωματίδιο έχει 5% άτομα στην επιφάνεια 10nm σωματίδιο έχει 20% άτομα στην επιφάνεια 3nm σωματίδιο Fe έχει 50% άτομα στην επιφάνεια 19

20 ΑΡΧΗ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ There s Plenty of Room at the Bottom Richard Feynman (Caltech,1959) Now, the name of this talk is ``There is Plenty of Room at the Bottom''---not just ``There is Room at the Bottom.'' I now want to show that there is plenty of room. I will not now discuss how we are going to do it, but only what is possible in principle---in other words, what is possible according to the laws of physics. I am not inventing anti-gravity, which is possible someday only if the laws are not what we think. I am telling you what could be done if the laws are what we think; we are not doing it simply because we haven't yet gotten around to it. 20

21 Νόμος του Moore κίνητρο για την νανοτεχνολογία 21