C'è un sacco di spazio là sotto! (Richard Feynman) - There's plenty of room at the bottom - Liceo Teresa Gullace
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C’è un sacco di spazio là sotto!
There’s plenty of room at the bottom
(Richard Feynman)
Sergio D’Addato
Dipartimento Fisica, Informatica e Matematica
Università di Modena e Reggio Emilia
CNR-Istituto Nanoscienze -Modena
Indice • Un po’ di storia… Richard Feynman. • Meccanica Quantistica in tre slides (più una). • Cosa vuol dire “nano”? • La corsa al «più piccolo»: La legge di Moore. • Nanostrutture e nanoparticelle. • Nanofabbricazione: da giù a su e da su a giù. • Come le vediamo? Microscopi elettronici a trasmissione e a scansione. • Applicazioni: vaccino Pfizer e nanomedicina, antichi romani, memorie di computer, fotovoltaico, televisori…
La «profezia» • Il 29 Dicembre 1960 il fisico premio Nobel Richard P. Feynman tenne una lezione al «Caltech»… • …In cui prevedeva lo sviluppo di una nuova Fisica che studia e manipola oggetti sempre più piccoli a fini tecnologici.
• Why cannot we write the entire 24 volumes of the Encyclopaedia Brittanica on the head of a pin? • Richard fa dei semplici calcoli, e con le tecnologie di allora pensa che sia fattibile immagazzinare qualcosa come 24 milioni di libri grandi come l’Enciclopedia Britannica in un cubetto con un lato di 1-2centesimi di pollice, cioè 0.25 millimetri. • Come «bit» di informazione lui prenderebbe un cubetto di 5x5x5 atomi=125 atomi, corrispondente a un cubo di atomi di Silicio di 1.2 miliardesimi di metro (1.2 nanometri). • Impossibile? Lui dice no, e prende come esempio il DNA.
DNA • Il DNA è un polimero organico a doppia catena i cui monomeri sono chiamati nucleotidi . • L'ordine nella disposizione sequenziale dei nucleotidi costituisce l'informazione genetica, la quale è tradotta tramite il codice genetico negli amminoacidi corrispond enti.
Come studiare questi oggetti? • Con microscopi elettronici che permettano di «risolvere» oggetti di dimensione atomica. • Allora la risoluzione dei microscopi non era così elevata, adesso sì…
Come
farli?
• Richard immagina (in
parte già si faceva, nel
1960) di «scrivere»
incidendo su dei film
con estrema precisione
mediante fasci ionici o
fasci di elettroni molto
sottili (litografia con
fasci di elettroni).
Litografia con fasci di elettroni
Litografia con fasci di elettroni Ma ci sono altri modi (v. più avanti)
Richard Feynman (1918-1988) • Fisico teorico • Partecipò al progetto Manhattan (a 23 anni!) • Contribuì in maniera fondamentale allo sviluppo della Fisica delle Particelle elementari • Premio Nobel nel 1965 • Grandissimo divulgatore • Insegnò al Caltech (Los Angeles, Ca)
Richard Feynman • Suonava le percussioni: membro di una scuola di Samba di Rio.
Richard Feynman Le formule in rappresentazione pittorica: I diagrammi di Feynman.
Meccanica Quantistica: slide 1
• La Meccanica Quantistica regola i fenomeni fisici su scala microscopica.
• Le leggi deterministiche della meccanica classica vengono sostituite da
leggi probabilistiche.
• Esempio: il moto delle particelle non è più caratterizzato da una legge
oraria dove istante per istante si conosce la loro posizione e velocità, ma
da una funzione d’onda (Y (r,t)) il cui modulo quadro esprime la
probabilità di trovarsi in un certo punto in un certo istante.
• Conseguenze: la particella può essere descritta come un’onda.Meccanica Quantistica: slide 2 • Conseguenze: la struttura dell’atomo. • L’atomo è composto da un nucleo (Z protoni (+) + neutroni) e da Z elettroni (-). Sono tenuti insieme da forze elettriche e nucleari. • Gli elettroni non compiono traiettorie, ma costituiscono delle «nubi» caratterizzate da funzioni Yn,l,s (r,t). • Ad ogni onda (stato) è assegnata una determinata energia. • Le energie sono discrete.
Meccanica Quantistica: slide 3 • Particelle descritte come onde e onde descritte come particelle. • Le onde elettromagnetiche (radio, microonde, luce visibile, raggi UV, raggi X, raggi gamma) sono descrivibili come particelle: fotoni. • Viaggiano alla velocità c=300.000 Km/s, non hanno massa, la loro energia è e = hn (n=frequenza onda=c/l)
Interazione fotoni-materia (slide 4)
• I fotoni possono essere assorbiti dagli elettroni negli atomi e nelle
molecole solo se la loro frequenza (=energia) è quella giusta.
Absorption
Spontaneous
Emission
Stimulated
EmissionCos’è «nano»? • Prefisso usato nel sistema di unità di misura internzazionale. • 1 Nano = 1 miliardesimo = 0.000000001 = 10-9 • 1 nanometro = 1 miliardesimo di metro. • Le dimensioni di un atomo di idrogeno sono 0.05 nm. • Nanoscienze: scienze che studiano i fenomeni e gli oggetti su scala nanometrica. • Nanostrutture: oggetti di dimensioni 1-100 nm.
La prima volta che ho sentito
«nanotecnologie» nei media
Spider-Man (2002): Peter Parker (Spider-Man) dice al prof.
Norman Osmond (Goblin): «Ho letto i suoi libri sulle
nanotecnologie!»DNA: nanostruttura
La corsa alla miniaturizzazione Computer più potenti richiedono: processori sempre più veloci e con architetture sempre più complesse, nello stesso spazio fisico. I dati immagazzinati sono sempre maggiori, e la memoria che li immagazzina deve essere sempre più capiente.
La corsa alla miniaturizzazione
Gli elementi di memoria
digitale (byte) devono
occupare sempre meno
spazioLa corsa alla miniaturizzazione • In un floppy disk da 3.5 pollici sono contenuti 1.44 Mbyte. Ogni elemento di memoria digitale (1 byte= 8 bit) occupa un’area 4.3x10-5 cm2->0.006 cm=6x10-5 m=60µm. • In un Hard Disk da 8 Tbyte e da 3.5’’, 1 byte occupa un’area 7.7x10-12cm2-> ->2.7x10-6cm=2.7x10-8m=27 nm • L’oggetto che costituisce il singolo byte ha dimensioni nanometriche
La corsa alla miniutarizzazione
• Legge di Moore: il numero di transistor nei microprocessori raddoppia ogni 18
mesi
• I transistor devono essere sempre più piccoli.
• Anch’essi sono nanostrutture.Legge di Moore
Cos’è una nano-particella? • Le nano-particelle (NP) sono gruppi di atomi, ioni o molecole con dimensioni da d≈1 nm a d≈50 nm, (d è il diametro della NP) ma spesso si estende il range fino a d ≈102 nm. • Le NP sono in una “terra di mezzo” tra il mondo “quantistico” (popolato da particelle elementari, atomi e molecole) e il mondo “classico” (popolato da oggetti macroscopici, come noi). • Le proprietà fisiche e chimiche delle NP possono obbedire alle leggi della meccanica quantistica e della fisica classica . Il loro comportamento può essere molto specifico. • Le NP possono essere “sintetizzate” (cioè fabbricate) artificialmente in modo da ottenere materiali con “ad hoc” funzioni e caratteristiche “ad hoc”.
…in figura…
Da sinistra a destra: atomo, molecola, nanoparticella, solido.
S. Ibrahimkutty, PhD thesis, Ernst-Moritz-Arndt-Universität GreifswaldSintesi delle NP Ci sono molti modi per sintetizzare le NP. SI possono raggruppare come segue • Sintesi fisica : si usano processi fisici (processi termici, vaporizzazione, processi meccanici ecc.) • Sintesi chimica: situlizzano reazioni chimiche. • Sintesi biologica: si utilizzano processi biologici e microorganismi. … con due approcci: top-down e bottom-up
Top-down e bottom-up
• In un processo top-down le
nanostrutture sono ottenute dal
materiale originario, riducendo
progressivamente la dimesnisone
degli oggetti, come ad esempio
nei metodi di litografia utilizzati
nella realizzazione di dispositive
elettronici.
• Con l’approccio bottom-up le
nanostrutture sono realizzate da
costituenti elementari, es. atomi e
molecule, mediante processi
“spontanei” (autoaggregazione,
crescita in condizioni controllate,
auto-organizzazione).
Treccani.itEsempi: approccio top-down Litografia elettronica di nanostrutture Ti/Au su wafer di Si/SiO2. Il fascio di elettroni è generalmente prodotto con un microscopio elettronico a scansione (SEM) http://www.dileepnanotech.com
Esempi: approccio top-down Litografia elettronica di nanostrutture Ti/Au su wafer di Si/SiO2. Il fascio di elettroni è generalmente prodotto con un microscopio elettronico a scansione (SEM) http://www.dileepnanotech.com
Esempi: approccio top-down Litografia elettronica di nanostrutture Ti/Au su wafer di Si/SiO2. Il fascio di elettroni è generalmente prodotto con un microscopio elettronico a scansione (SEM) http://www.dileepnanotech.com
Colonna SEM per litografia elettronica. http://www.dileepnanotech.com https://www.iom.cnr.it/nanofabrication
Fonte: http://www.des.upatras.gr
Ball milling
• Il processo “ball milling process” è usato comunemente per ottenere polveri
fini o per costituire delle leghe per via meccanica.
• Un “ball mill” sui fenomeni di urto e attrito: la riduzione delle dimensioni delle
poveri è ottenuta per urto quando le palline cadono dalla parte superior del
mill che ruota
https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_mill
http://www.everysingletopic.comL’immagine TEM mostra NP di Silicio di dimensioni 3-10 nm. A. Heinz et al, Adv. Mat. 19 (2007) 3984
Ugo Tognazzi e Raimondo Vianelli, “Il troncio della Val Clavicola”, 1965
L’approccio top-down …come nel caso di
può non essere produzione di un
particolarmente singolo stecchino da
economico… un albero!Esempio di approccio bottom-up: crescita di
nanostrutture di InAs su GaAs con epitassia di
fasci molecolari (MBE)
heating block substrate
crystallization zone
substrate
vapor elements
mixing zone
molecular beam
generation zone
http://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=10
_quantum_dots/Esempio bottom-up: sorgente di aggregazione a gas
S. Ibrahimkutty, Ph.D. Thesis. Greifswald, 2005
Come le vediamo? Col TEM • Il TEM è il Microscopio Elettronico a Trasmissione. • Il microscopio ottico usa la luce visibile. La lunghezza d’onda della luce visibile (390-700 nm) è troppo grande per distinguere degli oggetti nanometrici (2-100 nm). • Si utilizza il dualismo particella-onda della meccanica quantistica. Gli elettroni possono essere visti come onde di materia. • La loro lunghezza d’onda dipende dall’energia.
TEM h= costante di Planck m= massa dell’elettrone E= energia dell’elettrone
TEM D. B Williams and B. B. Carter, Transmission Electron Microscopy. A textbook for Material Science, Springer, 1996
TEM
TEM http://www.jeolusa.com
(S)TEM D. B Williams and B. B. Carter, Transmission Electron Microscopy. A textbook for Material Science, Springer, 1996
(S)TEM Immagine STEM di FePt@CdSE NP. T.T. Trin et al., RSC Advances 1 (2011) 100
Esempi di nanoparticelle Roy L. Johsnton, Metal Nanoparticles and Nanoalloys (ed. by R. L. Johnston and J. P. Wilcoxon, Frontiers in Nanoscience vol 3, Elsevier, 2012) chapter 1
NANOLEGHE con diverse geometrie
Alcune applicazioni delle NP: medicina e diagnostica
Rilascio del farmaco (drug delivery) • Il farmaco è adsorbito o legato chimicamente ai nano-portatori (tipo pizza, ma in questo caso NP). In altri casi è incapsulato all’interno. • I nano portatori raggiungono il tessuto danneggiato (bersagliamento di celle specifiche). • Gli agenti terapeutici vengono rilasciati. • Vantaggi: selettività più alta, maggiore efficacia.
A. Wilcewska et al., Pharmacological Reports 64 (2012) 1020
Il vaccino Pfizer • Il vaccino Pfizer contro il COVID19 è un esempio di nanotecnologia applicato alla medicina. • Il principio attivo (m-RNA ottenuto dall proteine spike del virus) viene incapsulato in NP cave di lipidi. All’esterno sono presenti delle molecole ricettori.
Il virus
Il vaccino Pfizer
Il vaccino Pfizer
Diagnostica per immagini con punti
quantici
• I punti quantici o Quantum Dots (QD)sono NP di
semiconduttori del tipo II-VI
• Le loro proprietà ottiche dipendono dale loro dimensioni.
• Uno dei più usati è il CdSe
Struttura dei QD di CdSe.
image from http://inside.mines.edu/~mlusk/multi_exciton_relaxation.htm…In particolare, i QD a semiconduttore possono emettere luce
(fluorescenza) di diversi colori, a seconda delle loro dimensioni.
A.M. Smith, S. Nie, Analyst 129 (2004) 672I QDs sono ricoperti con un legante, e funzionalizzati per bersagliare cellule tumorali
X. Gao et al., Nature Biotechnology 22 (2004) 969Si può ottenere l’immagine di aree dove è presente il cancro (macchie rosse in d)
X. Gao et al., Nature Biotechnology 22 (2004) 969I QD sono utilizzati anche in alcuni
tipi di schermi TVNP “plasmoniche”
Le cariche libere di muoversi (elettroni) all’interno di una
NP metallica possono oscillare tutte insieme a certe
frequenze, dette frequenze di plasma e fare da antenne
che irradiano a queste frequenze. Queste oscillazioni
possono essere eccitate dalla luce.
https://liu.se/forskning/scientium/members/erik-martinsson?l=enUn esempio dalla storia antica La coppa di Licurgo Licurgo (4o secolo): se è illuminata da davanti la coppa è verde; se è illuminata da dietro, la coppa è rossa… effetto dicroico.
Perché? Il vetro contiente delle NP di una lega Ag/Au. Sembra che la loro presenza fosse accidentale. I romani sapevano produrre l’oro colloidale (NP di oro insospensione liquida). D.J. Barber and I. C. Freeston, Archaeometry 32 (1990) 33
Spiegazione della coppa di
Licurgo…
• Le NP d’oro risuonano, a causa della eccitazione plasmonica
con la luce verde a 510 nm, assorbono il verde e la luce
trasmessa ha un colore complementare al verde, cioè rosso.
• Il colore verde nella riflessione è dovuto alla diffusione della
luce incidente, e alla riemissione alla frequenza del plasmone.
http://aip2014.org.au/cms/uploads/presentation/tristan%20temple.pdfNP nel confezionamento del cibo… es. Ag ha proprietà antibatteriche Ma le NP possono migrare nel cibo e sono potenzialmente tossiche…
Celle fotovoltaiche: con le NP si può
aumentare la quantità di luce assorbita
nelle celle
H. A. Atwater and A. Polman, Nature Materials 9 (2010) 205NP nella catalisi • Un catalizzatore è un Sistema che accelera una reazione chimica senza essere consumato nel processo. • Applicazioni importanti sono la produzione di carburanti da fossili o da risorse energetiche alternative, produzione di prodotti chimici e controllo dell’inquinamento. • La catalisi eterogenea avviene generalmente sulla superficie dei catalizzatori. • Le NP hanno un rapporto superficie volume più elevato rispetto ai catalizzatori standard, e presentano dunque un’efficienza più elevate.
Esempio: l’oro non è un buon
catalizzatore, ma le NP di oro sì!
Meccanismo della formazione di CO2da CO
e O2 in fase gassosa catalizzata da un cluster
di Au6-. http://casey.brown.edu/chemistry
M. L. Toebes, J. A. van Dillen, K. P. de Jong, J. /research/sun/research.html
Mol. Catal. A 2001, 173, 75Fotocatalisi I semiconduttori sono buoni candidati per la fotocatalisi, in cui l’energia solare può essere usata per avere reazioni chimiche, quali la produzione di H2 (carburante) dall’acqua. https://www3.nd.edu/~kamatlab/research_photocatalysis.html
Convertitore catalitico (marmitta) • Funge da abbattitore delle emissioni nocive di gas di scarico del motore, favorendo la completa ossidazione e riduzione dei gas di scarico. • L'elemento attivo nella depurazione dei gas di scarico emessi da un motore termico è costituito da un corpo dotato di centinaia di piccoli canali, che permettono il passaggio del gas di scarico attraverso gli interstizi; questo corpo può essere in metallo oppure in ceramica. • Su di esso viene depositato uno strato aggrappante e poi viene depositato per impregnazione e successiva cottura in forno il metallo nobile (platino, palladio, rodio), in quantità ben determinate che funge da catalizzatore. Il metallo nobile si presenta sotto forma di micro o NP.
Convertitore catalitico (marmitta)
Futuro • La miniaturizzazione spingerà sempre di più le nanostrutture a comportarsi come molecole e atomi. • Si passerà a forme di tecnologie innovative basate sempre di più sulle leggi della Meccanica Quantistica: Tecnologie Quantistiche (es. computer quantistici, che usano logiche diverse dalla logica binaria) • Quantum technologies è una «flagship» dello schema HORIZON Europe dei progetti di ricerca dell’UE.
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