Nanotecnologie: cosa sono e quali prospettive - inrim
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Nanotecnologie:
cosa sono e quali prospettive
offrono alla conoscenza e alla società
Le sorprendenti proprietà della materia a livello nanometrico e
le loro applicazioni tecnologiche
Fabrizio Pirri
Politecnico di Torino
Istituto Italiano di Tecnologia
Nano.... Cosa vuol dire nano?
exa- Em 1018 1,000,000,000,000,000,000 ….
peta- Pm 1015 1,000,000,000,000,000 ...
tera- Tm 1012 1,000,000,000,000 ...
giga- Gm 109 1,000,000,000 miliardo
mega- Mm 106 1,000,000 milione
kilo- km 103 1,000 migliaia
metro m 100 1 uno
deci- dm 10-1 1/10 decimo
centi- cm 10-2 1/100 centesimo
milli- mm 10-3 1/1,000 millesimo
micro- mm 10-6 1/1,000,000 milionesimo
nano- nm 10-9 1/1,000,000,000 miliardesimo
pico- pm 10-12 1/1,000,000,000,000 .....
femto- fm 10-15 1/1,000,000,000,000,000 ......
atto- am 10-18 1/1,000,000,000,000,000,000 .......
Cosa troviamo se cerchiamo a 1 nanometro?
10-5 metri Un globulo bianco
1 metro La scala dei rapporti umani 1 centimetro Le pliche cutanee
10-10 metri
10-9 metri 1 nm
Gli atomi La nube elettronica
10-8 metri Il DNA
Se facciamo la stessa cosa con un computer
1 metro: il computer 1 decimetro: le schede 1 centimetro: i circuiti integrati
180 nm
1 millimetro 1 micrometro: 100 nanometri
le piste e i transistors le porte dei transistor
1.2 nm
10 nanometri 1 nanometro
i più piccoli transitors mai fatti gli ossidi di gate
0.1 nanometro
gli atomi
Cos’è la nanoscienza?
La nanoscienza è lo studio delle proprietà della materia su
scale nanometriche (pochi atomi)
Scienza interdisciplinare
…. e la nanotecnologia?
La nanotecnologia è la creazione e l’uso di materiali,
dispositivi e sistemi attraverso il controllo della materia
su scale nanometriche
Cosa cambia ? Passando da scala macroscopica a
nanometrica cambiano i rapporti tra le
intensità delle interazioni
Quando ci avviciniamo alla scala atomica
la fisica quantistica diventa dominante e
gioca un ruolo in tutti i fenomeni che vi
avvengono
Il nostro senso comune non funziona più
quando entriamo nel nanomondo
… ma come siamo arrivati a questo ?...
Meccanica quantistica (1900-1930)
Effetti quantistici
"I don't like it, and I'm sorry I ever
had anything to do with it.” - Erwin
Schrodinger
"I think that I can safely say that
nobody understands quantum
mechanics.” - Richard FeynmanEvoluzione partita nel 1947 con l’invenzione del transistor
Primo transistor planare 1959
764 µm
Al contact Primo circuito integrato
SiO2 1961
N+
P
N-type siliconRichard Feynman: una felice intuizione
29 dicembre 1959 - Feynman tiene un famoso discorso
al CALTECH
"Ciò di cui voglio parlare è il problema di manipolare e
controllare le cose su una piccola scala. […] Quando nel 2000 la
gente guarderà indietro, si chiederà perché si sia arrivati al 1960
prima di muoversi seriamente in questa direzione. Ma non mi
spaventa affrontare anche la questione finale, cioè se - in un
lontano futuro - potremo sistemare gli atomi nel modo in cui
vogliamo; proprio i singoli atomi, al fondo della scala! […]“
SEGUONO GLI ANNI DELLA RIVOLUZIONE IN MICROELETTRONICABinning e Rohrer: “vedere gli atomi” Binning e Rohrer (Nobel 1986)
Spostare gli atomi con l’STM (1990)
Intelligenza:
dove vogliamo arrivare?
Cervello umano
circa 100 miliardi di neuroni
Potenza consumata 20W
1999 1000 milioni op./s
2008 10 miliardi op./s
( 1 miliardo di transistor) Potenza 130W1
.8µm
0.5µm
0.35µm
0.25µm
0.18µm TOP DOWN
Critical dimension (µm)
0.13µm
0.1 90nm
la natura!!!!!
0.01 10nm
BOTTOM UP
0.001
1980 1990 2000 2010 2020 2030Rich Smalley: il padre delle nanotecnologie Smalley (Nobel 1996)
Dai fullereni ai nanotubi di carbonio (1991)
Nanodispositivi basati sul bottom-up:
Nanotubi di carbonioDai nanotubi di carbonio al grafene (2004)
Cosa stiamo facendo con le nanotecnologie ?
……dove stiamo andando ?Lab-On-Chip
LAB-ON-A-CHIP
Genomics Cell Analysis Water Monitoring
Energy (Fuel Cells,
DSSC)
Chemical Integration with
Reactors SensorsLaboratori miniaturizzati … consumer ?
Distruzione controllata
di cellule tumorali
Terapia: nanoparticelle
liposomiche con superfici
selettiveFood control Control of industrial processes
Water monitoringEnvironmental monitoring and exploration
Monitoring of extraction
sites and pipelinesNanotech e tessile Tessuti intelligenti (Filati conduttori) Monitoraggio parametri vitali
Robotics ... why not wearable robotics?
Characteristics:
biomimetic
“soft”
user friendly
Applications:
enhancing human performances
(e.g. helping astronauts overcome EVA glove stiffness)
helping elderly (and other people with physical and
neuromuscolar deficits) handle objects
compensating tremors (as Parkinson, essential tremors, etc.)
interfacing with other electronic or robotic devicesNP APPLICAZIONI
A titolo di esempio, concentriamoci sui nanotubi di carbonio (CNT) e le loro
(possibili) applicazioni
Sono state proposte applicazioni per i CNT da soli o miscelati con altre
sostanze, sia a livello microscopico che macroscopico
In rinforzo ad altri materiali - in polimeri
- in calcestruzzi
- …….Mimare sistemi viventi per produrre energia
BIO-ENERGY BIOELECTROCHEMICAL CELLS
MICROBIAL FUEL CELLS to power off-grid portable devicesDove si fanno le nanotecnologie ?
Grazie per l’attenzione
Nan°art project, www.nanoarte.it
fabrizio.pirri@polito.it
http://shr.iit.it/
http://www.polito.it/micronanotech
http://www.latemar.polito.it/
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