Nanoscienze e Nanosistemi Nanoscienze e Nanosistemi Fabrizio Mancin Dipartimento di Scienze Chimiche Edificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5 tel. 049 8275666, e-mail: [email protected], http://www.chimica.unipd.it/fabrizio.mancin/ U of T Università di Padova
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lucidi I lezione.ppt [modalità compatibilità] I... · o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi,
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Nanoscienze e Nanosistemi
Nanoscienze e Nanosistemi
Fabrizio Mancin
Dipartimento di Scienze ChimicheEdificio Chimica Organica, II Piano, Stanza 5
Il corso si propone di introdurre gli studenti a mondo dei nanosistemi, con particolareattenzione alle nanoparticelle. In particolare, verranno prese in considerazione imetodi di preparazione, le proprietà e le possibili applicazioni delle principali classi dinanoparticelle.
Chimica Organica II
Nanoscienza e Nanotecnologia
Chimica Organica II
Nanoscienza: studio delle proprietà e della preparazione di di materiali nella scala dei nanometri.
Nanotecnologia: progettazione, la caratterizzazione, la produzione e applicazione di strutture, dispositivi, sistemi, mediante l’uso di materiali nella scala nanometrica
Richard Feynman
There's Plenty of Room at the BottomDecember 29th, 1959
“What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale..
…When we get to the very, very small world---say circuits of seven atoms---we have a lot of new things that would happen that represent completely new opportunities for design. Atoms on a small scale behave like nothing on a large scale, for they satisfy the laws of quantum mechanics.”
Nanosistemi
Le dimensioni degli oggetti
atomo: 0.1 nm
Ciclodestrina: 1 nm
Nanoparticella: 10 nm
Transistor: 30 nm
Microelettrodo: 100 nm
DNA: 2 nm
Proteina: 10 nm
Virus: 100 nm
Batterio: 1000 nm
Globuli rossi: 1000 nm
Le dimensioni degli oggettiNanobiotecnologie
Nanoparticelle
Quante dimensioni?
5 m
1 nano-dimensione: film sottili
2 nanodimensioni: nanofili
3 nanodimensioni: nanoparticelle
Nanosistemi
Anche il vuoto è nanoNanosistemi
Materiali mesoporosi: ciò che è nano sono i buchi!
Il nano nel nano: nanoparticelle mesoporose, nanocapsule
Materiali nanocompositiNanosistemi
Materiali con nanoparticelle inglobate
Cristalli di nanoparticelle
Forme diverse
Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture
Nanobiotecnologie
Materiali nanostrutturatiNanosistemi
Sulla superficie o all’interno del materiale vengono create delle nanostrutture
Nanostrutture naturaliNanosistemi
Diatomee (micromolluschi) Terre diatomacee
• Filtrazione• Dentifrici• Abrasione• Dinamite
Foglia di loto(superidrofobica)
Dita del geco (superadesive)
Nanocose nella nostra vitaNanosistemi
http://www.nanotechproject.org/
Struccatore con nanoparticelle di ossido di
zinco e “micelle”Orsetto di peluche con nanoparticelle
di argento
Terra diatomacea, zucchero di canna e
aceto: integratore alimentare
Racchetta da tennis al fullerene
Crema antirughe con nanoparticelle di silice
Detergente per superfici con nanoparticelle di
argento e silice
Nanofabbricazione: top-downNanosistemi
Mulino a palle
NanolitografiaCircuiti integrati (45 nm e meno)
Nanofabbricazione: top-downNanosistemi
Dip-pen litography
Focused ion beam
Nanofabbricazione: bottom-upNanosistemi
NCS H2N
HN
HN
S
Nanoparticelle e affiniNanosistemi
Nanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.
Nanocristallo: cristalli singoli con almeno una dimensione al di sotto di 100 nm
Nanocluster: insieme di atomi legati covalentemente di dimensioni tra 1 e 10 nm. Nella definizione originale doveva contenere legami covalenti metallo-metallo, ma ora anche fullerene e borano sono considerati cluster.
C60 B12H122-
Tipi diversi di materialeNanoparticelle: oggetti che si comportano come entità singole, in termini di proprietà e trasporto, di dimensioni comprese tra 1 e 100 nm.
o Molecole: dendrimeri, nanotubi di carbonio, fullereni, grafene, proteine
o Aggregati auto-organizzati: micelle, liposomi, virus
o Precipitati: nanoparticelle inorganiche, nanoparticelle organiche, emulsioni
• Nanoparticelle metalliche (Au, Ag, Cu, Pt, Pd, ma anche Si, C)
• Nanoparticelle di semiconduttori (ZnS, SeCd, TeCd, …)
• Nanoparticelle di ossidi (ZnO, SiO2, TiO2, ZrO2, Fe3O4)
Molecole
Nanoparticelle“soft”
Le morfologie possono essere molto differenti:
• Sfere o poliedri (nanoparticelle)
• Cilindri o sfere allungate (nanorod)
• Gusci vuoti o particelle multistrato (nanoshell e core-shell)
• Stelle a 4 punti (tetrapods)
• Altre strutture
Confinamentoquantico
Nanoparticles growth
Free energy variation for the formation of a spherical particle
Molecular volume of the building block
Molar fraction of the particlesof radius r Surface tension
r > r* → growth
r < r* → dissolution
Smaller particles grow more rapidly than larger ones → focusing
Nanobiotecnologie
Surface stabilizationAll the nanoparticles tend to aggregate: aggregation decreases the total surface and hence the second term of the equation (related to surface tension)
o Electrostatic repulsion (surface charge)
o Steric repulsion
Surface tension may is decreased with surfactants.
Nanoparticles aggregation may be kinetically prevented by:
Nanobiotecnologie
Stabilizzare le nanoparticelleA causa dell’elevata tensione superficiale le nanoparticelle tendono ad aggregare. L’aggregazione può essere evitata in due modi.