Nanotecnologie: cosa sono e quali prospettive offrono alla ...oldsite.inrim.it/events/lib/Pirri_1_2014.pdf · A titolo di esempio, concentriamoci sui nanotubi di carbonio (CNT) e

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 PirriPolitecnico di Torino

Istituto Italiano di Tecnologia

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 .......

Nano.... Cosa vuol dire nano?

Cosa troviamo se cerchiamo a 1 nanometro?

10-8 metri Il DNA

10-9 metri 1 nm

Gli atomi

10-10 metri

La nube elettronica

1 centimetro Le pliche cutanee1 metro La scala dei rapporti umani

10-5 metri Un globulo bianco

Se facciamo la stessa cosa con un computer

1 metro: il computer 1 decimetro: le schede 1 centimetro: i circuiti integrati

1 millimetro 1 micrometro:le piste e i transistors

100 nanometrile porte dei transistor

180 nm

10 nanometrii più piccoli transitors mai fatti

1.2 nm

1 nanometrogli ossidi di gate

0.1 nanometrogli 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 ?...

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 Feynman

Meccanica quantistica (1900-1930)

Evoluzione partita nel 1947 con

l’invenzione del transistor

Primo transistor planare 1959764 µm

SiO2

N+

P

N-type silicon

Al contact Primo circuito integrato1961

29 dicembre 1959 - Feynman tiene un famoso discorso

al CALTECH

Richard Feynman: una felice intuizione

"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 MICROELETTRONICA

Binning e Rohrer: “vedere gli atomi”

Binning e Rohrer (Nobel 1986)

Spostare gli atomi con l’STM (1990)

Intelligenza:

dove vogliamo arrivare?

Cervello umanocirca 100 miliardi di neuroniPotenza consumata 20W

1999 1000 milioni op./s2008 10 miliardi op./s

( 1 miliardo di transistor) Potenza 130W

BOTTOM UP

1

0.1

0.01

Cri

tic

al d

ime

ns

ion

(µ

m)

1980 1990 2000 2010 2020 2030

0.001

TOP DOWN

.8µm0.5µm

0.35µm0.25µm

0.18µm0.13µm

90nm

10nm

la natura!!!!!

Rich Smalley: il padre delle nanotecnologie

Smalley (Nobel 1996)

Dai fullereni ai nanotubi di carbonio (1991)

Nanodispositivi basati sul bottom-up:

Nanotubi di carbonio

Dai nanotubi di carbonio al grafene (2004)

Cosa stiamo facendo con le nanotecnologie ?

……dove stiamo andando ?

Lab-On-Chip

LAB-ON-A-CHIP

Integration with

Sensors

Genomics Cell Analysis Water Monitoring

Chemical

Reactors

Energy (Fuel Cells,

DSSC)

Laboratori miniaturizzati … consumer ?

Terapia: nanoparticelle

liposomiche con superfici

selettive

Distruzione controllata di cellule tumorali

Food control Control of industrial processes

Water monitoring

Monitoring of extraction

sites and pipelines

Environmental monitoring and exploration

Nanotech 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 devices

NP 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

- …….

MICROBIAL FUEL CELLS

Mimare sistemi viventi per produrre energia

BIO-ENERGY BIOELECTROCHEMICAL CELLS

to power off-grid portable devices

Dove si fanno le nanotecnologie ?

Grazie per l’attenzione

http://shr.iit.it/http://www.polito.it/micronanotechhttp://www.latemar.polito.it/

[email protected]

The key to paradise

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Nan°art project, www.nanoarte.it