NanotechnologieZegen of vloek?

Dirk Van Dyck.Universiteit Antwerpen

2

6 miljoen transistoren in geïntegreerde schakeling(Pentium Pro processor)

Afmeting één transistor ~ 1 µm

1 m

10 cm

1 cm

1 mm

0.1 mm

0.01 mm

1 µm

0.1 µm

0.01 µm

1 nm

0.1 nm

hand

zandkorrel

haar

rookdeeltje

DNA

atoom

Zelf-geassembleerde“quantum dots” (lasers)

Diameter van één stip ~ 50 nm

Kwantumkraal met 46 ijzeratomen

Diameter van kraal ~ 7 nm

6 miljoen transistoren in geïntegreerde schakeling(Pentium Pro processor)

Afmeting één transistor ~ 1 µm

1 m

10 cm

1 cm

1 mm

0.1 mm

0.01 mm

1 µm

0.1 µm

0.01 µm

1 nm

0.1 nm

hand

zandkorrel

haar

rookdeeltje

DNA

atoom

Zelf-geassembleerde“quantum dots” (lasers)

Diameter van één stip ~ 50 nm

Kwantumkraal met 46 ijzeratomen

Diameter van kraal ~ 7 nm

Hoe klein is nano?

(nanos=dwerg)

3

3

Van onstekingskaars tot atoom

4

4

eGalaxies - Telescopes Nanocrystals - Microscopes

Stefan Hinderberger, NCEM

1022

Sterren in het universum. 1022

Atomen in een gram silicium

5

5

Nano: een nieuwe wereld

• Nieuwe eigenschappen• Nieuwe bouwstenen• Hogere efficientie• Opbouw van onderuit

6

6

Wat is nanotechnologie ?

• Ontwikkeling, samenvoegen en gebruik van materialen, componenten en systemen met gecontroleerde afmetingen op nanometerschaal

• Nieuwe-of sterk verbeterde fysische, chemische, biologische eigenschappen die het gevolg zijn van hun nano afmeting.

7

7

Opbouw van onderuit

8

8

Nieuwe eigenschappen

• Chemisch: oppervlakte/volume ratio• Fysisch: kwantummechanica• Optisch

9

Nano eigenschappen

I: Oppervlakte/Volume ratio

http://www.youtube.com/watch?v=2NySRur62gg

10

Gebruik? KATALYSE

Oxide substraat

Afzetting van deeltjes op een substraat

Verhoogde oppervlakte/volume ratio

11

11

Nanodeeltjes als katalysatorenZeer grote verhouding oppervlakte/volume

12Katalytische activiteit van goud nanoclusters

Meest actieve grootte : 3-3.5 nm

Science, 281 (1998) 1647

13

Nieuwe trend : hybride materialenNanodeeltjes in poreuze materialen

katalytische activiteit en selectiviteit

EMAT voorbeeld: nanodeeltjes (Au, Ru,

Pd, Cu) in metaal organisch framework

met extreem hoge katalytische activiteit

14

Kwantummechanica

-Elektronen zijn golven -Opsluiting: staande golven (cfr muziek)-Discrete energieniveaus-Vorm zeer belangrijk (confinement)-Drastisch verhoogde efficiëntie-Kwantumcomputers, fotosynthese…-Bewustzijn (Penrose)

15

15

Kwantumstippen hebben een unieke elektronische struktuur

Energy levels

Absorption

Radiationless

decay

Fluorescence

Val

ence

Ban

d

Band gap

Small

Molecules

Qdots Semiconductors

Con

duct

i

on Ban

d

16

16

Quantum dots change color with size because additional energy is required to “confine” the semiconductor

excitation to a smaller volume.

Optische eigenschappen van kwantumstippen

(kleur afhankelijk van het volume)

17

17

Kwantumstip: spectrale barcode

Wavelength ( nm )

Conventional barcodes - line thickness and

spacing give code

Qdot spectral codes - emission colors determine code. Can 'barcode'

cells, beads, …

18

18

Gebruik van kwantumstippen

• Biolabels voor : flow cytometrie microarray analyse (gene chips) fluorescentie microscopie (cel analyse)

• Fotofoltaïsche cellen

19

19

Core Nanocrystal

Inorganic Shell

Capping Group

Organic coating

Functionality

Crosslinker and

Biomolecule

Kwantumstip bio-probe

20

20

Labelling met kwantumstippen

21

http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2428

A p-n junction is formed by placing p-type and n-type semiconductors next to one another.

The p-type, with one less electron, attracts the surplus electron from the n-type to stabilize

itself. Thus the electricity is displaced and generates a flow of electrons, otherwise known as

electricity. When sunlight hits the semiconductor, an electron springs up and is attracted

toward the n-type semiconductor. This causes more negatives in the n-type semiconductors

and more positives in the p-type, thus generating a higher flow of electricity. This is the

photovoltaic effect.

Kwantum stippen in fotovoltaïsche cellen

22

Nano-optische eigenschappenoppervlakte plasmonen

“Labors of the Months” (Norwich, England, ca. 1480).

The rode kleur is te wijten aan kleine gouddeeltjes

23

23

Kleurenspel in opaal

24

24

Opaal bestaat uit identieke nanodeeltjes die het licht verstrooien

25

25

Nieuwe bouwstenen

• Kwantumstippen• Nanobuisjes• Grafeen• Nanodraden• Nanodeeltjes• Nanomachines

26

26

Nanobuisjes

27

Een volledig elektronische schakelingEen volledig elektronische schakeling

mmet nanobuisjeset nanobuisjes

SWNT

MWNT

Pd

Pd

p-FET n-FET

CMOS

inverter

28Nano mechanica Nano mechanica resonatorresonator

30

30

Nanobuisjes als lagers in een nanomotorNanomechanika

Treacy et al. Nature 1996

Gao, Wang et al. PRL 2000

Nanolagers

Cumings, Zettl Science 2000

Piezo-manipulation inside TEM

In-situ measurement of amplitude

and resonance yields elastic

constants.

Femtogram nanobalance…

300nm

Nanomotor

Fennimore et al. Nature 2003

31

Nano = versneller: tijd tussen vinding en toepassing wordt steeds korter

-GaN : leds-GMR : magnetische leeskoppen-Nanobuisjes : zeer veel toepassingen -Grafeen : schermen

32

32

Nieuwe lichtbronnen

33

33

Evolutie van de nanotechnologie

• Multidisciplinair• Waarnemen en meten : nieuwe instrumenten • Begrijpen :wisselwerking theorie-experiment• Grote rekenkracht• Ontwerpen• Maken: van onderuit• Het atoom: de ultieme bouwsteen

34

34

Bottom-up vs. top-down benadering

1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

1 mm

1 nm

Nanotechnologie

Schaalverkleining

Schaalvergroting

Hogere performantie

Nieuwe functies

35

35

STEM / HRTEM :

Scanning coils

preparaat

gefocuseerde bundel

HAADF

detector

Beeldfilter

In staat om elk atoom af te beelden

Spectroscopische informatie van één atoomkolom (energie

resolutie ~ 50 meV)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

390 400 410 420 430 440

On core

Off core

Co

un

ts (

arb

. un

it)

Energy Loss (eV)

Beeld lokaal energiespectrum

dislocatie kern in GaN [0001] 0.2 nm

ref. N. Browning, C. Kisielowski

Elektronenmicroscopie

36

Atomaire structuur in 3 dimensies

S. Van Aert, K.J. Batenburg, M.D. Rossell, R. Erni, G. Van Tendeloo.

Nature 470 (2011) 374-377.

aantal zilveratomen per kolom verkregen uit 2 verschillende orientaties

2D beelden van een zilver nanodeeltje in een aluminium matrix

[101] [100]

37

37

Een nanolab in de elektronenmicroscoop

38

Discrete elektronentomografie

Atomen tellen in 3 dimensies

S. Van Aert, K.J. Batenburg, M.D. Rossell, R. Erni, G. Van Tendeloo.

Nature 470 (2011) 374-377.

39

39

Experiment Theoriex

y

20 pm

Al, bistable

Al

Cu

Posities van de atomen

Welke atomen?

Al, bistable

Cu

Al

Charge Density

Cu

Berekende elektronische structuur

J. Plitzko, G. Campbell (LLNL), G. Duscher (ORNL), C. Kisielowski (LBNL), 2002

Begrijpen en voorspellen van eigenschappen

40

40

STM microscoop

41

41

De ultieme limieten van NanoHoever staan we?

• Het atoom: bouwsteen (alfabet) van de materie • Het electron als kleinste schakeleenheid• Opbouw van onderuit atoom per atoom

42

42

Opbouw atoom per atoom

43Kunnen we alles maken?

In 2011 kan je (bijna) alles maken atoom per

atoom...

... Maar het duurt wel één miljoen jaar

om 1mm te maken aan een tempo van 1

miljoen atomen per seconde ...

44

44

Eén-elektron transistor

45

45

De natuur als inspiratiebron

• Een leerproces van een miljard jaar• Componenten 1-100 nm• Gegenereerd met nanomachines (ribosoom)• Van onderuit hierarchisch opgebouwd • Zelf assemblerend, controlerend en robust

46

Filogenetische stamboom van cytochroom: aantal nucleotiden. ( R. Knippers).

47

Realization of nanomaterials with biologically inspired attributes self-healing, defecttolerant in hybrid organic-inorganic media.

48

Toekomst van de nanotechnologiezegen of vloek?

-Massaal (onzichtbaar) aanwezig.-Zegen?-Gevaren?

49

1600 nanoproducten

24 landen

Bron: Project on Emerging Nanotechnologies (USA)

Nanotechnologie: massaal (onzichtbaar) aanwezig

50

Nano rain hat

Pro-Idee GmbH (Duitsland)

Men’s nano-dry shirts

Jack Wolfskin (Duitsland)

Nano-Care® Stressfree Khakis

Gap (USA)

51

Nano auto verzegelingsset

Air Shape best protect nanotechnology (Nederland)

G-Glass rain repellent

Green Earth Technologies (USA)

Nano-protex Textile anti-dirt

Nanotec Pty Ltd (Australië)

Deletum 3000 Nano-silica Anti-graffiti paint

Victor Castagno (Mexico)

52

Tennisracket Nanocarbon NS Tour MP

Babolat (Frankrijk)

Wilson® Nanotube Performance Driver

Wilson (USA)

Wilson® Nanoparticle Performance Ball

Wilson (USA)

53

iPOD nano 16 GB

Apple (USA)

Samsung 16 Gb 45 nm CMOS Flash Memory

Samsung (Korea)

2010 Intel 32 nm CMOS Core Processor

Intel (USA)

54

55

Zinclear nano-zinc oxide zonnecreme

Advanced Nanotechnology Limited (Australië)

Awake Nano Lotion White

Kose Corporation (Japan)

Gold Nanoparticle soaps

Quan Zhou Hu Zheng Nano Technology Co (China)

56

Nanbabies Personal wear

Nanbabies (USA)

SAMSUNG Silver Nano Mobile Phone

SAMSUNG (KOREA)

Nano-tex nanosilver socks

Lexon Nanotech (USA)

57

Nano TiO2 - UV Air Purifier

Kind Home (Taiwan)

Daewoo Nanosilver refrigerator

Daewoo (Korea)

Nano-silver Washing machine-sterilisator

Samsung (Korea)

58

Toekomst van de nanotechnologiezegen of vloek?

-Massaal (onzichtbaar) aanwezig-Zegen?-Gevaren?

59

NANO?NANO?

60

60

Geneeskunde: doelgerichte geneesmiddelen

61

61

Lab-on-a-chipBody sensors

62

Natuurlijke fotosynthese Artificiele fotosynthese

Efficient to sustain live Efficient to sustain fuel?

Substrate

Energie problematiek : HELIOS project (VS)

•Earth abundant materials

•Low cost (coal)

•Scalable (large volume)

63

Toekomst van de nanotechnologiezegen of vloek?

-Massaal (onzichtbaar) aanwezig.-Zegen?-Gevaren?

64Example: Real and Perceptual Risk Profiles of Major Materials

NanotechnologieZegen of vloek?

Dirk Van Dyck.Universiteit Antwerpen

66

Toekomst van de nanotechnologiezegen of vloek?

Zegen

67Nadelige gezondheidsrisico’s: onvermijdelijk Sensibilisering van de onderzoekersVerplicht parallel onderzoek in onafhankelijke laboratoria (cfr Nederland).Aangepaste regelgeving

Crimineel opzet: onvermijdelijk

Aangepaste regelgevingWakzaamheid en snelle reacties (cfr antrax, computervirussen, doping…)

68

Onaangepaste maatschappelijke structuren en regels

-De technologie loopt steeds voor op de maatschappelijke structuren en regels: bevolkingstoename, migratie, juridische en ethische aspecten,internet-democratie… -De maatschappelijke aanpassingen zullen onvermijdelijk volgen.-Is de maatschappij bestand tegen alle ontwikkelingen?

69

69

Nanotechnologie in de middeleeuwen

70

Welke materialen ?

Transitie metalen met bijna gevulde d orbitalen (edelmetalen)

71

Metal@MOF

NPs>PoresNPs at surface

Metal/MOF

NPs=>Pores NPs in framework Framework broken

Metal@MOF

Particles=>PoresNPs in framework

Framework broken Metal@MOF

Volledige 3D characterisatiie van het metal@MOF

Controle over deeltjesgroote en plaats

72

72

• Automotive

industry

• Films

• UV- protection

• Displays

•

End product:

• Coatings

• Emulsions

•Dispersions

• Plastics

• Films

•

Processing:

NANO-MATERIALS

Synthesis:

Kennisketen van de nanotechnologie

Toegevoegde waarde van nanomaterialen

• Chemistry

• Physics

• Analytics

• Materials Science

• Biology

• Computer

Science

Know-how:

73

Zilver nano driehoeken (EMAT)

74

Atomen tellen in 3D

75

75

Atomen: het alfabet van de materie

It would be very easy to make an analysis of any complicated chemical substance; all one would have to do is to look at it and see where the atoms are… I put it as a challenge. Is there no way to make the electron microscope more powerful? (Richard Feynman: There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics.)

76

Klassen van nanomaterialen

Bulk materiaal dunne film staaf deeltje

2D nanostructuur

1D nanostructuur

Dimensie < 100 nm

77

78Energy Related Research

Carbon Cycle 2.0

http://www.lbl.gov/LBL-Programs/helios-serc/index.html

79

The Energy Cycle

Extraction of fuel

Oil, gas, coal,..

Enrichment of CO2

Humans have broken the natural energy cycle

All we need to do is repair it --- Helios

Payoff From Carbon-based NanomaterialsSeparation Capabilities

• High Performance Semiconducting FETs

• Light Emitting, Aligned Semiconducting FETs

• 80 GHz Semiconducting SWNT Thin Film FETs (Unaligned)

• Transparent Conductors from Metallic SWNTs

• Visibly Colored Translucent Metallic SWNT Films

e b a

d c f

81Examples of Major Advances in the Last

Decade

Synthetic replacements as therapies in the context of HDL, a model example demonstrating

that nanomaterials can mimic size, shape, and activity of biological analogs

Natural high density

lipoprotein (HDL)

Synthetic HDL analog using nanomaterials

Libby, P. Braunwald’sHeart Disease 8thed., 2008

Schaefer, E. and Asztalos, B. 2007 CurrOpinCardiol22:373-378.

Singh, I. et al. 2007 J. Am. Med. Assoc. 298: 786-798.

82

cyberinfrastructure

“fingertip access to:”-simulations-data-research methods-educational resources-tools for collaboration

Atom to Transistor (Datta 2005)

> 1994

>143,000 / year

www.nanoHUB.org

83

Advanced Manufacturing

Flexible devicesDNA and protein chips

It is important to develop tools and methods for integrating nanoscale patterning of soft materials with industry

standards and practices. This work would be important for flexible electronics and highly sensitive gene chips.

Molecular electronics

Major Advances in the last Decade:

84Number of Consumer Products thatinclude Nano-based components

Source: Project on Emerging Nanotechnologies

85Vision: Can Nanostructured Polymer – Based Solar Cells Provide aScalable Route to Cheap PV?

Hierarchical assembly – can we control molecular to nanoscale structure over large areas, in a scalable (roll-to-roll) manufacturing process?

Trajectory2000 Efficiency <1%Lifetime= ~ hourscrazy to discuss as viable technology

2010 Efficiency ~8% (certified lab scale NREL)(enabled by new nano-materials, better control over nanoscalemorphology)Lifetime = unknown: months-years?Industrial startups, Solarmer,

2020 Efficiency 10-15% Low cost productionLifetime= years+Successful, transformative technology

This will require combination ofnew materials, light harvesting, modeling,scalable manufacturing, barrier materials

In a bulk heterojunction solar photovoltaic a nanostructured donor/acceptor interface is used to dissociate excitons while providing co-

continuous transport paths

Review by Malliaras and Friend

86

Gus

t - A

CCTS

OF

CHEM

RES

, 200

9 Example 2 Artificial Photosynthesis/Water Splitting – direct conversion and storage of solar energy in fuel – Photosynthesis provides a blueprint for sustainable energy conversion and storage – But….is low efficiency and requires supporting architecture and multi-electron redox catalysts

Semiconductor nanowires and their heterojunctions can have optimized light absorption, high charge mobility, efficient charge separation and collection, and reduced recombination –

The n/n heterojunction is a promising structure for solar water splitting since the photovoltage at the junction can compensate for the lower energy level of the conduction band of the shell semiconductor

Require dramatic improvements in efficiency and durability before they can be considered for practical application - Gust

. Yang Group LBL/UCBerkeley N. Lewis Group, CalTech

87Changes of Vision in the Last DecadeFrom Nano-Robots to Nano-Realities

Fundamental research and diagnostic tools have been developed from nanoscale building blocks, some of which have been FDA cleared and approved.

www.etcgroup.org

Nanomaterials face increased scrutiny due to their

unknown interactions in the environment.

From Nano-Robots to Nano-Realities

88

Scaling Drives the Semiconductor Industry

Courtesy of R. Doering, Texas Instruments;

Data from Semiconductor Industry Association, http://www.sia-online.org

Smaller features -> Better performance & cost/function

-> More apps -> Larger market

Nanoelectronics Most Visible Impact:

89

Co

mp

uta

tion

s p

er

seco

nd

Nanoelectronics Impact on Society: To Continue the Benefits, Continue the Curve

Nanoelectronics plays a major role in tackling most of society’s challenges • High Performance Computing: behind every major scientific advance • Energy: low energy devices, sensors, “smart” appliances & energy grid • Bio / Health: in vivo sensors, health monitoring, drug delivery, drug discovery

Increased proliferation of mobile devices, sensors, and always-on connectivity will alter how we interact with each other and the planet

• More remote interactions, workforce globalization, remote delivery of services • Continued focus on environmental & societal impact of embedded devices

Microelectronics was THE economic driver for the last half of the 20th century Nanoelectronics is poised to drive the first half of the 21st

IE +12

IE +9

IE +6

$1000 Buys V uum T

Discrete Transistor

Integrated Circuit

anotechnology

IE +3 Mechanical

IE+0

IE-3

IE -5 Source: Kurzweil 1999 – Moravec 1998

1900 1920 1940 1960

1980

2000

2020

90Advances in the Past Decade:

ze A

control of porosity at different length scales

Pore Si °

100

80

20Å 60Å

MCM-41 60

40

20

Zeolite Y 10 ZSM-5

5

Aromatics

FCC

40Å

100Å

Chemicals Gasoline Gasoil Resids

91

Total number of nanotec hnology applic ations per year

Year All applications Non-overlapping

1991

224

224

2000 1,197 1,153

Num

ber

of P

aten

t App

licat

ions

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

WORDWIDE NUMBER OF NANOTECHNOLOGY PATENT APPLICATIONS

14,000

12,000

10,000

8,000

2008 12,776 10,067

All applications

Non-overlapping applications

6,000 2000-2008

Worldwide annual growth rate = 34.5%

4,000

2,000

0

Y. Dang, et al., J. Nanoparticle Research, 2010 Year

92

Reference: Roco and Bainbridge, Springer, 2001 MC Roco, Sept 30 2010

WORLDWIDE MARKET INCORPORATING NANOTECNOLOGY

 

(Estimation made in 2000 after international study in > 20 countries)

93

Penetration of nanotechnology in industry Ex 1: in semiconductors 2000 - 0% ;

2010 - 30% (< 100nm $120B) ; 2020 – 100%

Commercial and Defense Impact

Multi-Industry Use

Shielding

Lightweight Shielded Wires

Cables

Satellites Aircraft

TAPES

ROLLS

Ribbon Cables

Conductive

Sheets Hi-Strength

Sheets

Coax Pre-Preg

Heaters

Deicers

Thermal Spreaders

Anode/Cathode

Thermoelectrics

EMI /EMP Shields Ground Plane

Armor

Composites

Data Centers High Performance Batteries Waste Heat Power Thermovoltaics Consumer Electronics First Responders Wind Energy Systems Ground Transportation

Ex 2: Expanded CNT sheet production with broad impact Courtesy Rick Rigley

94

94

• Sara Bals (Antwerpen)• Stuart Turner (Antwerpen)• Sara Van Aert (Antwerpen)• Yvan Bruynseraede (Leuven)• Marc Van Rossum (IMEC)• Christian Kisielowski (Berkeley)• Zhong Lin Wang (Georgiatech)• Franz-Jozef Balk (Wuppertal)• VIB

Met dank aan

95

95

Inhoud

• De versnellende evolutie• Nano: een nieuwe wereld• Een eindpunt ?• Een blik op de toekomst• Zegen of vloek?

96

Ray Kurzweil: The singularty is near. When humans

transcend biology( Barnes and Noble 2007) Ray Kurzweil: The singularty is near. When humans transcend

biology( Barnes and Noble 2007)

97

97

Versnellende factoren in de evolutie

• Succesvolle bouwstenen (atomen, moleculen , peptiden, aminozuren, proteïnen, cellen…)

• DNA , ribosoom…• Ontwikkeling van de hersenen van de mens • Moderne wetenschap• Communicatie

98

99

99

De wet van Moore

100

100

Oorzaak van de rechte van Moore ?

• Ontwikkeling van nieuwe technologie steunt op de performantie van de vorige technologie

• Terugkoppeling leidt tot een exponentiele groei • Rechte op de logaritmische schaal• Roadmap van de computer industrie: selffulfilling

profecy• Noot: wij denken lineair (hic et nunc)

101

102

Evolutie volgt ook een rechte van Moore

complexiteit

tijdAtomen , moleculen ,peptiden, aminozuren ,proteinen, DNA , eencelligen , meercelligen , dieren , mens ,

computer ?

103

Wetenschap is een versneld vervolg van de evolutie

I : waarnemen

II: herkennen

III:begrijpen

IV:gebruiken

104

Evolutie van de wetenschap

-Betere waarnemingen (instrumenten)-Beter inzicht-Betere match theorie-experiment-Betere efficientie-Steeds kleinere schaal

105

voeding

-Landbouw-Werktuigen-Kruisen-Genetische manipulatie-Ontwerpen?-…

106

geneeskunde

-Geneeskundige planten-Geneeskundige stoffen -Toevallig ontdekte geneesmiddelen-Begrijpen van de processen-Genetische factoren-Drug design-...

107

Van onstekingskaars tot atoom

2010 2020

108