Universitatea POLITEHNICA din Bucureti Facultatea de Chimie Aplicat i tiina MaterialelorCatedra de tiina i Ingineria Materialelor Oxidice i Nanomateriale

NANOMATERIALECurs 1 Introducere i generaliti

NANOTEHNOLOGII - Definiie nelegerea comportamentului i controlul materiei la scar nanometric - 1 to 100 nm; Obinerea de imagini, msurarea, modelarea i manipularea materiei la scar nanometric; Cuprind toate materialele, dispozitivele, elementele, etc. realizate prin manipularea deliberat a materiei la scar nanometric, crora li s-a imprimat o anumit funcionalitate.

NANOTEHNOLOGIITehnologia secolului 21

NANOMETRUL - DefiniieNano n limba greac nseamn dwarf.= creaturi humanoide mici de nlime, care triau sub pmnt, ntlnite n mitologia nordicilor i n cea german. Aveau caliti i puteri deosebite.

NANOMETRUL - Definiie

Milioane de nm Mii de nm 1nm Mai puin de 1nm10 atomi de H unul lng cellalt; Celulele au mii de nm diametru

Miliarde de nm

Urma neagr din Un brbat cu figur are o lime nlimea de 2m de 1mil nm are 2 miliarde nm nlime

Diametrul atomilor 1 molecul de ADN are aprox 0,25 nm este de civa , lime adic cteva zecimi de nm

NANOMETRUL - DefiniieLungimea de und a luminii in vizibil: 300 700 nm 1 nm = un miliard dintr-un metru = 1 x 10-9 m (1 x 10-7 cm) 1 nm = 1/50,000 din diametrul firului de pr 1 nm = 1/100,000 din grosimea unei foi de hrtie 100 nm = 0.1 micron (m) 1000 nm = 1 micron (m) 1000 m = 1 mm

Evoluii n dimensiunea lucrurilor Lumea micronilor" este cea cu care suntem obinuii. De-a lungul anilor a existat tendina de a se miniaturiza continuu dispozitivele i componentele create de om. Nanotehnologiile presupun tranziia abrupt de la scala micronic/submicronic la scala 1 - 100 nm.

Ce se ntmpl la scar nanometric? Proprietile fundamentale ale materialelor se schimb la scar nanometric apar proprieti care nu au mai fost observate pn acum! Nanotehnologiile permit obinerea de materiale i dispozitive inovative, cu noi proprieti.

Ce se ntmpl la scar nanometric? Structura cristalin structura cristalin a nanoparticulelor este diferit de cea materialului macrocristalin: - nanoparticulele de oxid de zirconiu sunt tetragonale/cubice (structura de echilibru este monoclinic).

Temperatura de topire temperatura de topire a nanoparticulelor este diferit de cea a materialului densificat: - CdS Ttop se reduce de la 1720 oK pentru materialul densificat la < 1200 oK atunci cnd dimensiunea particulelor este < 3 nm.

Ce se ntmpl la scar nanometric? Structura electronic Structura electronic de benzi se schimb la scar nanometric: - n nanoparticulele de TiO2 se nregistreaz modificarea lrgimii benzii interzise (n sensul scderii acesteia); - nanoparticulele de Hg < 2 nm prezint conducie non-metalic.

Proprieti optice Comportamentul optoelectronic al nanoparticulelor este diferit fa de cel al materialului densificat: - lungimea de und a luminii emise depinde de dimensiunea particulelor la scar nanometric.

Ce se ntmpl la scar nanometric? Reflexia luminii Caracteristicile legate de reflexia luminii sunt diferite la scar nanometric: - nanoparticulele sub o anumit dimensiune nu reflect lumina n vizibil (< 1/20 din lungimea de und a luminii)

Difuzie Difuzia atomic n nanoparticule este diferit fa de cea n materialele cu micro-gruni cristalini: - dependen exponenial de dimensiunea particulelor; - efecte de suprafa.

Ce se ntmpl la scar nanometric? Solubilitatea: Substane care nu sunt solubile la nivel micrometric pot deveni

solubile la nivel nanometric.

Suprafaa specific:suprafa/volum foarte mare, caracteristic nanoparticulelor, deschide multe posibiliti pentru crearea de noi materiale i facilitarea proceselor chimice. - n materialele convenionale majoritatea atomilor nu se situeaz pe suprafa/interfa, n timp ce nanotehnologiile lucreaz adesea exclusiv cu monostraturi de particule. Raportul

Ssp=6x1m2=6m2

Ssp=6x(1/2m)2x8=12m2

Ssp=6x(1/3m)2x27=18m2

Ce se ntmpl la scar nanometric? Proprieti mecanice Proprietile mecanice ale materialelor nanocristaline sunt foarte diferite: - dislocaiile influeneaz ductilitatea i rezistena mecanic a materialelor microcristaline; - alunecarea dislocaiilor determin apariia deformaiilor i eventual distrugerea corpului solid; - activitatea dislocaiilor scade pe msur ce dimensiunea grunilor cristalini scade; - dislocaiile sunt absente n nanocristalele cu dimensiuni de 10 -20 nm.

Cristal perfect

Dislocaie elicoidal

Dislocaie marginal

Ce se ntmpl la scar nanometric?Dimensiunea de particul critic [nm] ~13 8-26 24-30 50 >80 120 120 Structur / Proprietate Material Y2O3 ZrO2 ZrO2 (YSZ) TiO2 Cr2O3 BaTiO3 BaTiO3 Nano monoclinic tetragonal conductivitate termic redus anatas superparamagnetic cubic TCurie variabil Convenional cubic monoclinic conductivitate termic normal rutil antiferomagnetic tetragonal TCurie ct.

Exemple n natur Natura este un maestru n a opera la scar nanometric: funcionarea organismelor vii este condiionat de mecanisme la scar nanometric. Actina i miozina formeaz un

sistem responsabil pentru contracia muchilor; - Serii de pai n care capul miozinei mpinge actina n pai mici, de 10 28 nm.Molecula de miozin pe o fibr de actin

Exemple n natur Natura este un maestru n a opera la scar nanometric: funcionarea organismelor vii este condiionat de mecanisme la scar nanometric. Molecula de glucoz: 0,6nm; Enzima glucoz oxidaza: 5nm; Reacia enzimatic are loc atunci cnd molecula de glucoz se cupleaz cu aceea a enzimei.

Exemple din istorie naintaii ntmpltor: notrii au utilizat nanotehnologiile

Ceramic din perioada Renaterii

descoperit n Deruta, Italia. S-a dovedit c are n coninut particule nanometrice de Cu i Ag.

Exemple din istorie Experimentele lui Faraday cu suspensii coloidale de particule de aur (1856) :

Suspensia coloidal de nanoparticle de aur are

culoarea roie; Adaosul de sruri, care provoac aglomerarea particulelor, conduce la modificarea culorii filmului.

Cum s-a ajuns la Nanotehnologii? Descoperirea

zonelor Guinier-Preston n aliajele de Al-Cu n anii 30 Odat cu apariia microscopului electronic de transmisie (TEM) i a metodelor de analiz care utilizeaz difracia de raze X, s-a stabilit c ntrirea prin mbtrnire n aliajele Al-4%Cu se datoreaz aglomerrilor de atomi de Cu zone Guinier-Preston (GP) precipitate cu dimensiuni de 10 / 100nm; creterea duritii aliajelor de aluminiu prin mbtrnire se datoreaz structurii nanometrice.

Cum s-a ajuns la Nanotehnologii? Fizicianul Richard Feynman, 1959: There is Plenty of Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics:

The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done; but in practice, it hasnt been done because we are too big.

Cum s-a ajuns la Nanotehnologii? K. Eric Drexler, 1986: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology: public prima oar faimoasa sa predicie care descrie ce s-ar putea ntmpla dac nanotehnologiile moleculare ar fi utilizate pentru a construi maini care se pot autoreplica, fr a putea fi controlate scenariul gray goo.

Herbert Gleiter, sfritul anilor 80: Avnd n vedere c numrul de atomi la limita ntre grunii cristalini este ridicat (ca proporie), comportamentul fundamental al materialelor nanocristaline va fi diferit.

Cum s-a ajuns la NanotehnologiiEvenimente determinante - anii 90 Microscopul de baleiaj cu efect tunel i microscopul de for atomic: Imagini la scar atomic; Manipularea materiei la scar atomic;

mbuntirea rezoluiei microscopului electronic de transmisie TEM i a microscopului electronic de baleiaj MEB; Constatarea c lucrurile sunt diferite la scar nanometric; Raportul World Technology Evaluation Center (WTEC); Preedintele Clinton anun Iniiativa Naional n Domeniul Nanotehnologiilor, ianuarie 2000.

NanomaterialeNanomateriale

Nanotehnologii

Dispozitive

Nanomateriale Un nanomaterial este compus sau constituit din nanoobiecte (a cror dimensiune este cuprins ntre 1 i 100 nm), care prezint proprieti specifice la scar nanometric.

Clasificarea nanomaterialelor ntrite la scar nanometric; nano structurate n suprafa; nano structurate n volum.

Clasificarea nanomaterialelor ntrite la scar nanometric: Nanoobiectele sunt incorporate ntr-o matrice pentru a induce o funcie nou sau pentru a i modifica proprietile mecanice, optice, magnetice sau termice (n produse cosmetice, lacuri, beton, cerneal pentru tipografie, etc.).

Clasificarea nanomaterialelor ntrite la scar nanometric: fibre de silice din beton, pentru mbuntirea fluiditii i proprietilor mecanice; alumina ultra fin, utilizat pentru lustruirea discurilor i plcilor dure n microelectronic; pigmenii organici i minerali pentru vopseluri i lacuri; nanoparticule de dioxid de titan ca protecie la radiaiile ultraviolete, pentru cremele solare.

Clasificarea nanomaterialelor nano structurate n suprafa: Realizarea unei acoperiri constituite din unul sau mai multe nanostraturi elementare permite: modificarea proprietilor substratului, n vederea atingerii unor parametrii prestabilii, n ceea ce privete spre exemplu rezistena la eroziune, oxidare sau abraziune, etc.; s-i confere funcionaliti noi n termeni de: aspect, duritate, aderen (tribologie), rezisten la coroziune, proprieti optice i/sau electronice.

-

Clasificarea nanomaterialelor nano structurate n suprafa: colorarea ambalajelor din sticl; inducerea unei funcii de autocurare; ntrirea suprafeei polimerilor.

Clasificarea nanomaterialelor nano structurate n volum: Sunt materiale care, datorit structurii lor nanometrice intrinseci (porozitate, microstructur), beneficiaz de proprieti fizico - chimice particulare (de exemplu o ceramic mai ductil sau proprieti optice i dielectrice mbuntite) i, uneori de o suprafa mare de schimb (spre ex. ceramic nanoporoas).

Clasificarea nanomaterialelor nano structurate n volum: materialele de tip biomimetic (aripile fluturilor n ceea ce privete materialele optice selective n frecven, coralii sau sideful pentru proprietile mecanice, etc.); materialele obinute prin autoasamblare molecular.

Clasificarea nanomaterialelor Molecule complexe cu funcii specifice Nanoparticule Nanoparticule dispersate (dispersii) Nanostructuri auto-asamblate Materiale nanostructurate densificate Filme i acoperiri nanostructurate Fire i structuri tubulare Materiale nanocompozite

Oportuniti de piaUNITI ARBITRAREOportuniti de pia pentru nanotehnologiiA B

A: cererea pieii B: oferta industrial

TIMP Lux Research, Inc., New York, evalueaz c vnzrile de produse care nglobeaz nanotehnologii vor reprezenta 15% din producia global n 2014, nsumnd $2.6 mii de miliarde anual valoare care se apropie de operaiunile n domeniile tehnologiei informaiei i comunicrii mpreun, i este de 10 ori mai mare dect profitul n domeniul biotehnologiilor.

Produse comerciale Mai mult de 500 produse bazate pe nanotehnologii, n conformitate cu http://www.nanotechproject.org/index; www.Nanoshop.com; Articol Consumer Reports: Nanotechnology: Untold Promise, Unknown Risk, iulie 2007, pag. 40.

APLICAII Industria constructoare de maini i aeronautic: materiale armate cu nanoparticule componente cu densitate sczut; anvelope armate cu nanoparticule cu rezisten la uzur mbuntit i reciclabile; vopsea de exterior care nu necesit splare; materiale plastice neinflamabile ieftine.Materiale plastice armate cu nanoparticule

APLICAII Electronic i comunicaii: mbuntirea stocrii datelor sau vitezelor de procesare cu pn la un milion de ori; mbuntirea randamentului energetic. IBM utilizeaz nanotehnologii de autostructurare pentru confecionarea chip-urilor; dispozitive de stocare a energiei de mare putere; cerneluri pe baz de nanoparticule metalice, pentru obinerea circuitelor prin imprimare.Componente IBM

APLICAII Substane farmaceutice, medicin i tiine naturale: noi medicamente nanostructurate; sisteme de eliberare controlat a medicamentelor; nlocuirea unor pri sau fluide din corpul uman; sisteme de autodiagnostic care pot fi utilizate la domiciliu; senzori; materiale pentru regenerarea esuturilor.

Nanocristale complexe, asemntoare celor observate n biominerale (a) chihlimbar (b) cristale sintetice de ZnO (c) diatomit (d) - (h) cristale sintetice de silice. Morfologia cristalelor depinde de condiiile de cretere i poate fi controlat.

APLICAII Energetic: noi tipuri de baterii; fotosintez artificial pentru metode curate de producere a energiei; celule solare; manipularea n condiii de siguran a hidrogenului; economie de energie utiliznd materiale uoare i circuite mai mici.

Membrana extern Discuri tilacoide

Membrana intern

Celul n care se realizeaz fotosinteza