Nanotechnologie Evolutie, revolutie? Achtergrond sprietjes of foto IMEC cleanroom Evolutie, revolutie?

Wat is nano-technologie? Nano – Grieks – dwerg Technologie is omzetten van wetenschap in techniek Filmpje Nieuwe materialen en toestellen: zeer klein, unieke eigenschappen https://www.youtube.com/watch?v=id43wW25_-M 1 Ipod nano, 2 bekijken, manipuleren, verplaatsen van losse atomen en moleculen gevolg van kwantum-effecten 3 voorbeelden laten zien die aanspreken en spectaculair zijn. Men kan kijken tot op nanometer-schaal, bv naar dingen in de natuur - daardoor kan men bepaalde dingen beter begrijpen (processen) en kan men dit ook proberen na te bouwen. Niet alleen dingen uit natuur nabouwen, maar ook totaal nieuwe dingen.

Inhoud - Nanotechnologie Wat is nanotechnologie? Evolutie of revolutie Nanostructuren maken – hoe, wie Toepassingen in ons dagelijks leven Bedenkingen Filmpjes Zelfstandig experimenteren

Wat is nanotechnologie? de wetenschap en techniek op een extreem kleine schaal, nanometer schaal (structuren 1-100 nm) Op deze schaal krijgen stoffen andere fysische eigenschappen: geleidbaarheid, smeltpunt, kleur, sterkte,... Door manipuleren en controleren van structuur en samenstelling op de nanoschaal -> controleren eigenschappen Hoe klein is een nanometer? OPDRACHT: Puzzel nanoschaal foto’s

Wat is nanotechnologie? Hoe klein is een nanometer? Eenheid afkorting wetenschappelijk Meter m 1 x 100 m Millimeter mm 1 x 10-3 m Micrometer µm 1 x 10-6 m Nanometer nm 1 x 10-9 m

Hoe klein is een nanometer Papier dikte ~10 000 nm Haar diameter ~50 000-100 000 nm Nagels groeien ~1 nm per sec Virus ~30-50 nm Buckyball ~1 nm Atoom ~0.1 tot 0.3 nm 1 nanometer ~3 atomen lang

Wat is nanotechnologie? de wetenschap en techniek op een extreem kleine schaal, nanometer schaal (structuren 1-100 nm) Op deze schaal stoffen andere fysische eigenschappen: geleidbaarheid, smeltpunt, kleur, sterkte,... Manipuleren en controleren van structuur en samenstelling op de nanoschaal -> controleren eigenschappen Verklaring – surface area to volume ratio, kwantum fysica, ... Voorbeelden

Andere fysische eigenschappen Verklaring - Surface area to volume ratio groot Sommige processen vinden plaats aan oppervlakte: chemische reacties, krachten tussen atomen en moleculen, ... Kubus verdelen in 8 kleinere kubussen -> surface area X2 Kubus verdelen in alsmaar kleinere kubussen -> surface area heel groot Stel dat we een blok zouden hebben van een bepaald materiaal. Een kubus met elke zijde 1m. Processen die aan de opp.van een materiaal gebeuren zouden dan kunnen gebeuren over de buitenkant van de kubus. Over een opp van 6m2 (alle vlakjes naast elkaar gelegd). Als je dat materiaal in kleinere deeltjes verdeeld, krijg je meer opp waarlangs die processen kunnen gebeuren. Als je dit nu alsmaar vaker doet, alsmaar kleinere deltjes (tot je nanodeeltjes krijgt) ->“Meer buitenkant dan binnenkant”. Groter oppervlakte- groter gebied waar reacties gebeuren, kubus zijdes 1m– buitenste vlakken naast elkaar leggen- oppervlakte waarlangs reacties kunnen gebeuren 6m2. Verdeel kubus in 8 kleinere- grootte van opp is 2X groter. Grotere surface area- meer opp waarlangs reacties kunnen gebeuren. Wat voor reacties? - > volgende slide

Andere fysische eigenschappen Verklaring - Surface area to volume ratio Chemische reacties Filmpje Nanoyou part 1 – bloem en vuur (vanaf 3min20) https://www.youtube.com/watch?v=bnWO0WI6h7A Bij welke processen is de oppervlakte/buitenkant van een stof heel belangrijk? -> eerste voorbeeld : Chemische reactie. Iets in brand steken is zo een voorbeeld van een chemische reactie. Sommige stoffen zullen niet fel reageren als ze in ‘t groot zijn, maar heel erg reactief zijn als je er hele kleine deeltjes van neemt (en je dus voor een zelfde hoeveelheid materiaal heel veel oppervlakte hebt waar dit kan gebeuren). -> filmpje. Een bakje bloem – kan je dit in brand steken? Vergelijkbaar: blok kaas smelten vs geraspte, blok chocolade vs geraspte - ander vb oplossen suiker (klontje vs fijne/poedersuiker)

Andere fysische eigenschappen Verklaring - Surface area to volume ratio Krachten Zwakke krachten tussen atomen en moleculen (Van der Waals Krachten) worden heel belangrijk door enorm groot aantal contactpunten Gekko, mier, kever,... Filmpje Gekko/Beetle Tape experiment http://www.breakingscience.be/nl/topics/detail/hoe-kan-je-als-spiderman-een-gebouw-opklimmen (vanaf 3min30) Waarbij is oppervlakte/buitenkant van stof nog belangrijk? Bij krachten – Tussen atomen en moleculen van verschillende stoffen. Tussen atomen zijn er krachten die ervoor zorgen dat niet alles in atomen of moleculen uit elkaar valt. Die krachten zijn er ook wanneer je atomen van de ene stof dicht bij die van een andere stof brengt (aan de opp./buitenkant van de stof). Over ‘t algemeen kan je die tussen vershillende voorwerpen verwaarlozen (gaan niet zomaar aan elkaar gaan plakken), omdat die atomen aan de opp.van de verschillende voorwerpen heel dicht bij elkaar moeten komen vooraleer die een rol gaan spelen. Maar- hoe meer oppervlakte, meer contactpunten, meer krachten tussen atomen en moleculen van die verschillende stoffen een rol gaan spelen. vb tussen pootjes van dieren en glas en dit is nu wat er gebeurt bij dieren zoals gekko, moer, kever. Omdat die aan uiteinde van hun poten extreem veel miniscuul kleine haartjes hebben die contact maken met bv het glas. Dit verklaart waarom gekko, kever,... Over glas naar boven kan lopen (en ondersteboven hangen). Ditzelfde principe werd gebruikt om een soort plakband te maken zonder lijm. kever Beetle tape

Andere fysische eigenschappen Voorbeeld - goud Wit licht bevat alle kleuren Klomp goud: geelkleurig Nanodeeltjes goud (<100 nm) Bepaalde kleur gereflecteerd, alle andere geabsorbeerd Kleinere nano-deeltjes, andere kleur – rood, paars, blauw, ... Bulk Goud – geelachtig (blauw en paars geabsorbeerd, rood geel en groen kleuren gereflecteerd -> gelig. Goud kleinere deeltjes – andere kleuren gereflecteerd, kleur die gereflecteerd wordt, is de kleur die wij zien

Andere fysische eigenschappen Voorbeeld Welke afbeeldingen zijn dit? Gemeenschappelijk?

Andere fysische eigenschappen Voorbeeld Koolstof Diamant Hard Isolator Doorzichtig Kristalrooster kubus Grafiet Zacht Geleidend Zwart, niet doorzichtig Kristalrooster hexagonaal Laagjes die makkelijk over elkaar glijden Potlood- laagje grafiet Principe: met plakband laagje grafiet van potloodpunt aftrekken, plakband toeplooien, opentrekken – dunner laagje. Dit altijd opnieuw herhalen tot je uiteindelijk laagje van 1 atoom overhoudt – ander materiaal, andere eigenschappen.

Andere fysische eigenschappen Koolstof Koolstof Nanobuis - CNT Cilindrisch 1991 100 keer sterker dan staal Licht Buigbaar Versterken van materialen Geleidend (1000 X beter dan koper) of isolerend, afhankelijk van structuur Beeldschermen, sensoren, chips Opgerold kippengaas Bucky ball – C60 60 koolstofatomen Rooster bolvormig Diameter 1 nm Vijfhoeken en zeshoeken 1985 Sterk, weinig reactief – medicijntransport? Supergeleider Smeermiddel Verdienste – onderzoek leidde tot ontdekking CNT en grafeen Transistoren verbinden met nanodraden ipv koper-kleiner, krachtiger, sneller

Andere fysische eigenschappen Grafeen 1 laagje grafiet 2 dimensionaal 1 atoom dik Sterkste materiaal (krachtige C-verbindingen) Dunste materiaal Doorzichtig Flexibel en stijf tegelijk Extreem goede geleider Nobelprijs natuurkunde (2010) 3 miljoen laagjes grafeen -> 1 mm grafiet Toepassingen? 2010 nobelprijs natuurkunde voor makers Grafeen (Andre Geim and Konstantin Novoselov), electronen gaan zeer snel door dit materiaal, sterker dan staal maar wel flexibel

Andere fysische eigenschappen Grafeen – toepassingen Super krachtige en super snelle transistors en computers (quantum computers) Flexibele en onbreekbare schermen, smartphones (samsung), draagbare electronica Doorzichtige computers Smart windows Google glass ... Science fiction becomes reality

Wat is nanotechnologie? de wetenschap en techniek op een extreem kleine schaal, nanometer schaal (structuren 1-100 nm) Op deze schaal stoffen andere fysische eigenschappen: geleidbaarheid, smeltpunt, kleur, sterkte,... verklaring Voorbeelden Manipuleren en controleren van structuur en samenstelling op de nanoschaal -> controleren eigenschappen Verklaring - kwantum fysica, oppervlakte-volume ratio Voorbeelden : goud, koolstof - diamant, grafiet,C60, CNT, grafeen Hoe, wie, tools - verder

Evolutie of revolutie Glasramen Middeleeuwen Kleur van glas afhankelijk van afkoelingsproces Kleur afhankelijk van grootte van nanodeeltjes zilver, goud, ... Nieuw? Nano-technologie nieuwe industriële revolutie, zal de wereld veranderen

Evolutie of revolutie Natuur Gekko Lotus – hydrofoob Laatste foto gekko 200 nm, 500 000X vergroot Lotus – blaren zuiver: heuveltjes, water en vuildeeltjes kunnen zich niet vasthechten

Hoe maak je nano-structuren Tools-microscopen ‘gewone’ lichtmicroscoop Niet bruikbaar op nano-schaal Kleiner dan 250 nm: niet meer zichtbaar - object kleiner dan helft golflengte van licht, kaatst licht niet meer (voldoende) terug EM (electronen microscoop) Electronen schieten op oppervlak Weerkaatste electronen opvangen Haartjes op vleugel van vlieg (600 nm) Haar 2X oog van hommel

Hoe maak je nano-structuren Tools-microscopen STM (scanning tunneling microscoop) Oppervlak aftasten met dunne geleidende naald Zeer dicht bij oppervlak (0.3 nm) Tunneling effect - Electronen springen over van naald naar oppervlak (stroompje) Klein verschil in afstand – groot verschil in stroom Meet stroom (verschillen) Kan ook individuele atomen verplaatsen AFM (atomic force microscoop) Naald beweegt over oppervlak Voelt vorm van oppervlak door verschillen in atoomkrachten tussen naald en oppervlak en zet dit om in beeld Meet kracht-verschillen

Hoe maak je nano-structuren Tools-microscopen Top-down: vertrek van grote structuur, steeds verkleinen Chips silicium schijf patroon aanbrengen rest verwijderen (etsen) Transistors, andere materialen of laagjes toevoegen Patroon, Etsen,... Laagje grafeen Bottom-up: materiaal opbouwen atoom per atoom (zoals lichaam groeit of zich herstelt na wonde)

Wie maakt nano-structuren Wie herkent dit gebouw? Wat wordt er gemaakt? Wat met deze les en met jou te maken? Smart phones, 10-20 jaar geleden kon je alleen telefoneren met je GSM. Vraag - Wat doe je er nu mee? Nu kleine computer – foto’s, agenda die je kan synchroniseren met agenda’s op andere toestellen, internet, spelletjes, metingen doen en registreren... Playstation – krachtige toestellen, 3 dimensionale levensechte beelden, ... Web tv .....revolutie in dagdagelijkse technologie rond ons, dankzij revolutie in chips technologie

Wie maakt nano-structuren IMEC Interuniversitair micro-electronica centrum Hoogtechnologisch onderzoek in samenwerking met universiteiten en bedrijven – wereldtop nano-electronica Ontwikkeling technologische oplossingen die relevant zijn voor industrie Opgericht in 1984 Van micro-electronica naar nano-electronica Cleanrooms 31 jaar, chip – zwart doosje met pootjes. In doosje zit dit -wafer tonen-miljoenen transistoren in, en hele dunne draadjes ertussen. Evolutie op korte tijd, door alsmaar te verkleinen, chips krachtiger maken-door meer bouwelementen (transistoren, schakelingen, ...) op zelfde oppervlak te zetten chips-kan alleen door bouwstenen te verkleinen-micro naar nano proces dat je ontwikkelt om iets te maken moet ook toe te passen zijn in de industrie (op grotere schaal)

Wie maakt nano-structuren-IMEC Chipprocestechnologie – verkleinen chips-bouwstenen sneller, meer bewerkingen, meer data opslaan, minder energie verbruiken binnen 10 jaar transistoren kleiner dan 5 nm Dunne film (flexibele) electronica: plooibare tablets, oprolbare beeldschermen, flexibele bio-sensoren, intelligente kleding (ingebouwde LEDs), ... Dunne film electronica-keuze materialen en ontwikkelen processen om electronica geïntegreerd te krijgen Zonnecellen (organische zonnecellen gemaakt met ink-jet printing), flexibele OLEDs in tekstiel – fantasietjes maar ook sensors

Wie maakt nano-structuren-IMEC Draagbare monitoringsystemen voor gezondheidszorg EEG en ECG metingen Nieuwe draadloze communicatie technologie Zonnecellen en batterijen: verbeteren efficiëntie, kostprijs, nieuwe hoog vermogen batterijen, LEDs Lab on chip, ... Dunne film electronica-keuze materialen en ontwikkelen processen om electronica geïntegreerd te krijgen Zonnecellen (organische zonnecellen gemaakt met ink-jet printing), flexibele OLEDs in tekstiel – fantasietjes maar ook sensors

Wie maakt nano-structuren interdisciplinair http://www.kennislink.nl/publicaties/wat-is-nanotechnologie jobs, studies Verwijs naar imec-wie werkt daar

Toepassingen dagelijks leven - nu Nieuwe materialen en producten: Keukengerief : coating zilver-nanodeeltjes (antibacterieel) Cosmetica : zink – oxide nanodeeltjes in zonne-crème Stoffen: waterafstotend, vuilafstotend, schok-absorberend Electronica Sport : koolstof nanobuizen in fietsen, tennisrakketten Voedingsindustrie : sensoren voor detecteren schadelijke stoffen (salmonella), anti-bacterie-deeltjes Metalen versterkt met koolstof nano-buizen Verf Coatings Wasmachines die zilver nano-deeltjes toevoegen tijdens wassen-doodt bacteriën, antibacterie deeltjes bij eten, metalen versterkt met koolstof nano-buizen (auto’s, lift kabels,...) zelfreparerende lak

Toepassingen dagelijks leven Geneeskunde Diagnose lab on chip Biosensor, nanocamera, nanopil Behandeling nanopartikels in strijd tegen kanker smart implants Nano-robots Lab on chip – analyse van bloedstaal in labo – nu op 1 kleine chip (naast bed, derde wereld,...) nanopil-lab on chip in pilvorm -detecteren van stoffen vroege detectie darmkanker, chip stuurt info door naar computer, ...toekomst-ook biopsies, medicijnen afgeven.... biosensor-chip met biologische functie, biologische moleculen op oppervlak plaatsen waardoor de chip biologisch intelligent wordt –vb sensor die bio-moleculen herkent die vrijkomen bij herseninfarct. Druppeltje bloed op sensor-snel!!! Nano-pil – pil die je inslikt, nano-sensoren erin. Die detecteren stofjes die vrijkomen bij bepaalde ziektes (vb darmkanker). Signaal doorgestuurd van sensoren naar computer (draadloos) – arts diagnose. Nano-partikels-kanker: sommige warmen op als je ze bestraalt met een laser. Deeltjes dicht in buurt van tumorcellen brengen-verbranden. Smart implant: systeem implanteren dat metingen doet en op basis daarvan juiste medicatie toedient (vb insulinepomp en glucose-biosensor)

Toepassingen dagelijks leven Waterfilters met nanotechnologie Energie Produceren zonnecellen (flexibele, met koolstof nanobuisjes...) energy harvesters Sparen isolatie Verlichting: LEDs hoog rendement Koolstofnanobuisjes zorgen dat LEDS meer licht geven, op zonnecellen – meer licht vangen, dus hoger rendement (meer electriciteit) Zonnecellen nu in productie-gemaakt van silicium. Nieuwe – organische flexibele zonnecellen-van organische nano-deeltjes (goedkoper& flexibele cellen spuiten op dakpannen of kleren- Energy harvesters-toestelletjes die electriciteit generen uit lichaamswarmte (bv om sensoren van energie te voorzien)

Bedenkingen Gezondheid: nano-deeltjes schadelijk? Andere vorm, andere eigenschappen – risico’s? Anders opgenomen/afgescheiden in lichaam Onderzoek veiligheid nodig! Milieu: nieuwe soorten afval Samenleving: privacy, toegankelijkheid voor iedereen Maatschappelijk debat nodig, in samenwerking met industrie en onderzoeksgroepen! http://www.kennislink.nl/publicaties/wat-is-nanotechnologie Veelbelovend- maar naast voordelen ook nadelen, risico’s.... Waterzuiveringsinstallaties – te duur voor derde wereld? Misbruik technologie-spierversterking-nieuwe doping? Denk maar aan naaldvormige asbest-deeltjes-kankerverwekkend