Orienta giovani, 14/10/05

Alla scoperta delle
nanotecnologie
Pietro Busnardo
Consulente Veneto Nanotech
Direttore Scientifico IMN Civen
[email protected]
“L’Inventore” delle nanotecnologie
 In un celebre discorso
nel 1959 al Caltech,
Richard Feynman
(Nobel ‘65, Fisica)
intitolato “ There’s
Plenty of Room at the
Bottom” di fatto diede
inizio alla ricerca
mondiale nel campo
della nanoscienza
Anche se la Disney ci aveva
pensato prima!
 ETA BETA è un
atomo
 Nato nel 1949
Nano? Capiamo le dimensioni…
Partiamo da un
uomo…
Rice University, Houston, TX, USA
… arriviamo ad
una zanzara …
Nano? Capiamo le dimensioni
… arriviamo ai
suoi occhi…
Rice University, Houston, TX, USA
… e finalmente
arriviamo al
nanometro
Prospettive nanotecnologiche
Cosa si intende per nanotecnologie?
1 metro
10-3 m
(millimetro)
Le nanotecnologie sono l’insieme
di metodi e tecniche per la
manipolazione della materia su
scala atomica e molecolare e
hanno l’obiettivo di costruire
materiali e prodotti con speciali e
superiori caratteristiche chimicofisiche
Capelli
Batteri
10-6 m
(micron)
Transistor per
Pentium IV
Virus
10-9 m
(nanometro)
DNA
Atomo
Fonte: Forrester Research
Che cosa è la Nanoscienza?

Il comportamento a livello di
nanoscala, non può essere previsto
in base alle nostre conoscenze di
livello macroscopico

Non si tratta solamente di una
riduzione di dimensione ma di
fenomeni intriseci alla nanoscala
 Dominio dei fenomeni di
interfaccia
 Meccanica quantistica
 Esempi di nanostrutture
 Proteine e DNA
 I nanotubi in carbonio
Caratteristiche delle nanotecnologie
 Tecnologie alternative
 Sostituiscono precedenti tecnologie e rendono
possibili l’imporsi di prodotti e processi
radicalmente nuovi
 Tecnologie abilitanti
 Come l’elettricità, il motore a combustione
interna, Internet, il suo impatto sulla società sarà
ampio e spesso imprevedibile
 Tecnologie interdisciplinari
 Porteranno a lavorare insieme ricercatori di
settori scientifici tradizionalmente separati
favorendo la nascita di nuove idee attraverso la
fertilizzazione incrociata
A lungo termine l’utilizzo delle nanotecnologie
sarà ampio …
Esempio automotive
Leghe basate su nanotubi di carbonio
vengono sperimentate come sostituti per i
telai di automobili per la loro alta
resistenza e basso peso
Catalizzatori ceramici basati
su ossidi metallici nanostrutturati ridurranno
ulteriormente le emissioni a
costi ridotti
Nanopolveri e ricoprimenti
aumenteranno la durata
delle verniciature
Le eccezionali proprietà meccaniche di nano-compositi polimerici
renderanno questi materiali leggeri ideali come sostituti dell’acciaio
nelle automobili. Inoltre, i pannelli nanocompositi polimerici
renderanno possibile la verniciatura elettrostatica, riducendo di molto
i costi e l’impatto ambientale.
Le tecnologie dei nano-catalizzatori e
delle membrane avranno un ruolo
critico nel rendere economiche le
celle a combustibile e consentire la
sostituzione dei motori a
combustione interna
… creando un mercato di dimensioni
impressionanti
Beni e servizi collegati alle nanotecnologie – previsione 2010-2015
Migliaia di Miliardi di dollari
Other
Caso
conservativo
Stima NSF
Caso
aggressivo
Aerospace
5 volte
6%
più Chemical
grande del
9%
Manufacturing
mercato
attuale
dei 17%
Pharmaceuticals
semiconduttori!!
Materials
9%
31%
28%
Electronics
Source: National Science Foundation, In Realis
Con le nanotecnologie si può
giocare con le molecole…
 NanoKid è composto
da 39 atomi di
carbonio, 42 di
idrogeno e 2 di
ossigeno.
 NanoAtleta è
composto da 42
atomi di carbonio, 48
di idrogeno e 2 di
ossigeno
Rice University, Houston, TX, USA
…e vincere il premio Nobel!
 Il fullerene, o
buckyball, è
composto da 60
atomi di Carbonio ed
ha la stessa
geometria di un
pallone da calcio.
 Diametro di circa 10
nanometri, scoperto
nel 1985
I nostri amici più bellini :-)
Microscopie di sonda a scansione
1982: Binnig e Rohrer
introducono le microscopie di
sonda (SPM) (e vincono il Nobel
nel 1986)
Le sonde a scansione permettono
di operare su singole molecole,
atomi e legami
Da allora, gli scienziati si sono divertiti
a manipolare singoli atomi…
Nel 1990 gli scienziati della IBM riuscirono
a scrivere IBM atomo per atomo con il
microscopio a scansione.
Atomi di Xeno su Nickel
…ovunque nel mondo
 Atomi di Ferro su
Rame
 L’ideogramma
significa “Atomo”
Altre immagini: Stadium Corral
 Atomi di Ferro
su Rame
I nanotubi di carbonio
Eccezionali proprietà
meccaniche: max.
tenacità ad oggi nota
Conducibilità termica
simile a quella del
diamante
Proprietà elettroniche dipendono dalla struttura:
•Metalliche
•Semiconduttive (per avvolgimento ad elica del grafene)
Fibre per tessuti più tenaci del filo della
tela di ragno
Nessun’altra fibra oggi nota ha la tenacità delle fibre di nanotubi di carbonio
•Fibre di gel di nanotubi: lunghe 100 m, spesse 50
µm, contengono 60wt% di nanotubi
•Resistenza tensile: 1.8 Gpa
•Energia per rottura: 570 J/g
Possibili applicazioni:
•Corde e imbragature di sicurezza
•Coperte anti-esplosione per le aree cargo degli
aerei
•Giubbotti e schermi anti -proiettile.
Nell’elettronica, le nanotecnologie aiuteranno a
mantenere valida la legge di Moore
Nanoelettronica “top-down”
Ha origine dalla fisica degli stati
condensati e dalla scienza dei
materiali
Approccio Bottom-up: Elettronica molecolare
Il campo in rapido sviluppo dell’elettronica molecolare - spesso
oggi indicato come nanoelettronica, offre un’alternativa detta
bottom-up all’attuale approccio top-down basato silicio per la
costruzione di circuiti logici e di memoria.
Jim Heath (CalTech), Hewlett Packard Corporation
Primo transistor basato su nanotubi di carbonio
IBM Yorktown, aprile 2002
Superfici auto-pulenti:
Effetto loto
10 µm
W. Barthlott, Univ. of Hamburg
Su una superficie liscia le
particelle contaminanti
sono solo spostate dal
movimento delle
goccioline d’acqua
(sinistra).
Su una superficie rugosa
esse aderiscono alla
goccia e rotolano via dalla
foglia che rimane pulita
(destra).
Cera epicuticolare
(Source: Metin Sitti, CMU)
Il cotone può essere reso
impermeabile ai liquidi
Science Museum, Londra
Nanofotonica con quantum dots di
semiconduttori: atomi artificiali (103 – 106 atomi)
CdSe core with ZnS shell QDs
Bulk - 3D
Quantum Well - 2D
Red: bigger dots!
Blue: smaller dots!
Quantum Wire - 1D
Quantum Dots-0D
Immagini AFM di isole di InAs
cresciute epitassialmente su GaAs
La nanofotonica per la luce
Osram sta studiando
l’utilizzo di
nanocristallil per
produrre led a basso
consumo energetico
Nanofotonica: Nanoparticelle di metalli
(Au, Ag, …)
Licurgo cup (IV sec. AD)
Au Nanoparticelle (5-10 nm) usate per il
loro colore
Test DNA
Riconoscimento di singoli nucleotidi con
Au Nanoparticelle funzionalizzate
Esempi sul mercato: Barriere al gas nanostrutturate
Usando materiali e processi brevettati, il guscio interno di una palla da tennis è rivestito con una
barriera chiamata Air D-Fense™ by InMat™ LLC, che impedisce il flusso d’aria che lentamente
esce dall’interno. La permeazione dell’aria è ridotta del 200%. Le normali palle lasciate fuori dal
contenitore dopo due settimane o meno non possono essere più utilizzate da giocatori esigenti.
Double Core™ è giocabile dopo oltre quattro settimane
Le barriere ai gas sono usate in un ampia varietà di applicazioni: ad
es. contenitori per bibite, imballaggi alimentari, pneumatici
Barriere migliorate possono prolungare la vita e migliorare la
qualità/prestazioni dei prodotti
Source: http://www.wilsonsports.com
Ossido di zinco nanostrutturato per cosmetici
Per avere protezione completa dalla radiazione solare, si usano spesso creme contenenti
ossido di zinco, una sostanza di colore bianco. Usando nanoparticelle di dimensione 30 - 60
nanometri, Nanophase Technology ha creato una formulazione che blocca tutti I raggi UV
ma è completamente trasparente alla luce visibile
Nanophase zinc oxide viewed under high
magnification *
Le barriere ottiche vengono usate per
molteplici applicazioni
Creme solari
Schermi UV (vetri, finestre)
Celle fotovoltaiche
Source: Nanophase Technologies Corporation
Applicazione del principio al tessile
Una start-up ora posseduta da
Burlington Industries®
Le fibre di cotone sono
ricoperte da una “peluria”
(nano-whiskers) che rende la
loro superficie simile alla pelle
di pesca.
Il processo consiste in (i)
immersione in una sospensione
di nano-whiskers e (ii)
trattamento termico.
La peluria crea un cuscino
d’aria che assicura l’”effetto
loto”.
I pantaloni Khaki resistono alle
macchie ed alle pieghe ma
traspirano.
Rispetto ai normali pantaloni,
costano $ 5 in più.
In Veneto esiste un centro di
eccellenza nel campo nano
Veneto Nanotech è l’unico distretto ad alta
tecnologia focalizzato sullo studio e le
applicazioni delle nanotecnologie
Il distretto ha un budget di circa €60m per:
 Sviluppare ed attrarre talenti
 Rafforzare la ricerca preindustriale
 Promuovere le applicazioni nanotech
In Veneto ci sono tre grandi atenei di
rinomanza mondiale
 Università di Padova
 Fondata nel 1222
 56,000 studenti; 2,350 professori e ricercatori
 Università Cà Foscari di Venezia
 Fondata nel 1888
 17,000 studenti; 550 professori e ricercatori
 Università di Verona
 Fondata nel 1958
 20,000 studenti, 780 professori e ricercatori
Nell’ambito del distretto è nato CIVEN
Costituito dalle Università di Padova, di Venezia-Ca’Foscari
e recentemente di Verona, per la promozione di attività di
ricerca e di formazione nel campo delle nanotecnologie
Le iniziative (già in fase di realizzazione): due progetti con
finanziamento regionale
1.Progetti di ricerca e sperimentazione industriale
(presso la NanoFabricationFacility (NFF))
2.“International Master in Nanotechnologies”
Il Centro NanoFab
 Operatività nel Giugno 2005
 Strutture di ricerca e attività specifiche
 Deposizione di strati sottili per mezzo di
PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor
Deposition)
 Compattazione e sinterizzazione di nanopolveri
Il CIVEN offre uno dei primi master in
Europa nel settore delle nanotecnologie
Missione dell’IMN:
 Offrire la miglior educazione scientifica e
manageriale post-laurea ai migliori laureati
scientifici internazionali con l’ l’obiettivo di
creare i futuri manager delle nanotecnologie
 Creare nuove figure professionali in grado di:
 Capire la tecnologia
 Gestire progetti sotto ogni profilo
 Comunicare con persone non tecniche
Le aziende cercano questo nuovo tipo di
professionalità nel mercato del lavoro
 Società innovative, tradizionalmente concentrate in
innovazione e tecnologie, apprezzano il mix di soggetti
insegnati nei corsi del master
 Società consolidate hanno bisogno di persone che
siano in grado di interpretare i mercati, le
problematiche tecniche e le soluzioni che le
nanotecnologie possono offrire.
 Start-up hanno bisogno di di capitale umano multidisciplinare che possa occuparsi di un mix di task
molto variegato.
Abbiamo organizzato il master in modo da
poter raggiungere i nostri obiettivi
 Durata annuale, da gennaio a dicembre
 Corso di secondo livello - laureati vecchio ordinamento
o laurea specialistica nuovo ordinamento - aperto a
laureati in discipline scientifiche
 540 ore di lezioni, laboratori e workshop
 Almeno tre mesi obbligatori di stage presso un’azienda
innovativa nel settore nanotech
 Lezioni in inglese, così suddivise:
 70% di nanoscienze e nanotecnologie
 30% di gestione aziendale
 Diploma rilasciato congiuntamente dall’Università degli
Studi di Padova e Cà Foscari di Venezia
Il 2004 è stato l’anno di avvio
 Uno dei primi corsi in Europa di questo tipo
 13 studenti di cui
 2 internazionali (Argentina e Polonia)
 1 donna
 Professori da importanti università mondiali (MIT,
UCLA, Fraunhofer, Grenoble, ecc)
 Articoli nella stampa internazionale (Small Times)
 Internship in aziende di notevole importanza:
 Multinazionali: Intel, IBM, ST Microelectronics
 Italiane: San Benedetto, Tycoon, Protect
 Startup: Axo Dresden, Focal Point, Moma
Il 2005 è l’anno del consolidamento della
nostra posizione in Europa
 Più di 50 domande di ammissione da tutto il mondo
 Selezionati 13 studenti, così suddivisi
 10 Italiani
 3 Stranieri (Cina, India, Iran)
 4 Donne
 Borse di studio da alcune aziende che hanno ospitato
gli studenti dell’IMN 2004: Intel e San Benedetto
 Nuovi professori da MIT, UCLA, Cambridge University,
University of Santa Cruz, ecc.
 Introduzione di nuovi corsi quali : etica, impatto del
nanotech nell’ambiente, negoziazione, ecc.
Alla scoperta delle
nanotecnologie
Pietro Busnardo
Consulente Veneto Nanotech
Direttore Scientifico IMN Civen
[email protected]