Nanoteknologia -- missä
mennään ja minne ollaan
(ehkä) menossa?
Prof. Kai Nordlund
21.5.2015
Helsingin yliopisto
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Fysiikan laitos
www.helsinki.fi/yliopisto
Atomi ja nanoskaala
Ø Kaikki aine ympärillämme koostuu
tietenkin atomeista
Ø Yksi atomi = ydin + elektronit
Ø Atomityyppejä on noin 90 –
kemialliset alkuaineet
Ø Kaikki normaali aine maan päällä
koostuu näistä
Ø Atomin koko on noin 0.2 nanometriä
(nm) eli 2 x 10-9 m
~ 0.2 nanometriä
Ø Atomi on kvanttimekaaninen – ei
kovia palloja, vaan aallon ja
materian välimuotona
Ø Nanoskaala vähän atomeja suurempi
www.helsinki.fi/yliopisto
Miten pieni on nanometri ja atomi?
Vastaus: älyttömän pieni!
Katsotaanpas miten sinne
päästään!?
”10 askelta alas kymmenesosittain”
www.helsinki.fi/yliopisto
Skaala 1 metri = 1 000 000 000 nm
Pensas
www.helsinki.fi/yliopisto
4
Skaala 1 metri = 1 000 000 000 nm
Kukka
www.helsinki.fi/yliopisto
5
Skaala 1 dm = 100 000 000 nm
Kukka
www.helsinki.fi/yliopisto
6
Skaala 1 dm = 100 000 000 nm
Mehiläinen
www.helsinki.fi/yliopisto
7
Skaala 1 cm = 10 000 000 nm
Mehiläinen
www.helsinki.fi/yliopisto
8
Skaala 1 cm = 10 000 000 nm
Hyönteissilmä
www.helsinki.fi/yliopisto
9
Skaala 1 mm = 1 000 000 nm
Hyönteissilmä
www.helsinki.fi/yliopisto
10
Skaala 1 mm = 1 000 000 nm
Ihmishius
www.helsinki.fi/yliopisto
11
Skaala 100 mikrom = 100 000 nm
Ihmishius
www.helsinki.fi/yliopisto
12
Skaala 100 mikrom = 100 000 nm
Siitepöly
www.helsinki.fi/yliopisto
13
Skaala 10 mikrom = 10 000 nm
Siitepöly
www.helsinki.fi/yliopisto
14
Skaala 10 mikrom = 10 000 nm
Mikromekaaninen pilari
www.helsinki.fi/yliopisto
15
Skaala 1 mikrom = 1 000 nm
Mikromekaaninen pilari
www.helsinki.fi/yliopisto
16
Skaala 1 mikrom = 1 000 nm
”Nanopurje” grafiitista
www.helsinki.fi/yliopisto
17
Skaala 100 nm
”Nanopurje” grafiitista
www.helsinki.fi/yliopisto
18
Skaala 100 nm
Nanorypäitä pinnalla
www.helsinki.fi/yliopisto
19
Skaala 10 nm
Nanorypäitä pinnalla
www.helsinki.fi/yliopisto
20
Skaala 10 nm
Fullereeni C60
www.helsinki.fi/yliopisto
21
Skaala 1 nm
Fullereeni C60
www.helsinki.fi/yliopisto
22
Skaala 1 nm
Fullereeni C60
www.helsinki.fi/yliopisto
23
Skaala 0,1 nm
Yksittäinen atomi = atomifysiikka
www.helsinki.fi/yliopisto
24
Mitä nano siis on – määritelmä
Ø Ei yhtä ainoaa määritelmää. Tässä oma:
Ø ”Tiedettä joka tutkii tai hyödyntää ainerakenteita joiden
perusrakennusosat ovat kokoluokkaa 1 – 100 nm ainakin
yhdessä ulottuvuudessa. Objektit ovat hyvin hallittuja tässä
kokoluokassa joko valmistuksen, muokkauksen tai analyysin
suhteen, ja tutkimuksessa on uutuusaspekti joko materiaalin
itsensä, sen analyysimenetelmän tai kysymysasettelun suhteen”
Ø Kai Nordlund 2005, synteesi muista määritelmistä
Ø Nanoteknologia
Ø Nanotieteen sovellukset ja niiden kehitys
Ø Nanotuotteet
Ø Myytävä nanoteknologia
Ø NanoXXX: vähän kaikkeen voi liitää etuliitteen nano jos
siinä mitenkään käytetään nanohiukkasia tai teknologiaa
Ø Nanopakkaus, nanovaha, nanokoru, nanoruoka, ……
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
25
Muita määritelmiä
Ø Ensimmäinen jossa sanaa “nanoteknologia” käytetään:
Ø “Nano-technology mainly consists of the processing of separation,
consolidation, and deformation of materials by one atom or one
molecule”
Ø Norio Taniguchi 1974
Ø Nyky-ymmärryksessä liian kapea
Ø Suomen Opetusministeriön työryhmän määritelmä 2006:
Ø “Tutkimusmenetelmien ja teknologian kehittämistä makro- ja
mikromaailmasta poikkeavien nanomittakaavan uusien ilmiöiden
ja prosessien tutkimiseksi
Ø Uusien funktionaalisten atomi- ja molekyylitason materiaalien,
rakenteiden ja laitteiden karakterisoimista, mallintamista,
suunnittelemista ja valmistamista
Ø Uusien nanomittakaavan ilmiöiden ja rakenteiden manipuloimista
ja kontrolloimista atomi- ja molekyylitasolla”
www.helsinki.fi/yliopisto
Mistä se lähti: Feynmanin visiot
Ø Alunperin: Hiukkasfysiikan
nobelisti Richard Feynman
1959 puhe otsikolla ”There is
plenty of room at the bottom”
Ø ”what happens if we could arrange atoms one by
one”?
Ø Google antaa koko puheen
ØAtomi kerrallaan rakentaminen – voimmeko
rakentaa mitä tahansa!?
Ø Muita ideoita: elektroniikan miniatyrisointi lähes
atomitasolle, nanokoneet, fysiikan, kemian ja
biotieteen yhdistyminen, …
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
21.5.2015
27
Miksi nano on uutta?
ØNanometriskaala tunnettu noin vuosisadan ajan,
siitä lähtien kun atomi löydettiin
ØMutta fysiikka tutki sen jälkeen
Ø Atomifysiikkaa – yksittäisiä atomeja
Ø Materiaalifysiikka: jatkumoa
ØNanoskaala: välitapaukset jossa aineen
ominaisuudet ovat atomien ja jatkumon välissä
ØSinänsä toki nanometriskaalaa on tutkittu koko ajan
monelta kantilta, esim.
Ø Kemia, molekyylifysiikka, biorakenteet
ØMutta lähtökohta olivat aiemmin keskiarvoistetut
ominaisuudet
www.helsinki.fi/yliopisto
Atomien näkeminen!
Ø Yksi ratkaiseva askel kehitykselle on että noin 1980luvulta alkaen yksittäisiä atomeja on voinut alkaa nähdä
kokeellisesti
Ø Pyyhkäisytunnelointimikroskopia, ”STM”
Ø Mahdollistaa myös atomien siirtelyn
Ø Transmissioelektronimikroskopia, ”TEM”
http://nmc.aalto.fi/en/instruments/tem/jem-2200fs/
[HY www.helsinki.fi/yliopisto
Kiihdytinlaboratorio Timo Sajavaara}29
Miksi nano on jännää?
-- eli erilaista?
Ø Syy 1: Nanoobjekteissa pinta-atomien suhteellinen määrä on
todella suuri!
0.2 nm
Ø Suoraviivainen lasku:
Ø Miten suuri osa atomeista on pallon pinnalla?
Ø Tiedetään että atomikerros on noin 0.2 nm paksu
Ø Pinta-atomien tilavuus:
Vpinta = 4 p r2 D r
Ø Koko pallon tilavuus:
Vpallo = 4 p r3/3
Ø Suhde eli pinta-atomien suhteellinen määrä:
Vpinta/ Vpallo = 3 D r / r
Ø Tarkastellaan eri r:n arvoja:
Ø Makropallo:
Ø Mikropallo:
Ø Nanopallo:
r= 1 m =>
r= 1 mm =>
r= 1 nm =>
3 D r / r = 6 • 10-10
3 D r / r = 6 • 10-4
3 D r / r = 0.6 !!
Ø Valtava suhde atomeista pinta-atomeja!
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
30
Miksi nano on erilaista?
Ø Hyvin pienellä ainemäärällä saadaan hyvin suuri
pinta-ala.
Ø Kuvittellaan esim. että otetaan 1.7 cm sivuinen kuutio
ja jaetaan se kahdeksaan, ja toistetaan 24 kertaa.
Näin saadaan valtava määrä 1 nm sivunleveyksisiä
kuutioita joiden pinta-ala on suurempi kuin
Olympiastadionin!
Ø Vaikka aineen massa säilyy aivan samana!
Toista 24 kertaa
www.helsinki.fi/yliopisto
Miksi nano on erilaista?
Ø Syy 2: Kvanttimekaniikka muuttaa elektronien
ominaisuuksia
Ø Koska olemme vain hiukan atomitason yläpuolella,
elektronien kvanttimekaaninen luonne tulee suoraan
näkyviin
Ø Esimerkki: rauta-atomeja kuparipinnalla STM:llä:
www.helsinki.fi/yliopisto
[Atomistadion, “Quantum corral”, IBM]
Miksi nano on erilaista?
Ø Kvanttimekaanisia efektejä on useita
Ø Niistä on hauskoja seurauksia, esim: aineen väri voi olla
mikä vain
Ø Kadmiumselenidinanorypäitä joiden kokoa on muutettu:
Fotoemissio erikokoisista CdSe/CdTe-nanohiukkasista
www.helsinki.fi/yliopisto
Mehua tai ??
Ei mehukattimehua vaan 30 nm
kultananohiukkasia vesiliuoksessa
Ei ole homehtunut 4 vuodessa…
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
34
Nanon nousu
Ø Kiinnostus nanotieteeseen on valtavassa nousussa
vuodesta ~1990 – ja nousu jatkuu!
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus labroissa: nanokoneet 1
n Århusin yliopistossa on toteutettu molekyyli
joka liikkuu metallipinnalla ja poistaa siltä
metalliatomeja
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus labroissa: nanokoneet 2
n Nanoroottori
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus luonnossa: nanokone
meissä!
Ø Nk. ATP-syntaasi on luonnossa esiintyvä nanokone
Ø Se on todellakin kuin
kone jossa on liikkuvia osia!
Ø Se luo pyörimisliikkeellä
ja mekaanisella voimansiirrolla
kemiallista energiaa
www.helsinki.fi/yliopisto
Luonnon nanokoneiden
muuntaminen
Ø Eräs lupaavimpia konsepteja nanokoneiden tekemiseksi
onkin luonnon komponenttien muuntaminen ihmisen
tarpeisiin
Ø Tämä on jo tehty ATP-syntaasille
Ø Sen liikkuvan osan päähän
liitettiin aktiini-molekyyli,
jota syntaasi sitten pyöritti
kuin propelleria!
[Sambongi, Science 286 (1999) 1722]
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus nyt: nanomarkkinat
Ø Nanoteknologia ei kuitenkaan ole rajoittunut
tutkimukseen
Ø Sillä on jo nyt erittäin merkittävät markkinat
Miljoonaa $
Ø N. 30 Miljardia$ -- vrt. elektroniikkateollisuus 300 Miljardia$
www.helsinki.fi/yliopisto
http://www.bccresearch.com/market-research/nanotechnology/nanotechnology-market-applications-products-nan031e.html
Todellisuus nyt: nanotuotteita
maailmalla
Ø Autoja joissa ”naarmuntumaton” kiiltävä
pinnoite – nanovahat
Ø Likaantumattomia tekstiilejä
Ø Nanoluokan molekyylejä, jotka sitoutuvat
tekstiilien kuituihin estäen pinnan kastumista
ja likaantumista.
Ø ”Lotus effect”
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus nyt: katalysaattorit!
Ø Autojen katalysaattorit ovat yksi suurimmista kiistatta
nanoteknologiaan perustuvista tuotteista nyt
Ø Niiden toiminta perustuu Pt/Pd/Rh-nanohiukkasiin jotka
hajottavat haitallisia hiilivetyjä, hiilimonooksidia ja
typpioksideja pintakatalyysin avulla
Ø ”Olympiastadionefekti”
Ø Metallien kalleuden takia nanohiukkasmuoto aivan
välttämätön
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus nyt: nopeammat
tietokoneet ja tiedonsiirto
Ø Tietokoneiden toiminnan nopeutuminen perustuu
osittain uusin nanoteknologisiin ratkaisuihin
Ø 1990-luvulle asti vanhan teknologian miniatyrisointia
Ø 2000-luvulta asti täysin uusia ratkaisumalleja, esim.
atomikerroskasvatuksella (ALD) tehtyjä eristeitä
Ø Tiedonsiirron nopeutuminen: puolijohdenanorakenteisiin
pohjaavat nopeat laserit ja optiset kuidut
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
43
Todellisuus nyt: GaNvallankumous => LED-lamput
Ø Keksintö 1991 => LED-lamput ruokakaupoissa noin 2010!
Ø Vuoden 2014 fysiikan Nobel-palkinto
Ø GaN-lamput nyt hyvin lähellä teoreettista 100% maksimia!
[Nobelkomitean “popular-physicsprize2014”]
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
44
Paremmat teräkset
Ø Nano kohtaa myös perinteisen metalliteollisuuden
Ø Terästen lujuutta voi parantaa ja niiden käyttölämpötilaa
nostaa lisäämällä niihin oksidinanohiukkasia
Ø Tämä voi mahdollistaa lämpövoimalaitosten ja
ydinvoimaloiden tehokkuuden nostoa 10-20%!
Ø Erittäin suuri energiatehokkuudellinen etu
Ø Omasta tutkimuksestamme:
nanohiukkanen hidastaa
haitallisen dislokaation
liikettä teräksessä
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
[F. Granberg, HY – Aalto-yhteistyö]
45
Todellisuus nyt: nanotuotteita
Suomessa
Ø Myös Suomessa on kaupallistettu
onnistuneesti nanotieteen perustutkimusta
Ø Atomikerroskasvatus (ALD) kehitettiin Suomessa
Ø Planarin elektroluminesenssinäytöt
Ø Vuonna 2006 Intelin siruissa
Ø Suuri tutkimusaihe Helsingin yliopistossa – Kemian
ja Fysiikan laitoksilla Akatemian huippuyksikkö
Ø Orion Diagnostica
Ø Lääkeainemolekyylien havaitseminen
kiinnittämällä niihin nanohiukkasia
Ø Liekki Oy (nyttemin osa nLIGHT:ia)
Ø Aktiiviset optiset kuidut
Ø Direct Nanoparticle Deposition
Ø Yhteistyö TTKK – Taideteollinen korkeakoulu
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus nyt: nanotuotteita
Suomessa
Ø Urheilutuotteita: tennismailat, polkypyörät,
jääkiekkomailat, ….
Ø Jyväskylästä lähtenyt
Amroy Oy -> Montreal Sports,
Berner, …
Ø Kosmetiikka:
Ø Nanohiukkaset muuntavat optisia
ominaisuuksia, imeitymistä ihoon,
jne jne.
Ø Kosmetiikkateollisuus on
maailmanlaajuisesti suurimpia
nanotutkijoita!
[Alkuperä: Vuosaaren Citymarket]
www.helsinki.fi/yliopisto
Todellisuus nyt: nanokoruja… J
FINNAIR
www.helsinki.fi/yliopisto
HelsinkiNano:n [R. Törnqvist] selvitys nanosta
kiinnostuneista yrityksistä Suomessa (noin 5
vuotta vanha – nyt enemmän!)
www.helsinki.fi/yliopisto
Tulevaisuus – visiot ja unelmat!
Ø Mahdottomat visiot –
kaikkeen ei pidä uskoa!
Ø Gray goo
Ø Atomi kerrallaan
rakentaminen
Ø Mahdolliset visiot
Ø Niiden raja-ehdot: talous,
perinteisen syrjäyttäminen
Ø Nanokoneet
Ø Metalli mahdoton
Ø Biopohjainen mahdollinen
Ø Nanolääketiede
Ø Nanohissi avaruuteen
www.helsinki.fi/yliopisto
Drexlerin visiot
Ø Vuonna 1986 K. Eric Drexler visioi
nanoteknologiaa kirjassaan “Engines of
Creation: The Coming Era of Nanotechnology”
Ø Perusideat samat kuin Feynmanille
Ø Hän mm. kuvaili maailmaa jossa on
itsestään lisääntyviä nanokoneita, jotka
voivat korjata soluja (”nanokirurgeja”) ja
siten estää ikääntymisen…
Ø Toisaalta hän kuvaili myös nanoriskejä ja
nanoaseita
Ø ”Gray goo”: itsereplikoituvia
nanokoneita jotka syövät
kaiken tieltään
Ø Tämän idean jopa Drexler
itse on vetänyt takaisin
epärealistisena [vuoden
1990 painos kirjasta]
www.helsinki.fi/yliopisto
Miksi Drexlerin gray goo on
mahdotonta?
Ø 1. Ihminen ei pysty tekemään itsereplikoituvia koneita
edes
makroskaalalla
Ø 2. Metalliteknologian miniatyrisointi nanoskaalalle on
mahdotonta – metallien ominaisuudet muuttuvat
Ø Kolmanneksi, mikä olisi näiden energianlähde?
Ø Aurinko ainoa mahdollisuus, jolloin ne itse asiassa
toimisivat kuten kasvit (=> green goo)
Ø Miten ihmisen tekemä nanokone pystyisi olemaan parempi
kuin kasvit ja bakteerit, ja toisaalta syrjäyttämään luonnon
omat puolustusmekanismit?
Ø Gray goon ainoa todellinen sovellus on huonot
Hollywood-scifi-elokuvat!
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanokoneet: metallien
miniatyrisoinnin rajat
Ø Nanokoneiden valmistukselle on
yleensäkin suuri periaatteellinen este
Ø Kun puhutaan nanokoneista, Drexler
ja monet muut kuvittelevat että perinteinen
metalliteknologia voidaan redusoida
nanoskaalalle
Ø Tämä on kuitenkin lähes varmasti
mahdotonta!
Ø Syy: metallit käyttäytyvät
fundamentaalisesti eri lailla
nanoskaalalla
Ø Ne ovat pehmeitä kuin vaha!
Ø Kuparinikkeliryväs kuparipinnalle:
www.helsinki.fi/yliopisto
Atomi kerrallaan rakentaminen
Ø Visio: aloitetaan atomeista ja rakennetaan
niistä ylöspäin mielivaltaisen monimutkaisia
rakenteita
Ø Tämä siis jo toimii kahdessa ulottuvuudessa
Ø Mutta entäs kolmessa?
Ø Vaikka atomeja voisikin laittaa
minne haluaa, tulee normaali
kemia ja pintafysiikka vastaan
Ø Atomi on atomi on atomi
Ø => se tulee edelleen aina
hakeutumaan kemiallisesti
energeettisesti mahdollisiin
tiloihin
Ø => minkä tahansa rakentaminen ei
mahdollista!
Toteutunut visio
www.helsinki.fi/yliopisto
[IBM]
Tavoite
Atomi kerrallaan rakentaminen
Ø Mitä vikaa on kuvan visiossa?
Ø Vaikka rakenne pystyttäisiinkin
tekemään, mikä olisi sen osien
välinen kitka?
Ø Kaikki atomit vuorovaikuttavat
aina toistensa kanssa!
Ø Nanotiede ei hävitä kemiaa
Ø Järjestelmässä olisi valtava kitka!
Ø Makroskooppisissa objekteissa kitka on pienempi koska
suurin osa atomeista on kaukana toisistaan pinnan karkeuden
takia
www.helsinki.fi/yliopisto
Atomi kerrallaan rakentaminen: mitä jo
osataan?
Ø Toisaalta, kyllä sitä jo aika uskomattomia asioita
pystytään tekemään, kuten atomitason kehräämistä ja
ompelua:
www.helsinki.fi/yliopisto
Mahdolliset visiot: kaupalliset
rajoitukset
Ø “Ennustaminen on vaikeaa, varsinkin tulevaisuuden”
Ø J. K. Paasikivi (?)
Ø Mutta alalla on jonkinlainen näkemys siitä mitkä
nanoteknologian visiot toteutuvat lähi- ja mitkä
kauemmassa tulevaisuudessa
Ø Siitä että jotain on toteutettu laboratoriossa on
valtavan pitkä ja vaativa tie kaupalliseen
sovellukseen
Ø Hinta ja hinta-laatu-suhde
Ø Perinteisen ratkaisun syrjäyttäminen
Ø Markkinointi
Ø Kuitenkin lista visioista ja tulevaisuuden unelmista
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanokoneet: luonnon
hyödyntäminen
Ø Luonnossa on hyvin
monimutkaisia nanokoneita,
parhaiten tunnettuna
jo kuvattu ATP-syntaasi(t)
Ø Tämä todistaa että
monimutkaisen toiminnallisuuden
nanokoneet ovat mahdollisia!
Ø Eivät vain metalleista, mutta
orgaanisten ja keraamisten
aineiden yhdistelmät lupaavia!
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanolääketiede
n Nanolääketieteen merkittävimpiä visioita on kyetä valmistamaan
molekyylejä jotka vievät lääkkeita vain kipeään kohtaan eikä
minnekään muualle
n Tämä on varsin realistinen idea: jo nyt tunnetaan useita molekyylejä
joiden sisään mahtuu lääkemolekyylejä, esim. dendriitit
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanolääketiede: nanokirurgit??
Ø Mutta toteutuuko idea nanokirurgista joka menisi
kontrolloidusti sisään kehoon ja esim. leikkelisi pois
syöpäsoluja??
Ø Tuskin siinä muodossa – tähän
liittyy samat ongelmat kuin
nanokoneisiin yleensä
Ø Mutta jonkinlainen mikrokirurgia
toteutunee kyllä – jo nyt
mikromekaniikalla voidaan
valmistaa mikroskaalan
toimivia komponentteja
www.helsinki.fi/yliopisto
Veden puhdistus GaNnanolangoilla – toimii jo! Hinta??
[Nobelisti Shuji Nakamuran puheesta Turussa 2007]
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
61
Tehokkaat halvat aurinkokennot?
Ø Eräs kaikkein ihmiskunnan tulevaisuuden kannalta
lupaavimpia ideoita on tehdä halvalla tehokkaita
aurinkokennoja
Ø Nyt 50% tehokkuus energiankeruussa mahdollista, mutta
vain todella kalleista komponenteista
Ø Paljon tutkimusta
käyttää uusia
orgaanisten ja
nanomateriaalien
yhdistelmää, useita
läpimurtoja tehty
Ø Jos jokin tuleva
läpimurto johtaa
~ 50% tehokkuteen
halvalla prosessilla,
todellinen vallankumous!
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
62
Nanohissi avaruuteen??
Ø Radikaalein ja toteutuessaan todella
mullistava visio jota tutkitaan
vakavasti on nanohissi avaruuteen
Ø Idea on valmistaa köysi joka ulottuisi
maasta avaruuteen.
Ø Maassa se ankkuroitaisiin jonnekin
päiväntasaajalle, ja se pyörisi maan
pyörimisliikkeen mukana
Ø Geostationäärisen radan takana olisi
vastapaino (esim. asteroidi) joka
pitäisi sen keskipakoisvoiman avulla
paikallaan
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanohissi avaruuteen??
Ø Mitä tekemistä tällä sitten olisi nanotieteen
kanssa??
Ø Kun idea ensiksi esitettiin tehtiin myös
laskelmia miten luja materiaalin pitäisi olla
jotta idea voitaisiin toteuttaa
Ø Todettiin ettei millään olemassa olevalla
materiaalilla ole riittävän hyvää lujuus-tiheyssuhdetta idean toteuttamiseksi
Ø Mutta kun hiilinanoputket löydettiin, todettiin
että yksittäisen putken lujuus on riittävän
suuri että jos sama vahvuus saataisiin
makroskaalalla, nanovaijeri voitaisiin
periaatteessa valmistaa!
Ø Nyt pituus 1 putki noin 1 cm, tarvittaisiin
triljoonia 100 000 km pituisia…
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanohissi avaruuteen??
Ø Nasalla ja eräällä yksityisellä
yrityksellä onkin nyt pienimuotoinen
projekti idean tutkimiseksi edelleen
Ø Myös kriittisesti, eli mietitään
mahdollisia ongelmia
Ø Mahdollisia ongelmia valtavasti,
oheisessa kuvassa on niistä esitetty
muutama
Ø Mutta vaikka ongelmat ovat vakavia,
ei mitään niistä ole todettu
absoluuttisesti estävän idean
toteuttamista
www.helsinki.fi/yliopisto
Entäs me sitten?
Ø Omassa ryhmässäni Helsingin yliopiston Fysiikan
laitoksella tutkimme nanohiukkasia, nanoputkia,
nanokiteisiä aineita atomitason tietokonesimuloinneilla
Ø 30 hengen ryhmä, noin 40 julkaisua vuodessa
Ø Tämä antaa perustavan tason ymmärrystä miten näitä
materiaaleja voi muokata ja siten uusia sovelluksia kehittää
Ø Ja on hauskaa!
Kumpulan tiedekampus, Helsingin yliopisto
www.helsinki.fi/yliopisto
Nanometeoriittit rikkovat
nanohissin?
Simulointi nanometeoriittitärmäyksestä – voi rikkoa avaruushissiä...
www.helsinki.fi/yliopisto
Johtopäätös
Ø Nanoteknologia on jo täysin arkipäivää, ja tuottaa
jatkuvasti lisää tuotteita markkinoille
Ø Nykyään useimmiten niin ettei nanoaspekteja mainita –
tieto niistä jää insinööritasolle, ja on usein myös
yrityssalaisuus
Ø Nanotieteen kunnianhimoisimmista visioista tulee
varmasti seuraamaan lisää mullistavia ja arkipäivään
vaikuttavia tuotteita ja toimintoja
Ø Mutta mitkä??
www.helsinki.fi/yliopisto
www.helsinki.fi/yliopisto
Ylimääräisiä kalvoja
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
70
Miten päästään näkemään
nanoskaalaa: Atomivoimamikroskopiat
Ø Atomivoimamikroskopiassa liikutetaan neulankärkeä
pinnan päällä
Ø Ratkaiseva idea: pietsosähköisillä kiteillä
voidaan normaalilla jännitteellä
siirtää neulaa hyvin pieniä
etäisyyksiä
[Timo Sajavaara, Kiihdytinlaboratorio]
Ø Tämä mahdollistaa
nanometriluokan
pintaresoluution
Ø Mahdollistaa myös
atomien siirtelemisen
jännitettä säätämällä
www.helsinki.fi/yliopisto
Riskit: nanohiukkasten
terveysvaikutukset
n Ilmassa olevilla nanohiukkasilla on tunnettuja terveysriskejä
n Mutta tässä ei ole mitään uutta
n
Ensimmäinen tunnettu kivipölykeuhko-kuolema
on muinaisesta Egyptistä!
n Vakavampi ongelma ovat hiilen polttamisesta
syntyvät pienhiukkaset
n Sekä nano- että mikrohiukkaset
kiinnittyvät hyvin keuhkoihin
n Mikrohiukkaset ovat tunnetun
vaarallisia
n Nanohiukkaset ovat luultavasti
myös vaarallisia
n
Mutta koska ilmassa on yleensä
molempia, ei haitallisuuden
selvittäminen ole yksinkertaista
[Kaarle Hämeri, Helsingin Yliopisto]
www.helsinki.fi/yliopisto
Riskit: muut kuin nanohiukkaset?
Ø Kuten jo sanottu, maailman tuhoavista “Gray goo”-koneista ei
tarvitse olla huolissaan nähtävissä olevassa tulevaisuudessa
Ø Suuri osa nanoteknologiaa on suhteellisen riskitöntä
Ø Esim. nanoteknologiset osat piisiruissa tai kovalevyissä ovat
hyvin tunnettujen materiaalien sisällä – ei todennäköistä että
riskiä suurelle yleisölle
Ø Toki valmistuksen aikana voi esiintyä uudentyyppisiä riskejä
Ø Mutta varsinkin nanohiukkasten kosmeettisissa, bio- ja
lääketieteelisissä sovelluksissa voi ainakin periaatteessa olla
vakavia tuntemattomia riskitekijöitä
Ø Suora ihokosketus
Ø Uusia materiaaleja => tunnetaanko vaikutukset varmasti?
Ø Eettisiä ongelmia ei pidä väheksyä eikä yliampua
Ø Ennen kaikkea niitä pitää käsitellä asiantuntemuksen pohjalta
www.helsinki.fi/yliopisto
Lisätietoa
Ø Nanotieteessä ei ole vielä vakiintuneita standardikirjoja
Ø Pari kirjavaihtoehtoa:
Ø Charles P. Poole, Frank. J. Owens, Introduction to
nanotechnology (John Wiley & sons, Hoboken, New Jersey,
USA, 2003) ISBN 0-471-07935-9
Ø Halkileikkausteos, hyvin kattava
Ø E. L. Wolf: Nanophysics and Nanotechnology (Wiley-VCH Verlag,
Weinheim, Germany, 2004), ISBN 3-527-40407-4
Ø Painottuu fysiikkaan mutta myös biotieteiden esimerkkejä
Ø C. Niemeyer, C. Mirkin (eds): Nanobiotechnology (Wiley-VCH
Verlag, Weinheim, Germany, 2004), ISBN 3-527-30658-7
Ø Hyvä teos bionanosta
www.helsinki.fi/yliopisto
Bonusmateriaalia: suhteellisen
yksinkertaisia nanolaskuja joita voi
käyttää opetuksessa
Ø Kurssilta “Basics of Nanoscience” (HY)
Fysiikan laitos
Prof. Kai Nordlund
www.helsinki.fi/yliopisto
75
Number of surface atoms
n We start by repeating the surface atom calculation of lecture 1
n What fraction of atoms are on the surface of a sphere?
n We know one atom layer is about t=0.2 nm thick
0.2 nm
n Volume of surface atoms:
Vsurface = 4 p r2 t
n Volume of the whole ball:
Vball = 4 p r3/3
n Ratio, i.e. fraction of surface atoms:
Vsurface Vball = 3 t / r
n Consider different values of r:
n Macro ball:
r= 1 m =>
3 t / r = 6 • 10-10
n Micro ball:
r= 1 mm =>
3 t / r = 6 • 10-4
n Nano ball:
r= 1 nm =>
3 t / r = 0.6 !!
n On the nanoscale the fraction of surface atoms is enormous!
n From surface science we know these behave differently from the bulk
=> huge effects on material properties!
www.helsinki.fi/yliopisto
Background: surface energy
Ø Why is this then so significant?
Ø Qualitatively because it is well known from surface
science that surface atoms behave often dramatically
different from bulk ones
Ø But this qualitative statement can even be quantified
using simple basic concepts of surface physics
Ø The surface energy of a material is defined as the work
W divided by area A which should be done when a
surface is formed from bulk matter
E surf =
W
2A
W
www.helsinki.fi/yliopisto
Background: surface energy
Ø A few typical surface energies and cohesion energies (=
amount of energy/atom by which a material is held together)
Esurface
Ecohesion
(eV/Å2)
(eV/atom)
Cu
0.11
3.54
Ni
0.15
4.45
Au
0.09
3.93
Ø The surface energy tells in essence: Ecoh, surf = Ecoh – Esurf Asurf
Ø Using an area/atom of Asurf ≈ 10 Å2 we see that the binding
energy of surface atoms is ~ 30 % lower than normal
www.helsinki.fi/yliopisto
Reduction in cluster cohesion
Ø Let us now combine these two results: if the surface atom
energy is some 30 % lower than normal and 60 % of all atoms
are on the surface:
=> The cohesion of the entire cluster is ≈ 20 % lower than
normal!
Ø In reality the effect may be even stronger because the whole
electronic structure of the cluster differs from the usual.
Ø On the other hand the fact that the atoms have more freedom
to organize in energetically favourable configurations may
improve on the situation
Ø But overall the simple 20% estimate is definitely in the right
ballpark
www.helsinki.fi/yliopisto
Lowering of melting points of
clusters
Ø Because the cohesion of clusters is lower than usual, it
is not surprising that the melting point of the clusters is
much lower than the bulk melting point
Ø Example: the melting point
of Au clusters as a function
of their size
Ø This is also related to
surface melting
Ø Surfaces melt at lower
temperatures than the
bulk
Ø Thus with a lot of surface...
(you can figure out the
rest yourself)
Tm(R)/K = 1336.15 – 5543.65
(R/Å)-1
[Buffat and Borel, Phys. Rev. A 13 (1976) 2287 ]
[Original theory of this was published in 1909: Pawlow, Z. Phys. Chemie 65 (1909) 545]
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: cluster landing on
surfaces
Ø An even more dramatic result is obtained when we consider
what happens when a nanocluster lands on a surface at
thermal (very low) kinetic energy/atom
Ø Our daily experience from macroscopic systems tells that if a
macroscopic ball made of a hard material softly lands on a flat
surface, nothing of interest happens: it just stays there
Ø But if we now consider this on the atomic scale, it is clear that
right at the intersection the surface vanishes and new bonds
are formed
at the interface (atomistic terminology)
Ø Same in continuum terminology:
Surface energy is freed up and
becomes interface energy
Ø Let us now estimate how much
energy is freed up
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: cluster landing on
surfaces
Ø The range of interatomic interactions
is typically roughly 5 Å
2Å
Ø Let us thus assume that when
the atom ball lands on the surface,
surface energy is freed from an
h = 5 Å cap of a sphere
Ø The area of the cap is (from
basic geometry) A=2πrh
Ø The energy freed is Esurf A
Ø This potential energy is freed up and
becomes kinetic energy (heat)
h
Ø If we assume that half of the freed energy goes initially to the
atom ball, we can estimate how much heat is generated
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: cluster landing on
surfaces
Ø Using the kinetic energy equivalence
of energy and the atomic density
ρat we can calculate the heating effect
Ø Because all this happens very rapidly,
h
the heating is not an equilibrium process
and this is more suitable than using the heat capacity
Ø The kinetic energy equivalence of temperature gives
Ekin
3
3
3
4pr 3
= Nk BT = r atVk BT = r at
k BT = r at 2pr 3k BT
2
2
2
3
and in this case Esurf 2A/2 = Esurf A becomes kinetic
energy:
Esurf 2prh = r at 2pr k BT Þ T =
3
Esurf 2prh
r at 2pr k BT
3
=
Esurf h
r at r 2 k B
[T. T. Järvi, K. Nordlund et al: Physical Review B 75 (2007) 115422;
footnote: this calculation was actually originally done for the first NanoI
course, and then later published in a scientific www.helsinki.fi/yliopisto
journal]
Example: cluster landing on
surfaces
T=
Esurf h
r at r 2 k B we see that the heating
Ø From the result
reduces dramatically with the cluster size, as r-2
Ø Let us now insert h = 5 Å and using e.g. the values
for Cu Esurf = 0.11 eV/Å2 and ρat = 0.084 1/Å3
we get
Ø Macroball:
r= 1 m =>
ΔT = 7.6e-16 K
Ø Micro ball:
r= 1 mm =>
ΔT = 7.6e-4 K
Ø Nano ball:
r= 1 nm =>
ΔT = 760 K
h
Ø I.e. nanometer sized clusters are heated a lot when they meet
the surface, macroscopic ones practically not all
Ø Caveat: in the macro scale, surface oxidation also reduces the
heating, but in ultra-high vacuum conditions or for nonoxidizing
materials this calculation is directly relevant.
Ø The melting point of Cu is 1360 K, but considering that the
melting point is reduced, the whole cluster may melt on impact!
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: cluster landing on
surfaces
Ø This leads to the observation that the whole cluster can
change shape dramatically on impact
Ø For very small clusters the
change in shape may be so
violent it does not matter
what the original shape of
the cluster is
Ø This effect makes it possible
even for a fairly large cluster
to become fully epitaxial with
the surface directly on impact
Ø ”Epitaxy” = lattice planes
match
[Meinanderwww.helsinki.fi/yliopisto
et al, Thin Solid Films 425 (2002) 297]
Example: cluster landing on
surfaces
Ø Analysis of ’temperature’ of cluster shows heating
quantitatively
Ø Note: on picosecond timescales, this is not a ’temperature’
in the normal equlibrium sence, but rather local kinetic
energy recalculated into units of Kelvins
Ø For a small cluster well beyond its melting point:
www.helsinki.fi/yliopisto
[Meinander et al, Thin Solid Films 425, 297 (2002); Appl.
Phys. Lett. 89, 253109 (2006)]
Example: “Contact epitaxy”
Ø We call this effect contact epitaxy
Ø The largest clusters do not fully change
their shape, but also in them the atom
layers closest to the surface ’melt’
for a moment and become epitaxial
Ø On the right side an originally
single crystalline Ag cluster
on a Cu surface
Ø From the picture we see that the
bottom layers are no longer in
the same orientation as the
original, top ones
Ø Instead the bottom planes are
parallel to the Cu ones, even though the lattice
constant difference between Ag and Cu is 13% !
Ø This has also been experimentally observed
[Yeadon et al, J. Elect. Microsc. 48 (1999) 1075]
www.helsinki.fi/yliopisto
Reactivity of surfaces
Ø Surfaces are especially reactive chemically
Ø The basic reason is easy to understand
Ø In the bulk and normal stable molecules
all chemical bonds are saturated
Ø But on a surface a few of the bonds are
‘missing’ i.e. atoms have unpaired electrons,
non-saturated or dangling bonds
Ø These are highly reactive
Ø But things are really not quite that
simple
Si ‘100’ surface with
dangling bonds marked
with red short sticks
Ø The surface itself can often
partly compensate the lack of surface
bonds by rearranging the atoms such
that the dangling bonds compensate
each other: “surface reconstruction”
Ø But this compensation is seldom
perfect, so additional reactivity remains
Same surface reconstructed so
that the dangling bonds meet
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: radiative cooling of
nanoclusters
Ø Let us consider how a “black” body cools purely by
electromagnetic radiation
Ø The hotter the body, the more it
emits energy by radiation
Ø This is the reason to e.g. iron
glows when heated
Ø If the body is “black” i.e. does not reflect
light, the total intensity of this radiation is
I =s T4
where σ is the Stefan-Boltzmann constant (=5.67x108 W/m2K4) and
T the temperature
Ø On the other hand from basic definitions
I=
P dE
=
A Adt
dE
cV =
mdT
where E is energy, A surface, t time, and cV specific heat capacity
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: radiative cooling of
nanoclusters
Ø Let us now calculate how long the cooling of a black body sphere takes starting from
some temperature T0 to another temperature T1 solely by this radiative cooling
Ø Let us solve dE from both equations:
dE = IA dt = s T 4 A dt
dE = cV m dT
By setting these two equal (ρ = density)
s T 4 Adt = cV m dT Þ dt =
cV m dT cV rV dT
=
4
s AT
s A T4
Let us use this for a sphere with A = 4πr2 and V = 4πr3/3:
cV r 4pr 3 dT cV rr dT
dt =
=
2
4
s 4pr 3 T
3s T 4
By integrating this in the range T0 -> T1 we get the cooling time t:
t
T1
0
T0
ò dt =
ò
cV r r dT
cV r r 1 é -1 1 ù cV r r é 1
1ù
Þ
t
=
+
=
ê
ú
ê
ú
3s T 4
3s 3 ë T13 T 30 û
9s ë T0 3 T13 û
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: radiative cooling of
nanoclusters
Ø We obtained:
cV r r é 1
1ù
t=
ê 3 - 3ú
9s ë T0 T1 û
Ø The crucial thing here is that the cooling time is directly proportional to the
size of the sphere r !
Ø The smaller the sphere, the faster it cools!
Ø Let us as an example calculate how fast a ball consisting only of gold would
cool from the boiling point to the melting point
Ø For simplicity, let’s use the normal bulk values: ρ = 19.3 g/cm3, T0 = 3129 K, T1 = 1337
K, ja cV = 129 J/(kgK)
www.helsinki.fi/yliopisto
Example: radiative cooling of
nanoclusters
Ø Result for spheres of different size:
Ø r = 5 mm: 9 s
Ø r = 5 µm: 9 ms
Ø r = 5 nm: 9 µs !
Ø It is in fact quite questionable to use the bulk values for the
boiling and melting points, and the Stefan-Boltzmann law is in
a more general form for non-black bodies
I = e s T 4 where ε is some number < 1
Ø But the basic argument and order
of magnitude is quite correct:
experiments do show that
nanoclusters cool very rapidly
in vacuum, where other cooling
mechanisms are not significant!
www.helsinki.fi/yliopisto
[Elihn et al, Appl. Surf. Sci. 186 (2002) 573]
Nanoresonators, “nanokantele”
Ø For instance a xylophone or the Finnish
instrument ”kantele” produces sounds
by the classical resonator principle
Ø In cases where the strings are not
under tension the sound frequency is
æ 4.73 ö
f = ç
÷
è L ø
2
[Image from wikimedia commons]
EI
rA
where L is the length of the resonator, A is its cross-sectional area and the
other constants are properties of the string material
Ø Crucial is that f is inversely proportional to L2 :
Ø The shorter the string, the higher the sound frequency!
Ø Thus if a xylophone or kantele could be implemented on the nanoscale,
one could obtain very high frequency (ultra-) sound with it!
www.helsinki.fi/yliopisto
“Nanokantele” for real
Ø Sort of a nanokantele has been implemented with
micromechanics: nano and microscale resonators have
been etched into Si
Ø The resonance frequency was up to 380 MHz!
[Carr et al, Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 920]
www.helsinki.fi/yliopisto
Hall-Petch relation: background
Ø There are many measures of the hardness
of materials
Ø One of the most important is the so called
yield strength σy which is an applied measure
of at what pressure a material has been
subject to a significantly large permanent
elongation
Ø Most common definition: σy ≈ at what pressure
has the material permanently elongated by 0.2%?
Ø The empirical so called Hall-Petch relation says
that the yield strength of materials is
K
s y = s0 +
d
where σ0 and K are material-dependent variables and d is the
average crystalline grain size of the material
Ø All ordinary metals are polycrystalline with grain sizes ~ 10-100 µm
www.helsinki.fi/yliopisto
Hall-Petch relation
Ø Because the fraction is proportional to grain size, this
would predict that when the grain size of the material →
0, the yield strength of the material → infinity
Ø In practice this can not of course happen, since the
atom size of ~ 0.2 nm is eventually reached
Ø If the grain size is the atom size, one has a singlecrystalline material with a known, not so high yield strength
Ø The law is empirical, so it has to have a lower limit of
validity
Ø The crucial question thus becomes, at what grain size is
Hall-Petch no longer valid, and how strong can the material
maximally be?
www.helsinki.fi/yliopisto
Hall-Petch relation
Ø This has been examined
systematically with atomistic
simulations
(animation gr16KB_T300)
Ø The main result is that Hall-Petch
is no longer valid at a grain size
of about 15 nm
Ø Below it a reverse Hall-Petch
effect is observed
Ø But maximally, according to the
simulations, the strength of Cu
could be σy = 2.3 GPa
Ø In ordinary Cu the strength
is only about 0.069 GPa
Ø 33 x improvement!
www.helsinki.fi/yliopisto
[K.W. Jacobsen; CSC News 1/2005]
Hall-Petch relation
Ø The same behaviour
has also been observed
experimentally
Ø Youssef et al reported
for a 23 nm grain size
σy = 0.77 GPa
Ø Not quite as high as in
the simulations
Ø But still about 10x higher than the normal value for Cu!
Ø In addition, according to the same reference, the material still
also has a good ductility
Ø Normally ductility and strength go in opposite directions
Ø But the research in the field is very new, so this result is better
to be considered promising than definitive
www.helsinki.fi/yliopisto
Superplasticity
Ø A somewhat related effect is the so called superplasticity
Ø It means generally an effect where some metals can be very
strongly drawn out under elevated temperatures
Ø It is generally found to improve with decreasing grain size, as
1/d2 or 1/d depending on measure used.
Ø In particular, small grain sizes are important for achieving high
strain rates (needed for efficient processing)
www.helsinki.fi/yliopisto
[Kawasaki and Langdon, J Mater Sci (2007) 42:1782–1796]
Rayleigh scattering
Ø In classical electrodynamics the scattering of light from
small particles is described by the so called Rayleigh
scattering equations
Ø The equations explain for instance why the sky is blue
Ø But in nanoscience we are interested in the dependence
of the scattering intensity on the diameter d
Ø When d << λ we have
~ d6 !
Ø So from small particles the scattering is very weak =>
they are practically transparent
www.helsinki.fi/yliopisto
Other scattering
Ø On the other hand also so called plasmon resonances can occur
in metallic nanoparticles
Ø Their fundamental nature is too complicated to be described during
this course
Ø But in essence it means that a nanoparticle can scatter or absorb light
in a rather narrow range of light wavelengths
Ø Also quantum mechanics may lead to similar effects (cf. QM lecture)
Ø But the basic conclusion from all this is:
Ø Due to Rayleigh scattering, nanoparticles made of normally opaque
materials become almost transparent on the nano scale
Ø Due to plasmons and/or quantum effects,
they can start absorbing or scattering
light in some well-defined colours
Þ The colour of nanoparticles
can be anything
www.helsinki.fi/yliopisto
Summary of scaling law effects
Ø During this lecture I have described several types of scaling
with size and how these change materials properties
dramatically
Ø Summary of these scalings and how the affect a given
property when going from a scale of, say, 10 mm to 10 nm:
Scaling law
Proportionality
Relative change from
with diameter d
10 mm to 10 nm
Spontaneous impact heating
d-2
1012
Radiative cooling time
d+1
10-6
Nanoresonator
d-2
1012
Hall-Petch relation
d-1/2
103
Rayleigh scattering
d6
10-36
Ø Similar effects can be obtained for any property which scales
with particle size d – can you think of your own!?
www.helsinki.fi/yliopisto