Fisica delle Superfici e Nanostrutture

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1 Fisica delle Superfici e Nanostrutture Dr. Stefania Benedetti Corso di Laurea Specialistica/Magistrale in Fisica Università di Ferrara

2 Sommario del corso Cos è una superficie (interfaccia, film)? Come sono fatte? Come si realizzano I film? Come si studiano? Quali sono le loro proprietà? Le nanostrutture: cosa sono e a cosa servono Come si fabbricano le nanostrutture? Quali sono le loro caratteristiche e proprietà?

3 Le superfici INTERFACCIA : Confine tra due diverse fasi, ad es. un solido insolubile e un liquido, due liquidi immiscibili, un liquido e un gas In un solido è definita come un piccolo numero di strati che separano due solidi in contatto. SUPERFICIE : Caso particolare di interfaccia tra un solido e ciò che lo circonda, ad es. atmosfera o il vuoto. interfacce superfici

4 Le superfici Fisica delle Superfici : Studio della fisica delle interfacce e superfici. Nuovi concetti teorici e metodi sperimentali Estensione a studio di film sottili e nanostrutture in diversi campi

5 Le superfici Nuovi metodi per lo studio delle superfici/interfacce UHV e nuove spettroscopie Nuove proprietà legate alla rottura di simmetria del solido (basso numero di coordinazione) Nuovi metodi per la preparazione di sistemi con determinate proprietà film sottili e nanostrutture

6 Le nanoscienze Cosa sono le nanoscienze/nanotecnologie? Le nanotecnologie in natura Come si costruiscono? Come si guardano? A cosa servono?

7 Cosa è la nanoscienza? 1 mm 1 μm 1 nm 1 Å Nel 1959 al Caltech Richard Feynman (Nobel 65, Fisica) in un celebre discorso intitolato There is plenty of room at the bottom di fatto diede inizio alla ricerca mondiale nel campo della nanoscienza La nanoscienza rigurarda quindi lo studio di oggetti di dimensione nm

8 Cosa è la nanoscienza? Ma Nanoscienze significa solo cambiare scala? Il comportamento della materia a livello nanometrico non puo` essere previsto in base alle nostre conoscenze a livello macroscopico Non si tratta solamente di una riduzione di dimensione ma dell insorgere di fenomeni intrinseci alla nanoscala. Effetti quantistici (comportamento ondulatorio della materia, effetto tunnel) Dominio dei fenomeni di superficie e interfaccia Superficie del cubo α a 2 Volume del cubo = a 3 Rapporto superficie/volume α 1/a a

9 Cosa sono le nanotecnologie?

10 Cosa sono le nanotecnologie? 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 chimico-fisiche Cosa si intende per nanotecnologie? Tecnologie alternative : Sostituiscono precedenti tecnologie sia attraverso prodotti e processi radicalmente nuovi che rendendo altamente efficienti processi già noti Tecnologie interdisciplinari : Portano a lavorare insieme ricercatori di settori scientifici tradizionalmente separati favorendo la nascita di nuove idee attraverso la fertilizzazione incrociata

11 Le nanotecnologie in natura I solidi sono composto da atomi, disposti in un ordine preciso. La ragione di tale regolarità è semplice: la materia si facilita il più possibile la vita e disporsi secondo una struttura ordinata: è la soluzione più comoda. La natura ha trovato soluzioni a volte sorprendenti ai suoi problemi. Una caratteristica frequente è la capacità della materia vivente di autostrutturarsi fino al livello più fine, e cioè al livello degli atomi. Ed è precisamente quello che vogliono fare anche i nanotecnologi.

12 Le foglie del fiore di loto hanno la caratteristica di essere idrorepellenti e la proprietà di auto-pulirsi. La chiave di questa proprietà sta nella microruvidità della superficie della foglia che riduce notevolmente la superficie di contatto. Con queste proprietà una goccia d'acqua che cade sulla foglia mantiene una forma sferica e riesce facilmente a rotolare portandosi via tutte le particelle di sporco. Le nanotecnologie in natura Una superficie di legno trattata con uno spray sviluppato ispirandosi al fiore di loto è un esempio di realizzazione di superficie autopulente.

13 Le nanotecnologie in natura ll gecko è un piccolo rettile che possiede le notevoli capacità di camminare su pareti perfettamente lisce e di riuscire a rimanere appeso al soffitto anche con solo una zampa. Il segreto sta nel suo piede, ricoperto di sottilissime setole che terminano con una serie di cuscinetti. Questi riescono ad "avvicinarsi" talmente tanto alla superficie da risentire della forza attrattiva di Van der Waals. Più l animale pesa, più sottili e numerosi sono i peli. L'azione combinata della forza di Van der Waals e dell'enorme numero di peli conferisce ad ogni zampa una grande superficie di contatto che rende possibile al gecko di sostenere tutto il peso del suo corpo con una sola zampa. I ricercatori si sono ispirati al gecko per cercare di produrre nuove strategie per l'adesione tra superfici.

14 Come si costruiscono? L occhio nudo vede circa 20 micron Un capello umano è spesso circa micron I microscopi ottici ci permettono di vedere fino a 1 micron Sopra questa linea di separazione: Possiamo usare le tecniche di Microfabbricazione basate sulla luce Sviluppate per l elettronica vengono applicate per la creazione di svariati microoggetti! Sotto questa linea: Non possiamo più usare i metodi di Microfabbricazione Si passa alla Nanofabbricazione e alle Nanotecnologie

15 Come si costruiscono? Metodi di nanofabbricazione artificiale Metodi di autoorganizzazione naturale

16 Come si costruiscono? Metodi di autoorganizzazione naturale

17 Come si costruiscono? Metodi di fabbricazione artificiale

18 Come si guardano? L occhio nudo vede circa 20 micron Un capello umano è spesso circa micron I microscopi ottici ci permettono di vedere fino a 1 micron Sotto questo limite: Non possiamo più usare i metodi classici basati sulla luce Si passa a nuovi metodi Microscopi

19 Come si guardano? SEM Scanning Probes

20 A cosa servono?

21 A cosa servono?

22 A cosa servono? Catalisi Sensori Celle a idrogeno

23 Fotovoltaico A cosa servono? Bioelettronica Plasmonica Nanomedicina Nanovettori di farmaci Materiali per protesi Nanorobotica Memorie Magnetiche

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