L impatto della Tecnologia: Il Nanaofuturo. Enzo Di Fabrizio

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1 L impatto della Tecnologia: Il Nanaofuturo Enzo Di Fabrizio BIONEM Laboratory & Nanobioscience lab at IIT (Italian Institute of Technology) Department of Experimental Medicine Università della Magna Græcia di Catanzaro, Italy Contact:

2 Master in communication SISSA Outline Introduzione alle nanotecnologie la miniaturizzazione l Interdisciplinarità l organizzazione dei gruppi di ricerca L impatto delle nanotecnologie la comunicazione delle ricerche e dei risultati

3 Science, Technology & Industry 1780s 1840s: Industrial Revolution in 18 th century England (cotton spinning, iron making, steam power) 1850s 1900s: 2 nd wave (steel making, railways) 1900s 1950s: 3 rd wave (electricity, internal combustion engine) 1950s 1980s: 4 th wave (petrochemicals, electronics, computing, aerospace) /2015: 5 th wave (networking) 2010/2015: Next technology wave (Nanotechnology?) The Economist, Sep. 22, 2001, Technology Quarterly, p.3 Master in communication SISSA

4 Master in communication SISSA

5 Master in communication SISSA

6 Master in communication SISSA

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8 Brief History 1959 Feynman s talk 1974 N. Taniguchi coined term nanotechnology 1981 Scanning Tunneling Microscope (STM) invented 1985 Fullerene (C 60 ) discovered 1986 Atomic Force Microscope (AFM) invented 1989 IBM logo is written with 35 Xe atoms 1991 Carbon nanotube discovered Nanoscience 2000 NNI announcement (significance?) 2015 Physical limits of silicon technology

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10 Nanofabrication Nanofabrication can generally be divided into two categories based on the approach: Top-Down : Fabrication of device structures via monolithic processing on the nanoscale. Bottom-Up : Fabrication of device structures via systematic assembly of atoms, molecules or other basic units of matter.

11 Nanotech and Microfabrication Microfabrication is a top-down technique utilizing the following processes in sequential fashion: Film Deposition CVD, PVD Photolithography Optical exposure, PR Etching Aqueous, plasma Many of these techniques are useful, directly or indirectly in nanofabrication

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14 Dip-pen litho: top down-bottom up Hybrid technique L 'autoassemblaggio si verifica spontaneamente quando molecole dotate di un apposito «gruppo terminale» (in giollo} si ancorano alia superficie di un substrato

15 Miniaturization: Surface vs. Volume Si has a diamond structure with a = 5.43 Å A Si nanocube 10 nm on a side is composed of: ~6250 unit cells ~50,000 atoms Each nanocube face is composed of: ~340 unit cells per face ~680 surface atoms per face Total surface area is: ~4080 atoms (~10% surface atoms) Si nanocube A bulk Si film 1 µm thick on a 10 cm square: ~6.3 X unit cells ~5 X atoms ~1.4 X surface atoms (~0.03% surface atoms) a Diamond unit cell Bulk Si film In a nanoscale material, the surface/boundary/interface plays an important role!

16 More than just size Interesting phenomena: Chemical take advantage of large to volume ratio, interfacial surface chemistry important, small for statistical analysis Electronic quantum confinement, engineering, change in electron tunneling surface and systems too bandgap density of states, STM of dangling bonds on a Si:H surface Magnetic giant magnetoresistance nanoscale multilayers, change in susceptibility by magnetic b Electron tunneling

17 More than just size Interesting phenomena: Mechanical improved strength hardness in light-weight nanocomposites and nanomaterials, altered bending, compression properties, nanomechanics of molecular structures Optical absorption and fluorescence of nanocrystals, single photon phenomena, photonic bandgap engineering Fluidic enhanced flow properties with nanoparticles, nanoscale adsorbed films important Thermal increased thermoelectric performance of nanoscale materials, interfacial thermal resistance important. Fluorescence of quantum dots of various sizes Phonon tunneling

18 Example:Electrons to write small

19 The miniaturized Bible Overall view of the sample Detailed view. One line has 100nm Courtesy by R. Malureanu One of the typical defects encountered

20 Gas Injection System Crossbeam chamber flange 3 axis micropositioner Vacuum jar with precursor capsules inside Nozzles Injection lines Pneumatic actuators 5 reservoirs for up to 5 different gases 5 separate injection lines (one per gas) All reservoirs and injection lines can be heated separately Fully software controlled

21 Focused Ion Beam milling and gas assisted etch Gas assisted etch 1. Adsorption of the gas molecules on to the substrate surface 2. Activation of an chemical reaction of the gas molecules with the substrate by the Ion- / E-beam 3. Generation of volatile reactionproducts : GaCl 3 SiCl 4 SiF 4 4. Evaporation of volatile species and sputtering of non volatile species Available on LEO CrossBeas: XeF 2,

22 Beam induced deposition 1. Adsorption of the precursor molecules on the substrate 2. Ion beam / e-beam induced dissociation of the gas molecules 3. Deposition of the material atoms and removal of the organic ligands Available on LEO CrossBeams: Metals: W, Pt Insulator: SiO 2 Tungsten wall Tungsten deposition

23 How to make things small

24 Ions to sculpture

25 Focused Ion Beam - Applications Diamond particle on sapphire stalk

26 Focused Ion Beam - Applications Microsculpture by FIB

27 3D PH. Crys. By X-ray litho 2D-3D structures 2D Bragg reflector Si/SiO2 Coll. F. Priolo Topographic lenses INFM network Catanzaro a-si 2D Photonic Crys. Coll. F. Pirri group

28 Gerd Binnig Heinrich Rohrer Per il progetto STM* unimmo alcune esperienze in spettroscopia Tunnel e superconduttività, ma nulla nel campo della miscroscopia e della fisica delle superfici. Questo ci diede il coraggio e la leggerezza per cominciare qualcosa che in principio non avrebbe mai potuto funzionare, come ci venne spesso ripetuto H. Rohrer 1978 G. Binnig viene assunto all IBM di Zurigo nel gruppo di Rohrer 1978 G.B. e H. R. nel tentativo di studiare le proprietà di superconduttori tramite spettroscopia tunnel localmente, si accorgono che uno strumento opportuno non esiste. 1978In un paio di settimane capiscono che il loro progetto potrebbe essere un nuovo rivoluzionario microscopio Viene formulata la prima richiesta di brevetto. Eric Courtens Physic manager at IBM, prevede migliaia di futuri STM 1980 prime immagini topografiche marzo, evidenza del decadimento esponenziale della corrente data ufficiale di nascita dell STM 1986 Nobel per la fisica *STM = Scanning Tunneling Microscope Marco Lazzarino TASC-INFM Trieste Corso di Nanotecnologie - il primo SPM: il microscopio a scansione tunnel

29 Nella primavera del 1982 B. e R. studiarono la superficie 110 dell oro, osservandone la ricostruzione in linee alternate e ottenendo risoluzione atomica perpendicolarmente alle linee, ma senza osservare atomi distinti. Nell autunno 1982 dedicarono le loro attenzioni alla superficie 111 del silicio che mostrava una misteriosa ricostruzione 7x7. Ricostruzione 7x7 Si (111) non potevo smettere di guardare le immagini. Stavo entrando in un nuovo mondo. Stavo realizzando che mi trovavo ad un vertice insuperabile delle mia carriera e, in un certo senso, alla sua fine (G.Binnig) Sembrava esistesse un conflitto irriducibile tra l affascinante idea di poter vedere direttamente gli atomi in una rappresentazione tridimensionale registrando semplicemente le tracce (di un oscilloscopio) e la riserva innata, che, dopotutto, non poteva essere così semplice. (G. Binnig) Marco Lazzarino TASC-INFM Trieste Corso di Nanotecnologie - il primo SPM: il microscopio a scansione tunnel

30 Come funziona un STM I T ( z) I 0 e z z 0 Corrente di tunneling esponenziale attraverso il vuoto Punta metallica raggio di 10nm ma solo pochi atomi contribuiscono al tunneling Campione conduttivo Ultra alto vuoto (UHT) per risoluzione atomica Correnti di tunneling 1nA Distanza punta campione 0.5nm Marco Lazzarino TASC-INFM Trieste Corso di Nanotecnologie - il primo SPM: il microscopio a scansione tunnel

31 Muovere gli atomi 1. Una superficie viene preparata in modo da essere atomicamente piatta 2. Verifica STM 3. Atomi o molecole di specie differente vengono evaporate sulla superficie 4. Immagine STM 5. La punta STM viene avvicinata all atomo e molecola prescelta monitorando la corrente di tunneling. 6. La punta viene spostata nella posizione di arrivo, trascinandosi l atomo o la molecola 7. La punta viene allontanata e l atomo o molecola restano in posto E così via Requisiti Ultra alto vuoto Bassa temperatura (4K) Basso drift termico In figura atomi di ferro su Cu (111) Don Eigler, Nature (1990) IBM san Josè CA Marco Lazzarino TASC-INFM Trieste Corso di Nanotecnologie - il primo SPM: il microscopio a scansione tunnel

32 Ultimate Nano manipulation Xe on Ni(110)

33 Il microscopio a forza atomica AFM Basandosi sulle interazioni di Van der Waals, che nascono a livello interatomico fra la punta e la superficie campione e le altre interazioni prima citate, si ottiene una flessione del cantilever che, in accordo con la legge di Hook, una volta calcolata ci permette di ricostruire topograficamente la superficie in esame. Alberto Mazza Giuseppe Palmieri

34 Chemical identification of individual surface atoms by atomic force microscopy Yoshiaki Sugimoto, Pablo Pou, Masayuki Abe, Pavel Jelinek, Rubén Pérez, Seizo Morita, Oscar Custance Nature 446, (01 Mar 2007) Letters to Editor Chemical identification of single atoms (silicon, lead and tin) by detecting the short range forces associated with the onset of the chemical bond between the outermost atom of the tip apex and the surface atoms being imaged.

35 combination of AFM-Raman spectroscopy Medical&biological applications 1. Molecular structure 2. Secondary structure observation 3. Amino-acidic composition 4. Protein-Protein interactions Structured surface Main advantages of Raman 1. Water-transparent 2. Low damaging 3. Analysis vs temperature 4. Small samples (da 5 a 30 μl) 5. Fast measurements Main disadvantage: Low scattering cross-section

36 Adiabatic cone device on cantilever

37 Raman measurements with AFM: setup (Collaboration: M. Lazzarino, Alpan Bek, TASC-CBM Trieste)

38 Raman & AFM: chemical sensisng, fine scan Topography Raman intensity at 520 cm -1 AFM topography Sensing and topography resolution 5-10 nm From Raman detailed line shape analysis we found nano crystal size 5-7 nm 110 nm Fine scan along the wall. Scan step 7 nm Accepted for publication: Nature Nanotechnology

39 NanoManufacturing and Instrumentation The invention of new instrumentation has a crucial role for the fast nanotechnology growth The instrumentation changes the knowledge from qualitative to quantitative Limiting this observation to scanning probes we can see and measure quantitatively nano-objects we fabricate and manipulate. Metrological measurement of size, energy bond, angle on molecule anchoring, chemistry, through spectroscopy etc. Nanometer accuracy in production and manipulation has a strong influence on STANDARD definition and quality control (95% in product reliability) e.g. nanometer accuracy allowed the giant magnetoresistance layers to be manufactured

40 3D manipulation of cells:optical Tweezers,

41 Multibead optical cell trapping

42 Applications: manipulation of cells HeLa cells indirectly manipulated by trapped beads (in-vitro mechanical environment control) V. Emiliani et al LATSIS 2007 Losanne, june07 42/31

43 Measurement of the force exerted by neurites (collab V. Torre, D. Cojoc, E. Ferrari) Neurons obtained from dorsal root ganglia (DRG), isolated from P0-12 rats and plated on poly-l-lysine-coated glass dishes. 48 hours after incubation in 50 ng/ml of nerve growth factor (NGF). Goal: measure the force exerted by lamellipodia and filopodia 43/31

44 Measurement of the force exerted by neurites -Calibrate the trap by measuring the fluctuations of the bead in trap -Micro beads trapped by IR laser and positioned in front of lamellipodia and/or filopodia -Measure the fluctuations of the bead in the trap, due to its interaction with the neurite, and convert them into forces.

45 Measurement of the force exerted by neurites LATSIS 2007 Losanne, june07

46 Measurement of the force exerted by neurites Filopodia 2 minutes event, Fmax= 2pN Lamellipodia 2 minutes event, F> 20pN

47 Analysis of Force exerted by lamellipodia

48 SuperHydrophobic Surfaces towards Biomedical Applications

49 Diffusion limits 1 fm analyte concentration

50 can we avoid the diffiusion limit? SuperHydrophobicity for analyte Concentration Evaporation concentration and localization

51 The lotus effect Natural systems a b Artificial systems h Total surface area to total projectet surface area r 4ah a b a b 2 2 Total pillar surface area to total projectet surface area a a 2 b 2

52 Artificial lotus effect: micropatterned surface Photolithography combined with Deep RIE Full controllable size High aspect ratio (up to 20 or more) Both rigid and flexible substrates 10 m

53 Artificial lotus effect: micropatterned surface Evaporation of 10 l of water in few minutes Contact angle about 160

54 Evaporation and concentration Fluorescence of Rhodamine on pillars 10 l mol/l about 6000 molecules easily detected! 30 m

55 Evaporation and concentration (10 Attomolar) Rhodamine

56 Intensity (arb. units) Combination of Plasmonics and superhydrophobic surfaces Rhodamine 6G Raman detection of Rhodamine on pillars 10 l mol/l Raman shift (cm -1 )

57 Combination of Plasmonics and hydrophobic surfaces Single DNA molecule Starting concentration: M Fluorescence of single DNA moleculei

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65 Nanomaterial for industry More than 300 nano products are mature for Industrial production:

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69 5 challenges to address nanotechnology risk

70 Nanoscienze & Società Pietro Greco Tuttavia malgrado il (legittimo) interesse, questo interrogarsi e questo riconoscere in anticipo l importanza prioritaria della domanda sulle conseguenze sociali di una (promessa) rivoluzione tecnoscientifica ha tratti di marcata originalità. Nessuna comunità scientifica, nessun ambito disciplinare aveva mai fatto tanto. Ponendosi in maniera preventiva e organica il problema degli effetti sociali della propria attività e della loro gestione. E inaugurando, probabilmente, una nuova stagione nei complessi rapporti tra scienza e società.

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72 Lezione 0 biofotonica Pavia

73 Acknowledgements I colleghi e collaboratori di UMG In particolare Francesco De Angelis, Patrizio Candeloro, Carlo Liberale, Gianni Cuda, Ennio Carbone, Marco Gaspari Gli studenti di dottorato

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