Materiali ispirati alla Natura Chimica, Nanotecnologie e Materiali Innovativi

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Alice Rinaldi
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1 Materiali ispirati alla Natura Chimica, Nanotecnologie e Materiali Innovativi Enzo Menna Dipartimento di Scienze Chimiche, Università di Padova

2 osservare, scoprire, inventare

3 NANO il mondo delle nanotecnologie

4 what is nano??

5 Oggetti Naturali Dimensioni giù fino ai nanometri e oltre 10-2 m 1 cm 10 mm Oggetti Artificiali Head of a pin 1-2 mm The Challenge Dust mite 200 m Human hair ~ m wide Red blood cells (~7-8 m) ~10 nm diameter Ant ~ 5 mm Fly ash ~ m ATP synthase Microworld Nanoworld 10-3 m 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-7 m 10-8 m Ultraviolet Visible Infrared Microwave 1,000,000 nanometri = 1 millimetro (mm) 0.1 mm 100 m 0.01 mm 10 m 1,000 nanometri = 1 micrometro ( m) 0.1 m 100 nm 0.01 m 10 nm Pollen grain Red blood cells Zone plate x-ray lens Outer ring spacing ~35 nm Self-assembled, Nature-inspired structure Many 10s of nm MicroElectroMechanical (MEMS) devices m wide Nanotube electrode O O S O O O O O O O O O O O S O S O S O S P O O Fabricate and combine nanoscale building blocks to make useful devices, e.g., a photosynthetic reaction center with integral semiconductor storage. O O S O O S O S DNA ~2-1/2 nm diameter Atoms of silicon spacing nm 10-9 m m Soft x-ray 1 nanometro (nm) 0.1 nm Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface positioned one at a time with an STM tip Corral diameter 14 nm Carbon buckyball ~1 nm diameter Carbon nanotube ~1.3 nm diameter Office of Basic Energy Sciences Office of Science, U.S. DOE Version , pmd

0.1 mm 100 m 0.01 mm 10 m 1,000 nanometri = 1 micrometro ( m) 0.1 m 100 nm 0.

6 NascitaedEvoluzione "The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. (R. Feynman, 1959) 1982 STM

7 Nanotecnologie: lavorare su scala atomica

8 MACCHINE MOLECOLARI immaginarie "Thorough, inexpensive control of the structure of matter based on molecule-bymolecule control of products and byproducts of molecular manufacturing. (K.Eric Drexler, Chris Peterson, Gayle Pergamit) ingranaggi robot macchinari

of products and byproducts of molecular manufacturing. (K.

9 MACCHINE MOLECOLARI reali pinza molecolare ascensore molecolare V. Balzani, J. F. Stoddart e coll. interruttore molecolare

10 CARBON nanostrutture di carbonio

11 Carbon and life photosynthesis 6H 2 O + 6CO 2 C 6 H 12 O 6 + 6O 2

12 carbon diamond C 60 buckminsterfullerene graphite nanotube

13 the mother of all nano-carbons graphene

14 MICROELETTRONICA NESR

15 SWNT-based electronics

16 SWNT Transistor

17 resistenza meccanica

18 Composites

19 materiali compositi

20 luce ed elettroni h e -

21 Peapods molecole nella cavità interna + fullerene peapods

22 e - photoactive peapods

23 scrolls

24 nanoconi

25 cipolle

26 graphene flakes

27 Nobel Prize in Physics 2010 Andre Geim and Konstantin Novoselov "for groundbreaking experiments regarding the twodimensional material graphene" Graphene

28 SOLAR celle solari di plastica

29 Celle solari di plastica

31 Lo strato attivo S S mixture S S P3HT (donor) + - elevata area di contatto tra accettore e donatore (interpenetrating network) favorisce generazione e trasporto PCBM (acceptor) MeO O

32 come funziona O O n polimero (donatore) O O O e + O - fullerene (accettore)

33 bulk heterojunction

34 OLED LED organici

35 FLESSIBILITA

36 Roll to Roll

37 schermi flessibili

38 LED trasparenti

39 elettronica di consumo

40 schermi ultrasottili

41 dispositivi April 2009 sottili versatili trasparenti impermeabili

42 come funziona LED (light emitting diode) Organici Potenzialmente più economici Flessibili in tutti i sensi Stampabili (InkJet) Utilizzabili per illuminazione diffusa Rispetto a LCD non richiedono retroilluminazione minor consumo di energia

43 MATERIALI E COLORI

44 STAMPAGGIO dispositivo a colori

45 GECKO per camminare sui muri

46 il segreto del gecko

47 Gecko adhesive system Milioni di micro-setole su ogni dito. La punta di ogni setola è formata da spatole di 100 nanometri di diametro.

48 imitare la natura naturale sintetico Anolis Equistris, length 23 micron, diameter 0.5 micron. polyimide synthetic gecko adhesive, length 22 micron, diameter 0.6 micron

49 Micro-High Friction adesivo direzionale e autopulente DOI: /PhysRevLett

50 Smart Gecko Tape Polypropylene microfiber array

51 HEALING Materiali che si auto-riparano

52 auto-riparazione piccole fratture si saldano spontaneamente

53 Liquid approach plastica monomero catalizzatore Self-healing coatings repair themselves with the help of monomer capsules (blue) and catalyst capsules (yellow shells with green liquid) that rupture when damaged and polymerize to seal the scratch. Damage is healed by cross-linked PDMS, protecting the substrate from the environment. Scanning electron micrographs show a scratch in a conventional coating (left) and a repaired scratch in a coating that s equipped with self-healing microcapsules (right) /adma

55 THE END

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1 La scienza delle molecole Nanoworld Microworld 10-2 m 10-3 m 10-4 m 10-5 m 10-6 m 10-7 m 10-8 m 10-9 m 10-10 m 0.1 nm Soft x-ray 1 nanometer (nm) 0.01 µm 10 nm Ultraviolet 0.1 µm 100 nm Visible 1,000