Alla scoperta delle nanotecnologie

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1 Alla scoperta delle nanotecnologie Pietro Busnardo Consulente Veneto Nanotech Direttore Scientifico IMN Civen

2 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

3 Anche se la Disney ci aveva pensato prima! ETA BETA è un atomo Nato nel 1949

4 Nano? Capiamo le dimensioni Partiamo da un uomo arriviamo ad una zanzara Rice University, Houston, TX, USA

5 Nano? Capiamo le dimensioni arriviamo ai suoi occhi e finalmente arriviamo al nanometro Rice University, Houston, TX, USA

6 Prospettive nanotecnologiche

7 Cosa si intende per nanotecnologie? 1 metro 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 10-3 m (millimetro) 10-6 m (micron) 10-9 m (nanometro) Capelli Batteri Transistor per Pentium IV Virus DNA Atomo Fonte: Forrester Research

8 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

9 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

10 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

11 creando un mercato di dimensioni impressionanti Beni e servizi collegati alle nanotecnologie previsione Migliaia di Miliardi di dollari Caso conservativo Stima NSF Caso aggressivo Aerospace 5 volte Chemical più Manufacturing grande del 9% mercato attuale dei 17% Pharmaceuticals semiconduttori!! Other 9% 6% Materials 31% 28% Electronics Source: National Science Foundation, In Realis

12 Con le nanotecnologie si può giocare con le molecole Rice University, Houston, TX, USA 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

13 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

14 I nostri amici più bellini :-)

15 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

16 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

17 ovunque nel mondo Atomi di Ferro su Rame L ideogramma significa Atomo

18 Altre immagini: Stadium Corral Atomi di Ferro su Rame

19 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)

20 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.

21 Nell elettronica, le nanotecnologie aiuteranno a mantenere valida la legge di Moore

22 Nanoelettronica top-down Ha origine dalla fisica degli stati condensati e dalla scienza dei materiali

23 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

24 Primo transistor basato su nanotubi di carbonio IBM Yorktown, aprile 2002

25 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)

26 Il cotone può essere reso impermeabile ai liquidi Science Museum, Londra

27 Nanofotonica con quantum dots di semiconduttori: atomi artificiali ( atomi) CdSe core with ZnS shell QDs Bulk - 3D Red: bigger dots! Blue: smaller dots! Quantum Well - 2D Quantum Wire - 1D Quantum Dots-0D Immagini AFM di isole di InAs cresciute epitassialmente su GaAs

28 La nanofotonica per la luce Osram sta studiando l utilizzo di nanocristallil per produrre led a basso consumo energetico

29 Nanofotonica: Nanoparticelle di metalli (Au, Ag, ) Licurgo cup (IV sec. AD) Test DNA Au Nanoparticelle (5-10 nm) usate per il loro colore Riconoscimento di singoli nucleotidi con Au Nanoparticelle funzionalizzate

30 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:

31 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 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

32 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.

33 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

34 In Veneto ci sono tre grandi atenei di rinomanza mondiale Università di Padova Fondata nel ,000 studenti; 2,350 professori e ricercatori Università Cà Foscari di Venezia Fondata nel ,000 studenti; 550 professori e ricercatori Università di Verona Fondata nel ,000 studenti, 780 professori e ricercatori

35 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

36 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

37 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

38 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.

39 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

40 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

41 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.

42 Alla scoperta delle nanotecnologie Pietro Busnardo Consulente Veneto Nanotech Direttore Scientifico IMN Civen