16 Marzo 2007-, Vicenza. Intervento dal titolo Convergenze tra tecnologie nano e micro A cura di Renato Bozio Professore Università degli Studi di Padova Presidente NanoFAB scarl VEGA PARK di Venezia 57
16 Marzo 2007-, Vicenza. CONVERGENZE TRA TECNOLOGIE NANO E MICRO Tema principale dell intervento è la presentazione di Veneto Nanotech Cluster con una panoramica su quello che è stato il suo sviluppo organizzativo negli ultimi quattro anni. Ad oggi, Veneto Nanotech comprende un centro di ricerca (CIVEN), una nanofabrication facility ( NANOFAB), e tre nuovi laboratori situati nei maggiori distretti industrializzati della Regione Veneto. Il trasferimento tecnologico dei risultati della ricerca è stato perseguito tramite il Nanofab e i nuovi laboratori. Alcuni numeri riferibili al Nanofab: circa 20 milioni di euro investiti nei laboratori che coprono una superficie superiore a 2700 mq e più di 12 ricercatori coinvolti. Uno dei filoni di ricerca del CIVEN, svolto attraverso il Nanofab, riguarda i nanosensori, che coprono campi tecnologici che vanno dai micro-arrays per la genomica e la proteomica alle nanostrutture per sensori chimici e biochimici. Il centro sta adottando un approccio dove lo molecole sono rilevate e studiate per mezzo di sensori di dimensioni nanometriche, e i segnali dei quali sono condizionati da microsistemi elettronici intelligenti. Diviene, naturalmente, un approccio strategico quello di collegare le conoscenze acquisite in ambito dei microsistemi a quelle relative alle nanotecnologie. Si prevede che la maggior parte dei sensori sarà di tipo nano su micro, dove i sistemi microelettronici saranno deputati ad accrescere la sensibilità dei nuovi nanomateriali (nanotubi di carbonio multistrato per la rilevazione del DNA, nanoparticelle e nanofilamenti per sensori elettrochimici, etc ). In tal modo esistono grandi potenzialità per le applicazioni delle nanotecnologie, accoppiando i comportamenti dei nanomateriali con le innovazioni della microelettronica e delle applicazioni già ben note e testate. I sensori di tipo nano diverranno punti di partenza fondamentali per portare le nano applicazioni nella vita di tutti i giorni. Contatti: Renato Bozio Università degli Studi di Padova Via 8 Febbraio, 2-35122 Padova Centralino: (+39) 049 827 5111 Call Centre: (+39) 049 827 3131 Email: renato.bozio@unipd.it Web: http://www.unipd.it http://www.nanofab.it/ 59
16 Marzo 2007-, Vicenza. Convergenza tra tecnologie Nano e Micro Prof. Renato Bozio Presidente NanoFab NanoFab Nanotecnologie per le imprese Tecnologie Servizi Formazione www.nanofab.it Vicenza, - 16 Marzo 2007 Outline Presentazione NanoFab scarl Convergenza Nano on Micro : sensori BioSensori per DNA Sensori elettrochimici per metalli pesanti 2 60
16 Marzo 2007-, Vicenza. Il modello Nanofabrication Facility Rete della National Nanotechnology Infrastructure in USA The Penn State Nanofabrication facility (Nanofab) is a completely open access national NNIN user facility containing over $32 million dollars of state-of-the-art equipment. The facility is supported by 14 technical staff on the associate to Ph.D. level with cross-disciplinary expertise in the areas of spectroscopy, biology, chemistry, physics, optics, electrical engineering and engineering science. The Nanofab was established to enable advanced interdisciplinary academic and industrial research and development in the electronic materials, biological and pharmaceutical fields. It also has a focus on materials and chemical and molecular scale technologies with unique strengths that include surface chemistry, self-assembly, and the fabrication and processing of novel, nontraditional materials. Operating for over 12 years, the Nanofab has an established performance record of proactively identifying and engaging non-traditional users of nanotechnology and of bringing nanoscience and engineering to new disciplines. The experienced technical staff supports academic and industrial users through comprehensive education and training on instrument operation, process development and integration, and the application of micro and nanofabrication techniques to device, system and process development. 3 Il percorso verso NanoFab Viaggi di studio negli USA (2000-2001). Intuizione di Giorgio Mattiello, allora addetto scientifico a Washington 12/4/2002: Delibera GR Veneto per la creazione di laboratorio ricerca industriale 17/12/2002: MoU per Veneto Nanotech 31/7/2003: Costituzione di Veneto Nanotech SCpA 7/10/2005: Inaugurazione ufficiale di NanoFab! 30/12/2002: Contributo 4.6 M assegnato a VEGA che cofinanzia con 2,4 M la costruzione di NanoFab 17/3/2003: Costituzione di CIVEN, associazione tra Univ. di Padova, Ca Foscari-VE, e Verona 31/12/2004: Costituzione di NanoFab Scarl, Società di gestione compartecipata da VEGA e da CIVEN 4 61
16 Marzo 2007-, Vicenza. La politica S&T del Governo Linee guida (aprile 2002) e PNR 2005-2007 Asse 1. Avanzamento delle frontiere della conoscenza Asse 2. Ricerca orientata: sviluppo di tecnologie abilitanti multisettoriali. Asse 3. Ricerca industriale: aumentare la capacità delle imprese di trasformare conoscenze e tecnologie in prodotti, processi, servizi a maggior valore aggiunto. Asse 4. Promozione della capacità d innovazione nei processi e nei prodotti delle PMI e creazione di aggregazioni sistemiche a livello territoriale. 5 DISTRETTI TECNOLOGICI I DISTRETTI TECNOLOGICI La missione Potenziare la collaborazione con i governi regionali per sviluppare azioni di ricerca come leva di crescita socio-economica del territorio Potenziare e realizzare reti di ricerca ed innovazione diffuse su tutto il territorio nazionale Incrementare il tasso di valorizzazione dei risultati della ricerca con finalità economiche e sociali 6 62
16 Marzo 2007-, Vicenza. I DISTRETTI AVVIATI (Marzo 2005) 1. Tecnologie wireless e wireline dell informazione e delle telecomunicazioni - Regione Piemonte 2. Nanotecnologie - Regione Veneto 3. Materiali polimerici e compositi - Regione Campania 4. Meccanica avanzata - Regione Emilia-Romagna 5. Biotecnologie Regione Lombardia 6. ICT Regione Lombardia 7. Nuovi materiali Regione Lombardia 8. Micro e nano-sistemi Regione Sicilia 9. Distretto Aerospazio Difesa Regione Lazio 10. Distretto Sistemi intelligenti integrati Regione Liguria 11. Distretto Biotecnologia molecolare Regione Friuli- Venezia Giulia 7 GLI ATTORI DEL DISTRETTO per le NANOTECNOLOGIE in VENETO CIVEN Associazione fondata nel marzo 2003 dalle Università del Veneto al fine di promuovere la ricerca applicata e la formazione nel settore delle nanotecnologie. www.civen.org NANOFAB Nanofabrication Facility per la ricerca applicata, realizzata dal Parco VEGA e dal CIVEN per lo sviluppo di prototipi nanostrutturati www.nanofab.it VENETO NANOTECH Società che gestisce tutte le iniziative del Distretto. È il referente del MIUR e della Regione nella gestione delle fonti di finanziamento alle imprese e agli istituti di ricerca. www.venetonanotech.it ECSIN Laboratorio (in corso di realizzazione) focalizzato sull analisi dell impatto delle NN su ambiente, salute e società VEGA Parco Scientifico Tecnologico di Venezia che ha ideato e cofinanziato la Nanofabrication Facility 8 63
16 Marzo 2007-, Vicenza. Strutture societarie Univ. Padova Univ. Ca Foscari Univ. Verona CIVEN Coordinam. Interuniv. Veneto per le Nanotecnologie NANOFAB Interun. Master in Nanotechnologies Progetti ricerca CIPE 2003-08 Centro NanoFab Finanziati dalla Regione Veneto 9 Le risorse impegnate Le risorse mobilitate includono: Contributo Docup-VEGA Finanziamenti (in M ) Progetti di ricerca finanziati dalla Regione su fondi CIPE negli anni 2003-04- 05. I progetti hanno consentito di: Ampliare sensibilmente la dotazione iniziale di attrezzature di avanguardia Stipulare contratti con il Direttore Scientifico ed un team di ricercatori altamente qualificati Costituire piattaforme tecnologiche (risorse umane e strumentali e competenze) da porre al servizio delle imprese per erogazione di servizi e ricerche pre-competitive 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 18,8 16,8 11,8 7 4,6 4,8 5 2,4 2 Docup CIPE'03 CIPE'04 CIPE'05 Regione VEGA Totale 10 64
16 Marzo 2007-, Vicenza. Progetti di ricerca e sperimentazione industriale Attuatore: CIVEN Finanziamento Regione Veneto (M ): 4.8 (2003) + 5.0 (2004) Nanostrutture per sensori chimici e biochimici Deposizione di strati ad elevate proprietà tribologiche e resistenza a corrosione Costruzione di microarray finalizzati allo studio della genomica e della proteomica Deposizione di film sottili di dimensioni nanometriche e di rivestimenti spessi di nanocompositi di tipo inorganico, organico o ibrido Materiali nanostrutturati per rivestimenti protettivi o decorativi Leghe leggere nanostrutturate Nano-compositi polimerici 11 NANOFABRICATION FACILITY La Nanofabrication Facility rappresenta il braccio operativo del Distretto: è infatti uno dei primi laboratori europei per le applicazioni delle nanotecnologie alla produzione industriale. Caratteristiche Informazioni Generali Opportunità per le Aziende NanoFab è un laboratorio di ricerca e sviluppo realizzato dal Parco VEGA e dal CIVEN, a Marghera presso il Parco Scientifico Tecnologico VEGA. NanoFab ha per obiettivo la ricerca e lo sviluppo di prototipi nanostrutturati e l avanzamento di progetti di ricerca nell ambito delle nanotecnologie. Possibilità di usufruire dei laboratori, delle attrezzature e del personale di ricerca sia per le imprese, sia per le Università e qualsiasi soggetto economico interessato a condurre una attività di ricerca applicata. Possibilità per le aziende di usufruire delle infrastrutture di Nanofab impiegando personale proprio. 12 65
16 Marzo 2007-, Vicenza. QUALCHE CIFRA 20 MLN di Euro di investimento complessivo (di cui 7 per la realizzazione dei laboratori) 2700 mq tra laboratori, spazi tecnici, uffici Risorse attivabili su commesse di ricerca: 1 direttore scientifico e 13 ricercatori di CIVEN oltre al personale delle Università associate 80 apparecchiature scientifiche (per la produzione e la caratterizzazione di nanomateriali, il controllo qualità e la ricerca) 3 camere bianche per nanobiotecnologie e microscopia Investimenti appositamente focalizzati su tecnologie promettenti che possono trovare una diretta applicazione nell industria meccanica, della plastica e della componentistica dando la possibilità alle aziende venete di testare processi innovativi. 13 Know how scientifico e specializzazioni tecniche Tecniche e processi di preparazione e deposizione per la realizzazione di rivestimenti nanostrutturati, materiali sinterizzati e produzione di sensori e microarrays: deposizione da fase vapore con plasma preparazioni chimiche pressatura e sinterizzazione produzione di microarrays cold spray plasma treat Tecniche e processi di caratterizzazione per la caratterizzazione di materiali: 14 tribologica e metallografica composizionale e spettroscopica calorimetrica e termogravimetrica elettrochimica e microelettronica microscopica a scansione di sonda biologica di materiale genetico 66
16 Marzo 2007-, Vicenza. Cosa offre NanoFab Prove e prototipi Strumentazione avanzata Ricerca e Sviluppo Formazione 15 L accesso a NanoFab A. Acquisto di servizi offerti da NanoFab, tipicamente per analisi e prove ma anche per le attività finalizzate alla realizzazione di prototipi una tantum B. Accesso ed utilizzazione delle apparecchiature direttamente da parte di ricercatori o tecnici delle imprese con l assistenza, ove necessario, del personale di NanoFab C. Attuazione di progetti di ricerca e sperimentazione industriale in collaborazione impresa-nanofab anche con la partecipazione di ricercatori CIVEN 16 67
16 Marzo 2007-, Vicenza. Nano on Micro : vantaggi Nanomateriali superficie attiva sensibilità specificità selettività Microelettronica e Microsistemi miniaturizzazione integrazione modularità basso consumo Sensoristica 17 Nano on Micro : sensori IN OUT cantilever SAW sensor nano materiale sensibile MEMS gate conduttore o isolante elettronica sensore dielettrico drain Semiconduttore source Semiconduttore ChemFET e ISFET Extended Gate FET 18 68
16 Marzo 2007-, Vicenza. Multiwalled Carbon NanoTubes Array di nanoelettrodi di multiwalled carbon nanotubes (MWNTs) allineati verticalmente incorporati in SiO 2 Rilevazione ultrasensibile di DNA J. Li et al., Nano Letters 2003, vol. 3 no. 5, 597-602 19 Film sottili, nanoparticles e nanowires di SnO 2 per sensori di gas O. K. Tan et al., Proc. 11 IMCS July 2006 Film di SnO 2 deposto per PECVD e cresciuto su substrati SiO 2 / Si di 4 S. Capone et al., Sensors & Actuators B 77(2001)503-511 Nanoparticles di SnO 2 su elettrodi interdigitati D. Calestani et al., Proc. 11 IMCS July 2006 Nanowires di SnO 2 su contatti interdigitati di Pt su allumina 20 69
16 Marzo 2007-, Vicenza. WO 3 nanowires per sensori chimici conduttimetrici Integrazione dei nanowires su piattaforme sensoristiche microhotplate K.D. Benkstein et al., Proc. 11 IMCS July 2006 Elevata area superficiale ed elevata attività combinate a piccole dimensioni e rapido controllo della temperatura 21 Progetti su sensori in CIVEN Costruzione di microarray finalizzati allo studio della genomica e della proteomica (in fase conclusiva) Nanostrutture per sensori chimici e biochimici (in fase conclusiva) Sviluppo di sensori per sistemi biologici ed agro-alimentari (in fase esecutiva) 22 70
16 Marzo 2007-, Vicenza. Vantaggi degli array di microelettrodi funzionalizzati La carica elettrica negativa intrinsecamente presente nel layer di ssdna immobilizzato sull elettrodo aumenta con l ibridazione e può essere misurata elettricamente. controllo della deposizione del DNA rilevazione dell ibridazione Rilevazione elettrica label-free Elevata selettività Elevata specificità Portabilità Dispositivi low cost 23 Definizione di pannelli genici custom per applicazioni diagnostiche, ambientali ed agro-alimentari AMINOSILANE Ottimizzazione delle superfici per deposizione su DNA microarrays EPOXYDE CO-POLIMER I pannelli di patogeni vengono sviluppati con la tecnologia dei DNA microarrays e poi trasferiti su array di microelettrodi d oro 24 71
16 Marzo 2007-, Vicenza. Array di Microelettrodi funzionalizzati per la rilevazione del DNA Gold Micro Electrode Array Vgs RE ssdna deposition Gate Source Id Au Electrode Drain Vds Extended Gate FET 25 Nanostrutture per sensori chimici e biochimici Gold Nanodisks Gold Nanotubes Gold Nanofibers Gold Nanocones 26 Le stesse nanostrutture possono essere ottenute con Ag, Ni, SnO 2, etc. per numerose applicazioni sensoristiche 72
16 Marzo 2007-, Vicenza. Vantaggi dei nanoelettrodi Migliorato rapporto signal/background Semplicità e rapidità di utilizzo Adatti per applicazioni in situ Economici Dispositivo usa e getta I(A) I (A) 1.5x10-7 1.0x10-7 5.0x10-8 0.0-5.0x10-8 -1.0x10-7 -1.5x10-7 3.0x10-8 2.0x10-8 1.0x10-8 0.0-1.0x10-8 -2.0x10-8 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 E(V), Ag/AgCl Macroelettrodo d oro ( =2mm) NEE ( =2mm, pori = 30 nm) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 E (V), Ag/AgCl 27 Monitoraggio ambientale: determinazione elettrochimica dell As(III) I (A) 4 ppb Y = A + B * X 6.5x10-5 0.000040 6 ppb Parameter Value Error ------------------------------------------------------------ A 5.25619E-7 4.90452E-7 0.000035 B 8.53655E-7 2.33637E-8 6.0x10-5 ------------------------------------------------------------ 0.000030 R SD N P ------------------------------------------------------------ 0.000025 0.99739 8.06715E-7 9 <0.0001 5.5x10-5 5.0x10-5 4.5x10-5 4.0x10-5 3.5x10-5 Y Axis Title 0.000020 0.000015 0.000010 0.000005 0.000000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 X Axis Title 8 ppb 10 ppb 15 ppb 20 ppb 25 ppb 30 ppb 40 ppb 3.0x10-5 2.5x10-5 2.0x10-5 1.5x10-5 Strutture d oro generate all interno dei nanopori 28 1.0x10-5 -0.3-0.2-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 E (V), Ag/AgCl DL = 0.39 ppb per NEE, SW-ASV contro DL=13 ppb per macroelettrodo 73
16 Marzo 2007-, Vicenza. Contatti NANOFAB www.nanofab.it CIVEN www.civen.org GRAZIE PER L ATTENZIONE! VEGA www.vegapark.ve.it VENETO NANOTECH www.venetonanotech.it 29 74