Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.
Nanotechnologie 
Zegen of vloek? 
Dirk Van Dyck. 
Universiteit Antwerpen
2 
6 miljoen transistoren in 
geïntegreerde schakeling 
(Pentium Pro processor) 
Afmeting één transistor ~ 1 μm 
1 m 
10 c...
3 
Van onstekingskaars tot atoom 
3
4 
Galaxies - Telescopes Nanocrystals - Microscopees 
Stefan Hinderberger, NCEM 
4 
22 
10 
Sterren in het universum. 10 
...
5 
Nano: een nieuwe wereld 
• Nieuwe eigenschappen 
• Nieuwe bouwstenen 
• Hogere efficientie 
• Opbouw van onderuit 
5
6 
Wat is nanotechnologie ? 
• Ontwikkeling, samenvoegen en gebruik van 
materialen, componenten en systemen met 
gecontro...
7 
Opbouw van onderuit 
7
8 
Nieuwe eigenschappen 
• Chemisch: oppervlakte/volume ratio 
• Fysisch: kwantummechanica 
• Optisch 
8
9 
Nano eigenschappen 
I: Oppervlakte/Volume ratio 
http://www.youtube.com/watch?v=2NySRur62gg
10 
Verhoogde oppervlakte/volume ratio 
Gebruik?  KATALYSE 
Afzetting van deeltjes op een substraat 
Oxide substraat
11 
Nanodeeltjes als katalysatoren 
Zeer grote verhouding oppervlakte/volume 
11
12 
Katalytische activiteit van goud nanoclusters 
Meest actieve grootte : 3-3.5 nm 
Science, 281 (1998) 1647
13 
Nieuwe trend : hybride materialen 
Nanodeeltjes in poreuze materialen 
katalytische activiteit en selectiviteit 
EMAT ...
14 
Kwantummechanica 
-Elektronen zijn golven 
-Opsluiting: staande golven (cfr muziek) 
-Discrete energieniveaus 
-Vorm z...
15 
Kwantumstippen hebben een unieke 
elektronische struktuur 
15 
Energy levels 
Absorption 
Radiationless 
decay 
Fluore...
16 
Optische eigenschappen van 
kwantumstippen 
(kleur afhankelijk van het volume) 
16 
Quantum dots change color with siz...
17 
Kwantumstip: spectrale barcode 
17 
Wavelength (nm) 
Wavelength ( nm ) 
Conventional barcodes - line thickness and 
sp...
18 
Gebruik van kwantumstippen 
• Biolabels voor : flow cytometrie 
microarray analyse (gene chips) 
fluorescentie microsc...
19 
Kwantumstip bio-probe 
19 
Core Nanocrystal 
Inorganic Shell 
Capping Group 
Organic coating 
Functionality 
Crosslink...
20 
Labelling met kwantumstippen 
20
Kwantum stippen in fotovoltaïsche cellen 
21 
A p-n junction is formed by placing p-type and n-type semiconductors next to...
22 
Nano-optische eigenschappen 
oppervlakte plasmonen 
“Labors of the Months” (Norwich, 
England, ca. 1480). 
The rode kl...
23 
Kleurenspel in opaal 
23
24 
Opaal bestaat uit identieke 
nanodeeltjes die het licht verstrooien 
24
25 
Nieuwe bouwstenen 
25 
• Kwantumstippen 
• Nanobuisjes 
• Grafeen 
• Nanodraden 
• Nanodeeltjes 
• Nanomachines
26 
Nanobuisjes 
26
27 
Een volledig eelleekkttrroonniisscchhee sscchhaakkeelliinngg 
mmeett nnaannoobbuuiissjjeess 
SWNT 
MWNT 
Pd 
Pd 
p-FET...
NNaannoo mmeecchhaann28iiccaa 
rreessoonnaattoorr
30 
Nanobuisjes als lagers in een nanomotor 
30 
Nanomechanika 
Treacy et al. Nature 1996 
Gao, Wang et al. PRL 2000 
Nano...
31 
Nano = versneller: tijd tussen vinding 
en toepassing wordt steeds korter 
-GaN : leds 
-GMR : magnetische leeskoppen ...
32 
Nieuwe lichtbronnen 
32
33 
Evolutie van de nanotechnologie 
• Multidisciplinair 
• Waarnemen en meten : nieuwe instrumenten 
• Begrijpen :wisselw...
34 
Bottom-up vs. top-down 
benadering 
34 
Schaalverkleining 
1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 
1 mm 
1 nm 
Micro-...
35 
Elektronenmicroscopie 
Beeld lokaal energiespectrum 
On core 
Off core 
390 400 410 420 430 440 
Energy Loss (eV) 
dis...
36 
Atomaire structuur in 3 dimensies 
2D beelden van een zilver nanodeeltje in een aluminium matrix 
[101] [100] 
aantal ...
37 
37 
Een nanolab in de elektronenmicroscoop
38 
Atomen tellen in 3 dimensies 
Discrete elektronentomografie 
S. Van Aert, K.J. Batenburg, M.D. Rossell, R. Erni, G. Va...
39 
Begrijpen en voorspellen van 
eigenschappen 
x Experiment Theorie 
Cu 
Al 
Charge Density 
39 
y 
20 pm 
Al 
Al, bista...
40 
STM microscoop 
40
41 
De ultieme limieten van Nano 
Hoever staan we? 
• Het atoom: bouwsteen (alfabet) van de materie 
• Het electron als kl...
42 
Opbouw atoom per atoom 
42
43 
Kunnen we alles maken? 
In 2011 kan je (bijna) alles maken atoom per 
atoom... 
... Maar het duurt wel één miljoen jaa...
44 
Eén-elektron transistor 
44
45 
De natuur als inspiratiebron 
• Een leerproces van een miljard jaar 
• Componenten 1-100 nm 
• Gegenereerd met nanomac...
46 
Filogenetische stamboom van cytochroom: aantal nucleotiden. ( R. Knippers).
47 
Realization of nanomaterials with biologically inspired 
attributes self-healing, defecttolerant in hybrid organic-ino...
48 
Toekomst van de nanotechnologie 
zegen of vloek? 
-Massaal (onzichtbaar) aanwezig. 
-Zegen? 
-Gevaren?
Nanotechnologie: massaal (onzichtbaar) aanwezig 
49 
1600 nanoproducten 
24 landen 
Bron: Project on Emerging Nanotechnolo...
50 
Men’s nano-dry shirts 
Jack Wolfskin (Duitsland) 
Nano-Care® Stressfree Khakis 
Gap (USA) 
Nano rain hat 
Pro-Idee Gmb...
51 
Nano auto verzegelingsset 
Air Shape best protect nanotechnology (Nederland) 
Nano-protex Textile anti-dirt 
Nanotec P...
52 
Tennisracket Nanocarbon NS Tour MP 
Babolat (Frankrijk) 
Wilson® Nanotube Performance Driver 
Wilson (USA) 
Wilson® Na...
53 
2010 Intel 32 nm CMOS Core Processor 
Intel (USA) 
Samsung 16 Gb 45 nm CMOS Flash Memory 
Samsung (Korea) 
iPOD nano 1...
54
55 
Zinclear nano-zinc oxide zonnecreme 
Advanced Nanotechnology Limited (Australië) 
Awake Nano Lotion White 
Kose Corpor...
56 
Nano-tex nanosilver socks 
Lexon Nanotech (USA) 
Nanbabies Personal wear 
Nanbabies (USA) 
SAMSUNG Silver Nano Mobile ...
57 
Nano TiO2 - UV Air Purifier 
Kind Home (Taiwan) 
Daewoo Nanosilver 
refrigerator 
Daewoo (Korea) 
Nano-silver Washing ...
58 
Toekomst van de nanotechnologie 
zegen of vloek? 
-Massaal (onzichtbaar) aanwezig 
-Zegen? 
-Gevaren?
59 
NNAANNOO??
60 
Geneeskunde: doelgerichte 
geneesmiddelen 
60
61 
Lab-on-a-chip 
Body sensors 
61
62 
Energie problematiek : HELIOS project (VS) 
Natuurlijke fotosynthese Artificiele fotosynthese 
Substrate 
Efficient to...
63 
Toekomst van de nanotechnologie 
zegen of vloek? 
-Massaal (onzichtbaar) aanwezig. 
-Zegen? 
-Gevaren?
64 
Example: Real and Perceptual Risk Profiles of Major Materials
Nanotechnologie 
Zegen of vloek? 
Dirk Van Dyck. 
Universiteit Antwerpen
66 
Toekomst van de nanotechnologie 
zegen of vloek? 
Zegen
Nadelige gezondheidsrisico’s: onvermijd6e7 lijk 
Sensibilisering van de onderzoekers 
Verplicht parallel onderzoek in onaf...
68 
Onaangepaste maatschappelijke 
structuren en regels 
-De technologie loopt steeds voor op de 
maatschappelijke structu...
69 
Nanotechnologie in de 
middeleeuwen 
69
70 
Welke materialen ? 
Transitie metalen met bijna gevulde d orbitalen (edelmetalen)
71 
Metal@MOF 
NPs>Pores 
NPs at surface 
Metal/MOF 
NPs=>Pores 
NPs in framework 
Framework broken 
Metal@MOF 
Particles=...
72 
Kennisketen van de 
End product: 
72 
• Automotive 
industry 
• Films 
• UV- protection 
• Displays 
• 
Processing: 
•...
73 
Zilver nano driehoeken (EMAT)
74 
Atomen tellen in 3D
75 
Atomen: het alfabet van de materie 
It would be very easy to make an analysis of any 
complicated chemical substance; ...
76 
Klassen van nanomaterialen 
Bulk materiaal dunne film staaf deeltje 
2D nanostructuur 
1D nanostructuur 
Dimensie < 10...
77
78 
Energy Related Research 
Carbon Cycle 2.0 
http://www.lbl.gov/LBL-Programs/helios-serc/index.html
79 
The Energy Cycle 
Enrichment of CO2 
Extraction of fuel 
Oil, gas, coal,.. 
Humans have broken the natural energy cycl...
Payoff From Carbon-based Nanomaterials 
Separation Capabilities 
• High Performance Semiconducting FETs 
• Light Emitting,...
Examples of Major Advances in the Last81 
Decade 
Synthetic replacements as therapies in the context of HDL, a model examp...
82 
cyberinfrastructure 
“fingertip access to:” 
-simulations 
-data 
-research methods 
-educational resources 
-tools fo...
83 
Advanced Manufacturing 
It is important to develop tools and methods for integrating nanoscale patterning of soft mate...
84 Number of Consumer Products that 
include Nano-based components 
Source: Project on Emerging Nanotechnologies
Vision: Can Nanostructured Polymer – Based Solar Cells Provide a85 
Scalable Route to Cheap PV? 
Hierarchical assembly – c...
Example 2 Artificial P h o t o s y n t h e s i s / W a t e r Splitting – direct conversion and storage of solar 
86 
energ...
Changes of Vision in the Last Decade 87 
From Nano-Robots to Nano-Realities 
Fundamental research and diagnostic tools 
ha...
88 
Nanoelectronics Most Visible Impact: 
Scaling Drives the Semiconductor Industry 
Smaller features -> Better performanc...
89 
Nanoelectronics Impact on Society: 
To Continue the Benefits, Continue the Curve 
 Nanoelectronics plays a major role...
90 Advances in the Past Decade: 
control of porosity at different length scales 
Pore Si ° 
ze A 
100 
80 
20Å 60Å 
MCM-41...
WORDWIDE NUMBER OF NANOTECHNOLOGY PATENT APPLICATIONS 
91 
T o t a l n u m b e r of n a n o t e c h n o lo g y a p p li c ...
92 
WORLDWIDE MARKET INCORPORATING NANOTECNOLOGY 
(Estimation made in 2000 after international study in > 20 countries) 
R...
93 
Penetration of nanotechnology in industry 
Ex 1: in semiconductors 2000 - 0% ; 
2010 - 30% (< 100nm $120B) ; 2020 – 10...
94 
94 
Met dank aan 
• Sara Bals (Antwerpen) 
• Stuart Turner (Antwerpen) 
• Sara Van Aert (Antwerpen) 
• Yvan Bruynserae...
95 
95 
Inhoud 
• De versnellende evolutie 
• Nano: een nieuwe wereld 
• Een eindpunt ? 
• Een blik op de toekomst 
• Zege...
96 
Ray Kurzweil: The singularty is near. When humans 
transcend biology( Barnes Ray a Kndu rNzowbeliel :2 T00h7e) s ingul...
97 
Versnellende factoren in de evolutie 
• Succesvolle bouwstenen (atomen, moleculen , 
peptiden, aminozuren, proteïnen, ...
98
99 
De wet van Moore 
99
100 
Oorzaak van de rechte van Moore ? 
• Ontwikkeling van nieuwe technologie steunt op 
de performantie van de vorige tec...
101
102 
Evolutie volgt ook een rechte van Moore 
complexiteit 
tijd 
Atomen , moleculen ,peptiden, aminozuren ,proteinen, DNA...
103 
Wetenschap is een 
versneld vervolg van de evolutie 
I : waarnemen 
II: herkennen 
III:begrijpen 
IV:gebruiken
104 Evolutie van de wetenschap 
-Betere waarnemingen (instrumenten) 
-Beter inzicht 
-Betere match theorie-experiment 
-Be...
105 
voeding 
-Landbouw 
-Werktuigen 
-Kruisen 
-Genetische manipulatie 
-Ontwerpen? 
-…
106 
geneeskunde 
-Geneeskundige planten 
-Geneeskundige stoffen 
-Toevallig ontdekte geneesmiddelen 
-Begrijpen van de pr...
107 
Van onstekingskaars tot atoom 
2020 2010
108
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Lezing: Nano Technologie Prof. Emeritus. Dirk Van Dyck 21 oktober 2014

1,195 views

Published on

De term nanotechnologie is afgeleid van het Oudgriekse woord 'nanos', dat dwerg betekent. Een ‘nanometer’ is één miljardste deel van een meter of 50000 maal kleiner dan de diameter van een mensenhaar en ongeveer tienmaal groter dan de diameter van een atoom. Op die kleine schaal heersen andere wetmatigheden . Daardoor vertonen nanoscopische voorwerpen en materialen dikwijls merkwaardige eigenschappen die volledig afwijken van de macroscopische eigenschappen die we kennen. Het is een grote wetenschappelijke en technologische uitdaging om deze eigenschappen te benutten. Daarom worden technieken ontwikkeld om structuren of materialen van onderuit op te bouwen, met als ultieme doel de manipulatie van de individuele atomen en moleculen. Dit is het terrein van de nanotechnologie..
Op dit ogenblik zijn wetenschappers uit verschillende disciplines verwoed bezig om allerhande nanostructuren te fabriceren en te analyseren om nieuwe fenomenen te ontdekken en te bestuderen . Men inspireert zich daarbij op de natuur zelf, die een inspiratiebron is voor de nanotechnoloog. Zo assembleert een cel, uitgaande van eenvoudige basismoleculen heel complexe biologische nanostructuren zoals DNA moleculen en eiwitten en plaatst ze op perfecte wijze in mekaar. Verwacht wordt dat nanotechnologie een radicale omkering kan inluiden een sleuteltechnologie wordt voor de 21ste eeuw. De mogelijkheid om op nanoschaal bouwblokken te synthetiseren met precies gecontroleerde afmetingen en samenstelling en die samen te voegen tot grotere structuren met unieke eigenschappen en functies zal een revolutie veroorzaken in bepaalde segmenten van de materiaal producerende industrie. Daarom worden in de meeste landen de onderzoeksinspanningen opgevoerd.
Volgens sommigen zal nanotechnologie zelfs de biomedische en farmaceutische technologie van vandaag overtreffen wat betreft impact op de samenleving op alle gebieden, van duurzame producten tot militaire toepassingen. Veel materialen, elektronica, en medische toepassingen zullen binnen 20 jaar op de markt verschijnen.
Op de echt lange termijn zet nanotechnologie misschien zelfs onze ideeën over ‘leven’ op de helling en roept ze zelfs ethische bezwaren op.

Published in: Science
  • Be the first to comment

Lezing: Nano Technologie Prof. Emeritus. Dirk Van Dyck 21 oktober 2014

  1. 1. Nanotechnologie Zegen of vloek? Dirk Van Dyck. Universiteit Antwerpen
  2. 2. 2 6 miljoen transistoren in geïntegreerde schakeling (Pentium Pro processor) Afmeting één transistor ~ 1 μm 1 m 10 cm 1 cm 1 mm 0.1 mm 0.01 mm 1 μm 0.1 μm 0.01 μm 1 nm 0.1 nm hand zandkorrel haar rookdeeltje DNA atoom Zelf-geassembleerde “quantum dots” (lasers) Diameter van één stip ~ 50 nm Kwantumkraal met 46 ijzeratomen Diameter van kraal ~ 7 nm Hoe klein is nano? (nanos=dwerg)
  3. 3. 3 Van onstekingskaars tot atoom 3
  4. 4. 4 Galaxies - Telescopes Nanocrystals - Microscopees Stefan Hinderberger, NCEM 4 22 10 Sterren in het universum. 10 22 Atomen in een gram silicium
  5. 5. 5 Nano: een nieuwe wereld • Nieuwe eigenschappen • Nieuwe bouwstenen • Hogere efficientie • Opbouw van onderuit 5
  6. 6. 6 Wat is nanotechnologie ? • Ontwikkeling, samenvoegen en gebruik van materialen, componenten en systemen met gecontroleerde afmetingen op nanometerschaal • Nieuwe-of sterk verbeterde fysische, chemische, biologische eigenschappen die het gevolg zijn van hun nano afmeting. 6
  7. 7. 7 Opbouw van onderuit 7
  8. 8. 8 Nieuwe eigenschappen • Chemisch: oppervlakte/volume ratio • Fysisch: kwantummechanica • Optisch 8
  9. 9. 9 Nano eigenschappen I: Oppervlakte/Volume ratio http://www.youtube.com/watch?v=2NySRur62gg
  10. 10. 10 Verhoogde oppervlakte/volume ratio Gebruik?  KATALYSE Afzetting van deeltjes op een substraat Oxide substraat
  11. 11. 11 Nanodeeltjes als katalysatoren Zeer grote verhouding oppervlakte/volume 11
  12. 12. 12 Katalytische activiteit van goud nanoclusters Meest actieve grootte : 3-3.5 nm Science, 281 (1998) 1647
  13. 13. 13 Nieuwe trend : hybride materialen Nanodeeltjes in poreuze materialen katalytische activiteit en selectiviteit EMAT voorbeeld: nanodeeltjes (Au, Ru, Pd, Cu) in metaal organisch framework met extreem hoge katalytische activiteit
  14. 14. 14 Kwantummechanica -Elektronen zijn golven -Opsluiting: staande golven (cfr muziek) -Discrete energieniveaus -Vorm zeer belangrijk (confinement) -Drastisch verhoogde efficiëntie -Kwantumcomputers, fotosynthese… -Bewustzijn (Penrose)
  15. 15. 15 Kwantumstippen hebben een unieke elektronische struktuur 15 Energy levels Absorption Radiationless decay Fluorescence dna B Band gap noit cudnoC Valence Band Small Molecules Qdots Semiconductors
  16. 16. 16 Optische eigenschappen van kwantumstippen (kleur afhankelijk van het volume) 16 Quantum dots change color with size because additional energy is required to “confine” the semiconductor excitation to a smaller volume.
  17. 17. 17 Kwantumstip: spectrale barcode 17 Wavelength (nm) Wavelength ( nm ) Conventional barcodes - line thickness and spacing give code Qdot spectral codes - emission colors determine code. Can 'barcode' cells, beads, …
  18. 18. 18 Gebruik van kwantumstippen • Biolabels voor : flow cytometrie microarray analyse (gene chips) fluorescentie microscopie (cel analyse) • Fotofoltaïsche cellen 18
  19. 19. 19 Kwantumstip bio-probe 19 Core Nanocrystal Inorganic Shell Capping Group Organic coating Functionality Crosslinker and Biomolecule
  20. 20. 20 Labelling met kwantumstippen 20
  21. 21. Kwantum stippen in fotovoltaïsche cellen 21 A p-n junction is formed by placing p-type and n-type semiconductors next to one another. The p-type, with one less electron, attracts the surplus electron from the n-type to stabilize itself. Thus the electricity is displaced and generates a flow of electrons, otherwise known as electricity. When sunlight hits the semiconductor, an electron springs up and is attracted toward the n-type semiconductor. This causes more negatives in the n-type semiconductors and more positives in the p-type, thus generating a higher flow of electricity. This is the http://www.azonano.com/details.asp?ArticleID=2428 photovoltaic effect.
  22. 22. 22 Nano-optische eigenschappen oppervlakte plasmonen “Labors of the Months” (Norwich, England, ca. 1480). The rode kleur is te wijten aan kleine gouddeeltjes
  23. 23. 23 Kleurenspel in opaal 23
  24. 24. 24 Opaal bestaat uit identieke nanodeeltjes die het licht verstrooien 24
  25. 25. 25 Nieuwe bouwstenen 25 • Kwantumstippen • Nanobuisjes • Grafeen • Nanodraden • Nanodeeltjes • Nanomachines
  26. 26. 26 Nanobuisjes 26
  27. 27. 27 Een volledig eelleekkttrroonniisscchhee sscchhaakkeelliinngg mmeett nnaannoobbuuiissjjeess SWNT MWNT Pd Pd p-FET n-FET CMOS inverter
  28. 28. NNaannoo mmeecchhaann28iiccaa rreessoonnaattoorr
  29. 29. 30 Nanobuisjes als lagers in een nanomotor 30 Nanomechanika Treacy et al. Nature 1996 Gao, Wang et al. PRL 2000 Nanolagers Cumings, Zettl Science 2000 Piezo-manipulation inside TEM In-situ measurement of amplitude and resonance yields elastic constants. 300nm Nanomotor Fennimore et al. Nature 2003
  30. 30. 31 Nano = versneller: tijd tussen vinding en toepassing wordt steeds korter -GaN : leds -GMR : magnetische leeskoppen -Nanobuisjes : zeer veel toepassingen -Grafeen : schermen
  31. 31. 32 Nieuwe lichtbronnen 32
  32. 32. 33 Evolutie van de nanotechnologie • Multidisciplinair • Waarnemen en meten : nieuwe instrumenten • Begrijpen :wisselwerking theorie-experiment • Grote rekenkracht • Ontwerpen • Maken: van onderuit • Het atoom: de ultieme bouwsteen 33
  33. 33. 34 Bottom-up vs. top-down benadering 34 Schaalverkleining 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 1 mm 1 nm Micro-elektronica Scheikunde , Biologie, Fysica Nanotechnologie Schaalvergroting Hogere performantie Nieuwe functies
  34. 34. 35 Elektronenmicroscopie Beeld lokaal energiespectrum On core Off core 390 400 410 420 430 440 Energy Loss (eV) dislocatie 0.2 nm kern in GaN [0001] 35 STEM / HRTEM : gefocuseerde bundel Scanning coils preparaat HAADF detector Beeldfilter 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Counts (arb. unit) In staat om elk atoom af te beelden Spectroscopische informatie van één atoomkolom (energie resolutie ~ 50 meV) ref. N. Browning, C. Kisielowski
  35. 35. 36 Atomaire structuur in 3 dimensies 2D beelden van een zilver nanodeeltje in een aluminium matrix [101] [100] aantal zilveratomen per kolom verkregen uit 2 verschillende orientaties S. Van Aert, K.J. Batenburg, M.D. Rossell, R. Erni, G. Van Tendeloo. Nature 470 (2011) 374-377.
  36. 36. 37 37 Een nanolab in de elektronenmicroscoop
  37. 37. 38 Atomen tellen in 3 dimensies Discrete elektronentomografie S. Van Aert, K.J. Batenburg, M.D. Rossell, R. Erni, G. Van Tendeloo. Nature 470 (2011) 374-377.
  38. 38. 39 Begrijpen en voorspellen van eigenschappen x Experiment Theorie Cu Al Charge Density 39 y 20 pm Al Al, bistable Cu Posities van de atomen Welke atomen? Al, bistable Cu Berekende elektronische structuur J. Plitzko, G. Campbell (LLNL), G. Duscher (ORNL), C. Kisielowski (LBNL), 2002
  39. 39. 40 STM microscoop 40
  40. 40. 41 De ultieme limieten van Nano Hoever staan we? • Het atoom: bouwsteen (alfabet) van de materie • Het electron als kleinste schakeleenheid • Opbouw van onderuit atoom per atoom 41
  41. 41. 42 Opbouw atoom per atoom 42
  42. 42. 43 Kunnen we alles maken? In 2011 kan je (bijna) alles maken atoom per atoom... ... Maar het duurt wel één miljoen jaar om 1mm te maken aan een tempo van 1 miljoen atomen per seconde ...
  43. 43. 44 Eén-elektron transistor 44
  44. 44. 45 De natuur als inspiratiebron • Een leerproces van een miljard jaar • Componenten 1-100 nm • Gegenereerd met nanomachines (ribosoom) • Van onderuit hierarchisch opgebouwd • Zelf assemblerend, controlerend en robust 45
  45. 45. 46 Filogenetische stamboom van cytochroom: aantal nucleotiden. ( R. Knippers).
  46. 46. 47 Realization of nanomaterials with biologically inspired attributes self-healing, defecttolerant in hybrid organic-inorganic media.
  47. 47. 48 Toekomst van de nanotechnologie zegen of vloek? -Massaal (onzichtbaar) aanwezig. -Zegen? -Gevaren?
  48. 48. Nanotechnologie: massaal (onzichtbaar) aanwezig 49 1600 nanoproducten 24 landen Bron: Project on Emerging Nanotechnologies (USA)
  49. 49. 50 Men’s nano-dry shirts Jack Wolfskin (Duitsland) Nano-Care® Stressfree Khakis Gap (USA) Nano rain hat Pro-Idee GmbH (Duitsland)
  50. 50. 51 Nano auto verzegelingsset Air Shape best protect nanotechnology (Nederland) Nano-protex Textile anti-dirt Nanotec Pty Ltd (Australië) G-Glass rain repellent Green Earth Technologies (USA) Deletum 3000 Nano-silica Anti-graffiti paint Victor Castagno (Mexico)
  51. 51. 52 Tennisracket Nanocarbon NS Tour MP Babolat (Frankrijk) Wilson® Nanotube Performance Driver Wilson (USA) Wilson® Nanoparticle Performance Ball Wilson (USA)
  52. 52. 53 2010 Intel 32 nm CMOS Core Processor Intel (USA) Samsung 16 Gb 45 nm CMOS Flash Memory Samsung (Korea) iPOD nano 16 GB Apple (USA)
  53. 53. 54
  54. 54. 55 Zinclear nano-zinc oxide zonnecreme Advanced Nanotechnology Limited (Australië) Awake Nano Lotion White Kose Corporation (Japan) Gold Nanoparticle soaps Quan Zhou Hu Zheng Nano Technology Co (China)
  55. 55. 56 Nano-tex nanosilver socks Lexon Nanotech (USA) Nanbabies Personal wear Nanbabies (USA) SAMSUNG Silver Nano Mobile Phone SAMSUNG (KOREA)
  56. 56. 57 Nano TiO2 - UV Air Purifier Kind Home (Taiwan) Daewoo Nanosilver refrigerator Daewoo (Korea) Nano-silver Washing machine-sterilisator Samsung (Korea)
  57. 57. 58 Toekomst van de nanotechnologie zegen of vloek? -Massaal (onzichtbaar) aanwezig -Zegen? -Gevaren?
  58. 58. 59 NNAANNOO??
  59. 59. 60 Geneeskunde: doelgerichte geneesmiddelen 60
  60. 60. 61 Lab-on-a-chip Body sensors 61
  61. 61. 62 Energie problematiek : HELIOS project (VS) Natuurlijke fotosynthese Artificiele fotosynthese Substrate Efficient to sustain live Efficient to sustain fuel? •Earth abundant materials •Low cost (coal)
  62. 62. 63 Toekomst van de nanotechnologie zegen of vloek? -Massaal (onzichtbaar) aanwezig. -Zegen? -Gevaren?
  63. 63. 64 Example: Real and Perceptual Risk Profiles of Major Materials
  64. 64. Nanotechnologie Zegen of vloek? Dirk Van Dyck. Universiteit Antwerpen
  65. 65. 66 Toekomst van de nanotechnologie zegen of vloek? Zegen
  66. 66. Nadelige gezondheidsrisico’s: onvermijd6e7 lijk Sensibilisering van de onderzoekers Verplicht parallel onderzoek in onafhankelijke laboratoria (cfr Nederland). Aangepaste regelgeving Crimineel opzet: onvermijdelijk Aangepaste regelgeving Wakzaamheid en snelle reacties (cfr antrax, computervirussen, doping…)
  67. 67. 68 Onaangepaste maatschappelijke structuren en regels -De technologie loopt steeds voor op de maatschappelijke structuren en regels: bevolkingstoename, migratie, juridische en ethische aspecten,internet-democratie… -De maatschappelijke aanpassingen zullen onvermijdelijk volgen. -Is de maatschappij bestand tegen alle ontwikkelingen?
  68. 68. 69 Nanotechnologie in de middeleeuwen 69
  69. 69. 70 Welke materialen ? Transitie metalen met bijna gevulde d orbitalen (edelmetalen)
  70. 70. 71 Metal@MOF NPs>Pores NPs at surface Metal/MOF NPs=>Pores NPs in framework Framework broken Metal@MOF Particles=>Pores NPs in framework Framework broken Metal@MOF Volledige 3D characterisatiie van het metal@MOF Controle over deeltjesgroote en plaats
  71. 71. 72 Kennisketen van de End product: 72 • Automotive industry • Films • UV- protection • Displays • Processing: • Coatings • Emulsions •Dispersions • Plastics • Films • Synthesis: NANO-MATERIALS nanotechnologie Toegevoegde waarde van nanomaterialen Know-how: • Chemistry • Physics • Analytics • Materials Science • Biology • Computer Science
  72. 72. 73 Zilver nano driehoeken (EMAT)
  73. 73. 74 Atomen tellen in 3D
  74. 74. 75 Atomen: het alfabet van de materie It would be very easy to make an analysis of any complicated chemical substance; all one would have to do is to look at it and see where the atoms are… I put it as a challenge. Is there no way to make the electron microscope more powerful? (Richard Feynman: There is plenty of room at the bottom: an invitation to enter a new field of physics.) 75
  75. 75. 76 Klassen van nanomaterialen Bulk materiaal dunne film staaf deeltje 2D nanostructuur 1D nanostructuur Dimensie < 100 nm
  76. 76. 77
  77. 77. 78 Energy Related Research Carbon Cycle 2.0 http://www.lbl.gov/LBL-Programs/helios-serc/index.html
  78. 78. 79 The Energy Cycle Enrichment of CO2 Extraction of fuel Oil, gas, coal,.. Humans have broken the natural energy cycle All we need to do is repair it --- Helios
  79. 79. Payoff From Carbon-based Nanomaterials Separation Capabilities • High Performance Semiconducting FETs • Light Emitting, Aligned Semiconducting FETs • 80 GHz Semiconducting SWNT Thin Film FETs (Unaligned) • Transparent Conductors from Metallic SWNTs • Visibly Colored Translucent Metallic SWNT Films e b a d c f
  80. 80. Examples of Major Advances in the Last81 Decade Synthetic replacements as therapies in the context of HDL, a model example demonstrating that nanomaterials can mimic size, shape, and activity of biological analogs Natural high density lipoprotein (HDL) Synthetic HDL analog using nanomaterials Libby, P. Braunwald’sHeart Disease 8thed., 2008 Schaefer, E. and Asztalos, B. 2007 CurrOpinCardiol22:373-378. Singh, I. et al. 2007 J. Am. Med. Assoc. 298: 786-798.
  81. 81. 82 cyberinfrastructure “fingertip access to:” -simulations -data -research methods -educational resources -tools for collaboration >143,000 / year > 1994 Atom to Transistor (Datta 2005) www.nanoHUB.org
  82. 82. 83 Advanced Manufacturing It is important to develop tools and methods for integrating nanoscale patterning of soft materials with industry standards and practices. This work would be important for flexible electronics and highly sensitive gene chips. DNA and protein chips Flexible devices Molecular electronics Major Advances in the last Decade:
  83. 83. 84 Number of Consumer Products that include Nano-based components Source: Project on Emerging Nanotechnologies
  84. 84. Vision: Can Nanostructured Polymer – Based Solar Cells Provide a85 Scalable Route to Cheap PV? Hierarchical assembly – can we control molecular to nanoscale structure over large areas, in a scalable (roll-to-roll) manufacturing process? Trajectory 2000 Efficiency <1% Lifetime= ~ hours crazy to discuss as viable technology 2010 Efficiency ~8% (certified lab scale NREL) (enabled by new nano-materials, better control over nanoscale morphology) Lifetime = unknown: months-years? Industrial startups, Solarmer, 2020 Efficiency 10-15% Low cost production Lifetime= years+ Successful, transformative technology This will require combination of new materials, light harvesting, modeling, scalable manufacturing, barrier materials In a bulk heterojunction solar photovoltaic a nanostructured donor/acceptor interface is used to dissociate excitons while providing co-continuous transport paths Review by Malliaras and Friend
  85. 85. Example 2 Artificial P h o t o s y n t h e s i s / W a t e r Splitting – direct conversion and storage of solar 86 energy in fuel – Photosynthesis provides a blueprint for sustainable energy conversion and storage – But….is low efficiency and requires supporting architecture and multi-electron redox catalysts Gust - ACCTS OF CHEM RES, 2009 Semiconductor nanowires and their heterojunctions can have optimized light absorption, high charge mobility, efficient charge separation and collection, and reduced recombination – The n/n heterojunction is a promising structure for solar water splitting since the photovoltage at the junction can compensate for the lower energy level of the conduction band of the shell semiconductor Require dramatic improvements in efficiency and durability before they can be considered for practical application - Gust . Yang Group LBL/UCBerkeley N. Lewis Group, CalTech
  86. 86. Changes of Vision in the Last Decade 87 From Nano-Robots to Nano-Realities Fundamental research and diagnostic tools have been developed from nanoscale building blocks, some of which have been FDA cleared and approved. Nanomaterials face increased scrutiny due to their unknown interactions in the environment. www.etcgroup.org From Nano-Robots to Nano-Realities
  87. 87. 88 Nanoelectronics Most Visible Impact: Scaling Drives the Semiconductor Industry Smaller features -> Better performance & cost/function -> More apps -> Larger market Courtesy of R. Doering, Texas Instruments; Data from Semiconductor Industry Association, http://www.sia-online.org
  88. 88. 89 Nanoelectronics Impact on Society: To Continue the Benefits, Continue the Curve  Nanoelectronics plays a major role in tackling most of society’s challenges • High Performance Computing: behind every major scientific advance • Energy: low energy devices, sensors, “smart” appliances & energy grid • Bio / Health: in vivo sensors, health monitoring, drug delivery, drug discovery  Increased proliferation of mobile devices, sensors, and always-on connectivity will alter how we interact with each other and the planet • More remote interactions, workforce globalization, remote delivery of services • Continued focus on environmental & societal impact of embedded devices  Microelectronics was THE economic driver for the last half of the 20th century Nanoelectronics is poised to drive the first half of the 21s t Computations per second I E + 1 2 I E + 9 I E + 6 $1000 Buys V uum T Discrete Transistor Integrated Circuit anotechnology I E + 3 Mechanical IE+0 IE-3 I E - 5 Source: Kurzweil 1999 – Moravec 1998 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020
  89. 89. 90 Advances in the Past Decade: control of porosity at different length scales Pore Si ° ze A 100 80 20Å 60Å MCM-41 60 40 20 Zeolite Y 10 ZSM-5 5 Aromatics FCC 40Å 100Å Chemicals Gasoline Gasoil Resids
  90. 90. WORDWIDE NUMBER OF NANOTECHNOLOGY PATENT APPLICATIONS 91 T o t a l n u m b e r of n a n o t e c h n o lo g y a p p li c a ti o n s per y e a r Year All applications Non-overlapping 1991 224 224 2000 1,197 1,153 N u m b e r o f P a t e n t A p p l ic a t i o n s 1 9 9 1 1 9 9 2 1 9 9 3 1 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 2 0 0 7 2 0 0 8 1 4 , 0 0 0 1 2 , 0 0 0 1 0 , 0 0 0 8 , 0 0 0 2008 12,776 10,067 All a p p li c a t i o n s N o n - o v e r la p p i n g a p p li c a t i o n s 6 , 0 0 0 2000-2008 Worldwide annual growth rate = 34.5% 4 , 0 0 0 2 , 0 0 0 0 Y. Dang, et al., J. Nanoparticle Research, 2010 Y e a r
  91. 91. 92 WORLDWIDE MARKET INCORPORATING NANOTECNOLOGY (Estimation made in 2000 after international study in > 20 countries) Reference: Roco and Bainbridge, Springer, 2001 MC Roco, Sept 30 2010
  92. 92. 93 Penetration of nanotechnology in industry Ex 1: in semiconductors 2000 - 0% ; 2010 - 30% (< 100nm $120B) ; 2020 – 100% Commercial and Defense Impact Multi-Industry Use Shielding Lightweight Shielded Wires Cables Satellites Aircraft TAPES ROLLS Ribbon Cables Conductive Sheets Hi-Strength Sheets Coax Pre-Preg Heaters Deicers Thermal Spreaders Anode/Cathode Thermoelectrics EMI /EMP Shields Ground Plane Armor Composites Data Centers High Performance Batteries Waste Heat Power Thermovoltaics Consumer Electronics First Responders Wind Energy Systems Ground Transportation Ex 2: Expanded CNT sheet production with broad impact Courtesy Rick Rigley
  93. 93. 94 94 Met dank aan • Sara Bals (Antwerpen) • Stuart Turner (Antwerpen) • Sara Van Aert (Antwerpen) • Yvan Bruynseraede (Leuven) • Marc Van Rossum (IMEC) • Christian Kisielowski (Berkeley) • Zhong Lin Wang (Georgiatech) • Franz-Jozef Balk (Wuppertal) • VIB
  94. 94. 95 95 Inhoud • De versnellende evolutie • Nano: een nieuwe wereld • Een eindpunt ? • Een blik op de toekomst • Zegen of vloek?
  95. 95. 96 Ray Kurzweil: The singularty is near. When humans transcend biology( Barnes Ray a Kndu rNzowbeliel :2 T00h7e) s ingularty is near. When humans transcend biology( Barnes and Noble 2007)
  96. 96. 97 Versnellende factoren in de evolutie • Succesvolle bouwstenen (atomen, moleculen , peptiden, aminozuren, proteïnen, cellen…) • DNA , ribosoom… • Ontwikkeling van de hersenen van de mens • Moderne wetenschap • Communicatie 97
  97. 97. 98
  98. 98. 99 De wet van Moore 99
  99. 99. 100 Oorzaak van de rechte van Moore ? • Ontwikkeling van nieuwe technologie steunt op de performantie van de vorige technologie • Terugkoppeling leidt tot een exponentiele groei • Rechte op de logaritmische schaal • Roadmap van de computer industrie: selffulfilling profecy • Noot: wij denken lineair (hic et nunc) 100
  100. 100. 101
  101. 101. 102 Evolutie volgt ook een rechte van Moore complexiteit tijd Atomen , moleculen ,peptiden, aminozuren ,proteinen, DNA , eencelligen , meercelligen , dieren , mens , computer ?
  102. 102. 103 Wetenschap is een versneld vervolg van de evolutie I : waarnemen II: herkennen III:begrijpen IV:gebruiken
  103. 103. 104 Evolutie van de wetenschap -Betere waarnemingen (instrumenten) -Beter inzicht -Betere match theorie-experiment -Betere efficientie -Steeds kleinere schaal
  104. 104. 105 voeding -Landbouw -Werktuigen -Kruisen -Genetische manipulatie -Ontwerpen? -…
  105. 105. 106 geneeskunde -Geneeskundige planten -Geneeskundige stoffen -Toevallig ontdekte geneesmiddelen -Begrijpen van de processen -Genetische factoren -Drug design -...
  106. 106. 107 Van onstekingskaars tot atoom 2020 2010
  107. 107. 108

×