1.
Nanotechnologie
Zegen of vloek?
Dirk Van Dyck.
Universiteit Antwerpen

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
Van onstekingskaars tot atoom
3

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
Nano: een nieuwe wereld
• Nieuwe eigenschappen
• Nieuwe bouwstenen
• Hogere efficientie
• Opbouw van onderuit
5

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
Opbouw van onderuit
7

8.
8
Nieuwe eigenschappen
• Chemisch: oppervlakte/volume ratio
• Fysisch: kwantummechanica
• Optisch
8

9.
9
Nano eigenschappen
I: Oppervlakte/Volume ratio
http://www.youtube.com/watch?v=2NySRur62gg

10.
10
Verhoogde oppervlakte/volume ratio
Gebruik?  KATALYSE
Afzetting van deeltjes op een substraat
Oxide substraat

11.
11
Nanodeeltjes als katalysatoren
Zeer grote verhouding oppervlakte/volume
11

12.
12
Katalytische activiteit van goud nanoclusters
Meest actieve grootte : 3-3.5 nm
Science, 281 (1998) 1647

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
Kwantummechanica
-Elektronen zijn golven
-Opsluiting: staande golven (cfr muziek)
-Discrete energieniveaus
-Vorm zeer belangrijk (confinement)
-Drastisch verhoogde efficiëntie
-Kwantumcomputers, fotosynthese…
-Bewustzijn (Penrose)

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
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
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
Gebruik van kwantumstippen
• Biolabels voor : flow cytometrie
microarray analyse (gene chips)
fluorescentie microscopie (cel
analyse)
• Fotofoltaïsche cellen
18

19.
19
Kwantumstip bio-probe
19
Core Nanocrystal
Inorganic Shell
Capping Group
Organic coating
Functionality
Crosslinker and
Biomolecule

20.
20
Labelling met kwantumstippen
20

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
Nano-optische eigenschappen
oppervlakte plasmonen
“Labors of the Months” (Norwich,
England, ca. 1480).
The rode kleur is te wijten aan
kleine gouddeeltjes

23.
23
Kleurenspel in opaal
23

24.
24
Opaal bestaat uit identieke
nanodeeltjes die het licht verstrooien
24

25.
25
Nieuwe bouwstenen
25
• Kwantumstippen
• Nanobuisjes
• Grafeen
• Nanodraden
• Nanodeeltjes
• Nanomachines

26.
26
Nanobuisjes
26

27.
27
Een volledig eelleekkttrroonniisscchhee sscchhaakkeelliinngg
mmeett nnaannoobbuuiissjjeess
SWNT
MWNT
Pd
Pd
p-FET n-FET
CMOS
inverter

28.
NNaannoo mmeecchhaann28iiccaa
rreessoonnaattoorr

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.
31
Nano = versneller: tijd tussen vinding
en toepassing wordt steeds korter
-GaN : leds
-GMR : magnetische leeskoppen
-Nanobuisjes : zeer veel toepassingen
-Grafeen : schermen

31.
32
Nieuwe lichtbronnen
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.
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.
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.
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.
37
37
Een nanolab in de elektronenmicroscoop

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.
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.
40
STM microscoop
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.
42
Opbouw atoom per atoom
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.
44
Eén-elektron transistor
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.
46
Filogenetische stamboom van cytochroom: aantal nucleotiden. ( R. Knippers).

46.
47
Realization of nanomaterials with biologically inspired
attributes self-healing, defecttolerant in hybrid organic-inorganic
media.

47.
48
Toekomst van de nanotechnologie
zegen of vloek?
-Massaal (onzichtbaar) aanwezig.
-Zegen?
-Gevaren?

48.
Nanotechnologie: massaal (onzichtbaar) aanwezig
49
1600 nanoproducten
24 landen
Bron: Project on Emerging Nanotechnologies (USA)

49.
50
Men’s nano-dry shirts
Jack Wolfskin (Duitsland)
Nano-Care® Stressfree Khakis
Gap (USA)
Nano rain hat
Pro-Idee GmbH (Duitsland)

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.
52
Tennisracket Nanocarbon NS Tour MP
Babolat (Frankrijk)
Wilson® Nanotube Performance Driver
Wilson (USA)
Wilson® Nanoparticle Performance Ball
Wilson (USA)

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.
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.
56
Nano-tex nanosilver socks
Lexon Nanotech (USA)
Nanbabies Personal wear
Nanbabies (USA)
SAMSUNG Silver Nano Mobile Phone
SAMSUNG (KOREA)

56.
57
Nano TiO2 - UV Air Purifier
Kind Home (Taiwan)
Daewoo Nanosilver
refrigerator
Daewoo (Korea)
Nano-silver Washing machine-sterilisator
Samsung (Korea)

57.
58
Toekomst van de nanotechnologie
zegen of vloek?
-Massaal (onzichtbaar) aanwezig
-Zegen?
-Gevaren?

58.
59
NNAANNOO??

59.
60
Geneeskunde: doelgerichte
geneesmiddelen
60

60.
61
Lab-on-a-chip
Body sensors
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.
63
Toekomst van de nanotechnologie
zegen of vloek?
-Massaal (onzichtbaar) aanwezig.
-Zegen?
-Gevaren?

63.
64
Example: Real and Perceptual Risk Profiles of Major Materials

64.
Nanotechnologie
Zegen of vloek?
Dirk Van Dyck.
Universiteit Antwerpen

65.
66
Toekomst van de nanotechnologie
zegen of vloek?
Zegen

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.
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.
69
Nanotechnologie in de
middeleeuwen
69

69.
70
Welke materialen ?
Transitie metalen met bijna gevulde d orbitalen (edelmetalen)

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.
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.
73
Zilver nano driehoeken (EMAT)

73.
74
Atomen tellen in 3D

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.
76
Klassen van nanomaterialen
Bulk materiaal dunne film staaf deeltje
2D nanostructuur
1D nanostructuur
Dimensie < 100 nm

76.
77

77.
78
Energy Related Research
Carbon Cycle 2.0
http://www.lbl.gov/LBL-Programs/helios-serc/index.html

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.
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.
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.
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.
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.
84 Number of Consumer Products that
include Nano-based components
Source: Project on Emerging Nanotechnologies

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
95
95
Inhoud
• De versnellende evolutie
• Nano: een nieuwe wereld
• Een eindpunt ?
• Een blik op de toekomst
• Zegen of vloek?

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.
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.
98

98.
99
De wet van Moore
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.
101

101.
102
Evolutie volgt ook een rechte van Moore
complexiteit
tijd
Atomen , moleculen ,peptiden, aminozuren ,proteinen, DNA , eencelligen , meercelligen , dieren , mens ,
computer ?

102.
103
Wetenschap is een
versneld vervolg van de evolutie
I : waarnemen
II: herkennen
III:begrijpen
IV:gebruiken

103.
104 Evolutie van de wetenschap
-Betere waarnemingen (instrumenten)
-Beter inzicht
-Betere match theorie-experiment
-Betere efficientie
-Steeds kleinere schaal

104.
105
voeding
-Landbouw
-Werktuigen
-Kruisen
-Genetische manipulatie
-Ontwerpen?
-…

105.
106
geneeskunde
-Geneeskundige planten
-Geneeskundige stoffen
-Toevallig ontdekte geneesmiddelen
-Begrijpen van de processen
-Genetische factoren
-Drug design
-...

106.
107
Van onstekingskaars tot atoom
2020 2010

107.
108