1

Nanotechnonologia: nadzieje i niebezpieczeństwaJacek A. Majewski

Wydział FizykiInstytut Fizyki TeoretycznejUniwersytet Warszawski

26 listopada, 2009

www.fuw.edu.pl

Fizyka we współczesnym świecie

Podstawy fizyki współczesnej Nanotechnologiapowszechnie uważana za najważnie wyzwanietechnologiczne dzisiejszych czasów

Materiały i urządzenia w skali nano

dają nadzieję na inowacyjne rozwiązaniaw wielu dziedzinach ludzkiej aktywności

zdrowie

elektronika (technologie informacyjne)

transport

środowisko

bezpieczeństwo narodowe

Nanotechnologia w życiu codziennym

PonadPonadPonadPonad 300 300 300 300 produktproduktproduktproduktóóóówwww

Nanotechnologia koncentruje się

na projektowaniu i wytwarzaniu

funkcjonalnych materiałów,

struktur,

urządzeń i układów,

poprzez bezpośrednią kontrolę materii

na poziomie nano-skali,

jak również na praktycznym wykorzystaniu nowychzjawisk i własności zachodzących w nano-skali.

Nanotechnologia – co to jest ?

http://en.wikipedia.org/wiki/Nanotechnology

Nanotechnologiazawiera wiele technik używanych do

wytwarzania struktur na skali poniżej 100 nm, …

2

interdysciplinarna dziedzina nauki poświęconabadaniom zjawisk zachodzących w skali nano, które znajdują zastosowanie w nanotechnologii.

To jest świat

atomów,

molekuł & makromolekuł,

kropek i drutów kwantowych,

makromolekularnych agregatów.

Ten świat jest zdominowany przez efekty

kwantowo-mechaniczne, gdzie efekty makroskopowe

(takie, jak inercja) nie odgrywają praktycznie żadnej

roli.

Nanonauka Nanotechnologia jest multidyscyplinarna

Nanotechnologia

Fizyka

Chemia

Elektronika

BiologiaTechnologieInformacyjne Nauka o

Materiałach

InżynieriaMechaniczna

A picture of nanofibrils shown with a human hair for reference (Espin Technologies, Inc.)IMAGE SOURCE: http://www.sigmaaldrich.com/Area_of_Interest/Chemistry/Materials_Science/Nanomaterials/Tutorial/Nanotechnology.html

Co znaczy nano?

1 nm = 10-9 m

nanodrutynanodrutynanodrutynanodruty

włos ludzkiśrednica: 10000-80000 nm

Skale długości

3

High energy

Physics

< 10-19 m

Astrophysics

> 105 m

Geophysics

~ 101 m

Solid State

Physics

~10-3 m

Atomic Physics

~10-11 m

Nuclear Physics

~10-15 m

NanoscienceMesoscopic Physics

Molecular Biology~10-7

Skale długości w fizyce

Krótka historiananotechnologii

St. Thomas- Canterbury Cathedral

Kolor czerwony:kwantowanie plazmonów

w mikrokulkach złota

Bitwa pod Legnicą 1241 r.

Pierwsze użycie prochu w Europie

Nanomateriały w średniowieczu Krótka historia nanotechnologii

Demokryt w starożytnej Grecji, koncepcja atomu

Richard P. Feynman, 1959, speech at Caltech

There’s Plenty of Room at the Bottom

Zasugerował, że powinno stać się w przyszłości możliwebezpośrednie manipulowanie pojedyńczymi atomami imolekułami

Wspomniał też o problemach skalowania. Gdy wymiarystają się mniejsze, zmienia się względna siła różnych sił,

Grawitacja staje się mniej ważna,

Napięcie powierzchniowe staje się bardziej ważne,

Siły przyciągające Van der Waals stają się bardziej

ważne, etc.

4

Richard P. Feynman

Born, May 11, 1918, Queens, New YorkDied, February 15, 1988, LA, California

Nobel Prize in Physics 1965: Theory ofQuantum Electrodynamics

Krótka historia nanotechnologii

Wyzwania Feynmana (nagroda 1000$ każde)

Zbudować motor o objętości 1/64 sześciennego cala~ 0.26 cm3

– zbudowany w 1960 przez zdolnego rzemieślnika

– do dzisiaj wystawiany w Caltech

Encyklopedia Britannica na główce szpilki !!!

Zapisać informację zawartą na typowej stronie książkina powierzchni 1/25000 mniejszej w skali liniowej

– czyli na powierzchni ~(10 µm)2

– zrealizowano w 1985 przez Tom’a Newman’a, studenta z Uniwersytetu w Stanfordzie

– użyto metodę litografii elektronowej

1st Feynman’s Challenge

motormotormotormotor

Główkaszpilki

Richard Feynman ogląda mikromotorpod mikroskopem

William Mclellan

Foresight Challenges

Foresight/Feynman $250 000 prize

100 nm arm nano-robot

50 nm3 8-bit adder

You may still win a prize !You may still win a prize !You may still win a prize !You may still win a prize !

Not a viper but that which adds

5

Norio Taniguchi, Tokyo University, 1974Wprowadził termin Nanotechnologia

K. Eric Drexler, dwie książki1986: Engines of Creation: The Coming Era

of Nanotechnology, Nowa technologia będzie w stanie manipulować w kontrolowany sposób pojedyńczymi atomami

1992: Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and ComputationIdea, że nano-maszyny mogłyby się same reprodukować

Bill Clinton, wystąpienie, Caltech, 2000National Nanotechnology Initiative, od 2000

http://www.nano.gov

Krótka historia nanotechnologii

Siły napędzające nanotechnologię ?

Dalszy rozwójtechnologii informacyjnych

Rewolucja informatyczna

Wykładniczy wzrosttechnologii informatycznych

Przetwarzana, zapamiętywana, i transmitowanagęstość informacji (liczba bitów na jednostkę pow.)rośnie wykładniczo.

Ten szybki wzrost powoduje zmiany cywilizacyjne

wpływa silnie na światową gospodarkęokreśla sposób w jaki pracujemy, bawimy się, etc.

Moore’s Law

Rozwój technologii obwodów scalonych

Pierwsze obwody scalone Texas Instruments

Procesor Pentium

Wielkość chipu prawiebez zmian

kilka tranzystorów

Kilka milionów tranzystorów

MINIATURYZACJA!!!

Jack Jack Jack Jack KilbyKilbyKilbyKilby

½ Nagrody Nobla

z Fizyki w 2000 r.

6

Wykładniczy postęp w integracji

LiczbaLiczbaLiczbaLiczba tranzystortranzystortranzystortranzystoróóóówwww w w w w procesorzeprocesorzeprocesorzeprocesorzepodwajapodwajapodwajapodwaja sisisisię co ~2 co ~2 co ~2 co ~2 latalatalatalata

PRAWO MOORE’a

Cena tranzystora 10-7 $

Liczba sprzedanych tranzystorów w r. 2002 -- 1018

Przeciętna cena tranzystora

Technologia CMOS osiąga skalę nano Nanotechnologia krzemowa

Obecnie produkowany procesor Intel’a w technologii 90 nm

Influenza virus

Dłudość bramki ~ 2000 x mniejsza od średnicy ludzkiego włosa

Grubość tlenku po bramką ~1.2 nm (5 atomowych warstw Si)

7

Nanotechnologia ma już obecnieduże znaczenie w dziedzinieelektroniki, gdzie utrzymuje się trend w kierunku miniaturyzacji

Nanoelektronika

to już nie jest tylko przemysł,

ale ekonomiczne i kulturowe zjawisko,

zasadnicza siła w sercunowoczesnego świata

Gordon Moore o przemyśle półprzewodników:

Czy uda się utrzymać wykładniczycharakter wzrostu?

Prawo Moore’ato już piątyparadygmatdotyczącymaszynliczących

Nowatechnologiazastąpi CMOS

Lic

zba

op

era

cji

na s

ekundę

za1000 $

Manipulowanie obiektami nano

Pojedyńcze molekuły

Pojedyńcze atomy

Pojedyńcze elektrony

nanorurkiwęglowe

48 atomów Fe

2DEG –AlGaAs/GaAs

Berkeley U.

IBM

TU Delf

8

S. E. Thompson & S. Parthasarathy, materialstoday, June 2006

Si technology industry time line: possible time frame for new device types

What lies What lies What lies What lies beyond?beyond?beyond?beyond?

Ge, III-Vchannelmaterials

Carbonnanotubes

Quantum

Electronic

Device

Single ElectronTransistor

QEDSET

spintronics

Nanorurki węglowe (carbon nanotubes - CNTs)

S. Iijima, Nature 354, 56 (1991)

Czy uda się utrzymać wykładniczycharakter wzrostu?

Nanorurki węglowe podstawą przyszłychtechnologii informacyjnych ?

Delft, Tans, et al., Nature 393 (1998)

Harvard, Javel et al., Nano Letters 393 (1998)

Parametry tranzystorów lepsze od 2D FETsstosowanych w obecnych procesorachopartych o technologię CMOS

Nanorurki dla układów elektromechanicznych

Deepak Srivastava

9

Nanotechnologia – nanorurki węglowe

Deepak Srivastava

Nanomechanika

CNT- polymer composite

Gazeta Wyborcza,listopad 2006

Niezniszczalną stal wzmacnia nanorurka

Nature 444, 444, 444, 444, Nov 2006

Remnants of cementite nanowires encapsulated

by carbonnanotubes, which prevent the wires

from dissolving in acid. Scale bar, 5 nm. The

fringe spacing of the wire is 0.635 nm

Systemy biologicznea nanotechnologia

InterdyscyplinarnyInterdyscyplinarnyInterdyscyplinarnyInterdyscyplinarny charaktercharaktercharaktercharakter nanotechnologiinanotechnologiinanotechnologiinanotechnologii

Biologia, nanobiologia, fizyka

Coraz częściej biologia stawia ilościowe pytania

jest to np. niezbędne jeżeli chcemy mieć możliwośćregulacji komórki

Nauki fizyczne dostarczająnarzędzi i strategii dokładnych pomiarówtechnik (modele) zrozumienia procesów

Nanobiologia jest łącznikiem pomiędzy biologią a fizyką

Biologia oferuje naukom fizycznym

fascynujące problemy,złożone systemybogactwo materiałów i kształtów

Zastosowanie użytecznych funkcji biologicznych do ICT

10

Motor Protein – A Biological Nanosystemin Nature

http://www.cnr.berkeley.edu/~goster/oster

Current experimental techniques allow measurements of biochemical and

mechanical properties

of motor proteins with single-molecule precision

Fundamental question:

how the chemical energy is transformed into mechanical motion

remains still unanswered

Molecular-scale communication inspired by protein motor function

Kazuhiro Oiwa, Ferdinand Peper,Kansai Advanced Research Center,

National Institute of Information and Communications Technology

Nanometer-scale communication network

based upon functions of protein motors

Protein motors provide directional transport of information

Nano-therapeutics

Devices should be non-invasive

Devices target therapeutics payloads to site of disease.

Devices should maximize therapeutic benefit and minimize

undesired side effect

Nanobodies

nanobodiescould deliver radioactive payloads

nanobodiescould descent on cancerous cell

nanobodiescould attach, preventing pro-growthsignals

cell’s receptor

cancerous cell

Biotex company Ablynx (Belgium) – research phase

11

Nanotechnologia w terapii nowotworów

Nanocząsteczki tlenku żelaza posiadająmoment magnetyczny,

Wstrzykiwane bezpośrednio w tkankęnowotworową

Obszar nowotworu poddany działaniusilnego pola magnetycznego

Cząsteczki wibrują i wytwarzają ciepło, które niszczy chorą tkankę

W Niemczech przeprowadza się aktualniepróby na ludziach

Biological molecule must retain functions

Nano-therapeutics -- Implants

Obesity – help with nanoparticles ?

Tim GilbertsonUtah State University in Logan

There are fat receptors in stomach

Nanoparticlesinfiltrate into receptorsand ‘cheat’ them

Receptors send a signal to the brain‘enough fat’

Przyszłośćnatotechnologii: technologie

o atomowej

dokładności

12

Zasadnicze zadanie nanotechnologii: wytwarzanie układów i nanomateriałów

z atomową precyzją

Atomically precise technologies (APT) –technologie o atomowej dokładności mają potencjał� sprostać największym globalnym wyzwaniom,� przynosząc rewolucję w nauce, medycynie, przemyśle

APT – zasadniczy front badań naukowych

jak zwiększyć liczbę układów wytwarzanychz atomową dokładnością

Mapa drogowa ((((nananana okresokresokresokres 30 lat)30 lat)30 lat)30 lat)

29.01.200829.01.200829.01.200829.01.2008

http://foresight.org/

Produktytechnologii o atomowej dokładności (APT)

• Precyzyjne leki przeciw nowotworom

• Efektywne ogniwa fotowoltaiczne

• Efektywne ogniwa o dużej mocy

• Czujniki substancji chemicznych i biologicznych

• Pamięci komputerowe o bardzo dużej pojemności

• Układy komputerowe w molekularnej skali

• Selektywne katalizatory

• Wyświetlacze i układy optyczne

• Materiały o niezwykłych własnościach (‘smart’ materials)

• Nanoukłady do technologii o atomowej dokładności

Atomic Fabrication Technology

http://www.upst.eng.osaka-u.ac.jp/21coe/english/atom/index.html

Idealnie gładka powierzchnia

13

Obliczenia numeryczneoparte o mechanikękwantową dostarczajązrozumienia mechanizmureakcji chemicznej i pozwalają na projektowanieefektywnych procesów

Istotna rolamodelowania

Aktualny stantechnologii o atomowej dokładności

Niezbyt zaawansowany w stosunku do zamierzeńmapy drogowej dla technologii APT,

Niemniej, liczne przykłady wytwarzania struktur z atomową precyzją

Podłoże

Epitaksjalny wzrost struktur warstwowych

Nichia, Japan

Struktura niebieskiego laserazawiera ok. 400 warstw

Warstwa 1

Warstwa 2

Warstwa 3

Warstwa 4

14

5500 Series Atmospheric Pressure CVD Systems MBE (Molecular Beam Epitaxy) - machine

Techniki skaningowe

Schematyczna zasada działania mikroskopu skaningowego

Powierzchnia

Miernik

Oddziaływanie Sygnał

Oddzialywanie może byćnaturyelektrycznej, magnetycznej, mechanicznej, etc. i daje mierzony sygnał:prąd tunelowania, siłę, etc.

“obraz powierzchni”

Scanning Probe Microscopy Techniques

The development of scanning probe microscopes started in 1981 with

the invention of the Scanning Tunneling Microscope

GerdGerdGerdGerd BinningBinningBinningBinning

Nobel Prize1986

Heinrich RohrerHeinrich RohrerHeinrich RohrerHeinrich Rohrer IBM’s Zurich

Research Laboratory

Proposal of Atomic Force Microscope

G. Binning, C. F. Quate, and Ch. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56, 930 (1986).

First experiments: G. Binning, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel,Phys. Rev. Lett. 49, 57

(1982)

15

The Nanosurf® easyScan STM

Skaningowy mikroskop tunelowySTM pozwala na manipulacjęposzczególnych atomów

Atomy żelaza na powierzchni miedzi

http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/blue.html

Techniki skaningowemają duże znaczenie dla rozwoju

technologii o atomowej dokładności

• Kropki kwantowe

• Manipulacja molekuł (np. CNT)

• Łączenie nanoukładów z obiektami makroskopowymi(np. CNT do elektrod)

Mechaniczna manipulacja atomamiw celu budowy większych aglomeratów

Practicable

Nanotechnology Research Initiatives

16

Wydatki na nanotechnologie

Brak inwestycji w naukęto inwestycja w ignorancję

Festiwal Nauki 2002

Czy nanotechnologiastanowi zagrożenie?

Czy nanocząstki staną się problemem ?

Pomimo wielkich nadziei związanych z nanotechnologiąmnożą się też obawy o potencjalne ‘side effects’

Nanocząstki o strukturach i powierzchniachnie spotykanych w naturze

Największe obawy –wnikanie nanocząstek do organizmu człowieka

Brak regulacji prawnych

Społeczna akceptacja technologii

• technologie akceptowalne: np. samochody6 tys/rocznie ofiar wypadków w Polsce; większa liczba ofiar spalin

technologie nieakceptowalne: np. energia jądrowaGMO

17

Przyczyny nieakceptowania technologiiuznanych za bezpieczne przez ekspertów

• brak bezpośredniej przyjemności• brak bezpośrednich korzyści• podejrzewanie istnienia grup interesu• podejrzewanie utajniania/niezbadania możliwych skutków• zagrożenie o charakterze katastrofy• powolna kumulacja zagrożenia dla zdrowia/życia/mienia • zagrożenie dla prywatności• nieznajomość/niezrozumienie• brak osobistej kontroli/niekontrolowana ekspozycja• istnienie technologii alternatywnych• łatwiejsza mobilizacja opinii społecznej przeciw niż za• …

Obawy związane z nanotechnologią

1. „Niezwiązane” nanomateriały – nanocząstki-- zastosowania: kataliza, medycyna, energia-- zagrożenia typu DDT, azbestu, …

2. „Związane” nanomateriały – w układzie scalonym-- zastosowania: ICT-- zagrożenia ICT

-- rozpowszechnianie terroryzmu, pornografii, .. -- zagrożenie prywatności (wszechobecność)-- zagrożenie zdrowia/życia (katastroficzne)

zdalna scentralizowana kontrola pojazdów i zdrowia• -- …

Dwa działy nanotechnologiio różnych zastosowaniach i potencjalnych zagrożeniach (nierozróżnialne przez niefachowców)

Przykłady aktywności anty-nanotechDemonstracja uliczna w Grenobleprzeciwko otwarciu MINATEC (1 lipca 2006)

„„„„nanotechnologia = nekrologia

– przeciw nanoproszkom i nanorobotom”

18

The GMO-Nanotech (Dis)Analogy?

Dyskusja o socjalnych i etycznychimplikacjach nanotechnologii

Bardzo często dyskusja toczona w kontekście

Środowiska naukowe i przemysłowe zaangażowane w nanotechnologię muszą otwarcie dyskutowaćsocjalny i etyczny (SEI = social & ethical issue) aspekt nanotechnologii.

Wymaga to zaangażowania opinii publicznej orazbadań naukowych nad SEI.

W przeciwnym wypadku ryzykują kosztownąreakcję przeciw nanotechnologii.

Nanotechnologiapodstawą

gospodarkiopartej na wiedzy

Świetna sytuacja dla naukiduży rynek na badania naukowe

Poszukiwanie nowych nanotechnologii

Czy polskie instytucje naukowe mogą na tym skorzystać?

ale, potrzebnewyraźne określenie priorytetów badawczych, startowa pomoc finansowa

Czy “Polska Fizyka” może odegraćrolę w światowym wyścigu ?

Wydatki niektórych krajów EU na badania naukowe (R&D) w % produktu krajowego brutto

Szw

ecja

Fin

lan

dia

Nie

mcy

Śre

dn

iaE

U-2

7

Po

lsk

a

Bu

łgari

a

Ru

mu

nia

3.8

6

3.4

3

1111 2222 3333 23232323 25252525 27272727

2.5

1

1.8

4

0.5

7

0.5

0

0.3

9

7777

19

Świetna sytuacja dla naukiduży rynek na badania naukowe

Poszukiwanie nowych nanotechnologii

Czy polskie instytucje naukowe mogą na tym skorzystać?

ale, potrzebnewyraźne określenie priorytetów badawczych, startowa pomoc finansowa

Czy polska gospodarka może skorzystać z tej szansy?

brak programów powstawania inowacyjnych firm

brak pro-technologicznego nastawienie elit naukowych

brak pro-rozwojowej polityki

Made in Poland

Oprócz badań czysto poznawczych, konieczne jest

tworzenie nowych kierunków badańbędących podstawą nowoczesnych technologii oraz

kształcenie specjalistów w tych dziedzinach

Rola Uniwersytetu

Od r. 2009/2010 dwa nowe kierunkina Wydziale Fizyki UW

ZastosowanieZastosowanieZastosowanieZastosowanie fizykifizykifizykifizyki w w w w biologiibiologiibiologiibiologii i i i i medycyniemedycyniemedycyniemedycynie

InInInInżynieriaynieriaynieriaynieria nanostrukturnanostrukturnanostrukturnanostruktur

Programy wspomagające

Gospodarka oparta na wiedzy - gwarantem dalszegorozwoju społeczeństw

Przechodzenie od ery społeczeństwa przemysłowego do społeczeństwa realizującego gospodarkę opartą na wiedzywymaga zwiekszęnia liczby specjalistów w dziedzinachnauk matematyczno-przyrodniczych i technicznych

Program Unii Europejskiej

KAPITAŁ LUDZKI

Nowe kierunki studiów i programy POKL

na Wydziale Fizyki UW

Zastosowanie fizyki w biologii i medycynie

Fizyka - kształcenie dla wiedzy(kierunek zamawiany)

Makrokierunek

20

Dziękuję za uwagę!