Nanoteknik vad är det? Trender, exempel, möjligheter, risker. Bengt Kasemo Teknisk Fysik Chalmers

Transkript

1 Nanoteknik vad är det? Trender, exempel, möjligheter, risker Bengt Kasemo Teknisk Fysik Chalmers

2 Nanoteknik att medvetet och kontrollerat skapa funktionella strukturer och system med byggstenar i intervallet 1-100nm Royal Society och Royal Academy of Engineering i England 2004

3 Nanoteknik karakteristika Möjliggörande (enabling) teknologi utpräglat disciplinöverskridande Integreras/byggs in i annan existerande teknik; material, IT, medicin, energy, Kommer att dyka upp inom alla teknik-/samhällsområden Evolutionär (jfr Clinton) - Teknologin utvecklas från enkel teknik idag (bl.a. konsumentprodukter) till komplex teknik och system morgon -> olika generationer av nanoteknik

4 Hur stor är en nanometer - Nanoteknik och längdskalan

5 Atomer, små molekyler Hur stor är en nanometer - Nanoteknik och längdskalan Cell membran, sotpartiklarvissa kosmetikpartiklar Cellkärna, organeller DNA chip Hårstrå 1 nm 100 nm 10 µm Makrovärlden 0.1 nm 10 nm 1000 nm 1µm tals av t.o.m. de största Cells, Bacteria nanostrukturerna Största proteinerna, minsta transistorn 100 µm = 0.1 mm får plats på ett hårstrås tvärsnittsyta! Hämoglobin, stora molekyler 10 mm Praktisk upplösning hos avancerade elektronmikroskopier = 1 atom B Kasemo Upplösningsgräns för optiskt mikroskop Ögats upplösning

6 Historiska milstenar There is plenty of room at the bottom : Nobelpristagaren Richard Feynman: CalTech 1959 Transistorn 1947 (Nobelpris 1956 Shockley, Bardeen, Brattain). Lade grunden till -> Integrerade kretsar (IC): Slutet 1950-talet: Avgörande för mirkoelektroniken. (Nobelpris 2000; Jack Kilby, Texas Instrument) Moore s lag tillväxt med kapacitetsfördubbling inom IT på månader (Gordon Moore, INTEL) genom att göra transistorer och andra komponenter mindre och mindre

7 Historiska milstenar, forts. IC/IT utvecklingen gjorde det möjligt att kontrollera, manipulera, tillverka, använda nanostrukturer. Metoderna och kunskaperna började användas och kombineras med andra vetenskaps- och teknikområden

8 Bill Clintons Nanoteknikinitiativ (NNI) år 2000 The next industrial revolution Alla industribranscher berörs, men hastighet och mognad är väldigt olika för olika områden Tidsaxeln Olika generationer av Nanoteknik Evolution från enkla partiklar och material till enkla komponenter och system,, till komplexa system, till integration med andra teknikområden

9 Nanoteknik exempel på tillämpningar

10 IT och mikrochip tog steget in i nanoområdet ca Idag är minsta transistorn ca. 20 nm

11 Nanomedicin Diagnostik med DNA chip och Protein chip Nanomaterial + läkemedel = nanoläkemedel i målsökande nanopartiklar

12 Energi - solceller Högre verkningsgrad Billigare Flexibla

13 Batterier för elbilar och för lagring av (sol)energi Mycket högre kapacitet Mycket lättare Mindre volym Högre effektuttag

14 Materialteknik Elektriska ledare lägre motstånd och lägre förluster Optiska material Konstruktionsmaterial Material med nya unika egenskaper: Optiska Elektriska Hållfasthet, böjlighet, vikt Kemiska.

15 Nanopartikelbaserade produkter Nano carbon Cleaning and self-cleaning TiO2 Nanodrugs Nano-solar Solar cells Solar fuel Batteries

16 Konsumentprodukter Ca produkter marknadsförs som nanoprodukter Polermedel, kosmetika, solskydd, färger, fönster, skidor

17 Andra områden - exempel Miljöteknik Katalytisk avgasrening Vattenrening Byggnadsmaterial Fönster, isolering, färger, Inneluft Industriella processer Katytisk teknik (energieffektiva, renare) Sensorer för processtyrning Analys- och mätinstrument -> 2 exempel

18 BiolinScientific AB Nanopartiklar och ytor är ett viktigt applikationsområde för QCM-D 700 ca 1 MSEK world wide

19 Insplorion AB Gothenburg, Sweden Nanoplasmonic Sensing to Detect Processes and Interactions at Nanomaterial Interfaces Glass support Au nanodisk Pr sp

20 Applications Extremely sensitive to any change in optical properties in the vicinity of the sensor Glass support Au nanodisk - Dry mass - Kinetics - Diffusion - Conformation - Organisation - Optical density - Phase transitions - Chemical reactions - Interactions - Adsorption / Desorption - Degradation

21 Uppföljning nio år senare av Bill Clintons initiativ år 2000: Nanoteknik som Next industrial revolution Trender B Kasemo

22 Ekonomisk omslutning - nanoteknikprodukter $ % ökning per år Fördubbling vart tredje år Note: 1 trillion in US = 1 billion in Europe SOURCE:

23 Patent

24 Publikationer FoU finansiering

25 Sverige Historiskt mycket stark nanoforskning (IT, Material Medicin, ) Inget samlat nanovetenskap och nanoteknikprogram (integreras i material-, IT-, bioteknik-, medicinsk forskning) Långsam industriellt genomslag för nanotekniken En utmaning för innovationssystemet Säkerhets- och riskarbetet behöver accellereras (sker nu)

26 Risker och säkerhet En stor utmaning att utveckla säkra nano-produkter, användningar arbetsmiljöer regelsystem för människor, ekosystem, klimat och innovationer.

27 Risker och säkerhet Kemikaliereglementet kan täcka många fall (REACH etc) men inte alla. Speciellt utmanande för nanomaterial är Kunna samla in och mäta nanopartiklar Kunna mäta deras farlighet Vissa nanopartiklar kommer inte från nanoteknologi (sot, asphalt och däckslitage, annat slitage, plastmikro som krymper till nano,. De behövs en screeningprocess liknande den vi har för läkemedel!

28 Tack