Nanoteknik – vad är det? Trender,
exempel, möjligheter, risker
Bengt Kasemo
Teknisk Fysik
Chalmers
[email protected]
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
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
Hur stor är en nanometer Nanoteknik och längdskalan
Hur stor är en nanometer Nanoteknik och längdskalan
Atomer, små
molekyler
Cell membran,
sotpartiklarvissa
kosmetikpartiklar
Cellkärna, organeller
Hårstrå
DNA chip
Makrovärlden
0.1 nm
10 µm
100 nm
1 nm
10 nm
1000 nm
1µm
100 µm = 0.1
mm
10 mm
Cells, Bacteria
100 000-tals av t.o.m. de största
nanostrukturerna
Hämoglobin,
får
plats
på
ett
hårstrås
tvärsnittsyta!
Största
proteinerna
stora
molekyler
Praktisk upplösning
hos avancerade
elektronmikroskopier
= 1 atom
B Kasemo
, minsta transistorn
Upplösningsgräns
för optiskt
mikroskop
Ögats upplösning
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 18-24
månader (Gordon Moore, INTEL) genom att göra transistorer och
andra komponenter mindre och mindre
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
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
Nanoteknik – exempel på
tillämpningar
IT och mikrochip
tog steget in i
nanoområdet ca
2000. Idag är
minsta
transistorn
ca. 20 nm
Nanomedicin
Diagnostik med
DNA chip
och
Protein chip
Nanomaterial + läkemedel =
nanoläkemedel i
målsökande nanopartiklar
Energi - solceller
Högre verkningsgrad
Billigare
Flexibla
Batterier för elbilar och för lagring av
(sol)energi
Mycket högre kapacitet
Mycket lättare
Mindre volym
Högre effektuttag
Materialteknik
Elektriska ledare – lägre
motstånd och lägre förluster
Optiska material
Konstruktionsmaterial
Material med nya unika egenskaper:
• Optiska
• Elektriska
• Hållfasthet, böjlighet, vikt
• Kemiska
• …….
Nanopartikelbaserade produkter
Nano carbon
Cleaning and self-cleaning TiO2
Nanodrugs
Nano-solar
Solar cells
Solar fuel
Batteries
Konsumentprodukter
Ca. 2000
produkter
marknadsförs
som nanoprodukter
Polermedel,
kosmetika,
solskydd,
färger,
fönster,
skidor
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
Q-Sense @ BiolinScientific AB
Nanopartiklar och ytor är ett viktigt applikationsområde
för QCM-D
700 instrument @ ca 1 MSEK world wide
Insplorion AB
Gothenburg, Sweden
Nanoplasmonic Sensing to Detect Processes
and Interactions at Nanomaterial Interfaces
Pr
sp
Glass support
Au nanodisk
Applications
Extremely sensitive to any change in optical
properties in the vicinity of the sensor
Glass support
- Dry mass
- Kinetics
- Diffusion
- Conformation
- Organisation
- Optical density
- Phase transitions
- Chemical reactions
- Interactions
- Adsorption / Desorption
- Degradation
Au nanodisk
Uppföljning nio år senare av Bill Clintons initiativ år
2000: Nanoteknik som
“Next industrial revolution”
Trender
B Kasemo
http://wtec.org/nano2/Nanotechnology_Research_Directions_to_2020/
Ekonomisk omslutning - nanoteknikprodukter
$ 1012
25 % ökning per år
Fördubbling vart tredje år
Note:
1 trillion in US =
1 billion in Europe
SOURCE: http://wtec.org/nano2/Nanotechnology_Research_Directions_to_2020/
Patent
Publikationer
FoU finansiering
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)
Risker och säkerhet
En stor utmaning att utveckla säkra
•
•
•
•
nano-produkter,
användningar
arbetsmiljöer
regelsystem
för människor, ekosystem, klimat
och innovationer.
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!
Tack
