MATERIALI NANOFASICI:NUOVE POSSIBILITA’ DI MANIPOLARE

LE PROPRIETA’ DELLA MATERIA

Marco Vittori AntisariENEA, C.R. CasacciaU.T.S. Materiali e Nuove TecnologieSezione Materiali Compositi e Nanostrutturati

Conferenza UTS Materiali e NuoveTecnologie.

C.R.Casaccia, 6/10/2003

Nanotechnology definition (NNI, February 2000)Research and technology development at the atomic, molecular ormacromolecular levels, in the length scale of approximately 1 - 100nanometer range, to provide a fundamental understanding of phenomenaand materials at the nanoscale and to create and use structures, devicesand systems that have novel properties and functions because of their smalland/or intermediate size. The novel and differentiating properties andfunctions are developed at a critical length scale of matter typically under100 nm. Nanotechnology research and development includes manipulationunder control of the nanoscale structures and their integration into largermaterial components, systems and architectures. Within these larger scaleassemblies, the control and construction of their structures and componentsremains at the nanometer scale. In some particular cases, the critical lengthscale for novel properties and phenomena may be under 1 nm (e.g.,manipulation of atoms at ~0.1 nm) or be larger than 100 nm (e.g.,nanoparticle reinforced polymers have the unique feature at ~ 200-300 nmas a function of the local bridges or bonds between the nano particles andthe polymer).

Il comportamento della materia è fondamentalmente dettato dall’ ordine cheassumono gli atomi e dalla conseguente struttura elettronica.

Le caratteristiche peculiari diventano funzione delle dimensioni fisiche di unagglomerato di atomi quando queste diventano confrontabili con una qualchedimensione critica tipica del fenomeno che si sta investigando.

Molto spesso le ridotte dimensioni fisiche del clusters inducono comportamentiintermedi fra quelli dell’ atomo isolato e di un agglomerato di atomi di dimensionemacroscopica.

Le nuove caratteristiche che ne risultano aprono panorami applicativi tuttora ingran parte non investigati.

Occorre “violentare” la natura utilizzando spesso processi di sintesi innovativi inquanto la maggior parte dei processi naturali comporta un accrescimento delledimensioni di nanoparticelle.

Occorre adeguare i metodi di caratterizzazione alle piccole dimensioni delle unitàstrutturali da investigare o approntarne di nuovi.

ManufactureMaterials supply

Chemical

Electronics, information

Pharmaceutical

Transport

CosmeticsTextilesMiniaturisation

Food, and beverage

Environmental

Inorganic self-assembly

Quantumphysics

Aerospace

Nanomaterials: bulk,coating and soft materials

Nanotechnology forfunctional devices and ICT

Bio-synthesis offunctional molecules

Nanobiotechnology

Biological self-assembly

Nanotechnology forchemistry and environment

Nano-structured catalysts

Biochip

DNA Arrays

Supra-molecularchemistry

Magneto-resistive devices

Nanoelectronics

Bio-moleculardata processing

Nano-filtration

Nano-composites

Carbon nanotubes

Drug delivery

Nano-mechanicaldevices

Tool coatings

Colorants

Suspensions and inks

Organic electronics

Quantum dot LEDsand lasers

Energy

Energy storage

Photo-voltaic

Micro-nano implants

Bio-sensors

Molecular biology

Materials science

Nano-tribology

Supra-molecular self-assembly

Batteries

Bio-catalysis

bottom-up constructionassembling from nano-building blocks

physical vapor depositionchemical vapor deposition

chemical synthesis (e.g., sol-gel, colloids)powder/aerosol compaction

top-down construction‘sculpturing’ (fragmentation) from bulk

Lithographic/etching processesmechanical attrition (ball milling)

structuring by irradiation processes

nanostructured materials

Synthesis Strategies - 1

Ball milling ad alta energia

Evaporazione termica e sputtering catodico

HF-CVD process parameters:H2+ (10%) CH4

Tsub: 600°C

Ptot: 5 mbar

Hot filamentChemical Vapour Deposition

Applied Voltage22V-30V

Graphite electrodes

Deionized water

synthesize nanocrystallinesample by high-temperature(100-300°C) solution-phase route

narrow the NC samplesize distribution bysize-selectiveprecipitation

deposition ofnanocrystallinedispersions⇒⇒⇒⇒ self-assembling

formation of orderednanocrystal assemblies⇒⇒⇒⇒ 2D and 3D orderedstructures (superlattices)

monomerdroplets

initiator

polymericnanospheres

? Monomer is insoluble in water and is dissolved in a co-solvent which forms an emulsion in water (droplets).

? Initiator or catalyst is dissolved in water.

? Polymerisation starts in water phase and polymers coalesce and segregate resulting in the formation of colloidal particles.

METODI DI CARATTERIZZAZZIONEMICROSTRUTTURALE

• Microscopia elettronica in trasmissione• Microscopia elettronica a scansione• Diffrazione di Raggi X• Spettroscopia elettronica (XPS,Auger,EELS)• Spettroscopia di Raggi X• Spettroscopia ottica• Spettroscopia di ioni secondari• Microscopia a stilo (STM, AFM…….)

Nanostructured TiO2 films

X-ray diffraction & Rietveld Analysis

Nanostructured phase: ∅≈∅≈∅≈∅≈3-5nm)

Nanoparticles (Au) in silica⇓⇓⇓⇓

doped glasses

TEM imaging

Nanostructured Films and Nanoparticles Dispersed in Glass by Sol-Gel

20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

10

20

30

40

Dopo il ciclo termico

Clu

ster

dia

met

er (n

m)

Temperature (°C)20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

Mic

rost

rain

Temperature (°C)

IMMAGINI AFM DI SENSORISENSORIPOLIMERICIPOLIMERICI

Compositocontenentecarbon blackcommerciale

Compositocontenentecarbon black

a b

d c

Imaging of Single Bi Atoms inSi(110)

VG HB501UX with Nion Aberration Corrector, 100 kV

HREM & EELS of SiO2/Si interface

ALCUNE APPLICAZIONI

• Sensoristica• Stoccaggio di Idrogeno• Ricoperture superficiali• Drogaggio di vetri• Materiali nanocompositi• Catalisi• Drogaggio di materiali polimerici

Fibre di carbonio rivestite di diamante

NO2 Sensor

SAW sensor based on a two-port resonator 433.92 MHz oscillatorusing Carbon Nanotubes

SEM image of the SAW sensor in a TO-39 case using CNTs

Process RoutineCNTs have been dispersed into two distinct solvents:a) ethanol or b) toluene

• SWCNTs (4 mg) dispersed at 0.5 mg/ml

• MWCNTs (20 mg) dispersed at 5.0 mg/ml

The suspensions have been sonicated for 10 minutes

The CNTs films are spray-painted onto SAW transducer

Cross-sectional view of the SAW sensor

SAW sensor oscillator wih RF amplifier

Acc. V = 5kV

Magn. = 18x

Det. = SE

M. Penza, F. Antolini, M. Vittori Antisari, AISEM 2003, Trento, 12-14 February, 2003.

Pd/Mg/Pd thin films

(S. Orimo etal., 2002/03)

Sintesi Caratterizzazionemicrostrutturale

Caratterizzazionefunzionale

Simulazione emodellizzazioneSimulazione e

modellizzazione

Quanto presentato rappresenta una selezione,forzatamente non esaustiva, di risultati dei programmi insvolgimento presso la UTS Materiali e Nuove Tecnologie,ottenuti grazie alla professionalità dei colleghi impegnatiin queste attività.

Desidero quindi esprimere un sentito ringraziamento aquanti hanno fornito il materiale per questapresentazione, senza dimenticare coloro i cui risultati nonè stato possibile illustrare causa la “tirannia” dettata daltempo a disposizione.