27
1/10/2009 1 00: Introduction January 7, 2009 Nanomanufacturing University of  Michigan ME599002 / Winter 2009 ©2009 A.J. Hart 1 [email protected] http://www.umich.edu/~ajohnh Today’s agenda What is nanotechnology  and why is it important?  Course specifications Some history and characterization  techniques Examples of  nanomaterials,  research,  applications,  and emerging trends Introductions Final (opening) motivation and advice ©2009 A.J. Hart 2

Ajohnh NMW09 00 Introduction

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 1/27

1/10/20

00: IntroductionJanuary 7, 2009

NanomanufacturingUniversity of  Michigan

ME599‐002 / Winter 2009

©2009

A.J. Hart

1

 

[email protected]

http://www.umich.edu/~ajohnh

Today’s agenda

What is nanotechnology and why is it important? 

Course specifications

Some history and characterization  techniques

Examples of  nanomaterials, research, applications, and 

emerging trends

Introductions

Final (opening) motivation and advice

©2009

A.J. Hart

2

Page 2: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 2/27

1/10/20

Today’s readings (@ctools)

Feynman (1959), There’s plenty of  room at the bottom 

Foley and Hersam (2006), Assessing the

 need

 for

 

nanotechnology education reform in the United States

ASTM (2006), Standard terminology relating to 

nanotechnology

Augustine (2008), Scilence

Gimzewski (2008), Nanotechnology: the endgame of  

©2009

A.J. Hart

3

Nature Nanotechnology  (2009), The other

 nanotech

Definition

Nanotechnology is the ability to understand, control, and 

manipulate matter at the level of  individual atoms and molecules 

as well as at the “supramolecular level” involving clusters of  

molecules, in order to create materials, devices, and systems with 

fundamentally new properties and functions because of  their 

small structure.  The definition implies using the same principles 

and tools to establish a unifying platform for science and 

engineering at the nanoscale, and employing the atomic and 

molecular interactions to develop efficient manufacturing 

©2009

A.J. Hart

4

met o s.‐ National Science Foundation (NSF)

‐ National Nanotechnology Initiative (NNI)

(M. Roco, Handbook of  Nanoscience, Engineering, and Technology, p. 3‐2)

Page 3: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 3/27

1/10/20

Molecular rack and pinion

©2009

A.J. Hart

5Chiaravalotti et al., Nature Materials 6:30, 2007.

Length scales

©2009

A.J. Hart

6

Page 4: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 4/27

1/10/20

Beneath 1 millimeter

©2009

A.J. Hart

7http://www.sustainpack.com/nanotechnology.html

Lots of  atoms!

©2009

A.J. Hart

8Roduner, Nanoscopic Materials.

Page 5: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 5/27

1/10/20

Opportunity: economic growth

©2009

A.J. Hart

9J. Gimzewski, Leonardo 41(3):259‐264, 2008.

Pressure: competitiveness

More than half  of  the increase in the US gross domestic product (GDP) 

has been attributed to advancements in science, technology, and 

innovation. The solution to many of  America’s, and the world’s, 

greatest challenges depends on advancements in science and 

technology—including providing energy, preserving the environment, 

supplying food and water, ensuring physical security, providing health 

care, and improving the global standard of  living.

But there are a few problems. The United States ranks 16th and 20th 

among nations in college and high‐school graduation rates, 

respectively; 60th in the proportion of  college graduates receiving 

natural science and engineering degrees; and 23rd in the fraction of  

©2009

A.J. Hart

10N. Augustine, Science 321:1605, 2008.

  . 

U.S. citizens receiving Ph.D.s in engineering and the physical sciences 

has dropped by 22% in a decade. U.S. high‐school students rank near 

the bottom in math and science.

Page 6: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 6/27

1/10/20

Need: education

A key challenge for nanotechnology development is the education and 

training of  a new generation of  skilled workers in the multidisciplinary 

perspective necessary for rapid progress of  the new technology. The 

concept at the nanoscale (atomic, molecular and supra‐molecular 

levels) should penetrate the education system in the next decade in a 

s m ar manner  o  ow  e m croscop c approac   ma e  nroa s  n  e 

last forty to fifty years… 

It is estimated that about 2 million nanotechnology workers will be 

needed worldwide in 10‐15 years. If  one would extrapolate the current 

portion of  the users of  key measuring instrumentation  (atomic force 

microscopes and scanning tunneling microscopes), it would obtain a 

rou h distribution of  nanotechnolo   workers needed in 2010‐2020: 

©2009

A.J. Hart

11

‐ 0.8 million in US

‐ 0.5  – 0.6 million in Japan‐ 0.3‐ 0.4 million in Europe

‐ 0.1‐ 0.2 million in Asia/Pacific region excluding Japan

‐ and more in other regions.

M. Roco.

Nanomanufacturing: our mission

Realize the breadth and accelerating pace of  nanotechnology and the imperative for nanomanufacturing

Understand the fundamental properties of  nanostructures,  

e.g., nanoparticles, nanotubes, and nanowires

Understand how nanostructures interact with one another 

and the surrounding medium …the physics of  interactions

Understand how to make nanostructures 

Understand how to assemble nanostructures, e.g., top‐down 

vs. bottom‐up, 1D, 2D, and 3D

Understand how the ro erties of nanostructures scale with

©2009

A.J. Hart

12

 

assembly methods, and how interactions govern supra‐

nanoscale properties

Page 7: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 7/27

1/10/20

Nanomanufacturing: our mission

Learn how to design and manufacture new materials and 

devices by harnessing the special properties and 

interactions of  nanostructures

Enhance our ability to define important research 

questions, critica y   ju ge t eir va i ity  ase   on 

fundamental principles, and design experiments to answer 

these questions

©2009

A.J. Hart

13

Course outline

Part 0: Introduction to nanotechnology and taxonomy of  

nanoscale structures

Part 1: Properties of  nanostructures (“building blocks”)

Part 2: Interactions among nanostructures

Part 3: Synthesis of  nanostructures

Part 4: Assembly of  nanostructures  and property‐

interaction scaling

©2009

A.J. Hart

14

Part 5: Example materials and systems implementing 

functional nanostructures

CONCLUSION: project presentations

Page 8: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 8/27

1/10/20

Assignments and grading

See syllabus (handout and on ctools)

©2009

A.J. Hart

15

Nanomaterials are not new!

It is probable that “soluble” gold appeared 

around the 5th or 4th century B.C. in Egypt 

and China.

The Lycurgus Cup that was manufactured in 

the 5th to 4th century B.C. It is ruby red in 

transmitted light and green in reflected light, 

due to the presence of  gold colloids.

In 1857, Faraday reported the formation of  

deep red solutions of  colloidal gold by 

reduction of  an aqueous solution of  

chloroaurate (AuCl4‐) using phosphorus in CS2

(a two‐phase system) in a well known work. 

©2009

A.J. Hart

16

Milan ‐ Duomo

 

thin films prepared from dried colloidal 

solutions and observed reversible color 

changes of  the films upon mechanical 

compression (from bluish‐purple to green 

upon pressurizing).

Page 9: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 9/27

1/10/20

©2009

A.J. Hart

17

So, nanomaterials are definitely not new!

but our ability to be nanoscientists is new, because we’ve 

created instruments and machines for controlled 

characterization and fabrication

these enable nanotechnology

©2009

A.J. Hart

18

Page 10: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 10/27

1/10/20

Robert Hooke’s work in 1665

©2009

A.J. Hart

1919

Electron microscopes

©2009

A.J. Hart

20Goodhew, Microscopy  and  Microanalysis

Page 11: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 11/27

1/10/20

Scanning probe microscopes

Scanning tunneling 

microscope (STM)

Atomic force

microscope (AFM)

©2009

A.J. Hart

21

invented by Young and colleagues, NIST, 1972

Binnig and Rohrer, Nobel Prize, 1986

Binnig, Quate, Gerber, 1986

Nanotube on a 

scanning probe tip

STM image of  a “quantum 

corral” of  Fe on Cu (IBM)

©2009

A.J. Hart

22Crommie et al., Science 262:218‐220 1993.

Page 12: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 12/27

1/10/20

“Discovery” of  carbon nanotubes, 1991

©2009

A.J. Hart

23

Current resolution limits approach visibility 

of  individual

 atoms

 and

 defects

©2009

A.J. Hart

24Suenaga et al., Nature Nanotechnology, 2:358, 2007. 

Page 13: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 13/27

1/10/20

Building blocks

Nanoclusters /  NanoparticlesMagic #’s of  atoms 100s‐1000s of  atoms

≤1 nm size ∼1‐100 nm diameter

©2009

A.J. Hart

25

Nanowires /  NanotubesFilled Hollow

∼1‐100 nm dia, up to mm long and beyond!

Semiconducting nanocrystals

“quantum 

dots” for Au nanoclusters

photo by F. Frankel, MIT diameter

<100> CdSe <001> CdSe

©2009

A.J. Hart

26Hodes, Advanced Materials, 19:639, 2007. 

1.5 nm

Page 14: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 14/27

1/10/20

Nanostructured carbons

Single‐wall CNT 

(SWNT)

Multi‐wall CNT 

(MWNT)

D = 0.4‐3 nm  D = 3‐100 nm

Fullerene

D = 0.4‐3 nm

Graphite

sp2

Diamond

sp3

Carbon “nanofibers” Carbon fibersD = 10 nm  – 1 mm D = 1–10 mmD = 10 nm  – 1 mm

Va or‐ rown Melt‐s un

©2009

A.J. Hart

27Compiled from many sourcesCore is a SWNT > 50,000 tons/yr

Exceptional properties of  CNTs

+ High recoverable strains and 

reversible kinkingIijima et al.,  J. Chem Phys., 104:2089:92, 

1996.

+ Thermal conductivity 

exceeding diamond; 3500 

W/m‐K for an individual 

SWNTPop et al., Nano Lett. 6:96‐100, 2006.

Advanced fibers

(carbon, aramid, glass)

©2009

A.J. Hart

28

Compiled from National Academy of  Sciences report (2005)

http://www.nap.edu/catalog/11268.htmland many other sources

+ Ballistic electron transport 

over micron length scalesLi et al., PRL 96:057001, 2006.

+ Current density of  

~109 A/cm2

Wei et al.,  APL 79:1172‐4, 2001.

Page 15: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 15/27

1/10/20

Nanowire chemical sensors

Reversible bindingof  biomolecules

Principle of  carrier  injection on ac ecep or

©2009

A.J. Hart

29

Nanowire

‐ Molecule‐sized binding sites = high S/N‐ Engineer binding to be molecule‐specific

‐ Arrays can be  multiplexed to detect lots 

of  markers

Patolsky and Lieber, Materials Today, 2007.

CNT‐based memory (Nantero, Inc.)

The concept

 (1998)

OFF

©2009

A.J. Hart

30Rueckes et al, Science 289, 2000; http://www.nantero.com

ON

Reversible electromechanical  junction

Page 16: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 16/27

1/10/20

     h     i    g     h

Order = quality, purity, alignment

Quantity = #/vol

yarn/sheetforest (aligned) individual

     C     N     T    o    r     d    e    r

film (tangled)

dispersion

1 μm

©2009

A.J. Hart

31

CNT quantity [#/vol]

     l    o

    w

few many

Images from various sources including Baughman, Dai, Kim, Rinzler groups

     h     i    g     h

Transistors

R&D

Fibers/WiresInterfaces(mech, elect, 

therm, fluidic)

Order = quality, purity, alignment

Quantity = #/vol

     C     N     T    o    r     d    e    r

Transparent

conductors

Emitters, memoryCommercialized

“bulk” nanotechnology

Limited by 

©2009

A.J. Hart

32

CNT quantity [#/vol]

     l    o    w

few (<< 1g) many

ESD/plastics

current CNT

mfg technology

adapted from Hart, Rinzler, Kong, WTEC/NSF Report on Carbon Nanotube Manufacturing, Chapter 6, 2007.

Page 17: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 17/27

1/10/20

Merck produces >20 tons of  silica particles per year for 

cosmetic purposes

3M produces TiO2 nanoparticles for dental fillings

“Bulk” nanomaterials produced 

commercially today

Cabot produces > 10 tons of  carbon black nanoparticles as 

polymers additives

Showa Denko (Japan), Mitsui (Japan), and Hyperion (USA) 

produce > 250 tons of  carbon nanotubes

©2009

A.J. Hart

33

Database of  consumer products incorporating engineered 

nanostructures:http://www.nanotechproject.org/index.php?id=44&action=intro

©2009

A.J. Hart

34

Page 18: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 18/27

1/10/20

Lithium‐ion batteries using nanoporous

LiFePO4 electrodes (A123 systems)

©2009

A.J. Hart

35

CNT‐enhanced sporting goods (Zyvex)

©2009

A.J. Hart

36

Page 19: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 19/27

1/10/20

Biocompatibility and health effects

©2009

A.J. Hart

37Dobrovolskaia et al., Nature Nanotechnology, 2:469, 2007.

Biocompatibility and health effects

©2009

A.J. Hart

38Dobrovolskaia et al., Nature Nanotechnology, 2:469, 2007.

Page 20: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 20/27

1/10/20

Looking forward…

©2009

A.J. Hart

39

Forecast: an endgame?

©2009

A.J. Hart

40J. Gimzewski, Leonardo 41(3):259‐264, 2008.

Page 21: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 21/27

1/10/20

©2009

A.J. Hart

41

Fun: marketing

©2009

A.J. Hart

42

Page 22: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 22/27

1/10/20

Nokia Morph phone concept

http://www.nokia.com/A4852062

http://www.youtube.com/watch?v=IX‐gTobCJHs

©2009

A.J. Hart

4343

Caution: too much hype

It is

 hardly

 a new

 insight

 to

 observe

 that

 the

 development

 of 

 

nanotechnology has been accompanied by exaggeration and oversold 

promises.  It is tempting for scientists to plead their innocence …after 

all, nanobots, universal assemblers and other science fiction visions of  

nanotechnology were proposed by members of  fringe movements, 

such as transhumanists and singularitarians, rather than mainstream

nanoscience researchers. 

But are scientists completely blameless in the development

of  what might be called the ‘economy of  promises’ that surrounds 

nanotechnology? The process by which a result from an academic 

laboratory is turned into a story in the mainstream media naturally 

©2009

A.J. Hart

44R. Jones, Nature Nanotechnology 3:65‐66, 2008.

 

research; the road from the an academic paper in a research  journal to a press release from a university press office is characterized by a 

systematic stripping away of  the cautious language found in

most research papers, and a transformation of  vague possible future 

impacts into near‐certain outcomes.

Page 23: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 23/27

1/10/20

Certainly no one has made much of  a media career by underplaying 

the potential significance of  scientific developments. This is not to say 

that scientists should not exercise responsibility and integrity within 

the constraints imposed by the requirements of  the media, but 

perhaps the ‘economy of  promises’ is embedded more deeply in the 

scientific enterprise than we realize.

Although the claims made by researchers individually might be 

implausible, one can have a great deal more confidence that 

collectively the research enterprise as a whole will deliver important 

results. Thus scientists may not be at all confident that their own work 

will have a big impact, but they are confident that science in general 

©2009

A.J. Hart

45R. Jones, Nature Nanotechnology 3:65‐66, 2008.

  .  , 

memories for promises that science and technology have made but 

failed to deliver (such as electricity from nuclear power being ‘too 

cheap to meter’). The nanoscience community would do well to be 

responsible in what they promise.

Imperative: communication and outreach

2008  – over 80% of  Americans reported having heard ‘just a little’ 

(28%) or ‘nothing at all’ (54%) about nanotechnology.

©2009

A.J. Hart

46Kahan et al., Nature Nanotechnology doi:10.1038/NNANO.2008.341

Page 24: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 24/27

1/10/20

Imperative: communication and outreach

©2009

A.J. Hart

47

Kahan et al., Nature Nanotechnology doi:10.1038/NNANO.2008.341

Scheufele et al., Nature Nanotechnology doi:10.1038/NNANO.2008.361

Standards

ASTM International Committee E56 Nanotechnology E2456‐06* Terminology for Nanotechnology

IEEE NESR Nanoelectronic Standards Roadmap IEEE1650‐2005* Electrical characterization of  SWNTs

IEEE1784‐2008 Nanomaterials characterization and use in large scale 

electronics manufacturing

IEC TC 113 Nanotechnology Standardization for Electrical and 

Electronic Products and Systems JWG 1 Terminology and Nomenclature

JWG 2 Measurement and Characterization

©2009

A.J. Hart

48

  er ormance assessment

ISO/TC 229 Nanotechnologies ISO/AWI TS 10797 TEM characterization of  SWNTs

ISO/AWI TS 10798 SEM & EDXA characterization of  SWNTs

ISO/NP TS 10867 NIR photoluminescence spectroscopy of  SWNTs

ISO/NP TS 10868 UV‐Vis‐NIR absorption spectroscopy of  SWNTs

Page 25: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 25/27

1/10/20

Introductions

then closing advice

©2009

A.J. Hart

49

©2009

A.J. Hart

50

Stay  on the leading edge! A. Slocum

Page 26: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 26/27

1/10/20

Those who stay…

©2009

A.J. Hart

51

Posted above the exit door to the field, 

home team 

locker 

room 

at 

Michigan 

football 

stadium(B. Schembechler, 1969)

Collaborate and learn from others

“The thing I want to say is collaborate. Collaborating with 

talented people is not easy, but it’s the way to really shine  – you 

shine bri hter if ou are workin with reall reat eo le. The 

important thing in the end is not that you are proved right every 

time, the important thing is that the music is the best that it can 

be. I want to wish you all that you would find your own voice. 

But if  you are so disposed that you would find collaborators to 

work with, that you would shine as you could never shine on 

your own.”

©2009

A.J. Hart

52

Dave “The Edge” Evans (U2), at Berklee College of  Music 

Commencement, Boston, MA, May 2007.

Page 27: Ajohnh NMW09 00 Introduction

8/2/2019 Ajohnh NMW09 00 Introduction

http://slidepdf.com/reader/full/ajohnh-nmw09-00-introduction 27/27

1/10/20

©2009

A.J. Hart

53

One word…

©2009

A.J. Hart

54

http://www.youtube.com/watch?v=WnvBK4_lGtU