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1
Diamanti per la Vita Sensori cellulari
Paolo Olivero
Dipartimento di Fisica Centro inter-dipartimentale Interfacce e Superfici Nanostrutturate
Università di Torino
Torino, 11/04/2017
3
la materia ed i materiali
La Storia dei Materiali è una storia (la storia?) della Cultura Umana.
Fisica della Materia
-10000 -8000 -6000 -4000 0 -2000 2000
Età della Pietra Età del Bronzo
Età del Ferro
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Fisica della Materia
La più grande invenzione del Millennio?
Transistor
Laser
Antibiotici Radio
Motore a scoppio
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Fisica della Materia La più grande invenzione del Millennio?
La Stampa a Caratteri Mobili
Johannes Gutenberg (1398-1468)
fonti: nd -Life Magazine
carta inchiostro metalli teneri
Rivoluzione Culturale
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Premi Nobel per la Fisica 2006-2016
2012: S. Haroche, D. J. Wineland: Fisica atomica, ottica quantistica
2010: A. Geim, K. Novoselov : Grafene
2008: Y. Nambu: Fisica subatomica, rottura spontanea della simmetria
2007: A. Fert, P.Grünberg: Magnetoresistenza gigante
2006: J. C. Mather, G. F. Smoot: Anisotropia della radiazione cosmica
2013: F. Englert, P. Higgs: Bosone di Higgs
2015: T. Tajita, A. B. McDonald: oscillazioni neutriniche
2014: I. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura: Diodo ad emissione nel blu
2016: D. J. Thouless, F. D. M. Haldane, J. M. Kosterlitz: fasi topologiche della materia
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Premi Nobel per la Fisica 2006-2016
2012: S. Haroche, D. J. Wineland: Fisica atomica, ottica quantistica
2011: S. Perlmutter, B. P. Schmidt, A. G. Riess: Espansione
2010: A. Geim, K. Novoselov : Grafene
2008: Y. Nambu: Fisica subatomica, rottura spontanea della simmetria
2007: A. Fert, P.Grünberg: Magnetoresistenza gigante
2006: J. C. Mather, G. F. Smoot: Anisotropia della radiazione cosmica
2013: F. Englert, P. Higgs: Bosone di Higgs
2015: T. Tajita, A. B. McDonald: oscillazioni neutriniche
2014: I. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura: Diodo ad emissione nel blu
2016: D. J. Thouless, F. D. M. Haldane, J. M. Kosterlitz: fasi topologiche della materia
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Inter-disciplinarità
Fisica della Materia
Fisica
Chimica
Scienza dei Materiali Archeologia
Biologia
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Che cosa è il diamante Una delle numerose forme allotropiche del carbonio
diamante
grafite fullerene
nanotubo
grafene
carbonio amorfo
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Diamante e Grafite Equilibrio stabile e meta-stabile
Diagramma di fase del Carbonio
voi siete qui
A pressione e temperatura ambiente il diamante esiste come forma meta-stabile della grafite.
Il diamante naturale si forma ad alta pressione e temperatura
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Diamanti naturali e artificiali La Terra: fucina di diamanti
Nelle profondità della terra (litosfera: 140-190 km sotto la superficie, al di sotto di placche continentali relativamente stabili):
pressione: 4.5 6 GPa temperatura: 900 1300 C
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Una (sorprendente) alternativa alla produzione ad alta pressione e temperatura: Bassissima pressione e (relativamente) bassa temperatura
La deposizione da fase di vapore (CVD)
Diamanti naturali e artificiali
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basso coefficiente di attrito
estrema trasparenza dal vicino ultra-violetto al lontano infra-rosso
alta mobilità dei portatori di carica
alto campo elettrico di breakdown
inerzia chimica
bio-compatibilità
possibilità di funzionalizzare chimicamente la superficie
centri di luminescenza a varie lunghezze
Altre proprietà di interesse
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Diamanti, scienza e tecnologia Realtà commerciali
ogni anno vengono prodotte più di 200 tonnellate di diamante artificiale per applicazioni industriali il mercato del diamante artificiale per applicazioni industriali ha superato quello dei diamanti naturali per la gioielleria dal 1978
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Il Cervello, una macchina perfetta
velocità di trasmissione segnali elettrici 120 m/s (432km/h)
Cervello, organo principale del sistema nervoso centrale
Nel cervello 10-100 miliardi di neuroni
Trasmissione segnali per via chimica (esocitosi) e per via elettrica (potenziali
1000 2000 neurotrasmettitori rilasciati ogni vescicola
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Il Cervello, una macchina (quasi) perfetta
Malattia Numero di casi Costo annuo
(miliardi di $)
Depressione 18.700.000 30,4
Alzheimer 4.000.000 90
Epilessia 2.500.000 3,5
Schizofrenia 2.000.000 32,5
Parkinson 1.500.000 25
Malattie neurodegenerative causate da disfunzioni nei meccanismi di trasmissione dei segnali a livello neuronale
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La conversione tra diamante è grafite non avviene spontaneamente
Meno dura, chimicamente più reattiva, elettricamente conduttiva
A pressione e temperatura ambiente il diamante è metastabile
La grafite è stabile
Interazioni esterne
Carbonio amorfo
Trattamento termico
Microfabbricazione del diamante
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La litografia ionica
Diamante artificiale
CVD
HPHT
Canali conduttivi
Ioni accelerati ad energie
dei megaelettronvolt
Una tecnica estrema per un materiale estremo
27 Laboratory for Ion Beam Interactions,
Zagebria (Croazia) Acceleratorie AN2000, INFN
Laboratori Nazionali di Legnaro Padova (Italia)
Sorgente di ioni
Accelerazione
Impiantazione
La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo
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DIAMANTE ATOMO DI CARBONIO
IONE ACCELERATO AD ALTA ENERGIA
Es. He @ 2 MeV
La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo
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La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo
DIAMANTE VACANZA = assenza di
un atomo in una posizione reticolare
INTERSTIZIALE = atomo in una posizione intra-
reticolare
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DIAMANTE DIAMANTE CARBONIO AMORFO
profondità ~ m
La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo
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La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo
DIAMANTE DIAMANTE
Trattamento termico
CARBONIO AMORFO
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0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0
5.0x1022
1.0x1023
1.5x1023
2.0x1023
va
ca
nc
y d
en
sit
y (
cm
-3)
d ( m)
La litografia ionica Fabbricazione tridimensionale
Profilo di danneggiamento da fasci di ioni MeV
Maschere a spessore variabile
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Biosensore a multielettrodo
60 canali grafitici per
cellulare
Biosensori cellulari a multi-elettrodo (MEA)
36
Biosensoristica Cellule cromaffini
si trovano nel midollo della ghiandola surrenale
rilasciano adrenalina e noradrenalina
Ca2+
Ca2+
Sympathetic stimulation
Catecholamines
37
si trovano nel midollo della ghiandola surrenale
rilasciano adrenalina e noradrenalina
responsabile della risposta fuggi o combatti
Biosensoristica Cellule cromaffini
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Biosensoristica Rilevazione della esocitosi
ottimo rapporto segnale/rumore e alta risolizione temporale
Stimolazione della secrezione di neurotrasmettitori tramite perfusione di soluzione di KCl
40
2D Gaussian mixture analysis distribuzione 3-modale: eventi larghi full fusion piccoli kiss-and-run
e stand- kiss-and-stay
Biosensoristica Rilevazione della esocitosi
41
Biosensoristica Ippocampo
Regione del cervello responsabile di: memoria a lungo termine navigazione spaziale
L'ippocampo è una delle prime regioni del cervello a soffrire dei danni portando deficit di memoria e disorientamento
es. malattia di Alzheimer
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Cellule piastrate sul dispositivo per
18 giorni
Esperimento farmacologico
Somministrata TTX (Tetrodotoxin)
TTX
Biosensoristica Rivelazione del
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Potenziale
Tessuto del nodo senoatriale con tessuto muscolare residuo
Biosensoristica Rivelazione del
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Soluzione Bay K
10 µM
f ~ 5 Hz
I ~ 600 µV
Migliora la cinetica dei
canali del calcio
Soluzione di cadmio
500 µM
Bloccante dei canali del
calcio
Esperimento
farmacologico
Soluzione salina
(Tyrode)
f ~ 2 Hz
I ~ 300 µV
Biosensoristica Rivelazione del
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Concludendo...
I diamanti non si formano solo in condizioni naturali, ma possono essere sintetizzati
Il diamante non è solo una pietra preziosa, ma anche
un materiale di interesse per la ricerca e la tecnologia Fasci di ioni ad alta energia sono uno strumento utile e
versatile per la microfabbricazione del diamante In ambito biosensoristico, micro-dispostivi integrati
in diamante possono offrire soluzioni a diverse problematiche sperimentali
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Ringraziamenti Università di Torino
Dipartimento di Fisica Gruppo di Fisica dello Stato Solido
Centro inter-dipartimentale "NIS"
Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica
Università di Ulm
Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Farmaco
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Ringraziamenti
Fabio ( )
Giulia B (@ Istituto Italiano di Tecnologia)
Giulia G (@ ITT Motion Technologies)
Filippo (@ ITT Motion Technologies)
Marilena (@ Centro Ricerche FIAT)