Upload
buicong
View
230
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
Nytt studietilbod ved UiB:Bachelorprogram i nanoteknologi
Knut J. Børve
Kva er nanoteknologi?
• Nanovitenskap: Dèt å måle, beskrive, modellere og systematisk manipulere og kontrollere nanostrukturer og dynamiske prosesser som foregår på nanoskala.
• Nanostrukturer: Materialer, komponenter og systemer med en størrelse på 0,1-100 nm.
• Nanoteknologi: Utvikling av anvendelser basert på nanovitenskap, herunder kontroll og manipulasjon av nanostrukturer.
nanoVT er sterkt tverrfagleg
Kjelde: Nasjonal strategi for nanovitenskap og nanoteknologi
Kor viktig blir nanoVT?
BACHELORPROGRAM I NANOTEKNOLOGI
Mål/innhold Teknologiske nyvinningar gjer det råd å måle og systematisk endre strukturar og prosessar som skjer på ein skala frå 0,1 til 100 nanometer. Dette opnar for heilt spesielle eigenskapar som ofte er styrt av kvantemekanikken sine lover. (..) Studiet gir teoretisk forståing og praktisk kompetanse innan den naturfaglege basisen for nanoteknologi. Vidare får studentane ei innføring i det som er særmerkt for nanovitskap og nanoteknologi, gjennom døme og arbeid på moderne laboratorium.
Tilrådde forkunnskaper
3MX, 2KJ/3KJ og 2FY
Opptaks-grunnlag
Generell studiekompetanse eller realkompetanse. 2MX/2MY/3MZ + 3MX/3FY/3KJ/3BI/(2KJ+3BT)/(2BI+3BT)
Første opptak: Vår 2007!
Studieplan
6. V Val Val Val
5. H NANO 200 INF 100/STAT 101
Val
4. V NANO 160 PHYS 102/112 Val
3. H KJEM 120 PHYS 101/111 MOL 200
2. V NANO 100 MAT 112 MOL 100
1. H Ex. phil. MAT 111 KJEM 110
Perspektiv i nanovitskap og -teknologi
Emnet skal formidle nanovitenskapen sin eigenart gjennom eksempel henta frå forskning, og bruk av nanoteknologi, og diskutere problemstillingar knytt til teknologi og samfunn.
Arbeidsformen består av- Ei forelesningsrekke med lokale og eksterne foredragshaldarar, fulgt av eit diskusjonskollokvium. - Kvar student assosiert til ei forskningsgruppe gjennom semesteret og deltar kvar veke i arbeidet i gruppa for åbli kjent med problemstillingar og arbeidsmetodar. - I slutten av semesteret blir det arrangert ein ”Nanodag”kor kvar student presenterer poster over ei nanovitskapleg eller nanoteknologisk problemstilling frå”si” forskningsgruppe.
Innføring i nanoteknologi
Emnet omhandlar fysiske og kjemiske føresetnader for nanoteknologi. Det vert lagt vekt på å forstågrunnleggjande samanhengar mellom atomære vekselverknader og strukturen av ulike aggregat.
Emnet gir innføring i utprøvde teknikkar og skal diskutere føresetnader for planlagte teknologier.
Fysiske prinsipp for "atomic force microscopy" og relaterte metodar for manipulering av atom, nye optiske metodarsom kan operere på lengdeskala langt under bølgelengda, bruk av elektronmikroskopi samt avbildning med massive partiklar blir behandla både i forelesningarog gjennom prosjektarbeid.
Nanoprosessar og nanomaterial
• Emnet er primært eit laboratoriekurs som brukar nanoteknologiske prosessar i framstilling og analyse av nanomaterial. Emnet er 3-delt,og kvar del hentar teknikkar fra éit av områda kjemi, fysikk og molekylærbiologi.
Nanochemistry@UiBSynthesis Approaches toward
Nanostructured Catalysts
Reiner AnwanderDepartment of Chemistry/UiB, Allégt. 41, phone: 89491, fax: 89490,
Email: [email protected], website: http://www.kj.uib.no/anwander
MOxnanoparticles
SiO2
50 nm1 nm
functionallayer(s)
NANOhas its origin in theGreek word νανοσ (= nanos)which translates into dwarf,same in Italian (nano = dwarf)
is nanochemistrychemistry which is done by nisser?
Nanochemistry
„Nano is a wordthat has now left the science reservationand entered the public consciousness“ Geoff Ozin
„Going Nano does not mean going nuts“
The NANO Size Regime
1 nm 1 mm
Nanochemistry
The NANO Size Regime
1 nm= 10-9 m= 10 Å
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm
NANO-scale
C–C bond(0.15 nm)
dwarf(10-1 m)
iPod nano
micrometer-scale
Nanochemistry
The NANO size regime
1 nm= 10-9 m= 10 Å
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm
NANO-scale
proteins
carbonic anhydraseca. 30 kDa (259 amino acids)size: 4×4×5.5 nm
C–C bond(0.15 nm)
micrometer-scale
Nanochemistry
The NANO size regime
1 nm= 10-9 m= 10 Å
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm
NANO-scale
C–C bond(0.15 nm)
micrometer-scale
Nanochemistry
The NANO Size Regime
1 nm= 10-9 m= 10 Å
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm
NANO-scale
HIV virus
human hair
red bloodcell
proteins
„In the Beginning There was Nano“ Geoff Ozin
C–C bond(0.15 nm)
DNAdouble helix
micrometer-scale
Nanochemistry
The NANO Size Regime
1 nm= 10-9 m= 10 Å
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm
NANO-scale
C–C bond(0.15 nm)
dendrimers
„Chemistry Before Nano Hysteria started“
C60(0.7 nm)
micrometer-scale
Nanochemistry
The NANO Size Regime
1 nm= 10-9 m= 10 Å
10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 100 µm
NANO-scale
C–C bond(0.15 nm)
dendrimers
Au or Ag sols
polymer latexes
silica colloids
„Chemistry Before Nano Hysteria started“
C60(0.7 nm)
micrometer-scale
Nanochemistry
Nanochemistry„designing and synthesizing ofmaterials with the right length scaleand particular form“„(nano)size and shape determinesparticular property, function, utility“„all matter has a shapeand all shapes matter“
„nanoscience and nanotechnology are visions of making,imaging, manipulating, and utilizing things really small“
Nanochemistry
Nanochemistryis the „bottom-up“ approach
and not
the “top-down“ approachwhich is used bysolid-state engineering physics
Nanochemistry
Nature went NANO long ago bio-inspired research!
Nature 1991, 349, 541-544; Science 1992, 257, 522-523.
Ferritin: Major Iron-Storage Protein in Living Organisms- spherical shell consisting of 24 subunits (peptide chains, total 474 kDa)- hollow sphere ca. 8 nm in diameter with walls that are 1 nm thick- storage of as many as 4500 Fe centers as [FeIIIO(OH,H2PO4)] clusters
Nanochemistry
Magnetotactic Bacteria – Biomineralization of Magnetite
mineralize „magnetosomes“ (14-120 nm ~ size single magnetic domains)magnetite (Fe3O4) crystals in intracellular membrane vesicles,in a highly controlled manner
exhibit orientation along the earth´s magnetic field
50 nm
Nanochemistry
Do Animals Use Magentism in a NANO Way to Navigate?
Nanochemistry
Applications and Perspectives ofNanostructured Materials
Do We Need NANO?
Nanoparticles: Medicine and Pharmaceuticals
cancer detection and treatment:- [Au]nano-antibody specifically binds (600:1) to EGFR (epidermal growth factor receptor) - [Au]nano (best when 35 nm in size) absorb laser light which helps to kill (breast) cancer cells - noninvasive
more efficient mineral uptake:- „nano-liquid“ and „spray active“ - nano-Si, nano-Ca, and nano-Mg (3-10 nm)
heart stroke diagnosis:- colored [Au]nano (40 nm) bind to blood troponin T via an antibody reaction
Nanochemistry
Nanoparticles: Engineered Textiles and Packaging
safer food packaging:- antimicrobial [ZnO]nano or [MgO]nano are effective in killing microorganisms- replacement of [Ag]nano- SINTEF: uses nanocomposites of nanoparticles in thin films to transport gases through the plastic film to pump out dirty air such as CO2
nanofibers in textiles:- coatings and nanoscaled fibers- sportwear: „waterproof“, „breathable“- antimicrobial nanocoatings kill bacteria, reduce inflammation and promote healing („wound dressings“)
Nanochemistry
Nanoporous Materials: Petrochemical Catalysis
Fischer-Tropsch synthesis (FTS):- synthesis of gasoline (benzine) from syngas (CO + H2)- nanostructured catalysts (Al2O3/[Co]nano/Re2O7)
fluid catalytic cracking (FCC):- synthesis of gasoline (benzine) from crude oil feeds- rare-earth-exchanged zeolite-Y catalyst with high surface (1000 m2g-1)
Ln3+
Nanochemistry
Nanoporous Materials: Hydrogen Storage
carbon nanotubes:- 5 wt% at 77 K- <1 wt% at room temperature and high pressure
requirements for transportation applications(U.S. Department of Energy):- vehicles should have a range of 480 km (300 miles)- 9.0 wt% uptake and 81 kg H2 per m3
MOF-5Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 4670-4679.
MOFs (metalorganic frameworks):- 1.62 wt% at 77 K- 1 wt% at room temperature and 10 bar
Nanochemistry
Nanoporous Materials: Advanced Computing
SWNT for molecular electronics technologies:- SWNTs are either metallic or semiconducting- SWNTs are strong, nonreactive, and tolerant of extreme temperatures- molecular wires or molecular switches will enable next-generation memory and logic chips- device fabrication: diodes and transistors
Nanochemistry
More Fancy Stuff
A „NanoCar“ (3-4 nm sized):- development of molecular machines (Rice University/Houston)- chassis and „free-rotating axles in pivoting suspension“ (organic molecules) and „bucky-balls“ as wheels- STM (scanning tunneling microscope) proves „rolling“ and not „sliding“
Nanochemistry
1 nm 10 nm 100 nm 1 µm
NANO-scale
[Ag344S124(StBu)96]a even larger salt-like clustersize: ø = 3.0 nmcolor: black
C–C bond(0.15 nm)
D. Fenske et alAngew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 5242-5246.
The Largest Single-Crystalline Nano-Sized Clusters
micrometer-scale
Nanochemistry
1 nm 10 nm 100 nm 1 µm
NANO-scale
Na48[HxMo368O1032(H2O)240(SO4)48] × ca. 1000H2O:the largest salt-like cluster iscalled Mo368 nano-hedgehog- size: ø = 6.0 nm (cf., hemoglobin)- 1880 non-hydrogen atoms- color: dark blue
C–C bond(0.15 nm)
A. Müller et alAngew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1162-1167.
The Largest Single-Crystalline Nano-Sized Clusters
micrometer-scale
Nanochemistry
1 nm 10 nm 100 nm 1 µm
NANO-scale
Na48[HxMo368O1032(H2O)240(SO4)48] × ca. 1000H2O:the largest salt-like cluster iscalled Mo368 nano-hedgehog- size: ø = 6.0 nm (cf., hemoglobin)- 1880 non-hydrogen atoms- color: dark blue
C–C bond(0.15 nm)
A. Müller et alAngew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1162-1167.
The Largest Single-Crystalline Nano-Sized Clusters
micrometer-scale
Nanochemistry
synthesis of ligand-capped semiconductor nanoclusters:
- cluster size depends on precursor concentration in solution (1-5 nm)- optical emission spectra depend on the cluster size
Smart Clusters: Quantum Size Effects
J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 8706.
n Me2Cd + n nBu3PSe + m nOct3PO(nOct3PO)m(CdSe)n + n/2 C2H6 + n nBu3P
solvent, 300°C
RRR
RRRR
R
RRR
RRRRR
RRRRR
RRRRR
CdSe
[CdSe]nano size
Nanochemistry
Mesoporous Silica (SiO2)x:Shaping Inorganics as Nature Does
50 nm
Nanochemistry
Mesoporous Silica (SiO2)x:Structural Order in the Nanoregime
50 nm
Nanochemistry
Semicrystalline, Periodic Mesoporous Silicas (PMSs):Versatile Hosts for Intrapore Chemistry
MCM-41/SBA-15(hexagonal, P6mm)
pores: 2-30 nm
MCM-48(cubic, Ia3d)
pores: 1.5-4 nm
SBA-1(cubic, Pm3n)
pores: 2.0-3.0 nmsuper cage: d = 4 nm
Chem. Mater. 2002, 14, 1827-1831.
Nanochemistry
OrganometallicGrafting
Surface Organometallic Chemistry @ PMS Materials:Molecularly Defined Nanoreactors
OSiOSiOSi
OSiOSiOSi
OHOH OHOH
„MRn“@PMSPeriodic Mesoporous Silica
OO
OSiOSiOSi
OSiOSiOSi
OO
SiR3 MM
R
Nanochemistry
Rare-Earth Elements in Industrial Homogeneous Catalysis:High-Cis Polybutadiene Rubbers
Ultra-high-performance composite materials
• high-cis polybutadiene• soot („carbon black“)• zink oxide• sulfur• stearic acid• TBBS, silica, silane• oil
Tires (tread)
Nanochemistry
OrganometallicGrafting
Periodic Mesoporous Silica
High-Surface Modular Mesoporous Catalysts
Calcination
„MRn“@PMS
MxOz@PMS
100 nm
Nanochemistry
OrganometallicGrafting
Periodic MesoporousSilica
High-Surface Modular Mesoporous Catalysts
Calcination
(M2xOz)(M1
yOz)@PMS
(„M2Rm“)(M1
xOz)@PMS
Nanochemistry
High-Surface Heterobi(tri)metallic Mesoporous Catalysts:
[Rh/MgO/CeOx]@PMS RhRh
O SiO Si OSi
OO SiO Si O Si
O
Ce Ce
O O
O
O O O
Ce
OMg
O
MgOH
O
OH
RhRh
O O
Mo
O
Mo
O HO
Mo
O
OSiOSiOSi
O
OSiOSiOSi
O O
Bi
O
Bi
OH
O
OH
SOHIO acrolein process:oxidation of propylenewith air at 350 °C/0.2 MPa
[Bi2O3/MoO3]@PMS
DeNOx catalysis:automotive exhaust three-way catalysts at 500 °C/air
Nanochemistry
OrganometallicGrafting
Periodic Mesoporous Silica
Nanocasting of Oxidic Materials via PMS Templating
NaOH
Nanoscale MxOy
Calcination
MxOy@PMS
„MRn“@PMS
Nanochemistry
Nanocasting of Rare-Earth Metal Oxides
n-[La2O3]
n-[Tb2O3]
n-[ZrO2(Y2O3)]
„YSZ“
n-[CeO2(Tb2O3)]
Dielectrics for Transistors:“down“ scaling of criticaltransistor dimensions of integratedcircuit (IC) components
Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs):anode, Ni-ZrO2(Y) cermetcathode, LnMnO3 perovskite
Automotive Exhaust:3-way catalystNOx-storage catalyst
Nanochemistry
„Nanomaterials may have a different toxicitythan their bulk counterparts.“ Jeoff Ozin
Nano Safety
Nanochemistry
„ ... nanochemistry (technology) is a tool-driven field“
„The field of nanoscience ...is one of today`s most challenging, exciting,multi-disciplinary and competitive fields,and one of the most highly funded ...
... it is considered poised to revolutionize the world as weknow it, and transform it into something better.“ Jeoff Ozin
Nanoscience@UiB ... started fall 2005
NanoEdu
NanoBio
NanoBasic
NanoProcess
Knut Børve
ReinerAnwander
Hans-HermannGerdes
Nanochemistry
1
Design av nanokatalysatorer og aktive forbindelser
• Molekylmodelleringens typiske rolle– Forklare (i ettertid…)
• Rolle for fremtiden
– Forklare og forutsi• Utforske modelleringens prediksjonspotensial
– Industriell katalyse, nanokatalysatorer– Enzymatisk katalyse, metalloenzymer
Molekylmodelleringens rolle
• Innsikt – mekanisme
• Utviklingsverktøy: for eksempel ”in silico drug design”– Medikamentutvikling basert på beregnede egenskaper– Rask ”screening” av store biblioteker av molekyler– Prediksjon av aktive strukturer � syntese– Bruk av multivariate metoder (f.eks.: QSAR)
– ”In silico” modellering svært viktig for farmasøytisk industri:• 2006: ca. 10% av F&U-kostnadene• 2016: ca. 20% av F&U-kostnadene
(Nature Reviews Drug Discovery 2003, 2, 193)
2
Molekylmodellering ved Kjemisk institutt
• Nanokatalaysatorer:– Industriell katalyse
• Studier av industrielt viktige prosesser, mekanisme• Design av katalysatorer
– Biokatalyse• Studier av metalloenzymer• Design av ligander/medikamenter• ”Bio-mimic”, små modeller av metalloenzymer
• Spektroskopi – (Knut J. Børve)
Utvikling av katalysatorer for olefinmetatese
• Prosedyre– Kvantekjemisk beregnede egenskaper– Multivariat modellering prediksjon (QSAR)– Uttesting av prediksjoner
• Prof. Hans-René Bjørsvik (UiB)• Prof. Alois Fürstner (MPI-Kohlenforschung),
Tyskland
Arbeider–G. Occhipinti, H.R. Bjørsvik, and V.R. Jensen, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 6952-6964.
3
Beregnede katalytiske aktiviteter
N N..
N N HH ..
IMes
H2IMesCO
N
C
+
As(CH3)3
PPh3
PP HH..
S
N
N
H
N(CH3)3O
Cl2IMesPCy3
PiPr3P(OCH3)3
NN..
NN
NPhPh
Ph
..
Metalldopede karbon-nanostrukturer
• Systematiske studier av struktur/stabilitet– Substituerte fullerener, MC59.– ”Exohedral” metallofullerener, MC60.
• Systematisk søk etter katalytiske egenskaper– Hydroformylering, hydrogenering,
olefinmetatese, Monsanto-prosessen, etc
Arbeider–O. Loboda, V.R. Jensen, K.J. Børve, Fullerenes Nanotubesand Carbon Nanostructures, 2006, 14, 365-371.
–M. Sparta, V.R. Jensen, K.J. Børve, Fullerenes Nanotubesand Carbon Nanostructures, 2006, 14, 269-278.
–Sparta, M.; Børve, K. J.; Jensen, V. R. J. Phys. Chem. A2006, 110, 11711-11716.
4
Eksempel: Substituerte metallofullerener
• Kan forvente at egenskaper kan skreddersys:– Tett metall—fulleren-kontakt, – Gjensidig påvirkning
gjennom delokalisert πsystem.
– Overgangsmetallet eksponert
• Metastabile– MC59 observert kun for Fe, Co, Rh, Ir, Ni, Pt– Lite strukturinformasjon fra eksperiment– Teori kan avhjelpe mangelen på informasjon
MC59 – Form og struktur
5
Strukturdeformasjon som følge av doping
• Deformasjonene er lokale!
• Strukturen til YC59 superposisjonert på C60 :
Beregnet stabilitet
• Referansereaksjon:C60 + MCl3 + ½Cl2 � MC59 + CCl4(C60 + NiCl2 + Cl2 � NiC59 + CCl4)
6
Biokatalyse – Aromatisk aminosyre hydroksylaser
• Fysiologisk viktige metalloenzymer– Syntese av nevrotransmittere– Nedbrytning av fenylalanin.
• Modellering / QSAR-prosedyre– Design av modellenzymer (bio-
mimic)– Design av ligander (drug-design)
• Samarbeid: – Prof. Aurora Martinez (Institutt for
biomedisin)– Dr. Nathalie Reuter (BCCS)
Arbeider–K. Teigen, V. R. Jensen, A. Martinez, Pteridines 2005, 16, 27-34
Eksempel på nanomotor: kalsium ATPase
Aggregattilstandar: Frå gass tilfaste stoff
AtomMolekyl
KlasarNanodråpar
Kondensertefasar
Fast stoff
væske
Klasar
• Klasar er ansamlingar/aggregat av atom eller molekyl og kan variere i storleik frå dimerar og opp til ti-tusenvis av byggeklossar.
• Klasar blir klassifisert etter type byggeklossar og bindingstypen: metalliske, kovalente, edelgass-, og molekylære klasar.
Karbon60 Argon13 Metanol200
Kvifor studere klasar?
Klasar er interessante fordi dei fysiske og kjemiske eigenskapane deira varierer med storleiken.
Storleik
Fysi
sk e
igen
skap
Storleiksområde for kvanteeffektar
Karakterisering på nanoskala
Døme: Gull som katalysator
Oksidasjon av CO som funksjon av Auklasestorleik for Au/TiO2(001)/Mo(100)Kjelde: Valden et al., Catal. Lett. 56 (1998) 7.
Topografiske STM bilete av Au klasar påTiO2 etter reaksjon med CO/O2Kjelde: Choudhary & Goodman, Topics in Catalysis 21 (2002) 25.
Modellering av klasar
Klasestorleik
Kvantemekanikk(electrona er i fokus)
Klassisk mekanikk(klasen blir behandla
som ein ’ball’)
Hybrid kvante/klassisk mekanikk
Lite, N< 100 Medium, 100<N<10000 Stort, N>10000
Klassisk mekanikk via kraftfeltKrafter internt i klasen blir rekna ut ved hjelp av kraftfeltet.
( )⎪⎩
⎪⎨⎧
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
612
LJ 4rr
rU σσε
Dispersjon
Metan
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
−= 30
21
42
rUdd πε
µµ
dipol-dipol
Metylchlorid
EnergiFFE
H-binding
Metanol
][1
2121
θµQMMTMUElec
==
Intermolekylærekrefter
Geometrisk struktur av klasar
Klasar kan typisk eksistere i veldig mange ulike strukturar som har same eller liknande energi.
Globaltminimum
Lokaleminima
Struktur og tidsutvikling
Informasjon frå éin struktur vil gjerne gi ei dårlegskildring av eigenskapane til klasen.
Struktur og tidsutvikling
We use computational techniques capable of accuratelyreproducing the probabilistic distribution of clusterstructures: Molecular Dynamics (MD) Simulations
Molekyldynamikk av metanolklase
Vel start posisjonar og fartarR0,V0
Rekn ut kreftene på kvart atom
Bruk Newtons likningF = ma til å finne nye
Nye fartar V, og Nye posisjonar R
Rekn ut eigenskapar
Stabilisering av klasar
Deponering på overflater.
Problem: Klasar kan smelta saman til einhomogen film
Vi undersøkjer om ein kan stabilisereKlasar ved å bruka eit passiverande lag..