Nanomateriale

1. TERMINOLOGIE. GENERALITĂŢI

Nanomaterialul este un material cu proprietăţi particulare datorate structurii sale nanometrice. Proprietăţile deosebite se datorează caracterului unidimensional al structurii. Un asemenea tip de material se obţine, de regulă, printr-o nanotehnologie.

Aplicaţii :

• miniaturizări ;

• asamblări de atomi în sisteme complexe.

Fizicianul Richard Feynman, premiul NOBEL pentru fizică în 1965, este considerat fondatorul acestei discipline. El a afirmat în faţa Societăţii Americane de fizică la 29 decembrie 1959 că există destul spaţiu în jos « There is Plenty of Room at the Bottom ».

Nanotehnologia este ansamblul de tehnici care vizează producerea, manipularea şi utilizarea obiectelor şi materialelor la scară nanometrică (10-9 m) mai precis cu dimensiuni situate între 1 şi 100 nanometri. Este vorba de manipulare directă a moleculelor şi atomilor Unele din principalele instrumente de manipulare directă a acestor particule sunt microscopul cu efect tunnel şi cel cu fortă atomică cu care se pot deplasa atomi unul câte unul.

Microscoapele STM/AFM (Scanning Tunneling et Atomic Force Microscopy), au denumirea generală de microscoape cu sondă locală. Această denumire este legată de faptul că dimensiunile sondei (punctul de măsură) şi distanţa sa în raport cu eşantionul sunt foarte mici. De aceea, cu aceste microscoape trebuie scanat obiectul de studiat cu ajutorul sondei pentru a realiza imaginea unui obiect. Microscopul STM sondează densitatea de stări electronice din vecinătatea nivelului Fermi, în timp ce AFM sesizează interacţiile interatomice în condiţii de vid. De exemplu, microscopul STM realizat de Gerd Binning şi Heinrich Rohrer de la IBM Zurich are rezoluţie pe orizontală 0,1 Å şi 2 Å pe verticală (premiul Nobel pentru fizică).

Microscopul cu effect tunnel (1981) are următorul principiu de funcţionare:

-un ac foarte fin (din W sau Pt) constituie sonda care se apropie la 0,1 nm de suprafaţă care este baleiată;

-un potenţial continuu este aplicat între punct şi suprafaţă

-se măsoară curentului care trece între suprafaţă şi electrod fără barieră de potenţial (curent tunnel).

Microscopul cu forţă atomică posedă o extremitate metalică cu raza de 10 nanometri care parcurge eşantionul monitorizându-se printr-o rază laser poziţia sa.

Istoric

• 1959: Richard Feynman ţine un discurs la CalTech şi declară « There is Plenty of Room at the Bottom »

• 1969: Prima utilizarea a termenului de nanotehnologie de către Eric Drexler, student al lui Feynman

• 1981 : Inventarea microscopului cu efect tunnel

• 1985: Descoperirea fulerenelor

• 1986 : Inventarea microscopului cu forţă atomică

• 1990: Cercetători de la IBM scriu numele societăţii lor cu 35 atomi de xenon cu ajutorul microscopului cu efect tunnel pe o placa de nichel

• 1991: Descoperirea nanotuburilor

• 2001: Primul tranzistor realizat cu un nanotub

• 2003: Millipede este un prototip de sistem de stocare de daterealizat de IBM, utilizând perfotaţii nanometrice

• 2004: Primele procesoare gravate cu fineţea de 90 nm, de INTEL şi AMD

• 2005: Intel realizează tranzistoare de 65 nm

Exemple de nanomateriale studiate sau utilizate in prezent

• Nanotuburide carbon sau de nitrură de bor

• Nanopudre ceramice (silicaţi sau oxid de titan) : obţinute prin vaporizarea unor precursori metalici şi sau organici în flacără la foarte înaltă temperatură. Acestea sunt utilizate în tratarea suprafeţelor la durificare, la realizarea materialelor biocompatibile pentru implanturi osoase şi a polimerilor buni conductori electrici

• Nanofibre, în special de carbon : au proprietăţi conductive electric şi rezistenţă mecanică mare

• Nanofoi de sticlă : în domeniul discurilor optice. Obţinere de densitate mult mai mare de informaţie stocată de 4 ori valorificându-se depunerea de oxid de cobalt pe suprafaţă discului

• Nanofilme de ADN : aceste filme au proprietăţi filtrante cu utilitate în domeniul protecţiei mediului

• Nanocristale : cristale de diamant artificial sau alte cristale naturale cu proprieţi electrice pentru realizarea microprocesoaarelor

• Nanocomposite : materiale composite cu duritate mare sau transparente

Riscurile eventuale ale nanotehnologiilor

Utilizarea nanotehnologiilor ca o joncţiune între informatică şi biologie creează posibilităţi inedite ale căror consecinţe pe termen lung sau mediu nu sunt cunoscute (principiul precauţiei) trebuind să fie evaluate.

•

1. STRUCTURI NANOMETRICE

Formele cristalizate clasice ale carbonului în stare naturală (stările alotropice), cunoscute până în anul 1985, erau diamantul şi grafitul.

Diamantul este un mineral transparent, cel mai dur posibil. El a fost identificat la sfârşitul secolului 18 ca fiind o formă cristalină a carbonului de către Lavoisier şi Tennant. În această structură cristalină, fiecare atom este legat de 4 atomi vecini dispuşi în vârfurile unui tetraedru regulat distanţa minimă dintre atomi fiind de 0,136 nm.. Astfel se stabilesc între atomi legături foarte puternic în cadrul unei simetrii tetraedrice caracterizate prin densitate ridicată şi anizotropie.