Uusien polymeerimateriaalien mahdollisuudet: Nanoteknologiasta, nanobioteknologiasta

Transkriptio

1

2 Olli Ikkala Uusien polymeerimateriaalien mahdollisuudet: anoteknologiasta, nanobioteknologiasta ja muista tulevaisuuden älykkäistä materiaaleista Teknillisen fysiikan professori, aiheena toimivat nanorakenteet Akatemiaprofessori Teknillinen korkeakoulu Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto Suomen akatemian huippututkimusyksikkö: Bio ja nanopolymeerit sekä Uusien materiaalien keskus puh

3 How the polymer future was seen in the end of 1980 s vs the present situation Expected dfuture By produced amount (tonnes) Realized Special polymers: liquid crystalline polymers, electrical polymers, etc etc Commodity polymers: polyolefins etc etc By turnover the situation is very much better Adapted from P Lemstra

4 Atomit Molekyylit Elektroniikka Hius C O Kemia Biokemia Elektroniikka Insinööritieteet Materiaalitieteet Bottom-up nanoteknologia anotieteet anoteknologiat 1-100nm Top-down nanoteknologia

5 The transparancy borrowed from Kai ordlund Why does nano give new properties 1: Much surfaces and interfaces with new properties How large a fraction of atoms are on the surface of a sphere? Macroscopic sphere: r= 1 m => Microscopic sphere : r= 1 μm => anoscopic sphere : r= 1 nm => 0.6!! The surface atoms specify the properties: ew properties

6 The transparancy borrowed from Kai ordlund Why does nano give new properties 2: Quantum phenomena lead to new propertiesp If the structure is smaller than the wavelength of electron wavefunction, the electron can be trapped.

7 Hiilen nanoputket Ovatko ne tulevaisuuden polymeereja s

8 Hiilellä C useita olomuotoja Timantti Grafiitti Hiilen nanoputket nm Uudet hiilen olomuodot: Hiilen nanoputket 1 nm = mm

9 Hiilen nanoputkella poikkeukselliset ominaisuudet nm Mekaaniset omimaisuudet Hyvin jäykkä päistä vedettäessä: timantin luokkaa (Kimmokerroin 1000 Gpa) Taivuteltaessa pehmeä, kuten polymeeri Sähköiset ominaisuudet Joko puolijohde tai johde Hiilen nanoputkista yritetään valmistaa elektroniikan komponentteja 1 nm = mm s

10 Hiilen nanoputkien seokset polymeerien kanssa nm Tavoitteena lujittaa perinteisiä polymeerejä Jos sekoistetaan t hiilen nanoputket t polymeeriehin, yleensä ei saavuteta hyviä ominaisuuksia Irtoaa rajapinnasta Modifioitava pintaa Parhaillaan työn alla monessa paikassa

11 Cellulose anofibers to reinforce polymers One cellulose l fiber contains smaller fibers Either nanoscale network Or nanoscale rods Mixing with polymers leads to enhanced properties For example: polyurethane

12 Fullereeni = pyöreä nanoputki 60 hiiliatomia muodostaa pallon obel-palkinto lki 1996 Kroto, Smalley Koko 1 nm Mahdollisia sovellutuksia Voiteluaine Lääkeaineen kuljetus? Aurinkokennot Elektronien vastaanottaja anomuistit

13 Fullereenin ja polystyreenin seos voi toimia elektroniikan muistimateriaalina! Sekoitetaan polystyreeniin 5-7 % fullereeneja Fullereenit voivat vastaanottaa tt 6 elektronia e voidaan ladata fullereeneihin jännitteessä ja lukea n

14

15 Atomivoimamikroskoopilla piirtäminen s

16

17 Mutta miksi biomateriaalit kiinnostavia 200 nm Elektroniikan rakenteet Dimens sions of the structures (Å) nm nm0 Semiconductors for electronics Biomateriaalien Biological structures rakenteet Vuosi Year 1 nm = mm

18 Miksi materiaalitiede on kiinnostunut biomateriaaleista: uudenlaisia nanomateriaaleja DA Luu Biomateriaalit toiminnallisia Muodostavat nanokokoisia rakenteita Toiminnallisuus ja rakenne koodattu Oppivia ja sopeutuvia materiaaleja Tarkka synteesi Vaikeuksia Vaikeita ymmärtää Vaikea tuottaa suuria määriä Simpukan kuoret

19 Ohjelmoidaan A ja B partikkelit DAn avulla järjestymään halutulla tavalla DA

20 Tyypillistä biomateriaaleille anorakenteet muodostuvat Itsejärjetymisellä Tunnistamisella Evoluutio Monistuminen

21 Temperatu Two polymers A (red) and B (blue) Block copolymer self-assembly Mixing them leads to macroscopic phase separation in general, ie. they are repulsive Connect them covalently which prevents macroscopic phase separation. The phase separation takes place in the length scale of polymer chains More generally examples of self-assembly or self-organization Self-assembly forms due to competition of interactions Example: Polystyrene (A) and polyisoprene (B), both chains have the same length Transmission electron microscopy (TEM) with eg. Ruthenium tetroxide staining H H C C H n H H H C C C C CH 3 H H n Polystyrene-block-polyisoprene A Repulsion Attraction B anoscale structures nm Lamellar self-organized Poly(A-block-B) nanoscale structures Periodicity nm re T Volume fraction of the A-block χ Small angle X- ray scattering (SAXS). q=(4π/λ)sin(θ) where 2θ = scattering angle λ=1.54å wavelength of X-rays Phase behavior depends on:

22 Cylindrical self-assembled nanoscale structures of the block copolymers l If one block is made longer than the other, other the volume fraction of one block being , one obtains cylindrical phase. Just due to space filling I Interface f between b A and db Bcurved d Hexagonal packing This example is for triblock copolymer Polystyrene-blockpolybutadiene-block-polystyrene Essentially similar than diblock copolymer

23 Spherical (micellar) self-assembled nanoscale structures of diblock copolymers If one block is made longer than the other, the volume fraction of one bl k being block b i less l than h ca. 0.16, one obtains spherical phase. Short polybutadiene chains Long polystyrene chains Micellar cores of polybutadiene H H C C H H H C C C C H H H n H n B d center cubic Body bi packing ki

24 Towards more complex structures: add repulsive blocks Triblock copolymers ABC A Four blocks F bl k Five blocks etc Fredrickson, Bates, Stadler, Abetz, etc B C

25 Itsejärjestyvät polymeerit nanomuotteina Valmistetaan esim 10 nm kokoisia magneetteja Uudenlaiset muistit 1 nm = mm

26 Huokosten seinät voivat olla biokemiallisesti aktiivisia Lee et al, Science 2002, 296, 2198

27 Itsejärjestyvät polymeerit mahdollistavat uusia optisia ominaisuuksia Kun nanorakenteen koko säädetään oikein, syntyy värejä Kosonen et al, Eur Phys J, nm 90 nm 130 nm 1 nm = mm

28 Lääkeaineen kuljetus T

29 LEGO-leikkejä molekyylitasolla Miten voidaan koota molekyylejä

30 Supramolekyylit: Molekyylit yhdistyvät kuin avain ja lukko (tai Legot) Molekyylit yhdistyvät kuin avain ja lukko (tai Legot) Tupakkamosaiikkivirus DA + proteeinit

31 Molekyylitason rengasleikkejä DA Proteiinit Molekyylitason ompelukone Molekyylitason kytkin

32

33 Polyelectrolyte-surfactant complexes for conjugated polyaniline PAI-surfactant complex Dodecyl benzene sulfonic acid Many other surfactants... H H H n Zheng, Wang, Levon, Rong, Taka, Pan, Makromol. Chem. Phys. 1995, 196, 2443 PAIPOL (Porvoo)

34 Elektroniikkaa muoveilla Älykkäät hintalaput Erittäin herkkä räjähdysaineilmaisin Sähköisesti johtavalla muovilla valmistettu elektroniikkaa muovikalvolla ll Halpaa

35

36

37

38 Temperature responsive polymer chains A Okano et al

39 How to transduce motion Valine-Proline-Glycine-Valine-Glycine polypeptide (VPGVG) Low T High T Water ordered with hydrogen bonds at hydrophobic domains Polymer extended Hydrogen bonds of water reduced Polymer folded Urry et al

40 Layer-by-Layer deposition

41 Layer-by-Layer deposition Colloidal particles 200 nm to 10 μm Layer-by-Layer deposition of polyelectrolyte layers The colloidal particle dissolved off Surface layer permeable

42 Dendrimers

43 Block copolymer micelle lithography Aim to control the ligands at the spacing in the nm range Polystyrene-block-poly(2-vinylpyridine) in toluene Aurate salts in reverse micellar core Casting on Si wafer or glass substrate m block n Reduction of gold salts to gold Gold nanodot sizes <8 nm HAuCl 4 Their spacing 28 nm, 58 nm, 73 nm, 85 nm

44 Selection of the length scales for hierarchical self-assembly with Monkman et al with Faul et al with Stamm et al Ruokolainen, Mäkinen, Torkkeli, Mäkelä, Serimaa, ten Brinke, O. Ikkala, Si Science, 280, 557 (1998). Ikkala & ten Brinke Science 2002, 295, Mezzenga, Ruokolainen, Fredrickson, Kramer, Moses, Heeger, Ikkala, Science, 299, 1872 (2003). Kramer and Fredrickson et al Ikkala & ten Brinke Chem Comm 2004, 2131 Valkama, Kosonen, Ruokolainen, Haatainen, Torkkeli, Serimaa, ten Brinke, and Ikkala, ature Materials, 2004 in press