Nanomateriaalit TULEVAISUUDEN MATERIAALIT A1400 APULAISPROFESSORI PÄIVI LAAKSONEN

Nanomateriaalit TULEVAISUUDEN MATERIAALIT A1400 APULAISPROFESSORI PÄIVI LAAKSONEN

Luennon sisältö Mitä ovat nanomateriaalit? - Miksi nanomateriaalit poikkeavat muista materiaaleista? Esimerkkejä nanomateriaaleista ja niiden ominaisuuksista (metallinanopartikkelit, nanoselluloosa, grafeeni, luonnon nanomateriaalit) Esitehtävä Nanotason erityispiirteitä Nanomateriaalien sovelluksia

Tutkimusryhmä: Nanorakenteet ja materiaalit Biotuotteiden ja biotekniikan laitos Apulaisprofessori Päivi Laaksonen Väitöskirjatyöntekijät: Wenwen Fang, Alessandra Griffo Diplomityöntekijät: Stefano Bortolotti, Hedar Al-Terke, Karri Mannermaa, Evelina Bäck Tutkimusaiheita: - Geneettisesti muokattujen proteiinien ominaisuudet: mekaaniset ominaisuudet, itsejärjestäytyminen - Nanoselluloosien ja proteiinien hybridimateriaalit - Itsevoitelevat pinnat Sovelluksia: Nanokomposiittimateriaalit, toiminnalliset pinnoitteet, kitkan ja kulumisen alentaminen Fang, W. W.; Arola, S.; Malho, J. M.; Kontturi, E.; Linder, M. B.; Laaksonen, P., Noncovalent Dispersion and Functionalization of Cellulose Nanocrystals with Proteins and Polysaccharides. Biomacromolecules 2016, 17 (4), 1458-1465 10.1021/acs.biomac.6b00067.

Mitä tarkoittaa nanoteknologia? International Organization for Standardization ISO: Nanotechnology is the science of engineering matter at the atomic and molecular scale (size range in nanometers, 10-9 m) Vähintään yksi nanomateriaalin mitoista on nanoskaalalla

Nanomateriaaleja voidaan valmistaa kahdella tavalla: Joko top-down-menetelmillä Muovaamalla materiaalia pienemmäksi Menetelmiä: litografia, kemiallinen liuotus, mekaaninen työstö 500 nm Nikolai Chekurov, Aalto University tai bottom-up-menetelmillä Rakentamalla pienemmistä yksiköistä Atomi tai molekyyli kerrallaan Menetelmiä: Kemiallinen synteesi, biokemiallinen tuotto/muokkaus, nanomanipulaatio P. Rothemund et al.

Nanomateriaalien luokittelu geometrian perusteella 0-ulotteiset: kaikki dimensiot nanoskaalalla (pistemäinen) Puolijohdenanopartikkelit (Quantum dot) Metalliset nanopartikkelit 1-ulotteiset: kaksi dimensiota nanoskaalalla (viivamainen) Metalliset nanolangat (nanowires) Hiilinanoputket Nanosellulloosa 2-ulotteiset: Yksi dimension nanoskaalalla (tasomainen) Grafeeni Mineraalinanohiutaleet Itsejärjestäytyneet yksikerrokset 3-ulotteiset: Nanomateriaaleista muodostuvia bulkkimateriaaleja Nanokomposiitit, laminaariset rakenteet Nanokiteiset materiaalit

Miksi nanomateriaalit poikkeavat muista materiaaleista? Miten materiaali itse muuttuu (sisäiset tekijät): Atomeja on vain vähän, joten aineen energiatasot harvenevat, jopa kvantittuvat Aineen elektronit käyttäytyvät uudella tavalla Puolijohdenanopartikkelit kuin kvanttipisteitä Metallisilla klustereilla havaittava HOMO-LUMO ero http://www.sigmaaldrich.com/technical-documents/articles/materialsscience/nanomaterials/quantum-dots.html

Nanomateriaalien ulkoiset tekijät Miten vuorovaikutus ympäristön kanssa muuttuu: Nanomateriaalit vuorovaikuttavat sähkömagneettisen kentän kanssa poikkeuksellisesti Pienikokoiset partikkelit eivät siroa valoa, mutta saattavat absorboida sitä voimakkaasti Pieni koko johtaa suureen pinta-ala/tilavuus suhteeseen, jolloin pintailmiöt korostuvat Adheesio ja kitka merkittäviä nanotasolla Pintaplasmonit Kaarevuussäteen pieneneminen kasvattaa Gibbsin vapaata energiaa, mikä lisää partikkelien reaktiivisuutta ja alentaa niiden sulamispistettä

0-ulotteiset materiaalit: Metallinanopartikkelit Kaikki kolme dimensiota nanomittakaavassa = pistemäisiä partikkeleita Tyypillistä metallisille nanopartikkeleille: Alhainen sulamispiste sintraantuvat helposti Valtava pinta-ala / tilavuus järjestäytyvät, saostuvat ja kiinnittyvät helposti muihin materiaaleihin Partikkelit voidaan stabiloida kerroksella orgaanisia molekyylejä (monolayer protected clusters) Steerinen stabilointi sekä sähköstaattiset vuorovaikutukset voivat estää saostumisen Sulamislämpötila nousee Voidaan funktionalisoida tai leimata

Metallinanopartikkelien optiset ominaisuudet Pieni koko saa elektronit käyttäytymään plasmonipilvenä, joka värähtelee tietyllä taajuudella Eri kokoiset ja muotoiset partikkelit vuorovaikuttavat valon kanssa eri tavoin absorboimalla tiettyä valon aallonpituutta Koko ja muoto vaikuttavat optisiin ominaisuuksiin $ $ $ 13 nm Au partikkelit absorboivat 520 nm:n aallonpituudella $ $ $ http://nanocomposix.eu/pages/color-engineering

J. Pharm. Bioallied. Sci. 2010, 2(4), 282 289.

Nanopartikkelien sähköiset ominaisuudet Puolijohde Erikoiset sähköiset ominaisuudet: kvantittuneet varaustilat näkyvät erityisesti puolijohteilla Eristävä molekyylikerros saa metallisen nanopartikkelin käyttäytymään kuin hyvin pienen kondensaattorin 0.5 3nm Hyvin pienillä klustereilla myös molekyyliorbitaalin omaiset energiatilat Metalli J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 6644 6645 Chem. Soc. Rev., 2008, 37, 1836 1846

Magneettiset nanopartikkelit Kun ferromagneettinen partikkeli on vain yhden magneettisen alkeisalueen kokoinen, siitä tulee superparamagneettinen Magnetisoituu hyvin voimakkaasti ulkoisessa kentässä Jaakko V. I. Timonen, Mika Latikka, Ludwik Leibler, Robin H. A. Ras, Olli Ikkala Switchable Static and Dynamic Self-Assembly of Magnetic Droplets on Superhydrophobic Surfaces, Science, 2013, 341, 253-257.

1-ulotteiset nanomateriaalit: muoto Kaksi dimensiota nanomittakaavassa 1-ulotteisten nanomateriaalien muoto voi vaihdella neulamaisesta, lankamaiseen Kuvataan ns. muotosuhteen avulla, eli suurin:pienin dimensio Suuri muotosuhde: muodostavat verkostoja Pieni muotosuhde: nanoneuloja, jotka eivät vuorovaikuta vahvasti Taipumus muodostaa kimppuja muotosuhde = a/b b a

1-ulotteiset nanomateriaalit: nanoselluloosa Neulamaiset selluloosananokiteet (nanowhiskers) Lankamaiset nanoselluloosafibrillit (cellulose nanofibrils) Eristetään tyypillisesti puusta tai muista kasveista, myös jotkin bakteerit tuottavat nanoseluloosaa suojakseen Selluloosananokiteitä Selluloosananofibrillejä Tyypillisesti n. 10 nm paksuja ja 200-300 nm pitkiä Tyypillisesti 3-20 nm paksuja ja useiden mikrometrien pituisia

Nanoselluloosan rakenne Nanoselluloosa on pääosin selluloosaa, eikä poikkea tavallisesta selluloosasta Riippuen lähteestä, nanoselluloosa voi sisältää myös merkittävän osan ns. hemiselluloosia Nano-ominaisuudet johtuvat suuresta tartunta-alasta, kuitujen kietoutumisesta ja nestekiteiden muodostumisesta Philippe Tingaut et al. J. Mater. Chem., 2012, 22, 20105

Nanoselluloosageelit Nanoselluloosafibrillit muodostavat voimakkaasti hydrogeelejä, jotka nostavat veden viskositeettia tuntuvasti jo 1 p-%:n määrissä Hydrogeelirakenne on joustava, koska se ei ole ristisilloittunut Kuivaamalla hallitusti voidaan tehdä hyvin keveitä aerogeelejä Lääkinnälliset ja biologiset sovellukset Lääkeaineiden hidas vapautuminen geelirakenteista Kantasolujen kasvattaminen hydrogeeleissä Tuote: GrowDex - The cellulose based hydrogel for 3D cell culture, UPM Haavanhoitotuotteet http://cellulosefromfinland.fi/nanocellulose/ http://axcelonbp.com/axcelon-enters-into-a-canadian-distributionagreement-with-the-stevens-company-for-nanoderm/

Esitehtävä Käykää tutkimassa aulan postereita, etsikää vastauksia esitehtävän kysymyksiin 4-10. 4. Miten magneettisia nanopartikkeleita käytetään lääkkeenannossa? F. Sohrabi, Y. S. Ranawat, Magnetic Nano-particles for Drug Delivery 5. Miksi CoFe 2 O 4, NiFe 2 O 4 ja MnFe 2 O 4 nanopartikkelit eivät sovellu lääkkeenantoon? F. Sohrabi, Y. S. Ranawat, Magnetic Nano-particles for Drug Delivery 6. Hiilinanomateriaalien käyttäminen Litium-ioniparistoissa A. Leino, E. Pehto Carbon nanomaterials as battery electrode materials 7. Mikä nanopartikkelien toksisuuteen liittyvistä väitteistä on totta? Á. Corbato, T. Lafarge Risks and toxicity of nanoparticles 8. Mikä nanoelektroniikkaan liittyvistä väitteistä on totta? B. Madid, D. Paul, From Microelectronics to Nanoelectronics 9. TiO 2 -nanopartikkelit poistavat ilmansaasteita Zhenzi Chen and Yujiao Dong Nanotechnology in Housing 10. Rakennusteollisuus käyttää itsekorjautuvaa Zhenzi Chen and Yujiao Dong Nanotechnology in Housing

2-ulotteiset nanomateriaalit Yksi dimensio nanoskaalassa: levymäisiä materiaaleja Voivat olla itsenäisiä tai pinnoilla Yhden tai useamman molekyyli tai atomikerroksen muodostamia Nanomateriaalina pidetään materiaalia jonka ominaisuudet poikkeavat ns. bulkkimateriaalin ominaisuuksista kriittinen kerrosten lukumäärä

Grafeeni Grafeeni on atominohut 2-ulotteinen materiaali, joka muodostuu sp 2 - hybridisoituneista hiiliatomeista Valtava pinta-ala ja painon suhde (2630 m 2 /g), vastaa ½ jalkapallokenttää Soveltuu mm. sensoreihin, katalyyttisiin materiaaleihin, komposiittien lujittamiseen ja kaasun läpäisyä estäviksi laminaattimateriaaleiksi Hydrofobista ja inerttiä, mutta voidaan muokata kemiallisesti Laaksonen et al. Angew. Chem. 2010

Grafeenin keksiminen Grafeenin keksijöille myönnettiin Nobel-palkinto vuonna 2010 Andre Geim ja Konstantin Novoselov Grafeenia on aina ollut olemassa osana grafiittia, mutta sen esiintyminen itsenäisenä materiaalina oli epävarmaa, kunnes Geim ja Novoselov osoittivat eristäneensä grafeenia vuonna 2004 http://www.mccormick.northwestern.edu/magazine/fall- 2013/miracle-material.html https://fi.wikipedia.org/wiki/grafeeni

Grafeenin sähköiset ominaisuudet Grafeenin jokainen hiiliatomi on samanlainen symmetria näkyy myös sähköisissä ominaisuuksissa Grafeeni on sähköisesti kuin puolijohde, jolla ei ole energia-aukkoa (band gap) Grafeeni on erittäin hyvin sähköä johtavaa ja sähköinen kohina on hyvin alhainen Dopaamalla band gap voidaan avata Kun grafeenin kokoa pienennetään nanotasolle, korostuvat reunojen ominaisuudet 2D 1D Humberto Terrones at al. Rep. Prog. Phys. 75 (2012)

Grafeenin mekaaniset ominaisuudet Grafeenilla on erittäin korkea Youngin moduuli, 1 TPa Tiheyteensä nähden grafeeni on vahvin tunnettu materiaali Grafeeni on taipuisaa soveltuu taipuisiin elektronisiin laitteisiin Grafeeni soveltuu hyvin lujittamaan komposiittirakenteita, koska sillä on suuri pinta-ala sekä poikkeuksellisen hyvät mekaaniset ominaisuudet

Grafeenin sovellukset ja tulevaisuus Elektroniikka: Transistorit, kosketusnäytöt, superkondensaattorit, sensorit (korkea sähkönjohtavuus, taipuisuus, ohuus) Energian tuotanto: Aurinkokennot, polttokennot (läpinäkyvänä elektrodina, kaasunläpäisemättömänä kalvona) Komposiittimateriaalit: Polymeerikomposiitit, hiilikuitukomposiitit (keveys, lujuus, ohuus) Mattevi C. et al. 2012 Nanotechnology, 23.

3-ulotteiset nanomateriaalit Nanokokoisia komponentteja sisältäviä 3-ulotteisia materiaaleja Mahdollistavat nano-toiminnallisuudet suuremmassa mittakaavassa Esimerkiksi metalliset nanopartikkelit polymeerimatriisissa Nanokomposiitit Hyöty suuresta ominaispinta-alasta Nanomateriaaleilla voidaan muokata ominaisuuksia

Luonnon nanomateriaalit Miksi luonnonmateriaalit ovat kiinnostavia? Biomimetiikka on teknologian muoto, joka jäljittelee luonnon materiaaleja Esimerkkejä: veden alla toimivat liimat, nivelten alhainen kitka, kestävä, luja ja kevyt helmiäinen, luu, puu Mikä tekee näistä nanomateriaaleja? Rakentuvat tyypillisesti proteiineista, hiilihydraateista, mineraalihiukkasista Eri olomuodoissa, mutta järjestäytyneinä Nanobiomimetiikka

CES Edupack Vertailu eri materiaaliryhmien kesken

Luonnonmateriaalit

Luonnon nanokomposiitit Erilaisia materiaali- ja ominaisuusyhdistelmiä Tyypillisiä piirteitä Keveitä, mutta lujia Hierarkkisia Muodostuvat bottom-up periaatteella Eläviä (itsekorjautuvia, mukautuvia) Evoluution aikaansaamia, spesifiseen tarkoitukseen sopivia Komponenttien hyvät ominaisuudet yhdistyvät Monimutkaisia toistaa synteettisillä ratkaisuilla biomimetiikka

Hierarkian tuomia ominaisuuksia Eri mittakaavoilla olevien rakenteiden järjestäytyminen johtaa uusiin ominaisuuksiin Lotus-efekti: superhydrofobinen, likaa hylkivä pinta Gekko -liskon tarttuvat jalat Luonnon komposiittimateriaalit, joissa järjestäytyneitä rakenteita eri mittakaavoissa: puu, helmiäinen, luu Y-T Cheng and D Rodak 2005 Appl. Phys. Lett. http://www.flickr.com/photos/28481088@n00/621194912/ Chen, P. Y. etal. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 1, 2008, 208.

Karheuden tuomia ominaisuuksia Kostumisilmiöt: Hydrofobinen pinta Superhydrofobinen pinta Hydrofiilinen pinta Superhydrofiilinen pinta Karheiden partikkelien lukittuminen esim. helmiäisessä Pinnan karheus vähentää valon heijastusta Pinnan kiilto riippuu karheudesta Nanokarheus johtaa ultramustaan pintaan Yu E., 2015, Scientific Reports Vantablack https://www.surreynanosystems.com/vantablack/science-of-vantablack http://www.fabbaloo.com/blog/2016/6/15/want-to-finishyour-3d-print-in-vantablack-the-worlds-darkest-material

Nanomateriaalien sovelluksia Sovelluksia on paljon, esimerkiksi: Pinnoitteissa, elektroniikassa, kosmetiikassa, lääketieteessä, rakennusmateriaaleissa, katalyysissä Toksisuus rajoittaa käyttöä joissain sovelluksissa Hinta vs. suorituskyky Lainsäädäntö, turvallisuus ym. viranomaistyö edelleen keskeistä Ominaisuudet Huurtumattomuus, itsepuhdistuvuus Itsekorjautuvuus Hyvä dispergoituvuus ja nopea liukeneminen, esim. kehossa

Yhteenveto Nanomateriaalien muoto, koko, koostumus ja vuorovaikutus muiden materiaalien kanssa vaikuttavat niiden ominaisuuksiin Tyypillisesti nanomateriaalin ominaisuudet alkavat erottua, kun yksi dimensioista on alle 100 nm, joskus paljon tätä pienempi. Nanoteknologiassa materiaaleilla havaittavia ominaisuuksia voidaan muokata nanotasolla Luonnossa on monia kiinnostavia nanomateriaaleja

Reflektiotehtävä 1. Miksi punaiseksi värjätyt lasiesineet ovat kalliimpia kuin muut? 2. Nanoselluloosalla on olemassa olevia sovelluksia 3. Grafeenin ominaispinta-ala on 2630 m 2 /g. Kuinka moneen mikropiiriin riittäisi 1 g grafeenia, jos kaikki transistorit olisivat grafeenitransistoreita? Oletetaan, että yhdessä mikropiirissä on 3 10 9 kpl transistoria ja että yhdessä transistorissa grafeeni peittää 4 nm 2 :n alueen. 4. Mitkä luonnonmateriaaleihin liittyvät väittämät ovat totta? Oikeita vastauksia on useita