Nanotecnología - Institut Polytechnique LaSalle Beauvais - PDF

Nanotecnología Institut Polytechnique LaSalle Beuvais Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, France Institut Polytechnique LaSalle Beuvais Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, France Nanotecnología Evaluación del curso: Trabajos en clase: ….…………….…………...….....

Nanotecnología Institut Polytechnique LaSalle Beuvais Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, France Institut Polytechnique LaSalle Beuvais Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, France Nanotecnología Evaluación del curso: Trabajos en clase: ….…………….…………...….............20% NanoProyecto: …….……………….…………...…............40% Exámen:…………………………………….……………….40% Institut Polytechnique LaSalle Beauvais NanoProyecto: Preparación del proyecto: Subgrupos de 4 alumnos: Cada subgrupo elegirá un tema sobre Nanotecnologías (Alimentos, Salud, Cosméticos, Medicina, Agricultura, Aplicaciones medioambientales, Riesgos de las nanotecnologías, Preocupaciones medioambientales). Buscar artículos de revistas relacionados con el tema elegido. Escribir una presentación (PowerPoint) Institut Polytechnique LaSalle Beauvais NanoProyecto: Presentación del proyecto Presentación oral (30-40 min, seguida de preguntas/respuestas) NanoProject Applications of nanobiotechnology in food packaging and food safety. DELACQUIS Caryle, GUILLEMETTE Marine, LAILLER Guillaume, LEU Baptiste, MARTIN Maïté, SILVAIN Anaïs Application of nanotechnology to food products + Safety and efficacy of nanomaterials in food products. Cindy, Julie, Khadija, Yara, Rouba et Ala'a Nanocomposites for food packaging applications. Camille DUBOIS, Marianne JOUBERT, Magali MASCUNAN, Léa PRUVOST, Julia ROUSSEAU, Laura SCHMITT Nanotechnologies in the food industry - Recent developments, risks and regulation. Anaïs GRIFFOND, Laetitia Tchanga, Alizée Gautier, Claire Chauvet Development of peptide and protein nanotherapeutics by nanoencapsultation and nanobioconjugation. Barin Flora, Belfodil Daphne, Lievin Alizée, Lorieau Lucie, Pann Célia NanoParticle Ontology for cancer nanotechnology research. PERENNEC Camille, LIGNIEZ Marine, RENARD Charlotte, LAREQUIE Magali, MARCHIORI Marie, MARGUERITTE Alice Institut Polytechnique LaSalle Beuvais Institut Polytechnique LaSalle Beauvais, France Outline 1. Introduction  Nanotechnologies We are the best example of the power of atoms: once they are very well organized, can give surprising behaviors and structures 1 1 Atom size = 0.2 nanometers T. Sargent, 2006.  Nanotechnologies Somos el mejor ejemplo del poder de los átomos: una vez muy bien organizados, pueden dar propiedades, comportamientos, estructuras y productos sorprendentes. ¿Qué pasaría si pudiéramos elegir una aplicación: por ejemplo, destruir células cancerosas: combinar átomos para generar moléculas y los materiales necesarios para hacerlo posible? Podemos eliminar los contaminantes del medio ambiente. Atom size = 0.2 nanometers ¿Nuestros sueños de arreglar la materia según nuestras necesidades (o deseos) pueden hacerse realidad? Nosotros analizamos mejor que sintetizar “La realidad “macroscópica” parece surgir misteriosamente del estado nano(atómico)scópico” El objetivo de los nanotecnólogos: diseñar y fabricar un material a medida que tenga una función precisa Atom size = 0.2 nanometers What is Nanotechnology?  What is Nanotechnology? La nanotecnología es la creación de materiales, dispositivos y sistemas funcionales, ¿Cómo? a través de la comprensión y el control de la materia en dimensiones en la escala nanométrica (1-100 nm), ¿Por qué? Porque se observan y aprovechan nuevas funcionalidades y propiedades de la materia para una amplia gama de aplicaciones.  What is Nanoscale? Fullerenes C60 www.physics.ucr.edu 12,756 Km 22 cm 0.7 nm 1.27 × 107 m 0.22 m 0.7 × 10-9 m 10 million times 1 billion times smaller smaller 1 nm = 10-9 m (1 billionth of 1 meter)  History of Nanotechnology ~ 2000 Years Ago – Sulfide nanocrystals used by Greeks and Romans to dye hair ~ 1000 Years Ago (Middle Ages) – Gold nanoparticles of different sizes used to produce different colors in stained glass windows 1959 – “There is plenty of room at the bottom” by R. Feynman Pin = alfiler (Writing the 24 volumes of the Encyclopaedia Britannica on the head of a pin) 1974 – “Nanotechnology” - Taniguchi uses the term nanotechnology for the first time 1981 – IBM develops Scanning Tunneling Microscope 1985 – “Buckyball” - Scientists at Rice University and University of Sussex discover C60 1986 – “Engines of Creation” - First book on nanotechnology by K. Eric Drexler. Atomic Force Microscope invented by Binnig, Quate and Gerbe 1989 – IBM logo made with individual atoms 1991 – Carbon nanotube discovered by S. Iijima 1999 – “Nanomedicine” – 1st nanomedicine book by R. Freitas 2000 – “National Nanotechnology Initiative” launched 2010 – Nobel prize for Graphene discovery http://www.youtube.com/watch?v=eKj5lAmy9Wk  What is Nanoscale? Las leyes que gobiernan el nanomundo son completamente diferentes a las que estamos acostumbrados en nuestro mundo (macromundo). En la nanoescala, la importancia de la gravedad disminuye mientras que aumenta la importancia de las fuerzas de Van der Walls entre átomos o moléculas. Cualquier cambio de escala en un objeto va acompañado de un cambio radical de sus propiedades. If the size of this object is reduced in a factor of 2, its surface will be reduced in a factor of 22 = 4, and its volume in a factor of 23 = 8.  What is Nanoscale? Example: Consider a man 1.80 m height, 80 kg weight. He can lift about 80 kg What if we reduce his height in a factor of 100? So, his new size is going to be 1.8 m /100 = 0.018 m = 18 mm His force which is proportional to his muscle surface, will be reduced in a factor of 1002 = 10 000, thus he will be able to lift a weight of 80 kg /10,000 = 8 g = 8 000 mg His weight proportional to his volume, will be reduced in a factor of 1003 = 1 000 000, thus his new weight will be 80 kg/1 000 000 = 0.08 g = 80 mg He can lift a weight 100 times his weight! What if we reduce his height to just 18 micrometers? He will be able to rise 100 000 times his weight What if we reduce his height to just 18 nanometers? He will be able to rise 100 million times his weight!!  Nanoscale Size Effect Attainment of high surface area to volume ratio V V 1 nm = 1.10-9 m 1 m = 1.109 nm = 1 billion nm 6.109 = 6 trillion Nanoscale Size Effect  Nanoscale Size Effect Se logra una alta relación entre superficie y volumen a = sphere diameter  Nanoscale Size Effect Logro de una alta relación entre superficie y volumen Manifestación de fenómenos y propiedades novedosos, incluidos cambios en: - Propiedades físicas (por ejemplo, punto de fusión) - Propiedades químicas (por ejemplo, reactividad) - Propiedades eléctricas (por ejemplo, conductividad) - Propiedades mecánicas (por ejemplo, resistencia) - Propiedades ópticas (por ejemplo, emisión de luz) Nanotechnology Applications Information Technology Energy Tecnologías más eficientes y rentables Sistemas informáticos y otros para la producción de energía sistemas basados ​en TI más Células solares pequeños, más rápidos, más Celdas de combustible eficientes energéticamente y Baterías más potentes Biocombustibles Medicine Bienes de consumo Alimentos y bebidas Tratamiento para el cáncer Materiales de embalaje avanzados, Tratamiento óseo sensores y chips de laboratorio para Entrega de medicamentos pruebas de calidad de los alimentos control del apetito Electrodomésticos y textilesTextiles Desarrollo de fármacos resistentes a las manchas, al agua y a Herramientas médicas las arrugas. Pruebas de diagnóstico Hogar y cosmética Imágenes Productos autolimpiantes y antirayaduras, pinturas y mejores cosméticos  Nanoscale Materials Nanoparticles and Structures Silver nanoparticles (non-toxic, non- allergic, naturally Gold nanoparticles for occurring) biodetection (i.e. (antimicrobial identification of bacteria) and applications) – imaging (6-12 nm diam) Northwestern Univ., 2002 – TU Dresden/ESRF, 2008  Materiales a nanoescala Bionanomateriales Nanomateriales sintéticos utilizados en aplicaciones biomédicas. - Polímeros, silicio poroso. Bone cell on porous silicon – Univ. of Rochester, 2007  Nanoscale Materials Nanowires and Nanotubes Lateral dimension: 1 – 100 nm Nanowires and nanotubes exhibit novel physical, electronic and optical properties - High surface area to volume ratio Potential application in wide range of nanodevices and systems – Nanoscale sensors – Photovoltaic devices – solar cells – Transistors, diodes and LASERs Nanowire Solar Cell: The nanowires create a surface that is able to absorb more sunlight than a flat surface – McMaster Univ., 2008  Nanoscale Materials Nanocables y nanotubos Dimensión lateral: 1 – 100 nm Los nanocables y nanotubos exhiben novedosas características físicas, electrónicas y propiedades ópticas - Alta relación superficie-volumen Aplicación potencial en una amplia gama de nanodispositivos y sistemas. Sensores a nanoescala Dispositivos fotovoltaicos – células solaresTransistores, diodos y Célula solar de nanocables: los LÁSERes nanocables crean una superficie que puede absorber más luz solar que una superficie plana – McMaster Univ., 2008 Nanotechnology Materials Nanotechnology Materials Robert Curl, Harold Kroto and Richard Smalley, 1985 Fullerenes (buckyballs) Three gentlemen—Harold Kroto from the University of Sussex, Robert Curl and Richard Smalley from Rice University—were awarded the Nobel Prize in Chemistry in 1996 for their discovery of a new composition of carbon, Carbon 60. Example of Nobel prize diploma Carbon-60 buckyball is shaped like a soccer ball. Nanotechnology Materials Fullerenes Carbon 60 lleva el nombre de Richard Buckminster Fuller, quien recibió el sobrenombre de "Bucky". A “Buckyball.” Dome over biosphere in Montreal.  Nanotechnology Materials Carbon Nanotubes Los nanotubos de carbono están compuestos de átomos de carbono unidos en tubos largos y delgados de menos de 2 nm de diámetro. Diferentes estructuras de átomos de carbono (es decir, telas metálicas enrolladas) a partir del descubrimiento de los fullerenos  Nanotechnology Materials Nanotubos de carbón Los nanotubos de carbono están compuestos de átomos de carbono unidos en tubos largos y delgados de menos de 2 nm de diámetro. Densidad de 1,4 gramos/cc, en comparación con el aluminio de 2,7 gramos/cc; resistencia a la tracción de 45 mil millones de pascales, mientras que las aleaciones de acero se rompen a 2 mil millones de pascales; capacidad de transportar mil millones de amperios/cm2, mientras que los cables de cobre se queman a 1 millón de amperios/cm2. Aplicaciones: diseño de semiconductores, sondas químicas y genéticas, pantallas planas.  Nanotechnology Materials Quantum dots Un quantum dot es un cristal fluorescente de tamaño nanométrico Generalmente son inertes en el cuerpo y, en consecuencia, son muy útiles para marcar proteínas y ácidos nucleicos. Cuando se ilumina una muestra con luz ultravioleta, los puntos cuánticos brillan, indicando la ubicación de las proteínas adheridas. Different sized quantum dots emit different color light as their diameter decreases Nanotechnology Materials Scanning Tunnelling Microscope (Microscopio de efecto túnel) Heinrich Rohrer and Gerd Binnig (1981, Nobel Prize in 1986) Una especie de sonda para manipular átomos, para escanearlos, átomo por átomo. (resolución de 0,1 nm lateral y 0,01 nm de profundidad).Útil para obtener imágenes de superficies a nivel atómico.  Nanotechnology Materials Scanning Tunnelling Microscope Heinrich Rohrer and Gerd Binnig (1981, Nobel Prize in 1986) En castellano: https://es.wikipedia.org/wiki/Microscopio_de_efecto_t%C3%BAnel En Francés: https://fr.wikipedia.org/wiki/Microscope_%C3%A0 _effet_tunnel Nanotechnology Materials Scanning Tunnelling Microscope Heinrich Rohrer and Gerd Binnig (1981, Nobel Prize in 1986) Scanning tunneling microscope image Resumen La disposición de los átomos puede cambiar las propiedades de los materiales: los materiales se vuelven más fuertes, más ligeros, más eficientes energéticamente, mejores en la conducción de la electricidad…. El tamaño de las partículas es importante: ¡los materiales a nanoescala se vuelven más fuertes! Enorme relación superficie-volumen (SA/V) Nanocompuestos: añadir nanopartículas a los materiales mejora sus propiedades: botellas, raquetas, apósitos.  Nanotechnologies Nanotechnology World Association: https://www.facebook.com/NanotechnologyWorld/