Nanotecnologia aplicada a Produtos Elétricos e

ABINEE TEC 2009 -25ª FIEE e 5ª ElectronicAmericas
São Paulo, 1-5 de Junho de 2009
Aplicações da Nanotecnologia na Indústria –
exemplos da indústria eléctrica e electrónica
Vasco Teixeira
[email protected]
Universidade do Minho
Vasco Teixeira
Grupo de Revestimentos Funcionais (GRF)
Missão
O programa de investigação e desenvolvimento (I&D) do Grupo de
Revestimentos Funcionais (GRF) do Centro de Física da Universidade do
Minho (CFUM) tem por objectivo a pesquisa fundamental e aplicada nos
processos de síntese e de caracterização de revestimentos finos obtidos a partir
da deposição física de vapores em vácuo (processo PVD) permitindo o
desenvolvimento de novos conceitos de materiais na forma de revestimentos,
design de multicamadas à escala nanométrica e melhoria do desempenho dos
revestimentos para uma dada aplicação científica ou tecnológica.
Na actividade de I&D do GRF é dada especial ênfase aos aspectos de física
e ciência de materiais que são cruciais para a inter-relação entre a síntese,
microestrutura/composição, propriedades físicas e termo-mecânicas e
modelação /simulação de revestimentos funcionais multicamada e
nanoestruturados.
Vasco Teixeira
Escala de dimensões
The Royal Society & The Royal Academy of Engineering (2004), Nanoscience and nanotechnologies.
Vasco Teixeira
Innovative nanoscale coating architectures for functional decorative
and smart surfaces
GRF- Functional Coatings Group
50
10ºC
a
)
b
)
Transmittance (%)
40
30
20
70ºC
10
0
500
1000
1500
2000
2500
W avelength (nm)
Vasco Teixeira
Global market for nanotech products
The US National Science Foundation predicts that the total global market for nanotech
products and services will reach $1 trillion by 2015, which represents nearly 10% of the
present US gross domestic product and will require a workforce of 2 million.
The US nanotechnology market is an emerging market, where significant
R&D is being done on products in their initial phase.
The most prominent fields of nanotechnology are nanobio, nanomaterials, surfaces,
electronics, IT and instrumentation.
~400 nanotechnology companies in the US.
Vasco Teixeira
Impacto da Nanotecnologia na economia global
$300B Electronics
$340B Materials
$180B Pharmaceuticals
$100B Chemical Manufacture
$70B Aerospace
$20B Tools
$30B Improved Healthcare
Nano in Electronics
-portable electronics
-transparent electronics
-advanced ligthing
Semiconductors
Disk drives
Displays, Flexible displays
Sensors
SuperCapacitators
Rechargeable Batteries
$45B Sustainability
•
Market Size Predictions: $1 Trillion over next 10-12 years
Sources: US National Science Foundation
Vasco Teixeira
Exemplos de indústrias usando
Nanotecnologias
Vasco Teixeira
Richard Feynman, 1959
“There’splenty of room at the bottom”
“The principles of physics, as far as I can see,
do not speak against the possibility of
maneuvering atom by atom. It is not an attempt
to violate any laws; it is something, in principle,
that can be done; but in practice, it has not
been done because we are too big.” *
* "Os princípios da física, pelo que eu posso perceber,
não falam contra a possibilidade de manipulação átomo
a átomo. Não seria uma violação da lei; é algo que,
teóricamente, pode ser feito mas que, na prática, nunca
foi levado a cabo porque somos grandes de mais"
Vasco Teixeira
Definição de Nanotecnologia
-Manipulação de objectos à escala nanométrica (atómica /
molecular / nanopartículas, etc) para criar novos materiais,
dispositivos e processos com características funcionais
diferentes dos materiais comuns.
-Em geral as dimensões são menores que 100 nanometros
Abordagens tecnológicas para o nanofabrico:
Bottom Up
Base para o topo
Top Down
Topo para a base
Vasco Teixeira
Nanotecnologia
• A nanotecnologia é uma área de investigação e desenvolvimento
muito ampla e multidisciplinar que se baseia nos mais diversificados
tipos de materiais (polímeros, cerâmicos, metais, semicondutores
compósitos e biomateriais), estruturados à escala nanométrica
(nanoestruturados) de modo a formar blocos de construção (building
blocks) como clusters, nanopartículas, nanotubos e nanofibras, que
por sua vez são formados a partir de átomos ou moléculas.
• Dessa forma, a síntese controlada desses blocos de construção e seu
subsequente arranjo para formar materiais e/ou dispositivos
nanoestruturados constituem os objectivos principais da
nanotecnologia.
Vasco Teixeira
Nano - alguns eventos
• 1905: Einstein publica artigo estimando o diâmetro de uma molécula de
açucar como sendo de 1 nanómetro
• 1959: Richard Feynman’s, famosa palestra “There’splenty of room
at the bottom”
• 1981: Invenção do Scanning Tunneling Microscope (STM)
• 1985: Invenção Atomic Force Microscopy (AFM)
• 1985: Descoberta dos fulerenos (“buckyball”)
• 1993: Descobertos os nanotubos de carbono (CNT-Carbon NanoTubes)
• 1997: Produção controlada de nanotubos de carbono
• 1997: A primeira empresa considerada de nanotecnologia é criada: Zyvex
Vasco Teixeira
Prioridades da comissão europeia no
lançamento do 6FP
• Nanofabrico e processamento;
• Nanotecnologia – oportunidades revolucionárias e
implicações da sociedade;
• Instrumentação e ferramentas para a nanotecnologia;
• Materiais Nanoestuturados.
Vasco Teixeira
Nanotecnologia
Distinguem-se três sectores essenciais:
Nanoelectrónica
Prosseguir o desenvolvimento em microelectrónica, especialmente para
computadores, mas a escalas significativamente mais pequenas.
Nanobiotecnologia
Combinar a engenharia à nanoescala com a biologia para manipular
sistemas vivos ou construir materiais biologicamente inspirados a nível
molecular.
Nanomateriais
Controlar com precisão a morfologia à dimensão nanoescala das
substâncias ou partículas para produzir materiais nanoestruturados. Ao
envolver todos estes domínios que se sobrepõem, os instrumentos medem e
manipulam estruturas ultra pequenas, os microscópios de resolução
nanoescala.
Fonte: Comissão Europeia DGI
Vasco Teixeira
Classes de Materiais Nanoestruturados
Uma grande classe de materiais, com microestruturas moduladas desde
zero a 3 dimensões na escala de comprimento menor que 100 nm
R.W. Siegel, Nanophase Materials, Encyclopedia of Applied Physics, VCH Publishers 1994
Vasco Teixeira
% de átomos nas fronteiras de grão em
materiais nanocristalinos
HRTEM image of a region of nanocrystalline palladium
Vasco Teixeira
Materiais à nanoescala
-Novos comportamentos dos materiais à nanoescala não são
necessáriamente previstos a partir daqueles observados à escala
macroscópica.
-As variações mais importantes são provocadas não pela ordem de
grandeza da redução no tamanho, mas pelos novos fenómenos
observados, que são intrínsecos ou tornam-se dominantes à nanoescala.
-Estes fenómenos incluem confinamento devido ao tamanho,
predominância de fenómenos de interface (à nanoescala, a relação
superfície/volume é particularmente dominante) e fenómenos quânticos.
Vasco Teixeira
Aplicações da Nanotecnologia
• Materiais
– materiais nanoporosos
– materiais nanoestruturados
– nanocompósitos
– catálise
– multifuncionais, moduláveis, materiais inteligentes (smart materials)
• Biotecnologia
– nanosensores, nanoprovas de actividade/função biológica
– máquinas biomoleculares, libertação controlada de farmacos
– bioelectrónica, nanomedicina (nanorobots), tecidos/orgâos artificiais
– materiais auto-organizados (self-assembling)
• Electrónica, óptica e fotónica
– confinamento quântico (pontos quânticos-quantum dots)
– Lasers (comunicações de fibra óptica)
– electrónica à escala molecular
– electrónica transparente e flexível
– filmes finos para electrónica e fotónica
Vasco Teixeira
Óxidos metálicos
•
•
•
Exemplos
– Titânio, Zinco, Ferro
– Cério, Zircónio
Propriedades desejáveis
– Transparentes
– Absorção da radiação UV
– Propriedades fotocatalíticas
Aplicações
– Cosméticos
– Cremes protectores solares
– Protectores transparentes para madeira
– Superfícies anti-micróbios, janelas auto-laváveis
– Agentes de polimento quimico-mecânicos para bolachas (wafers) de Silício
– Revestimentos anti-risco em vidros e plásticos
Vasco Teixeira
Nanoestruturas baseadas em carbono
•
Fulerenos
– “Buckyballs” C60
•
Nanotubos
– Parede simples -Single walled (SWNT)
– Multi-parede -Multi walled (MWNT)
•
Nanofibras
•
Aplicações
– Filmes para minimizar electricidade estática
– Linhas de combustível, drives de hard disks, MEMS
– Filmes ópticos, tribológicos e biocompatíveis (DLC’s)
– Componentes automóveis para pintura electrostática
– Plásticos com retardação ao fogo
– Fontes de emissão efeito campo para monitores LCD
Vasco Teixeira
Commercial Applications
• L’Oreal are using nanosomes in their “Rivitalift” antiwrinkle face cream. The nanosomes (microcapsules made
from a membrane, like the one surrounding a human cell)
encapsulate vitamin E and carry it to the skin. The
vitamin E protects the skin from free radical attacks
(believed to cause wrinkles) by forming a protective layer
on the skin.
• Nano-Care™ Plain-Front Chinos are amazing trousers
that do not wrinkle and, when a glass of red wine is spilt
onto the cream coloured fabric, it just rolls off! Bonded to
the fabric is a durable stain- and wrinkle-resistant NanoCare by Nano-Tex treatment that ensures creases stay in,
but stains and wrinkles stay out.
Vasco Teixeira
Commercial Applications
•
DNA microarrays
Optical detection of DNA sequences –on the market
e.g. GeneChip®, AffymetrixInc, USA
•Electronic detection of DNA sequences –on the market
e.g. Nanochip® Molecular Biology Workstation, NanogennInc, USA
Tag-It™Cystic Fibrosis Kit, Tm Bioscience Corporation, Canada
•
Lab-on-a-chip (LOC)
•Microtechnology-based LOCs for enzyme detection –on the market
e.g. LabChip®, CaliperLife Sciences, USA
LabCD®, TecanGroup Ltd, Switzerland
•
Drug delivery systems (DDS)
•Microchip-based DDS using nanoporous membranes –development phase
DebioSTAR™, DebiotechSA, Switzerland
ChipRxInc, USA
•
Drug delivery across blood-brain barrier
Treatment of brain tumours, Alzheimer’s, and Parkinson’s –development phase
NanoDel Technologies GmbH, Germany
Source:RIVM Report 265001001/2005
Vasco Teixeira
Revestimentos nanocompósitos e multicamada
Interfaces e fronteiras de grão são parâmetros chave no design de novos
conceitos de revestimentos nanoestruturados. À escala laboratorial é possível
desenvolver estruturas em filme fino tais como:
- Revestimentos nanocompósitos
- Filmes multicamada
- Filmes nanoestruturados
- Filmes finos nanomodulados
- Filmes nanocristalinos
- Revestimentos nanograduados
Amorphous Si TFT on a SiNx
passivated polyimide foil
Vasco Teixeira
Revestimentos para proteccao electromagnética
EMI - RFI Shielding
Vasco Teixeira
Application: Ink-Jet Printing Heads
•
•
•
Currently one of the largest applications of MST
A typical ink-jet printer uses up several cartridges each year
Today’s ink-jet printers have resolutions of 1200 dots per inch
(dpi)
– This resolution converts to a nozzle separation of only about 21
μm, certainly in the microsystem range
Diagram of an ink-jet printing head
Vasco Teixeira
Application: Ink-Jet Printing Heads
Cross-section of an integrated thermal ink-jet
chip. This instantaneous view shows an ink
droplet being ejected from the firing chamber by
the "drive bubble" created by resistive heating.
An
NMOS
(N-channel
metal
oxide
semiconductor) transistor is associated with each
firing chamber.
Evolution of ink-jet drop weight versus
time. Drop weights below the dotted line
can produce photographic-quality images.
Source: Beatty, 1996
Vasco Teixeira
Revestimentos para aplicações
biomédicas
Bodycote H.I.P. Ltd
Endotec, Inc
CAMCERAM®.
CAM Implants bv
Ostim®, OsartisGmbH, Germany (HA)
VITOSS®, OrthovitaInc, USA (TCP)
OsSatura™, IsoTisInternational, Switzerland (HA +TCP), InframatInc,
USA,Spire Biomedical Inc, USA, AlCove Surface GmbH, Germany,
Debiotech SA, Switzerland, Artificial Cell Technologies, Inc. (USA)
Vasco Teixeira
Exemplos Nano na indústria electrónica
-High resolution displays for laptops and PDAs
-Pager-sized power supply that adds 15 hours to cell phone talk
time
-Advanced industrial inventory tracking through nano barcodes
and RFID tags
-Ultra-dense, low-power, lower-cost memory chips for
microelectronics
-Flexible photovoltaics, high capacity rechargeable batteries, and
miniature satellites
Vasco Teixeira
Outras aplicações de nano-filmes
Vasco Teixeira
Filmes finos de DLC em hard drives
Ion Beam Deposited
DLC overcoat
(<10 nm)
Lubricant layer
(2 nm)
Slider ( Al2O3-TiC)
Read / Write Head
Flying Height (~ 25 nm )
Sputtered carbon (~20 nm)
Magnetic layer
(100 nm)
Substrate
direction of rotation
Schematic of Air Bearing Surface
on to which < 10 nm of DLC
is deposited.
Slider rails
Read/Write
head
Head and Disc Interface
Vasco Teixeira
Aplicações
Imagem CAD
Imagem SEM
Microtransformador
Microcondensador (microcapacitor)
Vasco Teixeira
Nanowires Applications
•Field effect transistors
•Thermoelectric materials
•Light emitting diodes
•Detectors
•Sensors
•Nanolasers
•Superlattice nanowires
from 100 nm
in applications requiring Nanolaser
CdSe nanowire
superlattices
Cui et al, Nanoletters, Vol. 3, 149 – 152 (2003).
http://www.photonics.com/spectra/tech/XQ
/ASP/techid.1525/QX/read.htm
5 nm Si nanowire FET
Vasco Teixeira
Carbon Nanotubes – Potential Applications
Source:G. Dusburg, Infineon Technologies, Munchen Germany
Vasco Teixeira
Source:G. Dusburg, Infineon Technologies, Munchen Germany
Vasco Teixeira
Nanotecnologia e segurança alimentar
• Filmes nanoestruturados e nanomateriais em embalagens podem prevenir
a entrada/crescimento de agentes patogénicos e outros microorganismos,
assegurando assim maior segurança.
• Nanosensores embebidos em embalagens de alimentos permitirão
determinar alterações de pH, temperatura, a presença de oxigénio, micróbios
ou se o conteúdo de um dado nutriente do alimento está dentro dos
parâmetros normais.
• Por adição de determinadas nanopartículas /ou aplicação de filmes finos
nanocompósitos no material da embalagem, em garrafas, e pacotes/latas de
alimentos pode-se melhorar a resistência à luz e ao fogo, melhorando o
desempenho mecânico e térmico e controlando a absorção de gases.
Vasco Teixeira
Smart labels in packaging
• RFID or Radio Frequency IDentification is sometimes known as
‘radio bar codes’. Usually, it takes the form of a small label. The
information on this label can be ‘read’ electronically even when it
is hidden within packaging.
• RFID works in almost any orientation so scanning is much easier
than with the traditional barcode.
• RFID labels tend to be a silicon chip and a metal
• or printed ink antenna in a plastic label.
Vasco Teixeira
Nanomateriais activos
Materiais
Termocromáticos
como o óxido de vanádio entre
outros,
são
usados
em
dispositivos onde a mudança de
propriedades
ópticas/cor
(reversível) é activada por
mudanças de temperatura.
50
10ºC
Transmittance (%)
40
30
20
70ºC
10
0
500
1000
1500
2000
2500
Wavelength (nm)
Vasco Teixeira
Smart nanocoatings – Self-cleaning and anti-dirt surfaces
Water droplets at surfaces: contact angle
θ << 90° hydrophilic surface
θ= 120° hydrophobic surface (e.g. Teflon)
sliding drops, no roll off
θ Æ 180° ultra-hydrophobic surface
roll off angle Æ 0°
Ultra-hydrophobic surfaces: “Self-cleaning effect”
(flat) hydrophobic surface
90° <= intrinsic contact angle θi <=120°
hydrophobic surface combined
with specific surface nano-roughness
contact angle θ Æ180°
-Rolling water drops
act as “mini-wipers“
-no adhering water drops => no
evaporation residues, “spots”
-self-cleaning
Vasco Teixeira
Smart multilayered nanocoatings – smart windows
Electrochromic materials change their optical properties persistently and
reversibly under the action of voltage pulses. By sandwiching the
electrochromic material and an ion rich transparent solid between a layer of a
transparent conductor, a very small potential can induce an electric field that
causes ions to cross to the electrochromic layer and change its colour state.
Carl M. Lampert, Materials Today, March 2004 p.28-35
colour
→
xM + + xe − + WO 3
M xO3
←
bleach
Courtesy: C. Granqvist, ChromoGenics
Vasco Teixeira
Solar Photovoltaic Market
6 separate market places:
ƒBuilding integrated
ƒGrid connected solar farms
ƒConsumer products
ƒRemote industrial
ƒRemote communities
ƒSpatial applications
-different design requirements
and market dynamics
Vasco Teixeira
Generation Photovoltaics
First generation
- based on crystalline silicon
Commercial sales of these started in the 70’s
Second generation
- thin film semiconductors, silicon and non-silicon.
Commercial sales of these started in the mid 80’s
Third generation PV
•plastic solar cells (organic PV)
•nano-technology cells
•multiple junction thin polycrystalline films.
Fourth generation PV will derive
from biology.
The first third generation products are
just beginning to enter the market place.
Vasco Teixeira
Colectores de elevada eficiência
Uso de Superfícies Selectivas
• Os colectores solares térmicos são usados geralmente em:
• i) produção de água quente (uso doméstico/industrial)
Cortesia AoSol, Lda
• ii) aquecimento em piscinas
• iii) aquecimento de espaços
• iv) secagem (ex. produtos de agricultura)
• v) arrefecimento radiativo
• Um colector solar térmico ultra-eficiente deve absorver a radiação solar
incidente, convertê-la em energia térmica, e transferir o calor gerado para
um meio (fluido) com o mínimo de perdas em cada etapa.
Vasco Teixeira
PROPRIEDADES DA RADIAÇÃO - SUPERFICIE SELECTIVA
Vasco Teixeira
Imagem de AFM de um filme
fino graduado de Mo-Al2O3
Parâmetros solares
α = 92 %
ε =5%
Imagem em detalhe da superfície deMo-Al2O3
C. Nunes, V. Teixeira, M. Collares-Pereira, A. Monteiro, E. Roman, Vacuum,
2002
Vasco Teixeira
Filmes nanocompósitos graduados com nanopartículas dispersas
Solar absorption variation with pulsing
frequency for samples with and without
pigment
“Novel nanocomposite coatings with dispersed organic nanoparticles for solar absorbers”, C. Nunes, A. J. Martins, M. J.
Brites, M. Lopes Prates, V. Teixeira, M. J. Carvalho, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.8, 1–5 2008
Vasco Teixeira
Conclusões
Nanopartículas e nanomateriais terão um papel importante no futuro
em aplicações estruturais (cerâmicos, metais, filmes finos,
catalisadores, nanocompósitos), em produtos cosméticos, em
biotecnologia (biosensores, embalagens alimentares, nanocápsulas,
materiais biocompatíveis, quantum dots, compósitos), nas tecnologias
da
informação
(nanotubos,
nanoelectrónica,
materiais
optoelectrónicos), nas aplicações de sensores e micro-sistemas
funcionais (MEMS, SPM, lab-on-a-chip, micro-reactores), e em
aplicações de energia (células solares, janelas inteligentes para controle
energético, células de combustível) e ambiente (em aplicações de
purificação de ar, nanofiltração e membranas avançadas).
Vasco Teixeira
Futuro
• A indústria eléctrica e electrónica brasileira deve continuar a apostar
na inovação tecnológica e investir em projectos de microtecnologias e
nanotecnologia para se tornar mais competitiva no mercado global.
• O Brasil tem produzido muito conhecimento em nanomateriais através
de projectos de investigação aplicados (parcerias universidadeindústria) com financiamento pelos organismos estatais.
• Futuramente deve ser produzida mais propriedade intelectual e
aumento de incentivos às empresas brasileiras para dominarem a
nanotecnologia e incorporarrem-na em novos produtos industriais.
• Nas próximas décadas, os efeitos sociais da nanotecnologia na sociedade,
particularmente nas áreas da saúde, transporte e meio ambiente, com grande
impacto económico, serão no mínimo tão significantes , quanto a influência
combinada da microeletrónica, sistemas de imagens médicas, processos
assistidos por computador e polímeros desenvolvidos pelo homem no século
passado
Vasco Teixeira