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Editoriale..............................................................................................................................................1
PRIMO PIANO
Workshop: L'impatto delle nanotecnologie nei trasporti: prospettive, problemi e strategie .....2
I MEMS nel settore Automotive ............................................................................................................2
Getter thin film solutions for wafer level packaging of MEMS ..............................................................7
Nanotecnologie e nanocompositi all’IMCB-CNR di Napoli .....................................................................9
The discovery of nanostructured catalysts based on iron,
cobalt and nickel is boosting the use of ethanol in direct fuel cells .......................................................11
Workshop: Metrologia per le nanotecnologie...............................................................................15
Nanomolecular hybrid devices: The new perspective of microelectronic industry ..................................15
Electrical conduction mechanisms in percolated films .........................................................................16
I dispositivi a singolo elettrone e le loro applicazioni.............................................................................19
Microscopia ottica interferometrica per la caratterizzazione delle superfici ...........................................21
Misura interferometrica della macroforma superficiale e strutturale .....................................................24
Atomic and Large Scale Imaging in Nanostructured Oxides as obtained by HRTEM,
SEM and AFM:MgO as a case study.....................................................................................................27
Organic Syntheses with Zeolites: Activation of CO2 and of Organic Carbonates for Fine Chemicals......32
La nanolitografia come strumento per il controllo metrologico di materiali/strutture artificiali ...............35
Nanometer Positioning by Laser Doppler Scale Feedback and Multiple-Pass Optic, an
Application of High-Resolution Laser Interferometry ............................................................................39
Nanometrology for astronomy in space ...............................................................................................42
RICERCA & SVILUPPO
NEMAS – Nano Engineered MAterials and Surfaces - Centro di Eccellenza per
l’Ingegneria dei Materiali e delle Superfici Nanostrutturati del Politecnico di Milano ............................47
Synthesis of Dense Nanometric MoSi2 by Spark Plasma Sintering.........................................................49
NOTIZIE
Notizie Nanotec IT
Conferenza internazionale: “Present situation and Forecasts
of Nanotechnology in: Materials, Health and Medical Systems, Energy”...............................................53
Conferenza internazionale: “Nanotechnology and Smart Materials
for Medical Applications: from Medical Diagnostics to Therapy”..........................................................53
Nuovi iscritti Nanotec IT ......................................................................................................................54
Industria & Nanotecnologie
Scanning Probe Microscope – La chiave per il nanomondo: due star-ups a confronto ...........................55
Seminari e convegni
XIV Congresso Nazionale di Catalisi GIC2004 - Le Scienze Molecolari al Servizio dell’Uomo – Psaro ......58
Nanotecnologie ed educazione - Peloi .................................................................................................58
Nanotecnologie e difesa......................................................................................................................60
EuroNano Tex 2004.............................................................................................................................60
International Dialogue on Responsible Research and Development of Nanotechnology .......................61
Notizie in breve
Recensione del volume Introduction to Nanotechnology......................................................................63
Stage d’eccellenza per gli studenti dell’International Master in Nanotechnologies ................................63
Master di I Livello in: Compositi e nanotecnologie per l’aerospazio – Regi ............................................64
Altre notizie
Eventi futuri........................................................................................................................................69
Periodico
di informazione
sulle nanotecnologie
Numero 2
Ottobre 2004
Supplemento a Notizie Airi
n. 140 settembre ottobre 2004
Anno XIX - 2004
Bimestrale
Abbonamento annuo
• Soci Euro 49,00
• Non soci Euro 70,00
Spedizione in abb. postale
comma 20 lett. B art. 2
L. 23.12.96 n. 662
Roma/Romanina
Pubblicità 45%
Autorizzazione Tribunale
di Roma n. 216
del 29 aprile 1986
Redazione AIRI:
00198 Roma
Viale Gorizia, 25/c
tel. 06.8848831, 06.8546662
fax 06.8552949
e-mail: [email protected]
www.airi.it
INTERNATIONAL CONFERENCE
NANOTECHNOLOGY AND SMART MATERIALS FOR MEDICAL
APPLICATIONS:
FROM MEDICAL DIAGNOSTICS TO THERAPY
R O M E , N O V E M B E R 2 9 . 3 0 , 2 0 0 4 - C E N T R O C O N V E G N I F R E N TA N I
M O N D A Y, 2 9 N O V E M B E R
T U E S D A Y, 3 0 N O V E M B E R
8.30
Registration of the delegates
9.00
9.00
OPENING ADRESSES
9.30
NEW TOOLS FOR MEDICAL DIAGNOSTICS
IMPLANTS , PROSTHESES and TISSUE ENGINEERING
Harry HEINZELMANN (Centre Suisse d’Electronic and Microtechnique,
Switzerland)
Top-down and bottom up approaches for functional surface
structuring
Frank F. BIER (Frauhofer Institute-IBMT, Germany)
Benefits of nanotechnology for diagnostics and cell
handlings
Mathis RIEHLE (Glasgow University, UK)
Nano textured surfaces - applications in cell engineering
Gianfranco GILARDI (University of Torino/Imperial College, UK)
Construction of a liver chip for drug metabolism:
amperometric sensing with human cytochrome P450s
Gianluca CIARDELLI et al. (Univ. of Pisa/CNR – Pisa, Italy)
Engineered approaches for the realisation of smart scaffolds
for tissues repair
James M. WILKINSON et al. (Technology for Industry- Cambridge, UK)
Micro and nano fluidics for drug discovery, drug delivery and
diagnosis
10.20
Coffee break
10.40
10.50
Coffee break
Brian G. COUSINS et al. (Univ. of Liverpool – Liverpool, UK)
Nanoparticulate Silica coatings and their effects on the
cellular response
11.20
Andrew CAMPITELLI (MiniFab, Australia)
Polymer based MNT solutions for future medical diagnostic
platforms.
Daniela PASQUI et al. (Univ. of Siena - Siena, Italy)
Cell response to micro/nano-patterned polysaccharides on
different substrates (PET, glass, carbofilm)
Mark ECCLESTON et al. (University of Cambridge/Vivamer Ltd, UK)
Bioorganic nanoprobes for non invasive tumour imaging
Richard SHERLOCK et al. (Univ. of Ireland – Galway, Ireland)
Osteoblast response to chemically modified and nanopatterned polymer substrates
12.30
Lunch
14.00
NANOSCALE PHARMACEUTICALS and THERAPIES
12.00
James GIMZEWSKI (UCLA, USA)
Nanomechanics applied to living systems
PANEL DISCUSSION - Effects of nanotechnology on ecine and
the health care system
Moderator: Stefano FANTONI (SISSA, Italy)
Richard MOORE (Eucomed, Belgium)
Fabio BELTRAM (NEST - Pisa, Italy)
Biology one molecule at a time: nanoscience techniques for
molecular medicine
Alfred NORDMANN (Institut für Philosophie, Technische Universität
Darmstadt, Germany)
Ichiro NAKATOMI (NanoCarrier, Japan)
Drug targeting delivery as nano-bio technology
15.30
Coffee break
16.00
Mauro MAGNANI (Università Urbino, Italy)
Cell based drug delivery and targeting systems
Antonietta M. GATTI (University of Modena and Reggio Emilia, Italy)
David G. RICKERBY (European Commission – Joint Research Centre,
Italy)
13.30
Lunch
Holger BECKER (Microfluidic Chip Shop – Jena, Germany)
Innovative medical devices: challenges and opportunities
Mauro FERRARI (Ohio State Univ., USA)
The hallmarks of cancer nanotechnology
Paolo MILANI et al. (Univ. of Milan.Milan, Italy)
Development of retroviral microarrays on nenostructured
Titania for new drug target identification and gene therapy
application
Info: www. nanotec.it - [email protected]
A nanoforum event
Conference Organisers
The Conference is endorsed by
Conference Sponsor
Editoriale
U
n articolo pubblicato nel giugno scorso da The Wall Street
Journal, ha posto l’accento sulla straordinaria crescita negli
USA della domanda di brevetti connessi con le nanotecnologie. Rispetto al 1996, il numero dei brevetti concessi annualmente in
questo settore è infatti triplicato passando dai circa 2300 di quell’anno ai circa 8200 nel 2003. Questa caccia ha contagiato sia il
mondo delle imprese che quello delle università i quali vedono nei
brevetti in questo settore una potenziale fonte di reddito.
Negli USA, grandi imprese come la IBM, HP o 3M sono fortemente
impegnate in questa gara in prima persona (nel 2003 IBM è risultata titolare del maggior numero di brevetti rilasciati sulle nanotecnologie) mentre le imprese più piccole puntano in genere all’acquisto di brevetti ottenuti dalle università con ricerche finanziate con
fondi pubblici. L’obbiettivo è quello di acquisire posizioni di predominio nel campo delle nanotecnologie nella convinzione che il
controllo di queste tecnologie emergenti, con potenzialità di applicazione su uno spettro estremamente ampio di settori, offrono
un’opportunità unica di grande portata.
Il possesso di brevetti critici, infatti, oltre che offrire un vantaggio
competitivo esclusivo nel settore in cui si opera, può consentire infatti al possessore di dire la sua, reclamando i propri diritti di brevetto, su interi settori industriali. Vi sono imprese che hanno fatto
dell’acquisizione di brevetti con queste potenzialità (ma anche di
imprese che detengono determinati brevetti) una vera e propria
pratica di strategia industriale ed anche la comunità finanziaria sta
guardando con crescente attenzione in questa direzione.
Il problema della brevettazione dei risultati della ricerca è pertanto
un fattore cruciale per il futuro delle nanotecnologie sia perché é
importante utilizzare questo strumento di protezione della proprietà intellettuale per sfruttare adeguatamente le loro potenzialità applicative, sia perché può risultare uno strumento fondamentale di competizione anche a livello internazionale.
Questa proliferazione di brevetti, che da un lato denuncia la dinamicità dell’impegno sulle nanotecnologie e la fiducia sulle loro potenzialità, ha fatto tuttavia nascere in alcuni il dubbio che alla fine
potrebbe essere un deterrente alla diffusione dell’innovazione condizionando o rendendo troppo oneroso l’implementazione di certe
tecnologie.
La materia, come sottolinea anche The Wall Street Journal, va
quindi regolata per tempo a livello legislativo ed internazionale il
che probabilmente richiede, anche in considerazione della peculiarità di queste tecnologie, una revisione ed un adeguamento di norme e strumenti nonché delle competenze degli addetti coinvolti
nella valutazione dei brevetti al fine di definire con rigore la validità, i limiti e le implicazioni delle rivendicazioni dichiarate e per
evitare che brevetti magari eccessivamente estesi o non sufficientemente definito siano motivo di una conflittualità controproducente.
Se l’Italia non vuol giocare un ruolo solo gregario nello sviluppo
delle nanotecnologie ed invece vuol fare di queste uno strumento
di competitività del sistema industriale nazionale è fondamentale
che questo aspetto venga affrontato per tempo. La brevettazione
dei risultati della ricerca dovrebbe diventare infatti un obiettivo
strategico di quanti sono impegnati nel settore.
Il problema riguarda tutti: l’università, i centri di ricerca pubblici, le
grandi imprese e le piccole/medie imprese, le quali non debbono
farsi scoraggiare dagli alti costi legati all’ottenimento e mantenimento dei brevetti, specialmente all’estero, e che d’altra parte potrebbero attingere proprio alla ricerca pubblica per far fronte alle
proprie esigenze. Ma il problema deve essere affrontato anche a livello normativo per regolare adeguatamente il settore coerentemente con le normative internazionali.
Elvio Mantovani
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Workshop: “L'impatto delle
nanotecnologie nei trasporti:
prospettive, problemi e strategie”
I
l 21 aprile 2004 si è tenuto presso il Centro Ricerche FIAT (CRF) di
Orbassano (TO) il workshop "Impatto delle nanotecnologie nell'industria dei trasporti", organizzato congiuntamente da Nanotec IT e CRF. L'evento, al quale hanno aderito ricercatori, sia del
mondo della ricerca pubblica che dell’industria, impegnati in questo campo o in ogni modo su tematiche con potenziali ricadute
nel settore in questione, ha evidenziato le grandi potenzialità connesse con l'applicazione delle nanotecnologie nel settore dei trasporti e consentito un ampio confronto sulle problematiche da affrontare.
Il Workshop, che è stato aperto con il benvenuto dell’Amministratore Delegato del CRF, Ing. Michellone, e con l’introduzione del
Dr.Mantovani, Direttore Nanotec IT, ha visto la partecipazione di
oltre 200 persone e con l’occasione è stata presentata anche la Rete Industriale Italiana Microsistemi, realizzata di recente da
CRF, Olivetti i-Jet, Pirelli, STMicroelectronics, Saes Getters e Magneti Marelli, la quale ha come obiettivo quello di intensificare i
rapporti già esistenti tra i membri per costituire una struttura in
grado di competere a livello mondiale in un settore in grande
espansione e con effetti rilevanti su tutto il Paese. Al workshop è
intervenuto anche l'ex Amministratore Delegato FIAT, Ing. Morchio, il quale ha espresso apprezzamento per l’iniziativa ed ha sottolineato l'importanza che viene attribuita alla ricerca nelle strategie del Gruppo.
A titolo di introduzione riportiamo parte del documento, divulgato
per l’occasione dal CRF, dal titolo: “Un'era industriale e scientifica entusiasmante - Introduzione al workshop l'impatto
delle nanotecnologie nell'industria dei trasporti", nel quale le
principali tematiche affrontate sono:
• mobilità: problemi e opportunità per la sostenibilità
• l'impatto della microelettronica e dei microsistemi
• l'integrazione di micro e nanotecnologie
• gestione della complessità e della multidisciplinarietà: velocità,
coordinamento e collaborazione.
Mobilità: problemi e opportunità per la sostenibilità
Dal 1920 ad oggi la velocità media delle auto calcolata su tutti i
chilometri percorsi è una invariante di 35-40 km/h. Considerando
che una persona si muove mediamente per un tempo di circa 1h al
giorno, ne segue che la mobilità giornaliera media è di 35-40 km.
Nei paesi sviluppati vi è praticamente una macchina per ogni patente di guida; aggiungere macchine quindi non aumenterà la mobilità perchè è già saturo il nostro budget tempo-viaggio. Mezzi
per il trasporto di massa quali il "car pooling" o il "car sharing"
non sono risultati efficaci perchè di fatto rallentano il tempo-viaggio. Diversa è invece la situazione per le metropolitane che potrebbero risultare convenienti nel momento in cui supereranno la velocità media delle macchine di 35 km/h porta a porta. Per lo sviluppo
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sostenibile della mobilità le industrie dei trasporti si confrontano su
scala globale in problematiche quali:
globalizzazione dell'economia con espansione del commercio e del turismo; si stima un aumento della richiesta di mobilità superiore al 23% per decennio per almeno 5 altre decadi (fonte Scientific American, ottobre 1997);
• costi di vite umane e sociali: oltre 1 milione di morti/anno per
incidenti stradali e 3 volte tanti per conseguenze da inquinamento (fonte World Health Organisation);
• aumento dell'età media e aumento del 2% anno della
popolazione;
• numero crescente di persone che vivono nelle grandi città e in
particolare nelle megalopoli con oltre 10 milioni di persone
nelle quali si concentrerà il 60% della popolazione mondiale
entro il 2025 (fonte World Health Organisation);
• congestione del traffico con conseguenti ritardi e costi di
produttività;
• velocità di crescita economica, culturale e tecnologica, dei
grandi paesi emergenti;
• costi e tempo per costruire nuove infrastrutture;
• problematiche ambientali quali l'uso dei terreni, inquinamento
e rumore.
Per la sostenibilità, gli investimenti di risorse umane e tecnologiche
sono pertanto indirizzati verso le seguenti opportunità:
• diminuzione del numero di incidenti quindi di morti e feriti
• riduzione del tempo di viaggio e dei costi relativi
• abbattimento di emissioni e rumore
• mobilità delle persone e dei prodotti in tutte le condizioni
climatiche
• riduzione delle differenze tra i paesi
• aumento della sicurezza e del comfort
• nuovi tipi di infrastrutture per la comunicazione con i veicoli.
Evoluzioni e breakthrough rimbalzano tra le industrie dei trasporti,
dell'elettronica, dell'Information Technology e dei materiali. Le innovazioni e le carenze di un settore sono trasferite agli altri molto
più rapidamente del passato, ma anche con un nuovo grande livello di complessità. Su scala globale la velocità di crescita dei
mezzi di trasporto attuali è difficilmente sostenibile anche su periodi relativamente brevi. Si pensi alle implicazioni ambientali, energetiche, economiche e politiche che seguirebbero se le popolazioni di Cina e India disponessero di una macchina ogni cinque abitanti anziché meno di una ogni cento. Per la sostenibilità dello sviluppo della mobilità e della libertà che ne deriva, sono necessarie
sempre più visioni e tecnologie radicali. La problematica riguarda l'intera società internazionale; ma è anzitutto su scala nazionale che è richiesta una nuova organizzazione enfatizzando le collaborazioni tra le industrie, e tra le industrie ed il mondo accademico-scientifico.
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L'impatto della microelettronica e dei microsistemi [..]
Nanotecnologie nei trasporti
Se scomponiamo un'auto in macro aree tecnologiche quali i materiali, la catena per la generazione di potenza, l'illuminazione, la
sensoristica, l'informativa di bordo e l'information technology, registriamo che al Centro Ricerche Fiat sono oggi in corso decine tra
programmi interni, in collaborazione con università italiane, e progetti europei che ci vedono fortemente coinvolti nello sviluppo di
nanotecnologie. Senza necessariamente fare previsioni futuristiche
sensazionali, osserviamo che non esiste un solo comparto tecnologico o produttivo che non sia soggetto a innovazioni significative.
Dal tetto al pneumatico, il destino delle nanotecnologie nei trasporti è inarrestabile; è soltanto una questione di tempo; quasi tutti i componenti e sistemi che compongono una vettura possono
essere ripensati con prestazioni superiori o con nuove funzionalità
derivate dalle nanotecnologie. Ogni nostro programma coinvolge
aspetti di nanotecnologia a vari livelli: dai materiali nanostrutturati
per l'abbattimento delle emissioni e per l'alleggerimento delle
strutture, allo sviluppo di nuovi sistemi d'illuminazione di alta efficienza, al miglioramento della visibilità nelle vetrature, ai materiali
intelligenti per lo sviluppo di attuatori multifunzionali, alle nuove
forme di informativa di bordo.
Il coinvolgimento del Centro Ricerche Fiat parte dalla modellistica
della fenomenologia su scala nanoscopica nella fotonica, nella catalisi, nella combustione negli spazi confinati, nei microgeneratori
di energia, nei materiali attivi a memoria di forma, nei compositi
strutturali e magnetici. Nel contesto della fabbricazione le attività riguardano la messa a punto di tecnologie di sintesi di nanoparticelle
e di nanocompositi, di fluidi magretorcologici, di rivestimenti catalizzatori, di ceramiche nanostrutturate, del deposito di rivestimenti
multifunzionali a misura e autolubrificanti. Le tecniche di self-assembling ci vedono impegnati nei cristalli fotonici per l'illuminazione, nei materiali porosi utilizzati nell'informativa di bordo, nella sensoristica e nello sviluppo di materiali per i microcombustori.
Rispetto per l'ambiente, sicurezza e comfort sono i nostri fattori
trainanti. Nelle presentazioni tecniche, senza necessariamente addentrarci nelle nostre road-map strategiche, faremo riferimento ad
un centinaio di famiglie di applicazioni ìn cui le nanotecnologie impattano gli sviluppi correnti.
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chimico, dell'ingegnere, del fisico e del biologo si ibridano in nuove conoscenze.
Nessuna azienda o università è in grado da sola di affrontare i costi
e la complessità multidisciplinare delle nuove tecnologie, ancora
meno la velocità con cui queste si manifestano e mutano.
Come Centro Ricerche Fiat stiamo cercando di favorire la circolazione di idee e il lavoro di gruppo tra esperti in campi differenti:
siamo infatti convinti che questi siano i presupposti per generare
innovazione autentica. Negli ultimi anni abbiamo cercato di realizzare una sorta di "coazione a collaborare" anzitutto tra le direzioni
del Centro Ricerche Fiat, quindi con il mondo accademico. Sono
però necessarie ulteriori iniziative coraggiose che ci portino a condividere approcci multiformi ai problemi. Occorre muoversi con coraggio e rapidità per non correre il rischio di trovare la strada sbarrata. Il sistema della ricerca richiede una maggiore coordinazione al
fine di evitare ridondanze. Serve in particolare una condivisione tra
la centralizzazione delle attrezzature e la localizzazione delle ricerche.
Auspichiamo grandi iniziative regionali e interregionali ambiziose
sia negli obiettivi scientifici sia in quelli applicativi. Sarà cosi favorito anche il coinvolgimento passionale dei giovani alle nuove tecnologie. Dal lato industriale dovranno essere riavviate, in simbiosi con
l'università, anche attività di ricerca di base mentre, dal lato universitario, si dovrà prendere atto che la velocità con cui evolvono le
tecnologie rende sempre più labile la distinzione tra ricerca di base
e ricerca applicata. Infine, si auspica che le istituzioni continuino
nella messa a punto di strumenti per facilitare la collaborazione tra
il mondo industriale e quello accademico.
Una cosa è certa: siamo di fronte ad una nuova era industriale e
scientifica entusiasmante. Informazioni dettagliate sull’andamento
del workshop e diverse memorie presentate sono reperibili sul sito
web http://www.nanotec.it/crf/intro.html. Alcune di queste sono
pubblicate di seguito.
Nanotec IT coglie l’occasione per ringraziare tutti coloro che hanno
preso parte al Convegno sia in qualità di speakers che come partecipanti.
Gestione della complessità e della multidisciplinarietà:
velocità, coordinamento, collaborazione
Trattandosi di tecnologie assolutamente innovative occorre attuare
un buon connubio tra creatività e concretezza industriale, ma indubbiamente la capacità di immaginare nuovi impieghi gioca una
parte importantissima in un orizzonte di profonda mutazione come quello aperto dalle nanotecnologie. L'apertura e la creatività
devono essere spinte al massimo anche nella fase di generazione
di proprietà intellettuale. La struttura della ricerca, e in generale
dell'industria, necessitano di una rivisitazione profonda che faciliti
la multidisciplinarietà per operare per così dire secondo una prospettiva più nanotecnologica. La multidisciplinarietà da sola non è
in grado di produrre azioni concrete se non viene aggiunta una
massiccia dose di volontà e di motivazione a collaborare, necessaria per ottenere quel circuito comunicativo e progettuale della ricerca in territori di contaminazione disciplinare dove il sapere del
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I MEMS
nel settore Automotive
Roberto Della Marina Direttore Marketing e Business Development
prodotti MEMS Olivetti I-Jet SpA
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ebbene oramai nei veicoli di gamma medio-alta vengano installati fra i 50 e i 100 sensori, la diffusione di sensori basati sulla
tecnologia MEMS (sistemi micro-elettro-meccanici) è ancora relativamente bassa, nonostante già nei primi anni ’80 fossero stati introdotti i primi sensori MAP (Manifold absolute pressure) per il
controllo dei motori e a partire dai primi anni ’90 i ben più famosi
accelerometri in silicio come sensori dei sistemi di airbag.
Ciononostante, l’aumento costante dell’efficienza dei motori per
una riduzione dei consumi di combustibile, il miglioramento della
sicurezza, delle prestazioni, del confort delle vetture e dei sistemi di
diagnostica a bordo, rappresentano obiettivi strategici il cui conseguimento da parte delle imprese dell’industria automobilistica implicherà un aumento significativo nell’uso dei microsistemi e dei
sensori MEMS in particolare. Essi giocheranno un ruolo molto importante sia nel sostituire tecnologie tradizionali sia nell’introdurre
applicazioni innovative contribuendo, in virtù delle loro caratteristiche, a ridurre il costo dei sensori/microcontrollori presenti nei veicoli. Tale costo può arrivare ad incidere fino a circa il 20% del costo
totale di ogni vettura.
Olivetti I-Jet può recitare un ruolo di primo piano in questo campo,
forte di quasi 30 anni di esperienza nella tecnologia MEMS applicata nei mercati IT e avendo a disposizione una capacità produttiva
installata per milioni di dispositivi/anno.
Fig. 1 Previsioni 2007 per il mercato europeo sensori automotive [2]
Una spiegazione delle significative prospettive di crescita della domanda di sensori di pressione per pneumatici per i prossimi anni
(~16%) può essere individuata nelle legislazioni sempre più severe
in termini di sicurezza che le aziende automobilistiche devono e
dovranno rispettare (ad esempio, il Tread Act 2000 statunitense).
Requisiti del modo automotive
Il tipo di utilizzo a cui sono sottoposti i veicoli (l’esposizione a grandi sbalzi di temperatura, urti, vibrazioni, umidità) e alcune delle loro caratteristiche (la presenza di materiali corrosivi, il controllo delle emissioni elettromagnetiche, la sensibilità alle radiofrequenze)
fanno sì che ai componenti automobilistici siano richieste rigorose
prestazioni in termini ambientali, di affidabilità e di costo.
Inoltre, i componenti automobilistici devono potere essere prodotti in volumi molto significativi, in genere un milione o più di unità
all'anno. Ciò è imposto non solo dalla domanda di nuovi veicoli,
ma anche dalla necessità di recuperare gli investimenti relativi ai
costi fissi di progettazione e di produzione.
La sensoristica nel settore dei trasporti
Prendendo come riferimento gli Stati Uniti, nel 2000 il giro d’affari
del mercato per l’elettronica automobilistica era di 22,7 miliardi di
dollari e si prevede una crescita fino a 30,9 miliardi di dollari nel
2005, a fronte di un tasso di crescita medio del 6,3%. Da questi
dati si può evincere che il contenuto medio di elettronica di ogni
veicoli veicolo passerà dai 477 dollari del 2000 ai 572 dollari del
2005 [1,2,3].
Concentrando l’attenzione sui MEMS, le principali applicazioni di
sensori basati su questa tecnologia nell’industria automobilistica
sono gli accelerometri, i sensori pressione e i giroscopi; per questi
sistemi, nel 2002, l’industria automobilistica ha speso circa 2 miliardi di dollari, corrispondenti a circa 400 milioni di unità.
Dando uno sguardo alla realtà europea, emerge che nei prossimi
anni la crescita più significativa della domanda e i volumi di produzione più elevati si registreranno nei sistemi di sicurezza, nel controllo del telaio e nel power train, con un tasso medio di crescita
annuale che si prevede superiore al 10-12% [1,2,4]. Sempre con riferimento al mercato europeo, è interessante segnalare come i dispositivi con le più alte previsioni di crescita siano i sensori di pressione e i sensori di posizione, distribuiti secondo le differenti applicazioni nei sistemi imbarcati (vedi Fig. 1 e Fig. 2).
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Fig. 2 Previsioni 2007 per il mercato europeo dei sensori pressione auto per
applicazione [2]
L’affidabilità e la solidità richiesta ai componenti automobilistici deve dunque accompagnarsi a metodi di produzione che limitino il
costo di questi beni. La tecnologia MEMS è particolarmente indicata per consentire un range esteso di applicazioni con requisiti così
stringenti. Infatti, la possibilità di adottare processi di fabbricazione
e impianti derivati dalla produzione di massa di semiconduttori,
consente l’integrazione di un numero molto importante di dispositivi per fetta di silicio con il conseguente raggiungimento di significative economie di scala e quindi una notevole riduzione dei costi
unitari. I sensori MEMS beneficiano dunque dei progressi fatti ne-
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gli ultimi 40 anni dalla tecnologia planare in termini di rendimenti
e affidabilità. Bisogna considerare inoltre che il silicio, struttura
portante dei sensori MEMS, è compatibile con i processi attualmente in uso per la fabbricazione dei microprocessori e consente
quindi l’integrazione monolitica di elettronica e sensore sullo stesso substrato.
Uno sguardo al passato
Citando solo un caso tra i più noti, gli accelerometri in silicio per gli
Airbag furono introdotti a metà degli anni ‘80 sostituendo sensori
elettromeccanici come i “Ball-in-Tube” della Breed nei quali una
sfera conduttrice era inclusa in un tubo dotato di una molla. Tale
molla, superata una data soglia di accelerazione (tipicamente 1012g) chiudeva un contatto elettrico provocando l’apertura del cuscino d’aria. La particolare diffusione e l’utilizzo degli accelerometri
MEMS in silicio nell’auto (in un range ~50g) sono attribuibili ai
vantaggi in termini di dimensioni, affidabilità e costo connessi a
questi dispositivi, attualmente prodotti in milioni di pezzi/anno da
aziende come Analog Devices, Bosch, Infineon e Motorola.
Se si prendono in considerazione i sensori di pressione, in special
modo quelli operanti in ambienti difficili o a contatto con sostanze
corrosive (quali l’olio dei motori, il liquido refrigerante del radiatore
o i gas di scarico), si assiste oggigiorno a un fenomeno di sostituzione dei dispositivi tradizionali, realizzati affidandosi a elementi
capacitivi ceramici, pressostati o ad altri metodi elettromeccanici,
con sistemi MEMS. In tali sensori le deformazioni di sottili diaframmi in silicio (decine di micron o meno) determinate dalla variazione
della pressione sul dispositivo portano a delle variazioni di resistenza di piste piezoresistive depositate sulla membrana stessa. Olivetti
I-Jet offre da qualche mese un ampio catalogo Fig. 3 Innovazione e
volumi per i sensori automotive [2] di prodotti adatti a differenti
applicazioni in questo ambito.
Fig. 3 Innovazione e volumi per i sensori automotive [2]
Fig. 4 Schema struttura sensore pressione MEMS Esigenze e trend attuali
Gli sviluppi di sensoristica MEMS in ambito automotive sono molteplici in numerosi campi di applicazione (vedi Fig. 1, Fig. 2 e Fig.
3). Per diverse aziende automobilistiche la priorità dello sviluppo di
sensori si focalizza sugli assi seguenti:
1. motore e trasmissione;
2. sospensioni;
3. stabilizzazione del veicolo;
4. controllo dei pneumatici.
In ambito motore e trasmissione, i sistemi di misura della pressione
(sia barometrica che ambientale) sono estremamente utili alle centraline di controllo dell’iniezione in quanto permettono di adattare
in tempo reale la composizione della miscela aria-carburante in
funzione: a) delle condizioni metereologiche e morfologiche dell’ambiente in cui il veicolo si trova ad operare qualora aspirato e b)
della pressione di sovralimentazione in sistemi turbocompressi.
Sensori di pressione MEMS possono trovare molteplici applicazioni
quali: i già citati MAP, nei circuiti di raffreddamento o di lubrificazione, nel circuito di alimentazione per il controllo di eventuali fughe, nei circuiti idraulici delle trasmissioni CVT, nel controllo della
pressione nei cilindri, nel controllo della pressione di iniezione di
carburante (nell’iniezione diretta nel diesel si possono sorpassare i
2000 bar e nel benzina 150 Bar) o della pressione di sovralimentazione. La sensoristica MEMS permette per tutti questi casi chiari
vantaggi in termini prestazionali, di costo, di compattezza e di affidabilità. Citiamo per completezza un’applicazione particolare della
tecnologia MEMS in silicio: la fabbricazione di matrici di microiniettori di alimentazione per rendere più omogenea la combustione, riducendo il consumo, il rumore, le emissioni e migliorando
l’efficenza generale del motore.
I sistemi per le sospensioni sono progettati per fornire al conducente il miglior controllo possibile della vettura in situazioni ordinarie ed eccezionali quali, ad esempio, strade sconnesse, accelerazioni e frenate violente, improvvisi cambiamenti di direzione. I sistemi
a controllo attivo (a circuito chiuso) attualmente in uso hanno ancora un costo rilevante, accrescono il peso del veicolo e consumano una significativa quantità di energia senza garantire un rapporto costo/benefici rilevante per costruttore e guidatore. Per questo
motivo, tali dispositivi vengono oggi applicati in special modo su
veicoli specialistici o di alta gamma, ma la loro diffusione potrebbe
essere accresciuta attraverso l’utilizzo di una rete integrata di sensori di posizione, giroscopi e sensori di accelerazione (in media da
3 a 5) interfacciati tra loro e gestiti da una centralina (“Body Inertial Unit”).
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I giroscopi misurano la rotazione di masse oscillanti in silicio dovuta
alla forza di Coriolis: se fabbricati in tecnologia MEMS, possono essere attuati piezoelettricamente, elettrostaticamente o elettromagneticamente e la misura è effettuata capacitativamente o sfruttando materiali piezoresistivi (esempio [6]). Un giroscopio MEMS,
inoltre, garantisce un vantaggio in termini di compattezza e di costo che può raggiungere un fattore 20-40 rispetto a sistemi tradizionali, consentendone una elevata diffusione.
Assieme ai sensori di tilt, gli accelerometri, i sensori angolari di
sterzo e i sensori di velocità delle ruote, i sensori di pressione fanno
parte del sistema di controllo dinamico della stabilità del veicolo.
Attualmente vengono utilizzari sia per il controllo della pressione
del circuito frenante sia per il controllo della pressione assoluta dei
pneumatici (TPMS).
Lo sviluppo e la larga diffusione di questi dispositivi nel settore automotive sono da attribuire principalmente a esigenze di miglioramento della sicurezza e di riduzione del consumo di carburante. A
tutt’oggi esistono in commercio differenti sistemi TPMS sia attivi
(con sensori inseriti all’interno dei pneumatici) sia passivi (che utilizzano le informazioni provenienti da sistemi di controllo stabilità
del veicolo quali EBV, ESP e ABS). Olivetti I-Jet ha sviluppato recentemente assieme a Pirelli un innovativo sistema wireless attivo
(Xpressure+™ Pirelli) basato su una rete di sensori di pressione
compensati in temperatura in contatto con una centralina o un ripetitore a bordo auto via radiofrequenza che consente di misurare
con precisione e di segnalare in tempo reale un’anomalia nella
pressione dei pneumatici.
Fig. 5 Sensore pressione SMD (Olivetti I-Jet S.p.A.)
Conclusioni
Le applicazioni dei microsistemi e dei sensori MEMS nel settore dei
trasporti continueranno a giocare un ruolo significativo nel mercato generale dei MEMS nei prossimi 4-5 anni, facendo fronte alle
esigenze dei costruttori di sostituire tecnologie più costose e obsolete con nuovi sistemi per la sicurezza, il comfort e la riduzione dei
consumi/emissioni che consentano di cogliere gli indubbi vantaggi
di costo, prestazioni, affidabilità e compattezza offerti dalla moderna tecnologia dei microsistemi.
Ringraziamenti
L’autore ringrazia il Dott. Vito Marcolongo di Evidenze Srl per i dati
di Strategy Analitics e Roger Grace Associates per i numerosi arti6
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coli sui MEMS in ambito Automotive che hanno certamente aiutato l’autore nella scrittura di questo articolo.
Bibliografia
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Strategy Analytics report 2002
R.H. Grace “Application Opportunities of MEMS in the Automotive
markets”, Sept. 2002
C. Webber, "Automotive Sensor Market Trends", Presented at 1999
Sensors Marketing Conference, Strategy Analytics, San Diego, CA,
Feb. 1999
R.H. Grace, "Commercialization Issues of MEMS/MST/Micromachines", Sensors Expo Proceedings, Detroit, Michigan, September 2000.
Analog Devices ADXRS150 Angular Rate Sensor
Olivetti I-Jet S.p.A. (www.olivettii-jet.com)
Olivetti I-Jet è l'azienda del gruppo Olivetti Tecnost (la Business
Unit Office & System Solutions del Gruppo Telecom Italia) totalmente dedicata alle attività di ricerca, sviluppo e produzione nell’ambito della silicon technology con applicazioni che vanno dall’elaborazione dell’immagine e la stampa basata sulla tecnologia InkJet, a dispositivi e sistemi basati su tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems).
Olivetti I-Jet si avvale del know-how tecnologico frutto di 30 anni di
ricerca condotta da Olivetti nel campo della microelettronica, della
microlavorazione del silicio, del vetro, delle plastiche e dei polimeri,
della microfluidica e dell’ingegneria per i microasseblaggi automatici, aventi come obiettivo lo sviluppo e la produzione di testine e sistemi a tecnologia thermal ink jet. Oggi, Olivetti I-Jet è l'unica
azienda europea (e una delle quattro al mondo) a gestire un processo di produzione ink-jet termico a ciclo completo insieme allo sviluppo di tutti componenti correlati, dagli inchiostri alle testine. Olivetti I-Jet ha iniziato a produrre sensori ed attuatori MEMS grazie all'enorme know-how tecnologico e agli oltre 100 milioni di euro investiti dal 1996 in apparecchiature per la lavorazione del silicio.
Con un team di tecnici altamente qualificati ed un impianto di fabbricazione all'avanguardia, Olivetti I-Jet è il maggior produttore europeo di dispositivi/sensori micromeccanici in silicio/vetro e prevede per i prossimi anni di presidiare la futura crescita dei mercati
emergenti dei dispositivi MEMS. L'impianto di Arnad, in Valle
d'Aosta, vanta un'estensione di oltre 25.000 metri quadrati, di cui
6.000 dedicati a camere bianche (di classe 100 e 1000) per lavorazioni su diametri di 6", con certificazioni ISO 9001 (Vision 2000) e
ISO 14001. Olivetti I-Jet impiega circa 350 persone, di cui quasi
100 sono tecnici e ricercatori altamente qualificati. Olivetti I-Jet
partecipa al progetto europeo NEXUS ed è impegnata con successo in numerosi progetti di R&D finanziati dalla UE e dallo Stato italiano.
Roberto Della Marina
Direttore Marketing e Business Development
prodotti MEMS Olivetti I-Jet SpA
[email protected]
Tel. +39 0125 968364
Fax. +39 0125 968386
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Getter thin film solutions
for wafer level packaging
of MEMS
M. Moraja, M. Amiotti, A.Conte SAES Getters S.P.A., 20010 Lainate, Italy
1 Introduction
The packages of Micro-electromechanical Systems (MEMS) with
moving parts have mainly the functions of mechanically protect
the device from the unwanted influence of the outer world together with providing a suitable environment, vacuum for example, for the proper operation. The pressure requirements of some
MEMS hermetically packaged devices such as gyroscopes, accelerometers, IR bolometers, digital mirrors are very stringent in the
range of 10-3 Torr[1].
The most experienced and technically accepted way to keep constant the ambient of an hermetically sealed devices is the getter
material[2], that is able to chemically absorb active gasses under
vacuum or in inert gas atmosphere for the lifetime of the MEMS
devices. Getters materials are able to absorb chemically H2O, O2,
CO, CO2, N2 and absorb physically H2. So far, the getter solution
for ceramic or metallic hermetic packages containing MEMS devices evolved from getter powder coated on a metallic substrate
with a total thickness above 100 µm toward a getter thin film, few
microns thick, placed directly onto the lid of the package as shown
in Fig. 1.
Fig. 2. Scheme of the MEMS package where PaGe Wafer is used as cap wafer
above the MEMS structure.
If from one side the wafer level package reduces the costs and the
manufacturing time of MEMS devices, on the other side the wafer
level packaging poses tremendous technical challenges to keep vacuum or constant pressure of filling gasses in such small volumes
where MEMS with moving structures such as gyroscopes must
operate for long period of time (10 to 15 years for automotive applications). The MEMS wafer level packages have an high surface
volume ratio: the outgassing from the large MEMS structure surfaces will increase the internal pressure during the lifetime, especially if the MEMS device has to undergo thermal cycles in harsh conditions. If the MEMS devices must work in 0.1 or 0.01 Torr or even
at lower pressure, it is evident that a getter is needed to assure a
stable vacuum or pressure inside the wafer level package because
of outgassing and leaks.
The real and innovative technical solution for wafer to wafer bonded MEMS is to have a silicon or glass cap wafer with patterned
getter film (PaGe Wafer) into proper cavities or on the bare cap
wafer if needed as shown in Fig. 3. The choice of the substrate material depends on the bonding technology of the two wafers: silicon for direct or glass frit bonding and glass for anodic bonding technology for example. The diameter of the PaGe Wafer can vary
between 4” up to 6”.
Fig. 1. The getter thin film patterned onto the metal lid of hermetic packages
containing the MEMS device.
The shift from ceramic and metallic hermetic packages to wafer level packaging for MEMS required the development of a new getter solution at wafer level, that will be described in this paper. Basically, the cap wafer of wafer to wafer hermetically bonded MEMS
devices will contain a patterned getter thick film with a thickness
of the same order of magnitude, microns, of the other thick films
building up the MEMS structures.
2 Patterned getter films wafers (PaGe Wafers) for MEMS
packaged at wafer level
Wafer level packaging is the key technology for low cost and high
reliability of final MEMS devices. In the wafer level package, the
cap wafers of either silicon or glass with structured cavities are
mounted above the MEMS structure. The base wafer with MEMS
structure and the cap wafer are sealed together in the preferred
atmosphere such as vacuum in a special sealing equipment.
Fig. 3. 4”Si and glass PaGe Wafer.
The typical thickness of the patterned getter films is in the range of
few microns. Moreover, the other technical advantage is the fact
that the getter film is selectively placed into cavities with good
adhesion and no loose particles by semiconductor like technologies. The getter film consists of a special Zr based alloy, whose chemical composition has been optimized to maximize sorption
performance or to maximize performances in specific sealing or
bonding conditions.
The morphology of the thick getter film has been engineered in order to maximize sorption performances as shown in Fig.4, where
the columnar structure with large surface area is evident.
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3 References
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[2]
[3]
Fig. 4. SEM cross section of the patterned getter film over silicon substrate.
The thick getter film can be selectively placed inside cavities of the
cap wafer with high accuracy, assuring the homogeneity of the
getter film placement in all the cavities. The typical pattern lateral
dimensions are in the range of the millimeter, while the getter film
can be placed in the cavities with any depths, ranging from few
microns up to hundreds of microns.
PaGe Wafer can be safely handled in clean room air environment
without any sorption performances degradation because the patterned getter thin film on the wafer has been properly passivated.
The getter thin film starts absorbing active gasses after the removal of the passivation layer over its surface by a thermal process under vacuum (activation process). In the case of wafer to wafer bonded MEMS, the patterned getter film can be activated during the
baking under vacuum and during the bonding of the cap wafer
with the other wafer containing the MEMS structure. The different
vacuum bonding technologies such as anodic bonding, eutectic
bonding, direct bonding and frit glass bonding offer a suitable range of temperature and process time for a proper activation of the
getter film. The getter film has been proven not to change its
morphology after the activation conditions of various bonding technologies. Moreover, the getter film does not change morphology after activation.
The sorption performances are kept at same level of the reference
value even after more than 500 cycles between - 40 °C / +150 °C
(automotive requirement).
Since the gas conductance between the cap and the base wafers is
very small because of the small distance (less than 200 µm typically) during alignement, baking and evacuation, the presence of an
absorbing getter film on the cap wafer improves greatly the achievable vacuum in the final MEMS devices and at the same time the
getter film at wafer level might reduce the process time. The presence of an integrated getter film inside every wafer level package
can assure also that the pressure is homogeneous all around the
wafer surface. The consumption of the getter absorption capacity
during the bonding process must be taken into account in order to
properly size the quantity of getter material to assure a long lifetime to the MEMS devices.
In conclusion, we have shown that the PaGe Wafer is the viable solution to integrate a getter film inside wafer to wafer bonded
MEMS packages.
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S. Caplet, N. Sillon, M.T. Delaye, P. Berruyer, “Vacuum wafer level
packaging for MEMS applications” Proceedings of SPIE, SPIE, Vol.
4979, pp. 271-278, 2003.
J.M. Lafferty, Foundations of Vacuum Science and Technology, pp.
261-316, John Wiley & Sons, New York, 1998.
M. Moraja, M. Amiotti and R. Kullberg, “New getter configuration at
wafer level for assuring long term stability of MEMS”, Proceedings of
SPIE Vol. 4980 (2003) 260- 267.
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Nanotecnologie e
nanocompositi all’IMCB-CNR
di Napoli
L. Nicolais, G. Carotenuto, Istituto per i Materiali Compositi e Biomedici Consiglio Nazionale delle Ricerche, Napoli
Col termine nanotecnologia si intende la realizzazione di materiali,
dispositivi e sistemi attraverso il controllo della materia su scala nanometrica. L’emergere di questo nuovo approccio nell’ambito della scienza dei materiali rappresenta una vera e propria rivoluzione
per la possibilità di modulare finemente le proprietà chimiche e fisiche coinvolte e costituisce un paradigma indispensabile per la
preparazione di classi disparate di materiali e oggetti con specifiche caratteristiche meccaniche, chimiche, ottiche, elettriche, magnetiche, ecc. E’ evidente quindi che le nanotecnologie costituiscono uno dei motori più potenti di trasformazione tecnologica e
la loro importanza nell'influenzare le economie mondiali del nuovo
millennio è ormai riconosciuta dalle maggiori agenzie di ricerca
scientifica di tutte le potenze industrializzate. Lo sviluppo prevedibile per le nanotecnologie dovrebbe incidere trasversalmente sull'insieme dell'economia mondiale, grazie soprattutto ai cambiamenti che esse sono in grado di operare nel settore dei materiali e
pertanto la sintesi di materiali e dispositivi progettati su scala nanometrica rappresenta un obiettivo strategico di primario interesse
per la scienza dei materiali. Va anche osservato che sebbene, la
realizzazione di dispositivi di dimensioni nanometriche rappresenta
la spontanea evoluzione del continuo processo di miniaturizzazione caratteristico del settore microelettronico, sensoristico e della
registrazione magnetica, è anche vero che la creazione di nuovi
materiali basati su elementi nanostrutturati sta aprendo nuove ed
impreviste prospettive per le applicazioni industriali, biomediche
ed ambientali.
Nel 1959 uno dei più grandi fisici del Novecento, Richard Feynman, aveva ipotizzato che nel futuro si sarebbero potuti costruire
dispositivi di vario tipo agendo direttamente sulla posizione degli
atomi nella materia e sintetizzò questa sua visione con la celebre
frase: “There's plenty of room at the bottom”. Da pochi anni la
profezia di Feynman si sta avverando. Tuttavia, la nanotecnologia
non si limita allo studio della materia su scala molecolare, ma mira
principalmente allo sfruttamento tecnologico delle conoscenze acquisite sull’infinitamente piccolo allo scopo di controllare le prestazioni macroscopiche dei materiali intervenendo direttamente sulla
loro struttura microscopica.
Di particolare rilievo è l’apporto delle nanotecnologie al settore dei
compositi, materiali ottenuti combinando fra loro solidi di diversa
natura e spesso semplicemente costituiti da una matrice continua
metallica, polimerica o ceramica inglobante cariche continue o discontinue d’altra natura. Questa unione permette di ottenere sistemi ibridi con proprietà meccaniche, termiche, elettriche, ecc. intermedie a quelle dei singoli costituenti e quindi materiali più resistenti, leggeri, poco sensibili alla corrosione, all’usura abrasiva,
ecc. L’avvento delle nanotecnologie ha aperto al mondo dei compositi la possibilità di una radicale evoluzione: cariche e rinforzi
possono essere ora di dimensioni sub-microniche e nanometriche
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con la possibilità di un più accurato controllo delle proprietà rispetto a sistemi tradizionali, da ciò è prevedibile una trasformazione di
tutti gli attuali materiali compositi nei corrispondenti nanocompositi. D’altro canto, l’impiego di molte delle strutture nanoscopiche
recentemente scoperte (es. nanotubi al carbonio, fullereni, cluster
compounds, quantum-dot, nano-shell, ecc.) potrebbe trovare in
futuro forti restrizioni principalmente per ragioni di tossicità. Le
piccole dimensioni e l’elevato sviluppo superficiale di questi materiali, a cui consegue una spiccata reattività chimica, li rendono
spesso difficilmente utilizzabili allo stato puro in quanto aggressivi
o tossici. E’ per questo motivo che il loro inglobamento in matrici
inerti per formare dei nanocompositi sicuro rappresenta una importante strategia per il loro reale sfruttamento tecnologico, ben
superiore alle tecniche di passivazione superficiale già in uso.
Il laboratorio Materiali Nano-strutturati dell’Istituto per i Materiali
Compositi e Biomedici (IMCB) del CNR di Napoli opera da circa cinque anni nel settore delle nanotecnologie, con particolare attenzione per lo sviluppo di nanocompositi con caratteristiche funzionali basati su cluster metallici o semiconduttivi inglobati in matrici
polimeriche di varia natura. Più recentemente è stato intrapreso
presso il laboratorio anche lo studio di sistemi eterostrutturati (es.
nanotubi al carbonio rivestiti con metallo o semiconduttore, nanoshell di tipo ceramico@metallo, ecc.) inglobati in polimero e l’analisi sistematica delle loro caratteristiche strutturali e fisiche. Questi
materiali sono destinati a svariati settori applicativi tra cui quello
autoveicolistico, aerospaziale, microelettronico, ottico, ambientale
e biodiagnostico. In particolare, le principali attività del laboratorio
riguardano:
1) lo sviluppo di nuovi schemi di sintesi in situ ed ex situ per nanocompositi metallo-polimero anche di tipo industriale, di metodi di frazionamento-purificazione delle strutture nanoscopiche
e lo studio dei meccanismi di formazione e crescita di cluster e
nanoparticelle sia monometalliche che polimetalliche, con
strutture di tipo core/shell, multistrato, composite, ecc. e di
forma sferica, acculare, cubica, ecc., con particolare attenzione alla messa a punto di tecniche per il monitoraggio in situ ed
in tempo reale della forma e della dimensione delle particelle
al fine di poterne controllare la morfologia e comprendere-simulare i meccanismi e la cinetica di formazione. E’ oggetto di
studio anche la possibilità di controllare l’organizzazione spaziale delle nanoparticelle nella matrice, inducendo questa a
particolari transizioni morfologiche per stiro, cold-welding,
ecc;
2) la messa a punto di procedure idonee alla caratterizzazione
morfologica e microstrutturale di questi particolari sistemi che
per le loro peculiarità non possono identificarsi con quelle già
in uso con materiali tradizionali (es. SEM, XRD) ed in particolare lo sviluppo di tecniche di spettroscopia ottica (UV-Vis-NIR)
per la loro identificazione, caratterizzazione morfologica-topologica, valutazione dimensionale, ecc.;
3) la realizzazione di sensori ed altre tipologie di dispositivi (es. attuatori, trasduttori, limitatori ottici, filtri polarizzatori, ecc.) per
applicazioni nel settore dell’ottica, della microelettronica, della
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micromeccanica, ecc. basati esclusivamente su caratteristiche
mesoscopiche di metalli, semiconduttori e ceramici nanostrutturati dispersi in matrici dielettriche di natura polimerica (es.
elastomeri, polimeri conduttivi, plastiche ottiche, ecc.).
Le competenze acquisite nella caratterizzazione di questi materiali
e nelle tecniche di sintesi appositamente sviluppate hanno reso
questo laboratorio un riferimento a livello internazionale in questo
particolare settore della ricerca sui materiali nanostrutturati, ancora oggi poco conosciuti malgrado le loro notevoli potenzialità applicative. Il laboratorio è difatti impegnato in numerosi programmi
di ricerca e partecipa a diversi progetti e collaborazioni con strutture di ricerca accademiche ed industriali sia nazionali che internazionali. Tra i principali progetti di ricerca ricordiamo in particolare: un
progetto ministeriale (FISR) relativo allo sviluppo di materiali compositi conduttivi e trasparenti basati su nanopaticelle semiconduttive di ossido di indio e stagno (ITO) disperse in matrici polimeriche
idrofile termoreticolabili, svolto in collaborazione con unità operative dell’Università “La Sapienza” di Roma, dell’Università Roma 3,
dell’Università di Modena ed di una impresa veneta di medie dimensioni, l’Hydor, interessata allo sfruttamento commerciale dei
risultati della ricerca; un ulteriore progetto ministeriale (FISR) è
quello relativo alla realizzazione di supporti magnetici ultradensi
per la registrazione magnetica basati su nanoparticelle magnetiche
di cobalto e core/shell cobalto/argento incorporate in matrici polimeriche, svolto in collaborazione con unità operative dell’ENEA
(Casaccia e Brindisi), dell’Università di Padova e dell’Istituto di
Struttura della Materia del CNR di Roma. Il laboratorio è anche impegnato in numerosi progetti finanziati da leggi regionali e contratti con aziende private locali e nazionali su argomenti riguardanti lo sviluppo di micro- e nano-compositi. Nel prossimo ottobre
2004 il laboratorio sarà impegnato in un nuovo entusiasmante
progetto FISR, coordinato dal Centro Ricerche Fiat (CRF) di Orbassano (TO), dedicato allo sviluppo di matrici di microcobustori ad
idrogeno.
Il laboratorio Materiali Nanostrutturati è inoltre impegnato in programmi di ricerca finanziati da importanti industrie italiane tra cui:
l’ST-Microelectronics, la Fiat, la Pirelli, ecc. per lo sviluppo di materiali nanostrutturati per impieghi funzionali avanzati e detiene insieme col CRF – Divisione Microsistemi, con cui collabora attivamente da alcuni anni, numerosi brevetti nazionali ed internazionali nel campo delle micro- e nano-tecnologie. Tra questi menzioniamo in particolare, un brevetto mondiale relativo alla preparazione
industriale dei nanocompositi metallo-polimero e semiconduttorepolimero basato sull’impiego degli ordinari apparati per la formatura dei polimeri termoplastici (es. estrusori, presse ad iniezione,
ecc.), uno relativo alla realizzazione di collanti strutturali del tipo
hot-melt attivabili con microonde, uno relativo a materiali termocromici basati sulla risonanza di plasma di nanoparticelle d’argento, utilizzabili come sensori ottici per svariati settori applicativi (vedi
Figura 1) ed uno relativo alla produzione di fili continui d’argento
di diametro micronico e sub-micronico mediante semplice pirolisi
di precursori solforganici. Alcuni dei brevetti depositati col CRF sono ormai prossimi allo sfruttamento commerciale.
Oltre all’attività di ricerca, il laboratorio svolge anche una intensa
attività di divulgazione scientifica sui materiali nanostrutturati in
genere e sui nanocompositi polimerici in particolare, attraverso ri10
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viste nazionali ed internazionali dedicate al mondo industriale, tra
queste citiamo la rivista Polymer News che è particolarmente attenta a tutte le innovazioni nel settore dei polimeri. Sono state anche prodotte numerose recensioni bibliografiche sull’argomento
nanocompositi metallo-polimero e recentemente un volume pubblicato dalla Wiley interamente dedicato a questa nuova importante famiglia di materiali funzionali. Il laboratorio svolge anche attività di formazione sia per dottorandi e tesisti dell’Università “Federico II” di Napoli che per borsisti, ricercatori e tecnici di importanti
industrie italiane, tra cui: l’ST-Microelectronics, il Centro Ricerche
Fiat (CRF), la Pirelli Lab, ecc. Tra le collaborazioni scientifiche internazionali attualmente più attive in cui il laboratorio è coinvolto ricordiamo quella con: l’Istituto di Fisica Generale dell’Accademia
delle Scienze Russa di Mosca (Prof. A.K.Zvezdin), quella col dipartimento di Chimica, dell’Università dell’Indiana in Bloomington
(Prof. L.Bronstein) e quella con l’Istituto dei Polimeri - Dipartimento
Materiali dell’ETH-Zentrum di Zurigo (Prof. W. Caseri). A livello nazionale ci limitiamo a menzionare le attivissime collaborazioni con
l’Istituto di Cibernetica “E.Caianiello” del CNR di Pozzuoli (Dott.
S.DeNicola), quella con il Dipartimento di Scienze Fisiche della Facoltà di Ingegneria di Napoli (Prof. A.Barone e Prof. G.P.Pepe) e
quella con il Dipartimento di Fisica dell’Università di Bologna (Dott.
L.Pasquini), con cui ricercatori del laboratorio sono coautori di numerosi lavori scientifici sull’argomento.
Figura 1 – Dispositivi plasmonici sviluppati presso l’IMCB: (A) Sensore ottico
in nanocomposito argento-polistirene; (B) filtri polarizzatori dicroici ad elevata
efficienza in nanocomposito oro-polistirene. Le caratteristiche funzionali di
questi due materiali derivano dalla risonanza di plasma dei rispettivi metalli
nanometrici incorporati nel polimero e dalla particolare topologia generatasi
durante il processo di sintesi.
In definitiva, le nanotecnologie costituiscono un salto innovativo radicale, che inciderà trasversalmente sulla quasi totalità dei settori
tecnologici. Le applicazioni delle nanotecnologie si estenderanno
molto rapidamente ai campi più svariati e i progressi raggiungibili
grazie a questa nuova filosofia contribuiranno ad accelerare il cambiamento tecnologico di tutta la produzione industriale tradizionale, originandone anche una completamente nuova. L’effetto di
questa nascente tecnologia é dovuto in primo luogo ai cambiamenti sostanziali che essa è in grado di apportare nell’ambito dei mate-
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riali, che da sempre costituiscono una risorsa orizzontale, vale a dire
sfruttabile in un ampio numero di prodotti e processi. Non esiste difatti alcuna attività tecnica che possa realmente prescindere da
strutture, supporti, componenti, parti meccaniche, ecc. Quindi,
sebbene il campo d’interesse immediato è quello della progettazione su misura delle caratteristiche dei materiali funzionali e strutturali già conosciuti e in uso, come ad esempio i compositi polimerici,
oltre alla creazione di materiali avanzati con proprietà e/o combinazioni di proprietà fin’ora inaccessibili, a questa iniziale evoluzione
dei materiali scaturita dall’adozione delle nanotecnologie seguiranno ampie ripercussioni nei più svariati settori economici.
L. Nicolais, G. Carotenuto
Istituto per i Materiali Compositi e Biomedici
Consiglio Nazionale delle Ricerche
Piazzale Tecchio, 80 – 80125 Napoli.
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The discovery of nanostructured
catalysts based on iron, cobalt
and nickel is boosting the
use of ethanol in direct
fuel cells
Claudio Bianchini a and Rinaldo Psarob
ICCOM-CNR, Area di Ricerca CNR di Firenze, bISTM-CNR, Milano
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1. Introduction
A fuel cell is a device capable to convert the chemical energy of a
fuel directly into electrical power, with neither poisonous emissions
(particulate matter, for instance), nor noise (being motionless in all
its parts), granting in addition a far greater efficiency than traditional devices based on the combustion of fossil fuels [1].
Fuel cells consume oxygen, generally atmospheric oxygen, and
fuels such gaseous hydrogen or combined hydrogen, like CH3OH
for instance, in low temperature cells or natural gas in high temperature cells.
Every fuel cell is made up of three main components: the anode,
the cathode and the electrolyte. The anode is the electrode on
which electrons are extracted from the fuel; conversely, on the
cathode the oxygen is transformed into water or hydroxyl ions
(OH-) thanks to the anode coming electrons; finally, the electrolyte
separates the anode from the cathode, but it lets ions (H+ or OH-,
depending on the electrolyte) go from one to an other, closing the
circuit, so that work can be produced. All this can be comprised inside a 2-3 mm thick and a few cm2 wide device.
However, in order to have an appraisable power density, both the
anode and the cathode must contain catalysts to speed up the
chemical processes at the electrodes, resulting in a fast production
of electrons. The more effective a catalyst, the higher the current
density and the lower the overvoltages at the electrodes, thus
achieving an effective voltage closer to the theoretical one relative
to that given anodic fuel. Currently available anodic and cathodic
catalysts consist of platinum nanoparticles as this metal is reactive
enough to activate both sides of the fuel cell reaction at ambient
temperature. Platinum has therefore been accepted by the industry as a necessary ingredient for low temperature fuel cells.
The transport and storage of hydrogen pose an undoubted issue,
since its compression is expensive and quite troublesome, thus raising serious problems with respect to tankers volume; hydrogen is
extremely inflammable, in fact it is liable to strict safety rules (hydrogen is banned out of built-up areas, commercial areas, tunnels,
parking areas, not to mention means of transport like aircrafts). Alternatively, hydrogen may be produced by catalytic reforming,
which means an increase in the cost and volume of the overall
reformer/fuel cell device. Methanol is on the one hand more promising than hydrogen as regards its transport, on the other hand,
it is relatively toxic, so that its distribution and sale is subject to stiff
constraints (in many countries, like Italy, one cannot buy methanol
by retail). Therefore, it is not easy to imagine hydrogen and methanol as future, comfortably available energetic sources, especially
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for portable power generators [2].
For mass market applications, the fuel cell industry’s ideal fuel
would be safe, cheap, easy to transport, store and handle, with a
high energy density (energy content to weight/volume ratio),
subject to no selling or transportation restrictions, and with a low
or positive environmental impact. Last but not least, the ideal fuel
would renewable! The only fuel that meets these criteria is ethanol: renewable, safe, cheap, and already distributed through retail
outlets worldwide. Moreover, millions of tons of bioethanol are
being produced out of vegetal biomasses fermentation [3]. Unlike
methanol or any other alcohol, the use of ethanol in fuel cells does
not increase greenhouse gases. Indeed, the CO2 evolved in the
oxidation process of ethanol is re-absorbed by the chlorophyllous
photosynthesis reaction carried out by the vegetation, which, if
treated ad hoc, gives back the ethanol, thus closing a virtuous cycle of power production owed to the sole expenditure of solar
energy (Figure 1).
The ability to adopt ethanol as fuel has two immediate commercial
benefits. Firstly it means that the power capacity of the cell is substantially increased, since ethanol has a specific energy content
which is more than 30% higher than that of methanol. Secondly,
ethanol can compete in price with gasoline, and is already used as
a gasoline additive without impacting upon the fuel price. The cost, at €400 per tonne (equivalent to approx. 1,200 liters) is also
sufficiently low to bring the pricing of fuel cartridges within the level necessary for the commercial success of fuel cells.
Figure 1 Renewable energy from ethanol: from Nature to Nature
2. Limits and drawbacks of platinum-based catalysts
Platinum and platinum alloy catalysts cannot operate with ethanol
as a fuel: they are insufficiently reactive, even at high temperature,
to produce the complete breakdown of ethanol to CO2, and instead produce intermediate products such as acetaldehyde, acetic
acid or acetate ion, and eventually CO. As a result, the energy extracted from the fuel is much lower than the theoretical specific
energy of 8 kWh/Kg, and the active metal sites may undergo irreversible poisoning [4].
Secondly, in direct alcohol fuel cells, the use of platinum on both
the cathode and the anode exposes the fuel cell to the phenomenon of “cross-over”: if fuel is allowed to migrate through the electrolyte to reach the “wrong” side of the fuel cell (the cathode), it
will react with the platinum on the cathode. The effect of this is to
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reduce, or even eliminate, the difference potential between the
anode and cathode, thus greatly reducing the power output of the
cell. Cross-over is a serious problem for the energy efficiency and
power potential of platinum-based cells, particularly because higher concentrations of fuel, which would increase the cell’s power
output, also directly increase the rate of fuel cross-over. Product
and energy costs are therefore incurred in preventing cross-over,
including highly specialized and expensive electrolytes, and fuel
and air management systems.
Finally, platinum has a very high affinity for carbon monoxide (CO),
which is absorbed onto the metal surface, reducing the number of
active platinum sites available to initiate the reactions. Indeed, the
oxidation of the adsorbed CO occurs at a high voltage (ca. 0.8 vs
RHE) on pure platinum and decreases the difference of potential.
This phenomenon is referred to as the “poisoning” or “flooding”
of the catalyst by CO, and means that fuel cells with a pure platinum-based catalyst on the anode cannot be used with fuels that
form CO during the reaction of the cell (basically all fuels with the
exception of hydrogen, borohydrides and hydrazine). A partial solution to this problem is represented by the use of platinum alloys
with other metals such as ruthenium or tin. The preparation of such alloys is however complex and expensive.
A further and, may be, even more serious limitation on the diffusion of fuel cell based on platinum catalysts is due to the scarcity of
this metal in nature, the proven reserves amounting to 5000 tonnes only. The overall yearly production of mobile phones on its
own, in case they were supplied with fuel cells, would require one
third of the global platinum extraction (only 165 tons in 2002),
while replacing car engines with fuel cells would need more than
forty times the current platinum production (an A class Mercedes
fed with direct methanol fuel cell contains about 180 g of platinum in the stack). Because of its scarce availability, one can correctly suppose that an increment in platinum request will cause prices
to go up, thus endangering fuel cells competitiveness with other
power production technologies.
3. The HyPerMec catalysts
The cooperation between Acta S.p.A and two Institutes of the Italian National research Council (CNR), namely the Institute of Chemistry of Organometallics (ICCOM-CNR, www.iccom.cnr.it) in Florence and the Institute of Molecular Science and Technology
(ISTM-CNR, www.istm.cnr.it) in Milan has given rise to a new family of catalysts, named HyPerMec, projected and evolved through
original nanotechnologies [5]. HyPerMec anodic and cathodic catalysts are able to reproduce, and in many cases, improve, the catalytic activity of platinum in electrodes useable in many fuel cells
types. Indeed, HyPerMec catalysts managed to overcome the second greatest restraint to the commercial development of fuel cells, i.e. the use of a safe fuel, with a broad distribution net, not
toxic, and last but not the least, renewable like ethanol.
HyPerMec catalysts contain nanometric and subnanometric iron,
nickel, cobalt particles, alone or arranged in binary and ternary combinations, and supported on conductive materials. The starting materials such catalysts require are largely available, avoiding the limitations imposed by the scarcity and high price of platinum. HyPerMec
catalysts show an enhanced activity in comparison with direct al-
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cohol cells working with platinum, even with a much lower metal
loading. In conjunction with anion-exchange electrolyte membranes, great efficiency has been achieved by the employment of these
catalysts in cells fed with a variety of fuels in water solutions, like
methanol, ethylene glycol and, more importantly, ethanol.
HyPerMec technology is based on the use of templating polymers,
resins with a bakelite-like structure obtained by condensation of
various functionalized fenols with aldehydes. These resins are able
to coordinate metal ions and promote their reduction yielding highly dispersed particles with a narrow size distribution (<1-4 nm),
depending on the experimental conditions. Once reduced, the catalysts are adsorbed either onto porous conductive materials such
as Vulkan XC-72 for fuel cell applications or onto metal oxides for
other uses such as the reforming of alcohols and hydrocarbons.
Notably, a one-step procedure is employed to prepare the mixed
metal electrocatalysts, instead of subsequent steps of metal deposition/electrodeposition as is generally required to obtain mixed
metal electrocatalysts. The structure of the resins is such that the
metal particles maintain their size and dispersion even when
subjected to temperatures as high as 900 °C.
The histograms below show the distribution of Fe40-Co30-Ni30
and Ni particles supported on Vulkan XC-72 (Figure 2).
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The anodic HyPerMec catalysts comprise first-row transition metals, generally iron, cobalt and nickel, alone or in binary or ternary
combinations and their stoichiometry and metal composition can
be finely tuned to use hydrogen, ethanol, ethylene glycol and
methanol with high effectiveness. In particular, due to the high dispersion and the small size, high activity for the oxidation of ethanol is observed also with very low metal loading (overall < 0.150.20 mg/cm2). More importantly, the oxidation of ethanol and
ethylene glycol yields CO2 (only a steady-state concentration of
both aldehydes and carboxylic acids detected), and low anodic
overvoltages even for ethanol (0.2 V) and ethylene glycol (0.1 V)
are observed. The anodes based on iron-cobalt-nickel alloys are far
less sensitive to CO than the platinum ones and, in contrast to palladium-based catalysts, no self-poisoning at open circuit is observed.
The HyPerMec cathodes, mainly based on Ni or Co alone, are not
sensitive to cross-over alcohols, thus allowing fuel concentrations
far higher than those of the platinum-based cells (up to 25% EtOH
in water).
Direct ethanol fuel cells catalyzed by HyPerMec-based electrodes
can issue a power density ranging from 30 to 150 mW/cm2, when
arranged in monoplanar systems, depending on the electrolytic
anion-exchange membrane and the working temperature.
Typical polarization/power and cell performance curves for selfbreathing cells fuelled with ethanol at room temperature are
shown in Figures 4 and 5, respectively.
Figure 2
The charts in Figure 2 show that the metal particles within the catalysts may have a narrow size distribution, around an average particle size of 3-5 Angstrom (0.3-0.5 nanometers), demonstrating
that the HyPerMec technology is effective at a sub-nanometric scale. Due to this extreme level of dispersion, a very low level of catalyst loading is required on the electrodes: currently 0.2 mg/cm2.
This should be compared to platinum, which is currently used at a
loading of 4.0 to 8.0 mg/cm2 to achieve similar levels of catalytic
activity with methanol.
HRTEM images of Fe, Co, Ni catalysts are shown in Figure 3.
Figure 3 Left: Fe-Co-Ni particles supported on silica (800000 magnifications);
right: Fe-Co-Ni particels supported on alumina (600000 magnifications) (200
KeV accelerating voltage).
Figure 4
Figure 5
Power output achieved to date with direct ethanol fuel cells based
on HyperMec electrocatalysts has been in line with the highest
power output announced in the market for methanol. With a selfbreathing fuel cell fuelled with ethanol at 22o C, the catalysts have
delivered an electrical efficiency of 42% to 45% (the percentage
of potential energy within the fuel converted into electrical
energy), and a power density of 65 mW/cm2 at a current of 200
mV to 600 mV. On a maximum power output test, it has been obtained a performance of 142 mW/cm2, and significantly, achieved
this performance with a self-breathing cell within four minutes of
start up.
Using platinum as a catalyst and with methanol as a fuel, comparable power densities have only been achieved to date by operating the fuel cell at higher temperatures (60- 80 oC), or by using a
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forced air fuel cell stack, in which the air and fuel are actively pumped through the cell, rather than a self-breathing fuel cell, in which the cathode is left open to the air and takes the oxygen from
the air directly.
Acknowledgments
We would like to thank Paolo Bert and Alessandro Tampucci of Acta S.p.A. for the profitable collaboration and for providing cell polarization data.
References
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
(a) Celle a combustibile, M. Ronchetti, A. Iacobazzi, ENEA, Febbraio
2002. (b) Handbook for fuel cells, W. Vielstick and A. Lamm, Wiley,
Vol. I-III; Wiley, New York, 2003.
The Hydrogen Economy, J. Rifkin, Tarcher, New York, 2002.
http://www.jxj.com/magsandj/rew/2000_03/bioethanol.html
(a) Lamy, C.; Lima, A.; LeRhun, V.; Delime, F.; Coutanceau, C.; Léger,
J.-M. J. Power Sources 2002, 105, 283. (b) Lamy, C.; Belgir, E. M.; Léger, J.-M. J. Appl. Electrochem. 2001, 31, 799.
Bert, P.; Bianchini, C. Platinum-free electrocatalysts materials, WO
2004/036674.
Contatti
Dr. Claudio Bianchini
ICCOM-CNR
Area di Ricerca CNR di Firenze
Via madonna del Piano snc
50019 Sesto Fiorentino (FI)
e-mail: [email protected]
Dr. Rinaldo Psaro
ISTM-CNR
Via C. Golgi, 19
20133 Milano
e-mail: [email protected]
Claudio Bianchini is Director of Research of the CNR and Executive Director of
the Institute of Chemistry of Organometallics (ICCOM-CNR) with the
headquarters in Florence inside the Polo Scientifico and stations in the
Universities of Pisa and Bari. More than 80 people work at ICCOM [40 CNR
researchers, 32 associate scientists from Universities, Industry and Reseach
Institutions, and 14 technicians]. Over 40 PhD, doctorate and graduate students
attend yearly the research and training facilities at ICCOM.
Main research activity in nanosciences:
Design and development of nanostructured metal catalysts and
materials.
Electrocatalysts for fuel cell applications.
Catalysts for reforming, and steam reforming reactions.
Catalysts for hydrogenation and oxidation reactions.
Polyhydride materials for hydrogen storage.
HDS and HDN catalysts.
Innovative approaches to nanostructured materials.
Design and development of polymerization catalysts.
Characterization and functionalization of polymeric materials
Polyolefins, elastomers, copolymers, hybrid materials, nanocomposites.
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Ion exchange membranes, synthetic resins.
Biocompatible polymers. Polymers with tunable chemical-physical properties.
Other research activities:
Enantioselective catalysis and synthesis
Organometallic, organic and inorganic syntheses
Design and development of biologically active molecules
Green chemistry
Theoretical study of structure-reactivity relationships, molecular
modelling, software
Design and development of high-pressure instrumentation,
reactors and devices (NMR, IR)
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Workshop: “Metrologia per le
nanotecnologie”
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l 12-13 Maggio 2004 si sono tenute a Torino (Villa Gualino) due
Giornate di Studio sul tema "Metrologia per le nanotecnologie", organizzate da AIRI/Nanotec IT con la collaborazione dell'Istituto G. Colonnetti di Torino, attualmente fuso con l’Istituto
elettrotecnico nazionale “Galileo Ferraris” nell’Istituto Nazionale
di RIcerca Metrologica (I.N.RI.M.).
Il workshop, nel corso del quale si sono succedute presentazioni di
quasi 30 esperti del settore della nanometrologia in Italia, nonché
interventi da parte di due “invited speakers” di fama internazionale, quali il Prof. Kim Carneiro (Direttore del Danish Institute of Fundamental Metrology e ex Direttore dell’EUSPEN) e il Dr. Guenter
Wilkening (Capo della Divisione di Nano e Microtecnologie del
PTB, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, di Germania), ha affrontato un’ampia gamma di tematiche della metrologia delle superfici (2-D e 3-D) e della metrologia a scala atomica alla luce delle
esigenze di misura derivanti dall’avvento delle nanotecnologie.
Lo scopo è stato quello di approfondire lo stato dell’arte e le possibili innovazioni nel campo delle tecniche e metodi di misura, strumentazioni, preparazione di campioni e, parallelamente, mettere
in evidenza specifiche esigenze di misura in campo industriale grazie al contributo di esponenti di aziende attive nelle nanotecnologie (Pirelli Labs, STMicroelectronics, Centro Ricerche FIAT, Ape Research, Alenia Spazio, ecc..). Lo scopo ultimo era quello di promuovere sinergie, collaborazioni e reti tematiche che riguardino ricerca, innovazione e produzione.
Nonostante l’estrema focalizzazione del workshop, nei due giorni
si è registrata una partecipazione di circa 60 ricercatori provenienti
sia dal mondo della ricerca pubblica che da quello delle imprese
che ha consentito un ampio dibattito il quale ha messo in evidenza
la centralità della metrologia per lo sviluppo e diffusione delle nanotecnologie. Informazioni dettagliate sull’andamento del workshop e diverse memorie presentate sono reperibili sul sito web
http://www.nanotec.it/metrologia/intro.html. Alcune di queste sono pubblicate di seguito insieme al programma completo del
workshop.
Nanotec IT coglie l’occasione per ringraziare tutti coloro che hanno
preso parte al Convegno sia in qualità di speakers che come partecipanti.
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Nanomolecular hibrid devices:
the new perspective of
microelectronic industry
S.Conoci, S.Coffa- STMicroelectronics
ince the last half of the 20th century, the Information Technology (IT) (in terms of information processing, transmission and
storage) has been revolutionized by the birth of transistor. This basic electronic component has dominated the IT world to date. Moreover, IT is currently converging towards components witch are
more and more nomadic and globally interconnected. This fact demands to microelectronic industry to develop of electronic devices
featured by performances more and more high, in terms of speed,
density, power consumption, smartness and low cost.
The conventional approach used so far to improve the performances of electronic devices is based on the scaling of CMOS technology, as predicted by the well-know Moore’s law, wherein there is a
doubling of devices per chip every 18-24 months [fig.1].Nevertheless, such an approach, called top-down, (fig.2) is facing both technological (physical, chemical and materials) and economic limitations, that could be decisive for the survival of microelectronic industry. Therefore, innovative solutions must be developed.
S
Currently, two main approaches are considered to solve the scaling
problem. The first, named bottom-up, relies on the construction of
the basic electronic devices (transistors, diode…) by using single
molecules that could self-assembled into a desired computational
circuitry (fig.2). In this case, relevant advantages can be potentially
obtained mainly in terms of:
• dimensions. Each molecule is approximately one million times
smaller in area than their present-day microelectronic
counterparts. For comparison, the 107-108 devices on a
Pentium chip occupy approximately 1 cm2 of chip. Using
typical-sized organic molecules having the three branches
(source, drain, and gate) of a transistor that spans 1-3 nm, it
can fit approximately 1014 molecules in 1 cm2;
• performances. Molecules have the unique properties to allow
the tuning of their properties by appropriate chemical
synthesis (molecular design);
• cost of devices. A microchip fabrication line cost is projected to
rise to $15 billion by the year 2010, and over $100 billion by
2015. By contrast, being molecular construction a bottom-up
technology, it gives rise to the prospect of manufacturing
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electronic circuits in rapid, cost-efficient, flow-through
processes. These processes could be analogous to the
production of photographic film, with overall enormous cost
savings over traditional microchip fabrication.
Nevertheless, such approach, although is very seductive from the
fundamental research point of view, it is just in the early stage
from technological point of view. The most optimistic roadmaps
predict an available technology not before 15-20 years.
The second approach, named hybrid, is a sort of merging of the
above two approaches. Basically, it consists in developing a very
dense array of molecular devices hosted in a silicon-based microelectronic IC (fig.2). This can be more convenient than that above
described. Indeed, such an approach although sacrifices part of
the advantages related to the pure molecular one (dimension of
device depends on lithographic limits), can assure the molecular
advantages of tuning of properties, low cost by employing the mature well-known circuital solutions coming from conventional ICs
to “drive” the single device. This can allow the achievement of innovative devices (improved in performances, cost…) in a relatively
short time. On this view, the roadmaps forecast 2-3 year to obtain
an available technology [1].
Therefore, molecular electronic nanodevices arranged in Hybrid architectures represents the most promising and realistic solution to
achieve innovative electronic devices in a relatively short time.
CONTACT
Dr. S. Conoci – [email protected]
STMicroelectronics
Si Optics&post-Si Technologies Group Corporate R&D
Stradale Primosole, 50
95121 Catania (CT), Italy
Tel. + 39 095.7407815
FAX + 39 095.7407860
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Electrical conduction
mechanisms in percolated films
N. Li Pira, Rossella Monferino, Marzia Paderi, M. Brignone,
V. Lambertini, Piermario Repetto
In typical light emitting devices, metallic electrodes are used to
inject charged carriers (holes and charges) into the emissive electroluminescent. Experiments on electrical conductivity of non-continuous metal-dielectric and metal-semiconductor films are presented. The structure and the properties of mesoscopic films are
modeled and interpreted using the percolation model. The I–V
characteristic of copper, silver, gold and aluminum films at the percolation threshold are found to be non linear: such non linearity is
due to an enhanced conductivity that always occurs in the same
voltage range, depending on the film growth and thickness. The
presence of well localized peaks, interpreted in terms of electronic
thermoionic field emission, demonstrates the effects of electron
confinement in these mesoscopic structures.
Using these featurings we propose the fabrication of new concept
of light emitting devices consisting of self-assembled nanocrystals
or nanostructured mesoscopic materials, where monodispersed luminescent nanocrystals or mesoscopic emitting material are embedded in metallic percolated 3D structure.
Introduction
We propose the fabrication of new concept of light emitting devices consisting of nanostructured mesoscopic materials, where monodispersed luminescent nanocrystals or emitting nanoparticles
are embedded in metallic percolated 3D structure. The device
structures is named current-in-plane (CIP) having a layers structure.
It can be operated at low DC voltage and does not require expensive substrates such as transparent ITO-coated glasses. The electrodes are located in the same plane on top of the substrate and induce charge transfer through a percolated 3D structure in which
monodispersed luminescent nanoparticles are embedded. The host matrix in CIP structures is typically composing by metals; semiconducting alternative will also be investigated.
Random metal-dielectric and metals-semiconductor films, also
known as inter-percolated metal film, are usually produced by
thermal or electron-beam evaporation or sputtering onto insulating substrates. The nanoparticles are interconnected or tunnelling-coupled so as to allow charge conduction to take place.
Electrical conduction mechanics in metal and in metals-semiconductor percolated films are presented. In the first step we focused
to understanding the electrical behavior of metal percolated films
to apply in more complex systems composted by several layers of
two different metals and an emissive semiconductor.
Electrical conduction mechanisms in metallic percolated
films
In the deposition process, first, small clusters of metal are formed
and at percolation the system exhibits a metal-insulator transition.
At high surface coverage, the film is mostly metallic with voids of
irregular shape, and finally the film becomes a uniform and continuous metal film.
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Metallic films were deposited on an ultrasonic-cleaned glass substrate up or close to the percolation point by thermal or electron
beam evaporation. The percolation threshold is defined as the
point at which, during the deposition process, the metallic film becomes conductive. There is a great deal of evidence that films only
a few tens of angstroms thick o thinner prepared by evaporation
consist of an array of small individual islands separated from each
other by distance of the order of a few to about 100 Å [1]. The experimental set up provides the control of the resistance by an electrometer during the evaporation process. Cu, Au, Ag, Al percolated films were prepared [2].
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because of their higher energy. This mechanisms is called
thermoionic field emission mechanism.
• By emission over the potential barrier at high temperature
range. The energy of the electrons is higher than the barrier
height, allowing them to jump it. This mechanisms is called
thermoionic emission mechanism.
The field emission was treated by Fowler and Nordheim and the
model was modified by many investigators for adaptation to semiconductors. Assuming a triangular shape for the barrier the current density can be written as
where A and B are two constant, T is the temperature and F is the
barrier height.
The thermoionic effect is bought to sufficient high temperature;
electrons are thermally excited over the potential barrier. The current density is giver by the Richardson equation
Figura 1 Percolation point for copper percolated film evaporated by thermal
source
Depending on the temperature of the substrate, on deposition parameters and on the chosen metal, the film becomes conductive in
average at a thickness of 2-5nm. For the I-V measurements two
gold electrodes (50÷200 nm thick) are deposited onto the opposite sides of the sample. The I-V characteristic measurements on single or multi-layers films are taken in the vacuum chamber at a typical pressure of 10-6 torr or in air after protection from oxidation by
a silicon oxide layer.
Figura 2 I-V curve for copper percolated film evaporated by thermal source
For electrical conduction to occur, electrons have to be transferred
from one particle to the next across the gaps and it is the mechanism of this transfer which will determine the resistance of the film
[3]. Depending on the energy the electrons are transferred via different mechanisms:
• By direct tunneling through the barrier, provided the barrier is
thin enough to allow the electrons to cross through it. This
mechanisms is called field emission mechanism.
• By tunneling at relatively high temperature range. Compared
to the previous case the barrier is thinner for the carriers
where A is a constant, T is the temperature and F is the barrier height.
This equation is modified when an external electric field is applied.
Indeed the electrons that escape from the metal will create positive
charges in the metal side. These charges exert a Coulomb attractive force on the electrons. For this reason in Richardson equation a
exponential term appears [4].
From the I-V registration we have the confirmation that the electric
characteristics of discontinuous films are be very different from
those of the bulk metal. An initial linear trend is followed by a rapid increase of the current versus the applied voltage. The current
increases until the structure of the film is no more able to sustain it
and breaks down. The rapid increase of the current flowing through the quantum wire network indicates a notable and great increase of the electric charges in motion through the system.
This increase of electric carriers through the overall quantum wire
network is attributed to the injection of charges from wires or clusters to adjacent insulator islands: these charges, under an applied
voltage, contribute to the current flowing through the system and
are responsible for the decrease of it resistance. The injection of
electrons from the metal to the voids can be attributed to the thermo-emission or to the field emission. Both phenomena contribute,
at the same time, to the current flowing through the film. However the investigation of the temperature influence on the variation
of the current through the samples suggests that tunnelling is much predominant. A further effect to notice is the dependence of
the I-V characteristics on the time scale of the applied voltage.
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Layered films consisting by metals-semiconductor
percolated films
The possibility to control the conductivity of a discontinuous metal
films by the applied voltage makes this systems very interesting for
electro-optical and lightings applications. Random metals-semiconductor films are obtained by thermal or e-beam co-evaporation
in which the materials are deposited layer by layer.
An important aspect of many devices is that of the boundary conditions, i.e. the contacts between two materials with different
energy band disposition, which are responsible for current injection. The choice of contacts in displays is an area of critical importance, as they can affect minority and majority current flow, and
hence recombination rates and efficiency. At the metal–semiconductor interface much wider variation in the values of the observed barrier height. In fact, the operation of standard organic and
inorganic LEDs depends on the asymmetry of the barrier heights at
the two contacts. Metals such as Al, Au, Ag with high work function are employed as anode materials whereas Al, Ca, and Mg
with lower work functions as cathode ones.
In the same case in CIP devices we selected two different metals as
charge donor and acceptor and we encapsulated an emitting semiconductor. In this layered configuration the active layer consists of a
semiconducting mesoporous material. Alternatively organic semiconductor (i.e. Tris (8-hydroxyquinoline) aluminium) or conjugated
polymer (e.g. the polyphenylenevinylen-PPV, MEH-PPV, polithiophene,…) doped with transition metals (Cu, Mn, Ni etc ) or rare-earth
ions ( Eu, Er, Tb, Yb etc) are used. The use of different semiconductor
materials for both the mesoporous host matrix and the guest nanocrystals lead to a bulk heterojunction. The host matrix is constituted
by different metals with high discrepancy in work function..
Layered films were deposited on an ultrasonic-cleaned glass substrate up or close to the percolation point by thermal evaporation.
Each layers is only a few tens of angstroms thick. It consists of an
array of small islands separated from each other by distance of the
order of a few to about 100 Å and interconnected with different
layers of other materials. The experimental set up provides a the time control and a time selected opening of the shutter for each
evaporations. The duration of each evaporation goes from 5 to 20
seconds depending on the materials and on the crucible temperature. CIP device consisted by Au as electron acceptor, Mg or Ca as
electron donor and Tris (8-hydroxyquinoline) aluminium (AlQ3) as
emitting semiconductor under applied bias were prepared. AlQ3
represents a material of significant interest for electron transport
and/or light emitting applications in standard organic light emitting diodes (OLEDs). The I-V characteristics shows an electrical
behaviour as well as a standard OLED (figure 3). The current peak
is appreciable value and it occurs to low voltage (3-4 volt depending on the thickness of system).
The local metal–semiconductor interfaces can be approximately
referred to as Schottky contacts and depending on the work function of the metal they can be of one of two types: low-resistance
ohmic contacts or rectifying Schottky contacts.
A metal with a work function which is smaller than that of the semiconductor, or greater, can be chosen and no barrier to carrier injection from the metal will be formed. As the low working function
metal is brought into contact with the semiconductor, thermal equi18
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librium is established and the Fermi levels in the metal and the semiconductor become continuous and equal through both materials.
Figura 3 I-V curves for Au-AlQ3-Mg films consisting by 25 layers
Figura 4 Energy diagram for Au-AlQ3-Mg system
In order for the Fermi levels to align, electrons from the semiconductor flow into the metal, leaving behind positive ionized donors
in the semiconductor. Therefore the bands bend and a Schottky
diode is formed. If the work function of the metals is greater, the
holes are injected from the metal into the semiconductor, causing
a build-up of negative charge in the semiconductor, and consequently the bands bend the other way [5].
Electroluminescence studies are in progress. A supplied photodiode is used to verify the emission of the exited semiconductor deep
in the multi layers system.
References
1
2
3
4
5
Electrical couduction mechanism in ultrathin evaporated metals films,
C.A. Neugebauer, M. Webb Journ. Appl.Phys. vol 33, 1 1962
Current-voltage characteristics and optical properties of metallic noncontinuous films near the percolation point (metal quantum wire
network - MQWN -) N. Li Pira, R. Monferino, P. Perlo, A. Zvezdin, V.
Lambertini, P.M. Repetto EUSPEN proceeding 2001
The Physics and Chemistry of materials, J. Gersten, Wiley 2001
Handbook of luminescence, dispaly materials and devices. N. Rohwer
vol.1 ASP 2003
Semiconductor devices. S.M.Sze, Wiley 2002
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Nello Ripira
Centro Ricerche FIAT, Orbassano (TO) Italy,
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I dispositivi a singolo
elettrone e le loro applicazioni
Maria Gabriella Castellano Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CNR Roma
N
el corso degli anni, si e' assistito ad una riduzione sempre
maggiore delle dimensioni dei dispositivi microelettronici, di
circa un fattore due ogni sei anni. Sulla scia di questo sforzo tecnologico, nell’ultimo decennio si e’ giunti a sviluppare dispositivi
dalle dimensioni al di sotto dei 100 nm nei quali alcuni effetti
quantistici che sono solitamente nascosti (quali la quantizzazione
della carica, il confinamento quantistico e la coerenza di fase dell’elettrone) sono invece prevalenti e determinano in modo sostanziale le caratteristiche di trasporto, dando vita ad una nuova classe
di dispositivi dalle caratteristiche estremamente innovative.
In questo ambito i dispositivi a singolo elettrone occupano un posto particolare, in quanto potrebbero rappresentare l’elemento base dell’Elettronica integrata su scala mesoscopica. Come dice il nome, si tratta di dispositivi che permettono la manipolazione accurata di singole cariche, utilizzando grandezze macroscopiche quali
corrente e tensione.
Il dispositivo a singolo elettrone per eccellenza è il transistor (single
electron transistor, SET). Esso è costituito da una piccolissima isola
conduttrice, connessa a due elettrodi di source e drain tramite due
giunzioni tunnel ed accoppiata capacitivamente ad un elettrodo di
gate. La piccolezza dell'isola e degli altri elementi (corrispondente
a capacità dell'ordine o inferiore al femtoFarad, ovvero 10-15 F), fa
si' che l'aggiunta anche di un singolo elettrone cambi significativamente l'energia del sistema, al punto da impedire il passaggio della carica (fenomeno di bloccaggio Coulombiano). La carica puo'
passare solo se l'effetto del bloccaggio e' contrastato dalla presenza di carica indotta attraverso l'elettrodo di gate, che costituisce
quindi il meccanismo di controllo del transistor. La manipolazione
degli elettroni ad uno ad uno e’ resa possibile solo dal verificarsi simultaneo di alcune condizioni:
1. è necessario confinare gli elettroni in una regione spaziale ben
definita, quale una molecola, un quantum dot o una piccola
isola metallica, cosi’ che l’aggiunta o la rimozione di un singolo elettrone porti ad una variazione significativa dell’energia
elettrostatica del sistema;
2. gli elettroni devono rimanere ben localizzati nell’isola centrale
e poco accoppiati al mondo esterno, il che si ottiene connettendo l’isola ai fili di collegamento tramite barriere tunnel poco trasparenti, con resistenza maggiore della resistenza quantistica Rk=h/e2 (circa 25 kΩ)
3. la temperatura deve essere abbastanza bassa da non permettere il passaggio di elettroni nell’isola tramite attivazione termica; per i dispositivi fabbricati litograficamente con dimensione dell’ordine delle decine di nanometri, questo avviene per
temperature inferiori ad 1 K.
Se queste condizioni sono soddisfatte, il flusso di corrente attraverso il dispositivo avviene per tunneling (controllabile dall'esterno) di
singoli elettroni attraverso le giunzioni. E' interessante notare che
le grandezze che controllano il dispositivo e che ne permettono la
misura sono macroscopiche: la tensione di gate, ad esempio, e' ti-
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picamente dell'ordine dei milliVolt; la corrente che scorre nel dispositivo e' piccola ma misurabile (dai picoAmpere ai nanoAmpere), e questo nonostante il fatto che il trasporto sia rigorosamente
affidato al passaggio sequenziale di un elettrone alla volta.
Vi sono vari tipi di dispositivi a singolo elettrone: da quelli con isola
ed elettrodi metallici o semiconduttori, separati da giunzioni tunnel o costrizioni nanometriche, a quelli con elettrodi metallici ed
isola costituita da oggetti in nanoscala (nanotubi di carbonio, molecole, fullereni, nanocristalli....).
Presso l'Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, nel gruppo Dispositivi Quantistici Superconduttori sono stati sviluppati dispositivi a
singolo elettrone basati su isole metalliche e giunzioni tunnel in
scala nanometrica. La realizzazione è stata possibile solo grazie alla
presenza, in Istituto, di una facility di micro e nanofabbricazione
dotata di impianti per film sottili, litografia ottica e soprattutto litografia elettronica: un electron-beam microfabricator ha permesso
di realizzare in una maschera di resist delle aperture di dimensione
inferiore ai 100 nm, da utilizzare per la fabbricazione del SET.
I dispositivi realizzati presso IFN-CNR constano di un’isola metallica
(alluminio) lunga alcuni micron e larga frazioni di micron; le giunzioni tunnel hanno un lato di 70 nm e sono realizzate con elettrodi
di alluminio e barriera di ossido di alluminio. Il processo di fabbricazione richiede l’uso di litografia a fascio elettronico per definire
strutture cosi’ piccole, e la deposizione del materiale avviene sfruttando l’effetto ombra dei ponti di resist sospeso, al fine di ridurre
ancora le dimensioni: questa tecnica e’ attualmente disponibile in
Italia solo presso il laboratorio di microfabbricazione dell'IFN. La figura 1 mostra la fotografia al microscopio a scansione elettronica
di uno dei nostri SET.
Una delle applicazioni piu' interessanti per i SET e' certamente nel
campo della metrologia, in cui questi dispositivi rivestono il duplice
ruolo di oggetti nanometrici da misurare e di elementi con cui costruire sistemi metrologici raffinati, quali ad esempio lo standard di
corrente o di capacita' elettrica. Per quanto riguarda il primo
aspetto, è chiaro che dispositivi su scala nanometrica richiedono lo
sviluppo di strumenti metrologici appositi, in grado di misurare in
tre dimensioni, con risoluzione atomica, su larghe aree; i risultati
della misura sono rilevanti per il disegno, l'ottimizzazione e la valutazione dei prototipi. Si pensi ad esempio ai SET costituiti da singole molecole o nanoparticelle: in questo caso l'affidabilita' della misura e' determinata dalla disponibilita' di elettrodi metallici con
spaziatura nanometrica, in modo da garantire che vi sia una e una
sola particella fra di essi, con le funzioni di isola del SET. Vari metodi sperimentali sono stati sviluppati per formare questi nanoelettrodi, ma in tutti i casi il processo costruttivo e' estremamente critico ed il risultato in larga parte aleatorio, per cui il controllo a posteriori con strumenti adatti ha un ruolo fondamentale.
Il secondo aspetto della relazione metrologia/SET e' forse ancora
piu' interessante e promettente. I dispositivi a singolo elettrone, infatti, sono alla base della realizzazione di standard di grandezze
elettriche. Un prototipo di standard di capacita' e' stato realizzato
nel 1997 presso il NIST (USA). Esso sfrutta una serie di sette giunzioni e sei isole nanometriche per regolare il passaggio di un grande numero di elettroni, contarli accuratamente e disporli su un
elettrodi di riferimento, la cui tensione viene poi misurata con uno
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standard di tensione. Il risultato migliore raggiunto e' stato il conteggio di 108 elettroni con la precisione di un elettrone. Lo standard di corrente si basa anch'esso sul passaggio di corrente dovuto
a singoli elettroni, in particolare sulla relazione di trasferimento del
singolo elettrone attraverso una sequenza di isole e giunzioni, in
cui la corrente e' legata alla frequenza solo tramite la costante di
proporzionalita' della carica dell'elettrone. Qui il limite contro cui
gli sperimentatori si stanno scontrando e' la piccolezza della corrente finora ottenuta, al massimo 2 pA, che mal si presta ad essere
adottata in uno standard. Una strada promettente per battere
questo problema e' quella di utilizzare non il passaggio di elettroni
ma di coppie di Cooper, che si creano quando un metallo diventa
superconduttore e costituiscono il meccanismo di trasporto principale per la corrente superconduttrice.
L'uso di dispositivi a singolo elettrone per la creazione di standard
di corrente permettera' la chiusura del cosiddetto "triangolo metrologico quantistico", ovvero permettera' di esprimere le grandezze tensione, corrente e frequenza l'una in funzione dell'altra
utilizzando soltanto costanti fondamentali (combinazioni della costante di Planck h e della carica dell'elettrone e) ed effetti quantistici. Al momento, due lati del triangolo sono gia' realizzati, tramite l'effetto Josephson che lega tensione e frequenza e tramite l'effetto Hall quantistico che lega corrente e tensione; per il terzo lato,
ovvero la realzione tra corrente e frequenza verificabile con i SET,
non si e' ancora raggiunto il grado di precisione necessario.
In ambito metrologico, l'IFN sta lavorando in collaborazione con l'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (gia' Istituto Elettrotecnico
Nazionale Galileo Ferraris) di Torino, per realizzare una pompa di
singoli elettroni ed implementare un prototipo di standard di corrente, che non e' ancora disponibile sul territorio nazionale.
Oltre alle applicazioni metrologiche, un'applicazione di punta per i
dispositivi a singolo elettrone è quella del calcolo quantistico.
Mentre i bit classici sono dispositivi che assumono due stati distinti
(i valori 0 e 1), i bit quantistici (qubit) possono esistere nella sovrapposizione quantistica e coerente dei due stati |0> e |1>. Sistemi di piu’ qubit hanno la proprieta’ di di permettere un enorme
numero di operazioni contemporaneamente. Questa proprieta’ intrinseca di svolgere calcolo parallelo porterebbe alla risoluzione di
problemi di calcolo non risolubili altrimenti, quali la fattorizzazione
di un numero con molte cifre, che sono di estremo interesse in vari campi: crittografia, sicurezza su web, nonche’ ricerca farmaceutica, chimica, genetica e cosi’ via. L’implementazione di qubit in dispositivi a stato solido, quindi facilmente integrabili, è ancora in
uno stadio sperimentale, ma i dispositivi SET sono fra i candidati
piu’ accreditati: tramite un SET opportunamente modificato, si
puo' realizzare un qubit in cui i due stati usati per la computazione
sono identificati nella presenza o nell'assanza di una carica elementare nell'isola centrale.
L'IFN e' attivo anche nel campo del quantum computing, occupandosi non solo della micro e nanofabbricazione dei dispositivi, ma
prendendo parte attivamente anche alla progettazione degli esperimenti ed alla misura, grazie all'esperienza di lunga data nel campo della superconduttivita' (soprattutto dispositivi Josephson) e
delle basse temperature. Questo impegno e' stato supportato sia
in campo nazionale (progetti INFM, progetti MIUR, progetti FISR)
che in campo internazionale (progetto europeo RSFQUbit).
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Figura 1: Fotografia al microscopio a scansione elettronica di un transistor a
singolo elettrone realizzato presso IFN (CNR Roma). L'isola, l'elettrodo di gate e
i vari fili di collegamento sono realizzati con un film sottile di alluminio. Le
giunzioni tunnel, costituite dalla sovrapposizione fra i fili orizzontali e l'isola,
hanno elettrodi di alluminio e barriera di ossido di alluminio.
Figura 2: Alcune immagini dal laboratorio di micro e nanofabbricazione
dell'IFN (CNR, Roma).
Contatti
Maria Gabriella Castellano
Istituto di Fotonica e Nanotecnologie, CNR
via Cineto Romano 42
I- 00156 Roma
tel. +39-06-415221
FAX. +39-06-41522220
[email protected]
http://www.ifn.cnr.it
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Microscopia ottica
interferometrica per la
caratterizzazione delle superfici
Giuseppe Molesini Istituto Nazionale di Ottica Applicata, Firenze
1. Introduzione
a lente d’ingrandimento, l’occhialino di Galileo, il microscopio
semplice di Leeuwenhoek sono i primi strumenti con cui inizialmente ci si è accostati allo studio del “più piccolo”. I microscopi ottici di oggi sono l’evoluzione tecnologica di quegli strumenti, resi
più potenti e versatili con l’aiuto delle moderne conoscenze nei
campi dell’ingegneria ottica, della meccanica, dell’elettronica e
dell’informatica. Resta tuttavia un limite fisico alla risoluzione che
si può raggiungere, legato al carattere ondulatorio della luce ed alla diffrazione: riferendosi al “criterio di Rayleigh”, l’osservazione di
piccoli particolari non si può spingere al disotto di 0,61 λ/NA, essendo l la lunghezza d’onda della luce, e NA l’apertura numerica
dell’obiettivo del microscopio [1]. Questo limite alla risoluzione (laterale) non permette in pratica di scendere dall’osservazione del
mondo “micro” a quello “nano”.
Tuttavia la stessa natura ondulatoria della luce, grazie al fenomeno
dell’interferenza, offre il modo di scandagliare il campione osservato nella sua profondità, ed in questo caso la risoluzione (longitudinale) si spinge a ~λ/1000, facendo così della microscopia interferometrica un valido ausilio per la nanometrologia dimensionale. Si
accennerà qui ai principi fisici, alle configurazioni ottiche ed alle
realizzazioni strumentali che appartengono a questo particolare
settore dell’ottica applicata.
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2. Principi di funzionamento
L’interferenza della luce è un fenomeno che si osserva comunemente in natura: il colore delle bolle di sapone, l’iridescenza delle
macchie d’olio sull’asfalto bagnato, la colorazione delle elitre di
certi coleotteri si spiegano in questo modo. In officina ottica, per
vedere la regolarità della forma delle superfici lucidate, si sfrutta lo
stesso fenomeno (Fig. 1). Sovrapponendo ad esempio due superfici piane si costituisce un sottile strato interstiziale d’aria che agisce
come la pellicola di una bolla di sapone (interferometro di Newton). Le bande di luce che si formano – dette frange – sono prodotte dalle componenti di luce riflessa che sono dirette verso l’occhio dell’osservatore. In pratica, un singolo treno d’onda incidente
si sdoppia in due componenti riflesse, ritardate l’una rispetto all’altra in ragione della distanza che separa le superfici accostate. Potrà
allora accadere che le due componenti siano in fase (ed allora si
avrà un rafforzamento reciproco, o interferenza costruttiva, e
quindi più luce), in opposizione di fase (con conseguente indebolimento, o interferenza distruttiva, e meno luce), o in condizioni intermedie. In luce policromatica, però, uno stesso ritardo può avere
una varietà di effetti, come mostrato schematicamente in Fig. 2,
dove per il rosso si ha interferenza distruttiva e per il blu costruttiva. Di qui la formazione di frange, eventualmente colorate se la
sorgente è policromatica. Le stesse frange, per il modo in cui sono
generate, vengono a disegnare la mappa contornata dello spessore della zona interstiziale, con una interdistanza pari a λ/2.
Fig. 1. Interferometro di Newton.
Fig. 2. Relazioni di fase dovute ad uno stesso ritardo per tre lunghezze d’onda
diverse.
D’altra parte, il fenomeno si produce ed è osservabile a condizione
che il ritardo tra le componenti riflesse sia inferiore a quello determinato dalla lunghezza finita lc dei treni d’onda (lunghezza di coerenza), che nel caso della luce naturale è dell’ordine di poche λ. Più
precisamente, le frange saranno visibili solo nelle zone in cui il ritardo in termini di differenza di cammino ottico OPD, sia inferiore a
lc. Effettuando, ove possibile, una scansione controllata della OPD
si potrà correlare il passaggio osservato delle frange alla profondità
locale a cui si trova la seconda superficie rispetto alla prima. Su
questo principio (scansione controllata della OPD, ed analisi della
modulazione locale del segnale nel tempo dovuta al passaggio delle frange) si basa appunto il meccanismo di funzionamento dei
microscopi ottici interferometrici.
3. Configurazioni ottiche e strumenti di laboratorio
La configurazione dell’interferometro di Newton in realtà non permette la scansione bidirezionale della OPD rispetto a OPD = 0, come sarebbe desiderabile per il funzionamento di uno strumento di
laboratorio; si ricorre allora alla configurazione di Fig. 3 (interferometro di Michelson). Qui si ha una sorgente estesa, osservata attraverso due cammini ottici diversi; la OPD è effettivamente conN E W S L E T T E R
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trollabile come voluto, traslando longitudinalmente uno degli
specchi di ripiegamento.
una seconda laminetta che agisce da specchio di ripiegamento. La
scansione della OPD viene sempre eseguita con un attuatore piezoceramico.
Fig. 3. Interferometro di Michelson.
Fig. 5. Schema di un obiettivo interferometrico di tipo Mirau.
L’integrazione della configurazione interferometrica di Michelson
nel microscopio ottico è mostrata schematicamente in Fig. 4. Il
gruppo sorgente è costituito da un diffusore illuminato da una
lampada in luce bianca. La luce viene immessa sull’asse ottico dell’obiettivo per mezzo di un cubetto separatore di fascio, e inviata
all’obiettivo stesso. A valle di quest’ultimo si ha il sistema Michelson, con un nuovo cubetto separatore, il campione in esame e lo
specchio mobile (azionato da ceramiche piezoelettriche). Al ritorno, la luce trasmessa dal cubetto a monte dell’obiettivo va a formare l’immagine su un rivelatore CCD.
In commercio esistono diversi tipi di microscopi interferometrici,
descritti nella letteratura scientifica e caratterizzati nelle loro specifiche tecniche [2,3]. A titolo di esempio, in Tab. 1 si riportano i dati
relativi ad uno di questi strumenti [4]. Si nota in particolare che la
risoluzione longitudinale dichiarata è di 0,1 nm. Gli obiettivi di dotazione, con le loro caratteristiche, sono elencati in Tab. 2. Come si
vede, le configurazioni a più basso ingrandimento e minore NA sono di tipo Michelson, mentre le altre sono di tipo Mirau. La risoluzione laterale dipende dall’obiettivo, con un minimo di 0,64 µm
per NA = 0,55 ; obiettivi a forte NA permettono anche di osservare
superfici a pendenza elevata. Naturalmente, all’aumentare dell’ingrandimento il campo di vista si restringe.
TABELLA 1
SPECIFICHE TIPICHE DI UN MICROSCOPIO OTTICO INTERFEROMETRICO [4].
Campo di misura longitudinale
100 µm
Risoluzione longitudinale
0,1 nm
Risoluzione laterale
Da 0,64 µm a 11,8 µm (a seconda dell’obiettivo)
Velocità di scansione longitudinale
Fino a 2,4 µm/s
TABELLA 2
DATI CARATTERISTICI DI UN SET DI OBIETTIVI.
Fig. 4. Schema di un obiettivo interferometrico di tipo Michelson.
La configurazione di Fig. 4, per quanto adeguata al tipo di misura,
non consente l’uso di obiettivi di NA elevata né di forte ingrandimento, principalmente a causa dell’ingombro delle ottiche sottostanti. Per questo trova impiego la configurazione interferometrica
di Mirau mostrata in Fig. 5. Qui il gruppo interferometrico a valle
dell’obiettivo è costituito da una laminetta semiriflettente che produce uno sdoppiamento assiale del fascio incidente. La componente riflessa si concentra su una piccola porzione metallizzata di
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INGRANDI
MENTO
TIPO
NA
RISOLUZIONE
LATERALE
(µM)
DISTANZA DI
LAVORO
(MM)
CAMPO DI
VISTA (MM)
PENDENZA
(GRADI)
1X
Michelson
0,03
11,8
8,5
7,0 x 5,3
0,75
2,5 X
Michelson
0,075
4,72
10,3
2,82 x 2,11
1,89
5X
Michelson
0,130
2,72
9,3
1,41 x 1,06
3,77
10 X
Mirau
0,300
1,18
7,4
0,70 x 0,53
7,51
20 X
Mirau
0,400
0,88
4,7
0,35 x 0,26
14,8
50 X
Mirau
0,550
0,64
3,4
0,14 x 0,11
33,4
4. Esempi ed applicazioni
La microscopia interferometrica trova impiego nei vari settori in cui
si è interessati all’osservazione della struttura delle superfici sulla
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scala del nm, compatibilmente con il vincolo sulla risoluzione laterale imposto dall’ottica fisica. Il tempo di acquisizione dati è dell’ordine di 1 s, per cui la misura è gestibile anche in contesti produttivi.
In Fig. 6 si presenta un esempio di immagine profilometrica di un
pilastro su piastra metallizzata; l’altezza del pilastro è di 2,0 µm.
L’obiettivo usato è di tipo Michelson 5X; le dimensioni e i dati di
scala sono riportati nella stessa figura.
In Fig. 7 si vede la struttura di uno scalino campione di altezza 10
nm. L’obiettivo usato è di tipo Mirau 20X.
In Fig. 8 si mostra la topografia superficiale di un reticolo di 600
coppie di linee/mm; la profondità media dei solchi è intorno a 2
nm. L’obiettivo usato è di tipo Mirau 50X. La struttura spaziale della superficie è ancora risolvibile, ma le prestazioni dello strumento
sono prossime ai limiti.
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nella misura di profili e di scalini strutturali. Il tempo di acquisizione
dati è relativamente breve (~1 s), per cui la misura può essere inserita nei cicli produttivi e nei controlli qualità.
Dal punto di vista strettamente metrologico, il problema di fondo è
costituito dalla riferibilità delle misure. L’accuratezza infatti dipende essenzialmente dalla taratura dell’attuatore piezoceramico; per
questo si deve prevedere la disponibilità di strutture campione
(scalini, tipicamente) con cui effettuare la taratura riferibile del sistema. Il problema della generazione di questi campioni e della loro gestione è di interesse del tutto generale, essendo alla base della validazione metrologica delle misure dimensionali. E’ quindi auspicabile che sia promosso ai più alti livelli un programma di lavoro
che affronti il problema della riferibilità delle misure su scala “nano”, fondandole su basi metrologicamente rigorose.
Riferimenti
[1]
[2]
[3]
[4]
Fig. 6. Immagine profilometrica di un pilastro su piastra metallizzata.
Fig. 7. Immagine profilometrica di uno scalino campione.
M. Born and E. Wolf, Principles of Optics (5th ed.), Pergamon, Oxford
1975, p. 419
K. Creath and A. Morales, “Contact and noncontact profilers”, in D.
Malacara, ed., Optical Shop Testing (2nd ed.), Wiley, New York 1992,
pp. 687-714
L. Deck and P. de Groot, “High-speed noncontact profiler based on
scanning white-light interferometry”, Appl. Opt. Vol. 33, pp. 73347338 (1994)
New View Mod. 5020, Zygo Corp., Laurel Brook Road, Middlefield, CT
06455, USA
Contatti
Giuseppe Molesini
Istituto Nazionale di Ottica Applicata
Largo E. Fermi, 6
I-50125 Firenze
Tel 055 2308247
Fax 055 2337755
e-mail [email protected]
http://www.ino.it
Fig. 8. Immagine profilometrica di un reticolo di diffrazione.
5. Conclusioni
La microscopia ottica interferometrica è caratterizzata da una risoluzione longitudinale dell’ordine della frazione di nm, mentre la risoluzione laterale dipende dall’obiettivo usato, come nella microscopia convenzionale, e rimane sulla scala del mm. Vi sono vari settori applicativi in cui questi strumenti trovano utile impiego, specie
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Misura interferometrica
della macroforma superficiale
e strutturale
M. Vannoni Istituto Nazionale di Ottica Applicata
Introduzione
Nel progettare e realizzare un componente meccanico si attraversano varie fasi, legate al disegno, alla scelta dei materiali, al metodo di realizzazione. Quest’ultimo è strettamente dipendente dalla
tolleranza meccanica richiesta. Inoltre, quando si richiedono tolleranze particolarmente elevate, come in alcuni campi dell’industria
meccanica (aerospaziale, automobilistico), è necessario eseguire
un controllo di qualità sul prodotto finito, per stabilire se le specifiche sono state rispettate. Gli strumenti di misura utilizzati a questo
scopo sono molteplici: dal calibro per semplici controlli dimensionali fino alla più complessa macchina di misura a coordinate
(CMM) per la misura di geometrie complesse. Oltre a garantire una
adeguata sensibilità, questi strumenti di misura devono essere opportunamente tarati, in modo che i risultati siano correlati con i
campioni di riferimento nazionale. A questo scopo si realizzano dei
campioni secondari che vengono caratterizzati per confronto con i
campioni primari, e successivamente resi disponibili commercialmente per le operazioni di taratura. Queste devono essere ripetute
periodicamente, così come i campioni secondari devono essere ritarati ad intervalli fissi dagli istituti metrologici primari.
Nel campo delle superfici piane e sferiche, la caratterizzazione viene eseguita con l’aiuto di macchine interferometriche, che garantiscono una elevata sensibilità (dell’ordine di alcuni nanometri). Un
classico esempio sono i blocchetti di riferimento: questi vengono
caratterizzati in lunghezza, planarità e parallelismo tramite il confronto con dei campioni primari.
L’interferometria ottica è uno dei temi tradizionali di ricerca che
hanno caratterizzato l'INOA fino dalla sua istituzione, volta alla caratterizzazione e verifica di strumenti e componenti ottici. In tempi
abbastanza recenti, il laboratorio di interferometria è stato accreditato come Centro SIT per la misura di planarità di dischi ottici. Qui
di seguito presentiamo il metodo di misura applicato per la planarità e un nuovo metodo, in sperimentazione, che si propone di caratterizzare il parallelismo ottico.
Un fascio laser collimato incide successivamente sulle due superfici
piane da confrontare; le riflessioni rientrano nello strumento, interferiscono e formano su uno schermo una immagine a frange: queste vengono riprese da una telecamera e decodificate. Negli ultimi
anni, l’uso di sistemi elettronici ha migliorato ulteriormente la tecnica, con tecniche di scorrimento delle frange e ripresa di più immagini, fino a rendere disponibili strumenti con risoluzione migliore di λ/12000 (dove solitamente λ=633 nm).
Il metodo qua esposto è di tipo relativo, misura infatti la differenza
di cammino ottico (OPD) tra il primo fronte d’onda riflesso ed il secondo, e da questo ricava la mappa di misura, senza poter attribuire i difetti di lavorazione riscontrati ad una superficie specifica.
Questo problema è caratteristico delle tecniche interferometriche:
quella che si misura è sempre una superficie confrontata con una
di riferimento. Si deve allora caratterizzare il riferimento tramite
un metodo assoluto di misura: dopodiché, sottraendo i difetti della
superficie di riferimento alla misura relativa, anche la seconda superficie risulterà caratterizzata.
La misura assoluta di planarità, eseguita nel laboratorio SIT 130, si
basa sul confronto di tre piani ottici di silice fusa, di diametro 4 pollici, denominati K, L e M (Fig. 2).[1]
Fig. 2. I tre piani ottici utilizzati al centro SIT 130.
Si confrontano i tre piani a coppie, secondo una procedura ben
precisa (Fig. 3). Per ogni combinazione si ottiene una misura dell’interferometro; in più si esegue una quarta misura, dove una delle lamine viene ruotata di un certo angolo (54°).
1. Misura assoluta di planarità
Il confronto interferometrico di due superfici piane si basa su una
configurazione di tipo Fizeau (Fig. 1).
Fig. 1. Interferometro in configurazione Fizeau.
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Fig. 3. Procedura di confronto dei tre piani per generare la mappa assoluta.
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Ogni misura viene ripetuta 40 volte, a blocchi di 100 acquisizioni
per volta, per un totale di 16000 acquisizioni. Il ciclo completo di
misura impiega 40 ore per essere completato. Le misure vengono
poi elaborate matematicamente tramite un software automatico,
che estrae le mappe corrispondenti ai tre piani (Fig.4) insieme alle
mappe degli scarti associati. In pratica viene eseguita una procedura di “fitting” che ricerca le tre migliori mappe tra quelle che soddisfano le misure effettuate.[2]
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L’attività di ricerca del Centro prevede il monitoraggio di queste superfici, per poter acquisire informazioni sul loro comportamento a
lungo termine. Inoltre il laboratorio è disponibile alla partecipazione a confronti inter-laboratori per verificare l’allineamento del piano generato ai campioni internazionali.
2. Misura assoluta di parallelismo
Nella caratterizzazione dei blocchetti di riferimento, usati per la taratura di strumenti di misura meccanici (ad esempio i micrometri
da esterni), è importante non solo conoscere accuratamente la loro lunghezza centrale, ma anche il grado di planarità e di parallelismo delle due facce contrapposte (Fig. 5).
Fig. 5. Difetti di planarità e parallelismo da caratterizzare in un blocchetto di
riferimento.
Tradizionalmente si misura la lunghezza del blocchetto con dei tastatori meccanici a due punte contrapposte, in 5 punti diversi, utilizzando poi vari algoritmi di interpolazione per ottenere i risultati.
Utilizzando un metodo interferometrico, si ha il vantaggio di avere
più informazioni e di non entrare in contatto con le superfici. Uno
dei metodi descritti in letteratura è quello “in trasmissione”, dove
il fascio laser viene riflesso dalla prima superficie, entra nel blocchetto e viene riflesso nuovamente (Fig. 6).[3]
Fig. 4. Elaborazione delle misure.
La procedura descritta è eseguita all’interno di una camera climatizzata ad una temperatura di (20 ± 1) °C e una umidità relativa di
(45 ± 5) %. Le prove sono compiute all’interno di un sistema di
qualità secondo la norma UNI CEI EN ISO/IEC 17025 e supervisionato periodicamente dal SIT.
• Stabilità a medio termine
Le procedure del centro SIT prevedono che il piano di riferimento
venga misurato ogni anno, per assicurare la riferibilità delle tarature eseguite. I dati sono disponibili a partire dal 1998, per cui si è
potuto studiare la loro riproducibilità a medio termine. Il valore di
Picco Valle misurato presenta fluttuazioni da un anno ad un altro
inferiori al nanometro, mentre l’incertezza dichiarata nelle tarature
conto terzi è di 10 nanometri (2 sigma).
Fig. 6. Configurazione in trasmissione per la misura del difetto di parallelismo
(a). Interferogramma ottenuto (b).
Il blocchetto usato in questo caso è trasparente, e la prima superficie fa da riferimento interferometrico alla seconda. Un problema di
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questa tecnica è che uno dei fasci attraversa il blocchetto, per cui
eventuali disomogeneità del materiale vengono incluse nell’errore
misurato. Inoltre non si distinguono i contributi delle due superfici:
nella misura dei difetti di planarità si deve misurare una superficie
per volta, eliminando in qualche modo la riflessione data dalla superficie opposta (ad esempio coprendola di pece o accoppiandola
ad un prisma, con dell’olio interposto). Per migliorare la tecnica,
sono stati proposti degli interferometri sviluppati appositamente
per questo tipo di misure.[4,5] Un metodo alternativo, che utilizza
un normale interferometro di tipo Fizeau, viene proposto per la caratterizzazione di blocchetti di materiale opaco o alluminati.[6] La
configurazione è “in riflessione”, e per questo non influenzata dalle disomogeneità del materiale. Il blocchetto viene inserito all’interno di una cavità ottica, ripiegata con un prisma retto (Fig. 7).
nominalmente piano parallelo e lo si è caratterizzato secondo le
due configurazioni, dapprima in trasmissione e, dopo averlo alluminato, in riflessione. In trasmissione abbiamo misurato un difetto
di parallelismo di 4.4 µm, con una riproducibilità di misura di 20
nm (2 sigma). La eventuale presenza di gradienti di indice porta
però l’incertezza massima ad 1 µm, confrontabile con la misura
stessa. In riflessione abbiamo ottenuto un valore di 4.32 µm con
una incertezza di 50 nm (Fig. 9). I risultati sono quindi confrontabili, entro le incertezze di misura. In particolare, l’incertezza associata alla misura in trasmissione risulta molto alta a causa dei contributi sconosciuti dati dalla non omogeneità del materiale. La misura
in riflessione non è influenzata da questo effetto, e quindi permette una incertezza più bassa. Sulla misura di planarità i due metodi
sono equivalenti. La configurazione è stata provata anche su dei
blocchetti ceramici di riferimento, mostrando la sua applicabilità su
campioni commerciali (Fig. 10).
Fig. 7. Configurazione in riflessione per la misura di parallelismo e planarità
(a). Interferogramma ottenuto (b).
Ciascuno dei due interferogrammi ottenuti, M1 e M2, è relativo ad
una delle superfici del blocchetto; a partire da questi si ricavano
informazioni sulla planarità. Estraendo il miglior piano passante
dalle superfici, e confrontandoli tra loro, si ottiene invece una misura di parallelismo. L’errore eventualmente introdotto dall’attraversamento del prisma si può sottrarre effettuando una misura a
vuoto (Fig. 8). Per l’intera procedura si utilizza un interferometro
commerciale programmabile: si acquisiscono le quattro mappe ed
un software apposito provvede ad estrarre le informazioni.
Fig. 9. Caratterizzazione in riflessione di un cilindro di vetro alluminato.
26
Fig. 8. Misura a vuoto, per tenere conto dell'errore introdotto dal prisma (a).
Interferogramma ottenuto (b).
Fig. 10. Misura di parallelismo di un blocchetto ceramico di riferimento, di
lunghezza nominale 60 mm.
• Misure sperimentali preliminari
Per verificare la tecnica sopra descritta, si è realizzato un cilindro
3. Sviluppi futuri
Per quanto riguarda la misura assoluta di planarità, il centro SIT si
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propone di continuare nella sua attività di misura conto terzi, attività che è subordinata al prossimo rinnovo dell’accreditamento da
parte del SIT. Oltre alle attività di misura, la generazione annuale
del piano di riferimento costituisce una attività di ricerca di base
per la valutazione del metodo e della sua riproducibilità a lungo
termine.
Per la misura assoluta di parallelismo, è necessario eseguire il bilancio completo delle incertezze di misura, nonché standardizzare il
metodo, in modo da poterlo in futuro tradurre in una procedura
da sottoporre al SIT. La misura è interessante anche a livello di ricerca di base, in particolare nella caratterizzazione di un campione
di parallelismo di elevata accuratezza, che potrebbe essere oggetto di una campagna di misure inter-laboratorio volte al confronto
del metodo con quelli utilizzati negli altri laboratori.
Bibliografia
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planarity and parallelism”, Proc. SPIE, 5144, pp. 864-871, 2003.
Contatti
Maurizio Vannoni
Istituto Nazionale di Ottica Applicata
L.go E. Fermi 6 - 50125 - ARCETRI - Firenze
Tel. ++39-055-2308-1 (direct 266)
Fax. ++39-055-2308249
E-mail: [email protected]
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Atomic and Large Scale Imaging
in Nanostructured Oxides as
obtained by HRTEM, SEM and
AFM: MgO as a case study
Domenica Scarano and Serena Bertarione
Dipartimento di Chimica Inorganica, Chimica Fisica e Chimica dei Materiali,
Università di Torino, via P. Giuria 7, 10125 Torino, Italy
Introduction
MgO surfaces have been investigated extensively because of their
use in catalysis and as substrates for the growth of thin films [1].
The “case study” character of MgO relates to the fact that MgO
single crystals obtained by cleavage in ultra high vacuum conditions can, in principle, yield faces of rather high perfection, which
can be studied with the typical surface science methods [1-5].
However due to its insulating nature, technique as STM cannot be
used to image single crystals. One way to overcome this difficulty
was to study ultrathin films of MgO [6]; another one is to use AFM
as imaging method. It is known that non-contact AFM, under vacuum, enables in general the direct surface imaging of metal oxides on atomic scale, providing true atomic resolutions [7,8]. The
use of non-contact mode in air for atomic scale imaging is unsuccessful due to contamination effects, affecting the tip-sample interaction [15]. On the contrary, contact mode AFM in air is able to
provide atomic scale images, showing periodic lattice with atomic
dimensions [10,11].
As far as polycrystalline materials are concerned, MgO is particularly useful as model system, since its morphological changes upon
thermal treatments are perfectly known [12-16]. In this report,
AFM is employed to image the evolution, with sintering, of the
surface morphologies and structures of MgO, coming from magnesium hydroxide, as compared with MgO obtained by burning
Mg ribbon in air (smoke). Furthermore we present the first direct
observation in air of the ordered and periodic structure on surfaces
of polycrystalline MgO powders and the results can be reasonably
compared with those obtained under UHV on single crystals
[5,11,17-19]. A significant contribution to the validation of the results, obtained by TEM and AFM microscopies, has been obtained
from FTIR spectra of CO adsorbed at the surfaces of these materials.
Experimental
High surface area MgO was prepared by decomposition of brucite
Mg(OH)2 at 520-550 K in vacuo [12-15]. MgO smoke (specific surface area = 12 m2g-1) was prepared by burning Mg in air [12].
The surface characterization (both morphological and microstructural) has been carried out by means of TEM, on a Jeol 200EX instrument, equipped with a top entry stage (2.5 Å point resolution);
by means of SEM, on a Leica Cambridge Stereoscan 420 instrument, equipped with an energy dispersive X-ray spectroscopy
(EDS) and by means of AFM, on a Park Scientific Instrument Auto
Probe LS. The AFM microscope is equipped either with high aspect
ratio Silicon conical tips either with silicon nitride pyramidal tips,
both operating in the repulsive force (contact) mode and in nonN E W S L E T T E R
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contact and tapping modes. Integrated pyramidal tips have nominal radii of less than 400 Å, while for high aspect ratio conical tips
the typical radium of curvature is 100 Å, a fourfold improvement
over the radium of integrated pyramidal tips.
Large scale images are obtained in non contact mode regime,
using Silicon conical tips. High resolution images are obtained in
contact mode regime, using pyramidal tips and the typical applied
force between the tip and the sample surface was of the order of
1.399 nN.
Then self-supporting pellets (of both materials) suitable for IR measurements were placed in cells, which allowed all the pretreatments and desorption experiments to be carried out “in-situ”. FTIR
spectra of CO adsorbed at low temperature, obtained cooling the
sample holder with liquid nitrogen, were recorded in situ at 2 cm-1
resolution, using a Bruker IFS 28 spectrometer, equipped with a
cryogenic MCT detector.
Evolution of surface morphology of MgO samples: from
high surface area to smoke
In fig.1a a TEM image of the starting Mg(OH)2 sample is shown,
where the presence of thin platelets, variably oriented with respect
to the electron beam, is evident. It was shown, that the transformation of Mg(OH)2 into MgO is accompanied by fragmentation of
the original laminae into parallel foils of MgO with 1-1.5 nm thickness, developed along (111) planes (insert 2 in fig.1a) and by the
appearance of aggregates of interpenetrated cubelets (from 1-1.5
to 2-3 nm) (insert 1 in fig.1a). The resulting aggregates, formed by
topotactic Mg(OH)2 → MgO transformation are however maintaining the gross shape of the original Mg(OH)2 microcrystals. The
effect of successive annealing at higher temperature causes an increment of the MgO terraces from 2-3 nm until to 10 nm as
shown in fig.1b [13,15,16].
On this image the presence of different regions can be distinguished: (i) extended almost flat and scarsely defective zones (A), (ii)
zones mainly located on the borders of the aggregated, where single nearly cubic microcrystals are bound and interpenetrate to
form stepped terraces whose dimensions range from 350 Å (B) to
7500 Å (C). The average edge length of these cubes is ~7 nm (in
agreement with the high value of the surface area: 200 m2g-1)
[13]. In some cases the interference fringes ca. 2.04 Å apart and
hence originating from (200) crystallographic planes of MgO are
clearly visible (enlarged image in the inset of fig.1b).
On the other hand, from the low magnification TEM and SEM images shown in fig. 2a and 2b, it results that MgO powders, obtained in form of smoke, show highly regular cubic microcrystals limited by flat and extended faces with edge lengths in a large range
30-200 nm (from 30 nm to 1µm).
Figure 1 TEM micrograph of magnesium hydroxide (a). TEM image of
polycrystalline MgO (b): enlarged image of a selected area, where interference
fringes ca. 2.04 Å apart (inset).
Figure 2 HRTEM (a) and SEM (b) images of highly regular cubic microcrystals
of smoke MgO.
A new approach to the investigation of the morphology of polycrystalline samples, is shown by AFM measurements (fig.3), where
starting from the Mg(OH)2 precursor to MgO samples outgassed
at progressively higher temperatures, the morphology changes are
imaged (on the right sides) and the distribution of the heights (histogram plots, on the left sides) can be followed. All images are
obtained using silicon cantilevers with ultralevers silicon conical ti28
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ps (cantilever thickness = 2 µm; cantilever width = 28 µm; cantilever length = 85 µm; force constant = 17 N/m; resonant frequency
= 320 kHz).
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imaged in fig. 3c, where the appearance of more large aggregates
is shown. In general this suggests that upon annealing the aggregate dimension increases and this could give rise to more regular
surfaces with a plausibly reduced number of steps [14-16,21,22].
First AFM results on MgO smoke are reported in fig. 4, where a large area image shows very flat and extended regions, exceeding
200 nm in width and more than 1000 nm in length. From the height profile, besides large terraces, the presence of steps, which run
along well defined directions and delimit small terraces about 50
nm in width, is observed. Surfaces, extended terraces and steps,
appear highly regular and defects free, at least at macroscopic level.
Figure 3 Large scale non contact-AFM topographies of the Mg(OH)2 precursor
(a) and MgO samples outgassed at 700°C (b) and 800°C (c). Histogram curves
and three-dimensional views are shown on the left and on the right side,
respectively.
From a careful analysis of the topographies, image distortions,
(elongations of the particles due to tip effects) should be considered. However at this level of investigation, the analysis is omitted
and the reader is addressed to a more specialist literature [20]
The as received sample (magnesium hydroxide) consists of grains
about 0.472 µm in height, being the surface average roughness
about 0.205 µm (fig. 3a). The sample surface after annealing at
700°C shows particles aggregates having mean height of 0.609
µm and the surface average roughness is found to be of the order
of 0.298 µm (fig. 3b). The increased values of dimension and roughness as compared to Mg(OH)2 can be explained with the transition to a new crystalline habitus, caused by the well known topotactic transformation of Mg(OH)2 into MgO with release of H2O.
Annealing at 800°C results in a further enlargement of MgO aggregates with a decreased mean height (0.268 µm) and in lower
values of surface average roughness (848 Å). From a carefully
analysis of the histograms, the higher heterogeneity of the surfaces imaged in fig. 3a,b, can be evidenced, as compared with those
Figure 4 Large scale non contact-AFM topography of MgO smoke. The surface
profile, measured across the A black line, drawn on the image, is given on the
right side of the figure.
Atomic scale image of smoke MgO
On the basis of these results we have decided to investigate the
surface morphology by means of high resolution images, which, as
far as we know, represents one of the few applications for the
study of polycrystalline oxides in air [10]. High resolution AFM images were recorded on MgO smoke samples immediately (few minutes) after burning Mg in air. Starting from a large scale topography, obtained in contact mode (three-dimensional view shown
in fig. 5a), a small region on the extended terrace has been selected, as indicated by the small square drawn in the figure.
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Figure 5 Large scale contact mode-AFM topography of MgO smoke (a) (gain =
1 and scan speed = 1 Hz); unfiltered high resolution image, obtained in
constant height mode, of a selected area ( b) (gain= 0,1 and scan speed = 7-15
Hz); filtered high resolution image, obtained by applying a 2D Fourier
transformation ( c). In the two insets the FFT (Fast Fourier Transform) of (b) and
(c) images are reported. All images are obtained using silicon cantilevers with
microlevers silicon nitride pyramidal tips (cantilever thickness = 0,6 mm;
cantilever width = 18 mm; cantilever length = 180 mm; force constant = 0,05
N/m; resonant frequency = 22 kHz)
An high resolution analysis of this small region, obtained in constant height mode, yields the unfiltered image (with its original
FFT, in the inset) (fig.5b), from which an ill definition of the lattice
spacings results. In order to obtain a more clear image of the lattice periodicity and then to better analyze the interplanar distances,
a two dimensional Fourier transformation is applied, as shown in
fig. 5c, where a regular and periodic lattice is observed. The filtered image (fig.5c) keeps the rhombic periodicity and the distance
between two lines along one direction will be shown to correspond to the lattice periodicity of MgO.
As a matter of fact from the exploded view of a selected area on
this image and from the analysis of the line profile across the pattern it was obtained more clearly, that the white spots are spaced
at about 2.04 Å along the (A) direction, corresponding to the interplanar distances of the (200) planes (fig. 6), as known from high
resolution TEM images.
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Figure 6 High resolution image of an enlarged view of fig. 5c. The white spots,
spaced at about 2.04 Å along the (A) direction, correspond to the interplanar
distances of the (200) planes. The line profile, measured across the A black line
on the pattern, is given on the bottom of the figure.
FTIR spectra of CO adsorbed on polycrystalline and smoke
MgO samples
Fig. 7a,b summarizes the IR spectra of CO adsorbed at 100K on
polycrystalline and smoke MgO samples, with surface area of ≈
200, and 10 m2g-1, respectively.
Figure 7 FTIR spectra of CO adsorbed at 77K on polycrystalline (a) and smoke
(b) MgO samples by decreasing progressively the coverage (qmax p(CO) = 2.66
kPa; qmin p(CO)Æ0)
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From these spectra it can be easily inferred the simultaneous presence of sufficiently stable CO adducts on the Mg2+ ions in corners position and on less reactive four-fold and five-fold coordinated Mg2+sites located on edges, steps and on the (001) faces and
terraces.
All the bands observed in the 2210-2159 cm-1 interval disappear
upon outgassing at 100K. Hence the involved species are reversibly adsorbed. The bands around 2100 cm-1 in fig.7a, assigned to
the stretching modes of species coming from non activated attack
of CO on anionic O2- sites, cannot be removed by decreasing the
pressure, so they are due to chemically adsorbed species. The formation of these species is affected by sintering; this indicates that
they are formed on edges and steps sites. As a matter of fact, these IR manifestations are totally absent on MgO smoke, where only
a very simple IR spectrum is obtained, which is indicative of a simpler surface structure, (fig. 7b) [21].
By comparing the spectral features in fig. 7a and b, it can be observed that the FWHM (full width at half maximum) gradually decreases, from ~ 18 cm-1 (fig. 7a) to ~ 4.5 cm-1 (fig. 7b). This means
that the FWHM is determined mainly by inhomogeneous broadening effects and in other words, the half width of the
(CO)
peak provides indirect information about the regularity and the
perfection of the exposed surfaces. Fig. 7b also shows that the
main peak shifts from 2148 cm-1 for θ =1 to 2157 cm-1 for θ→0.
This frequency shift, associated with adsorbate-adsorbate interactions within ordered bidimensional adlayers, is indicative of the
presence of flat and extended (100) terraces and surfaces, which
can be compared with those obtained on single crystals
[12,13,15,16,21,22].
Acknowledgments
This project has been supported by Italian MIUR (COFIN 20032004) and Consorzio INSTM.
We are gratefully to Prof.G.Spoto and Dr.F.Cesano for TEM and
SEM analyses.
Conclusions
Atomic force microscopy in contact, non-contact and in high resolution modes have been used to image MgO powder samples, obtained at different degree of sintering, starting from Mg(OH)2 decomposition or obtained in form of smoke. From high resolution
AFM images of MgO smoke, the lattice periodicity on regular surfaces has been revealed for the first time, in air. The high surface
perfection of the microcrystals has been further confirmed by HRTEM and SEM analyses.
HRTEM measurements, on polycrystalline MgO, show small microcrystals with an average edge length of ~7 nm and high proportion of defects, while for MgO smoke the presence of highly regular cubic microcrystals, limited by flat and extended faces with edge lengths in the 30-nm – 1 µm range is observed.
From FTIR spectra of CO adsorbed on both materials, it is shown
that on extended faces of MgO smoke, CO probes only Mg2+5c
sites, whereas on high surface area samples (ex Mg(OH)2), CO probes all the sites present on (100) terraces, steps, edges and corners.
On the basis of the discussed case study, it has been shown that
imaging the surface morphology is a relevant step to study catalyst-based materials, because the characterization of the surface
structure provides insight into the relantionship between structure
and properties.
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C.Lamberti and A.Zecchina, in press on Prog. Surf. Sci. (on february
2004)
E.N.Gribov, S.Bertarione, D.Scarano, C.Lamberti, G.Spoto, A.Zecchina, in press on J. Phys. Chem. B, 2004.
*Corresponding author: Domenica Scarano
Dipartimento di Chimica Inorganica, Chimica Fisica e Chimica dei Materiali,
Università di Torino, via P. Giuria 7, 10125 Torino, Italy
Telephone: +39 011 6707834
Fax: +39 011 6707855
e-mail: [email protected]
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Organic Syntheses with Zeolites:
Activation of CO2 and of Organic
Carbonates for Fine Chemicals
Silvia Bordiga, Francesca Bonino, Alessandro Damin, Adriano
Zecchina Università di Torino Centro di eccelenza NIS (Nanostructured
Interfaces and Surfaces); Dipartimento di Chimica IFM
Maurizio Selva, Piero Tundo Consorzio Interuniversitario “La Chimica per
l’Ambiente” Università degli Studi Ca’ Foscari, Dipartimento di Scienze
Ambientali, INCA National Laboratory of Marghera
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he use of natural and synthetic zeolites increases through the
branches of the chemical industry ranging from bulk to fine
chemicals. The high thermal stability, the easy handling properties,
the facile reactivation and reuse, the enormous availability of catalysts with tuneable acid-base and geometric features, together
with their ability to be formed into different shapes that are compatible with many reactor designs, allow zeolite-based catalysts to
be tailored for various applications which represent unquestionable environmental and synthetic advantages. In this field, the set
up of innovative applications of zeolites for eco-compatible organic syntheses is fuelling high interest in many directions [1-3] and it
is widespread opinion that zeolites will help green chemistry to become the standard for production in the years to come. Among
the wide range of zeolite applications on green chemistry for the
fine chemical industry, this project is focused on three main processes: 1) DMC synthesis from CO2; 2) use of DMC as methylating
or methoxycarbonylating agent, 3) use of DMC as phosgene replacement for the synthesis of carbamates and iso-cyanates. It is a
matter of fact that DMC, when prepared via non-phosgene processes, is a green and biodegradable reagent which, due to its versatile chemical reactivity, represents an excellent substitute for
harmful and corrosive chemicals such as conventional methylating
agents (i.e. methyl halides and dimethyl sulphate), or phosgene itself [4,5]. At present, industrial phosgene-free methods for the
preparation of DMC [6] are based on the oxidative carbonylation
of methanol using a variety of transition metal ions as catalysts [79], on the carbonylation of methyl nitrite process with Pd/carbon
catalysts [9] or on the tertiary amine catalysed transesterification of
ethylene carbonate with methanol [10]. In this field, an emerging
area concerns the use of CO2 for the set-up of environmentally
benign procedures for the synthesis of DMC. [11-13] There are several motivations for producing chemicals from CO2, whenever
possible [14-16]: 1) CO2 is a cheap product, 2) it is a non toxic and
renewable feedstock, 3) the production of chemicals from CO2
has a positive – though moderate - impact on the global carbon
balance. Recent investigations concerning: i) the reaction of
methanol and CO2 over ZrO2 (whose effectiveness was attributed
to the presence of both acidic and basic sites on the catalyst), [11]
and ii) an alternative route which encompasses the use of C2H4,
CO2 and O2 as reactants in the presence of metal oxides as catalyst [10] renders this research line very promising. As far as the use of
DMC as reagent, it is worth recalling that DMC can react with a
number of O-, C-, and S-nucleophilic substrates and that the reac-
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tion outcome is mainly controlled by the temperature and the nature of the catalyst used. At low temperatures (RT to 90 °C), in the
presence of alkoxide bases, DMC can be used as a methoxycarbonylating agent replacing phosgene, to give carbamates and
isocyanates for the synthesis of polyuretanes. At higher temperatures (>130 °C), in the presence of alkaline carbonates (most often
K2CO3), DMC behaves as an efficient methylating agent of phenols, thiols, methylene-active derivatives and sulfones [17]. In contrast to the classical methylation procedures with dimethyl sulfate
or methyl halides that require stoichiometric amounts of a base
(hence producing inorganic salts as by-products), DMC-based
reactions are all catalytic, do not need additional solvents and noteworthy, they allow unprecedented high selectivities. For instance, in the case of CH2-active compounds, only mono-C-methyl derivatives are obtained with up to 99% selectivity. The use of DMC
as methylating agent in a catalyzed reaction is also relevant in
comparison with other benign methylating non-catalyzed process.
For instance when methanol is used as methylating agent gas-phase conditions (often at T>250 °C) must be applied, compromising
the selectivities. In this context however, it must be underlined that
carbonate based catalysts are inactive for the important case of
the reaction of primary amines with DMC. This is due to the intrinsic basicity of both substrates and catalysts as well as to the thermal stability of urethanes, which result in the simultaneous occurrence of both methylation and methoxycarbonylation processes
yielding mixtures, not synthetically relevant, of N-methylamines,
N,N-dimethylamines and methyl carbamates. On the contrary, in
the presence of alkaline metal exchanged Faujasites as catalysts, it
has recently been shown that the reactions of primary aromatic
amines, even deactivated and/or multifunctional substrates, with
DMC can proceed with a satisfactory selectivity of 92-99%
towards the corresponding mono-N-methyl anilines [18,19]. Different M-Y zeolites (M = Li, Na, K, Cs) have been compared in terms
of activity and selectivity. Even if the available data are not conclusive, these studies indicated a higher activity for zeolites exchanged with smaller cations (Li and Na). Preliminary results have also
been gathered on the activation of DMC within the Y-zeolite framework [20]. However, the reaction mechanism is actually unknown and deserves in depth study. In conclusion, as the basic and
acidic properties of zeolites [21-23] can be tuned in an unprecedented way, we propose to use zeolites not only as catalysts for
the N-methylation of primary aromatic and aliphatic amines, but
also for other reactions (with O- and S-nucleophiles) involving
DMC and for its synthesis. We think that this is a further field where zeolites can offer new opportunities to set up innovative processes for eco-compatible organic syntheses.
The general premise of this project will be the connection between
the theoretical/experimental knowledge already present in the
fields of: i) the structural and acid-base properties of zeolite catalysts, ii) the investigation of reactivity of dimethyl carbonate with
zeolites and other solid bases. This will be the ground to propose
alternative CO2-based synthesis of DMC and new reactions of
DMC as a methylating and methoxycarbonylating agent.
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The research to be carried out can be divided into two parts:
1) Synthesis of DMC from CO2 using zeolites as green
catalyst
The use of CO2 as green renewable feedstock for producing useful
products is nowadays of special interest. In the specific synthesis of
DMC, two different pathways have reported about the use of
CO2: I) the carboxylation of methanol (path a), and ii) the oxidative
carboxylation of ethylene followed by transesterification with
MeOH (path b) (Scheme 1)
CO2 + 2 CH3OH → DMC + H2O
(a)
(b)
Scheme 1. Use of CO2 for the DMC synthesis
These reactions can be catalysed by acidic surfaces containing
Brønsted and Lewis acid sites. Among the solids characterized by
tuneable Brønsted and Lewis acidity and extremely high surface
area synthetic zeolites will be considered. These microporous solids
are characterized by a high thermal stability, easy-to handle properties, facile reactivation and reuse. Among them we mention: HY, USY, H-ZSM-5, H-MORD, BEA, FER. The topological variety of
the available frameworks associated with the variable acid
strength and the tailored ratio between Brønsted and Lewis acid
sites, makes these solids ideal test catalysts for the earlier mentioned reactions. A second category of solids are mesoporous alumosilicates which can be used as pure material or as support, for instance hosting ZrO2 and sulfated nano particles.
Due to the very broad variety of available microporous solids, a strong
effort must be devoted to the selection of a restricted number of materials characterized by desired characteristics in terms of acidic
strength; number of sites; ratio between Brønsted and Lewis centres
and pore dimensions and dimensionality. The materials of commercial origin will be used as such or after post synthesis treatments in order to obtain the required porosities and acidic properties.
2) Use of DMC as methylating and corboxymethylating
agent using zeolites as selective catalysts.
DMC is a versatile compound that represents an attractive ecofriendly alternative for both methyl halides (or dimethyl sulfate)
and phosgene for methylation and carbonylation processes, respectively. In fact, the reactivity of DMC is tunable: at T=90 °C,
methoxycarbonyl reactions take place, whereas at higher reaction
temperatures methylation reactions with a variety of nucleophiles
(Y- = ArO, RO, ArS, RS, RNH, …) are observed (Scheme 2).
[Y-] + DMC → YCH3 + [CH3OCOO-] → YCH3 + [CH3O-] + CO2
[Y-] + DMC → YCOOCH3 + [CH3O-]
Scheme 2. Reactions with DMC
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In contrast to conventional methylating agents, all DMC-promoted
reactions are performed in the presence of catalytic amounts of a
base, usually an alkaline carbonates, and do not require additional
solvent but DMC itself. Moreover, In the particular case of substrates susceptible to multiple alkylations (e.g. CH2-active compounds
such as ArCH2CN, ArCH2CO2Me, ArCH2SO2R), DMC allows unprecedented selectivities (>99%) towards the formation of monoC-methyl derivatives (ArCH(Me)X, X= CN, CO2Me, SO2R).
It has been observed that DMC is an active and selective methylating agent towards the mono-N-methylation of primary aromatic
amines when alkaline metal exchanged Faujasites are used as catalysts. Moreover, a further relevant aspect is the chemoselectivity:
the use of zeolite catalysts allows the reaction of multifunctional
primary amines (e.g. aminophenols) with DMC to proceed exclusively towards methylation of the amino group, the other functionalities (e.g. OH) being untouched
Overall, the activity of DMC towards anilines and bifunctional anilines represents a new frontier for the exploitation of this compound. In this reaction Lewis acidic properties of alkaline cations
are likely playing an important role even if a reaction mechanism
has not been hypothesized yet. The optimisation of this process
will be the starting point of the activities related to this task. To understand the reaction mechanism and consequently to single out
the best catalysts for this reaction a systematic study on a set of
well characterized zeolites will be pursued.
We have studied by infrared spectroscopy the reactivity of DMC
from gas phase on highly dehydrated alkaline exchanged zeolites
with the aim to describe the interaction of DMC with cations. It is
well known that in vacuo conditions cations balancing the negative charge of zeolitic framework are exposed in cages and channels
originating peculiar electrostatic field detectable by polar molecules [25-27] such as DMC. It has been shown how spectroscopic techniques, and in particular IR and Raman spectroscopies can help
in the understanding of DMC activation processes.
A parallel computational study has been performed in order to describe DMC molecule interacting with naked cations or with a neutral M+F- unit.
Figure 1 reports IR spectra of increasing dosages of DMC on a Y
zeolite previously outgassed at 450 °C for 1 h. The dashed line curve reported in the upper part of the figure represents the IR spectrum of DMC in liquid phase.
The similarity of the spectra obtained by dosing DMC from the gas
phase in Y-zeolite and liquid DMC indicates that zeolitic matrix
causes a condensation of DMC inside the pores. IR spectra obtained on Na-Y zeolite are quite complex mainly in the features related to specific interaction of DMC with the cations. In particular,
absorptions related to asymmetric stretching of C-O bond (labelled
with 2 in figure 2) are associated with the complex absorption at
about 1300 cm-1, while the bands centrered at about 1760 cm-1
are associated with the stretching vibration of the carbonylic group
(labelled with 1 in figure 2). At about 1450 cm-1 two strong components at 1432 cm-1 and 1455 cm-1, associated with asymmetric and symmetric deformation CH3 modes, are observed.
With respect to the liquid phase, DMC interacting with Na+ cations shows blue shifted absorptions both for the stretching moN E W S L E T T E R
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des at about 1300 cm-1 and for the deformation modes at about
1450 cm-1. The behavior observed for the carbonylic band is more
complex, as components with blue and red shifts are observed:
however, the most intense component is red shifted in respect to
the liquid phase (∆ν = -16 cm-1). Figure 2 represents the electrostatic potential map computed for the DMC molecule at B3-LYP level: broken line reports the negative parts of the molecule, while
full lines the positive parts. It is evident from this picture that an
isolated cation such as Na+ can anchor DMC from both sides. In
this regard, ab initio calculations at B3-LYP level have been performed in order to well characterize the energetic and vibrational features of the DMC molecule interacting with several naked monovalent alkaline cations.
From preliminary calculations, it has been found that DMC interaction with naked Na+ cation is strong: the computed binding energies BEs are 109 and 134 kJmol-1 depending if the interaction occurs at the oxygen atoms of bond 2 (see Figure 2) or at the oxygen
atom of bond 1 (see Figure 2). The above BEs fall down to about
60 kJmol-1 when NaF is concerned. From an experimental point of
view, the interaction is not reversible at room temperature, confirming the computed strong interaction between the molecule and
the cation.
Spectroscopic features are in agreement with the experimental evidence that DMC is activated in Na-Y zeolite and that it can work as
methylating agent in mild conditions.
Figure 2: Electrostatic potential map computed for the DMC molecule.
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Figure 1: Top spectrum (dashed curve), DMC liquid. Bottom spectra (full
curves), increasing coverages of DMC in Y-Zeolite outgassed at 450 °C.
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Silvia Bordiga, Francesca Bonino, Alessandro Damin, Adriano
Zecchina Università di Torino Centro di eccelenza NIS (Nanostructured
Interfaces and Surfaces); Dipartimento di Chimica IFM, Via P. Giuria 7, 10125
Torino
Maurizio Selva, Piero Tundo Consorzio Interuniversitario “La Chimica per
l’Ambiente” Università degli Studi Ca’ Foscari, Dipartimento di Scienze
Ambientali, INCA National Laboratory of Marghera, Calle Larga S. Marta 2137,
30123 - Venezia
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La nanolitografia come
strumento per il controllo
metrologico di
materiali/strutture artificiali
E. Di Fabrizio1, M. Prasciolu1,2
1 LILIT Group (Laboratory for Interdisciplinary LIThography), TASC-INFM
Nanolithography beamline at Elettra Synchrotron Light Source, Area Science
Park, S.S.14 km 163.5, 34012 Basovizza, Trieste, Italy
2 Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Trieste, Piazzale Europa 1,
34127 Trieste, Italy
Introduzione
e tecniche di nano e micro-fabbricazione stanno spingendo le
frontiere della fisica sperimentale verso nuove applicazioni riguardanti la biomedicina, microchirurgia, nano-elettronica, nanoottica. La repentina crescita del settore ha destato l’interesse di
molti scienziati e tecnologi su dispositivi e sistemi nano-fabbricati
imponendo un notevole ampliamento dei metodi sperimentali di
nano-fabbricazione. L’attività del gruppo LILIT (INFM-TASC), beamline di litografia presso il Sincrotrone ELETTRA, nasce come attività
di litografia a raggi X, rivolta alla possibilità di realizzare strutture
ad alta densità, alta risoluzione spaziale e su larghe aree. Oltre le
tecniche fabbricazione “a contatto” come la litografia a raggi X, il
gruppo LILIT ha sviluppato una profonda conoscenza delle tecniche di fabbricazione quali la litografia a fascio elettronico, la litografia a fascio ionico, la contact printing, la litografia in-situ, tecniche fortemente complementari e sostanzialmente necessarie per
raggiungere lo stato dell’arte per la nano-fabbricazione dei dispositivi e dei sistemi funzionali avanzati.
L
Attività sviluppate e strumentazione a disposizione
Attività e processi sviluppati
• Caratterizzazione di resist per litografia ottica, litografia elettronica e litografia a raggi X
• Sviluppo di processi RIE per Si, Si3N4 , GaAs, SiO2
• Caratterizzazione dei processi di crescita elettrolitica per Ni,
Au, Cr, Cu
• Ottimizzazione dei processi di alta risoluzione, alto contrasto e
litografia profonda.
• Sviluppo dei processi di Lift-off
• Sviluppo di processi Deep RIE per GaAs/AlGaAS e Si
• Sviluppo di processi Micromachining applicati ai sensori di gas
• Sviluppo di processi Micromachining applicati ai dispositivi per
applicazioni spaziali
• Sviluppo dei processi di litografia 3D per cristalli fotonici e per
micromachining per drug delivery
• Sviluppo di tool di calcolo per la progettazione di ottiche diffrattive e optical tweezers ()
• Modellizzazione cad di micro strutture di supporto e per la micro fluidica
Strumentazione a disposizione
• 3 Clean Room di classe 10 fino 1000 (200 m2)
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Stepper a raggi X con possibilità di caricare wafer da 2,3,4,5,6
pollici
E-beam Jeol 6400
Dual Beam LEO XB 1540 (Sistema a fascio ionico focalizzato e
fascio elettronico combinato)
Plasma RIE SYSTEC dotato di CF4, SF6, CHF3, CH4, H2, Ar, O2,
SiCl4 , N2
ICP Deep reactive ion etching SiCl4, CF4, SF6, CHF3, Ar, O2,
Ion Milling/sputtering con gas Argon
Mini-Sputtering
Electroplating
Balzer Evaporator
Optical tweezer Microscope
Wet bench e chemical hood
Optical bench
Several optical microscopes
Tenkor profilometer
PECVD by SISTEC
Microsaw
Probe station per misure elettroniche
Attività scientifica
Microsistemi applicati alla sensoristica, microfluidica ed
applicazioni spaziali.
E’ stato realizzato un micro-thruster con spinte dell’ordine di centinaia micro Newton, installato sul satellite UNISAT2. Abbiamo riscontrato un interesse di ditte spaziali verso l’utilizzo dello stesso
dispositivo. I risultati della fabbricazione e della caratterizzazione in
laboratorio sono stati pubblicati su riviste del settore. Sono in sviluppo sistemi microfluidici per applicazioni biomediche e studi di
microscopia agli infrarossi.
Fabbricazione di Cristalli fotonici 2D e 3D
Sono stati prodotti numerosi campioni i cui risultati della fabbricazione e della caratterizzazione in laboratorio sono stati pubblicati
su riviste del settore. Sono in fabbricazione nuovi campioni di cristalli fotonici 2D basati sia su GaAs sia su Silicio. Sono stati ottenuti anche ottimi risultati sui cristalli 3D metallici per applicazioni nelle microonde.
Progettazione e disegno di Ottiche diffrattive.
L’attività’ riguarda sia lo sviluppo di codici software per la progettazione, sia la fabbricazione di dispositivi innovativi per la microscopia a raggi X, per la neutronica e per le applicazioni bio-medicali.
E’ stata realizzata un’ampia tipologia di ottiche diffrattive per raggi
X aventi una funzionalità “beamshaping”, in grado di trasformare
il fascio incidente in un fascio di forma pressoché arbitraria sul
campione. In questo caso abbiamo applicato tali ottiche alla microscopia DIC (Differentail Interference Contrast). I risultati sono stati
pubblicati ed hanno destato interesse nella comunità della luce di
sincrotrone. Sono state sviluppate ottiche innovative per raggi X
(300 eV-25 KeV).
Microscopia basata sugli Optical Tweezers
Questa attività riguarda la realizzazione di tecniche di intrappolamento otttiche (optical tweezers) per studi di base e di biofisica.
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Nanotubi di carbonio
La principale linea di ricerca si basa su crescite in situ e intrappolamento con MEMS (Micro Elettro Mechanical System) di singoli nanotubi funzionalizzati
CVD (Chemical vapour deposition) indotta da elettroni
L’attività è svolta in collaborazione con l’Ecole Politechnique ed è
rivolta alla deposizione di nanowire su di un microelettrodo MEMS
attraverso elettroni/ioni e precursori gassosi. Gli ultimi risultati dimostrano come sia possibile depositare fili metallici o di carbonio
con dimensioni al di sotto di 100 nm.
Magnetismo su scala nanometrica
Questa attività di nanofabbricazione include studi di caratterizzazione in collaborazione con altri gruppi di ricerca.
Nanoimprinting Lithography
Questa attività è principalmente dedicata al self assembling e a
studi di elettronica molecolare.
Otoscan 3D: Sistema di scansione laser tridimensionale del
canale auricolare
Le tipologie di protesi auditive fabbricate attualmente sono svariate. Volendo effettuare una classificazione, un primo criterio è la
posizione rispetto al padiglione auricolare (l'orecchio), determinante sul piano estetico. Le protesi endoauricolari, completamente
interne al canale auditivo, rappresentano un ottima soluzione sia
sul piano estetico (risultano praticamente invisibili) sia in termini di
prestazioni. Per la realizzazione di questo tipo di apparecchi acustici è fondamentale conoscere con esattezza la metrologia del canale, in modo da realizzare chiocciole personalizzate che “calzino”
perfettamente. Una piccola imperfezione potrebbe generare forti
attenuazioni del segnale acustico o, nei peggiore dei casi forti risonanze e fruscii che la renderebbero di fatto inutilizzabile dal paziente. L’attuale metodo di rilevazione consiste nella realizzazione
di un vero e proprio calco della cavità, utilizzando una speciale pasta siliconica da iniettare all’interno dell’orecchio. La misura è molto invasiva e fastidiosa per il paziente, inoltre, la pressione esercitata dalla pasta durante l’indurimento può cambiare la reale forma
della cavità ed inficiarne la misura.
Noi riportiamo il primo utilizzo di un sistema metrologico di misura
laser tridimensionale nell’imaging biomedicale, Otoscan3D (Fig.1).
Il prototipo, realizzato dalla collaborazione del laboratorio LILIT e
Amplifon S.p.A, ha permesso l’acquisizione diretta completamente elettronica, per la prima volta al mondo, del canale auditivo di
un orecchio umano adulto. E’ stato utilizzato un’innovativa sonda
per la scansione laser basata su un microspecchio MEMS attuato
elettromagneticamente (Fig.2).
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Figura 1: Il prototipo Otoscan 3D
L’attuazione magnetica è stata ottenuta utilizzando un campo magnetico esterno. E’ possibile posizionare il microspecchio all’estremità di una la bacchetta di materiale ferromagnetico in modo da
sfruttarne non solo le caratteristiche meccaniche ma anche quelle
magnetiche. Sull’intera lunghezza della bacchetta, infatti, è stato
disposto un avvolgimento in filo di rame isolato allo scopo di realizzare un elettromagnete.
Figura 2: Layout e immagini ottiche del microspecchio MEMS
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Modulando la corrente che attraversa l’avvolgimento è quindi possibile indurre un campo magnetico variabile, proporzionale alla
corrente. Il vettore di induzione magnetica all’interno della bacchetta (che costituisce il nucleo dell’elettromagnete) è costante e
diretto lungo l’asse (circuito magnetico). Alla fine dell’elettrocalamita il campo magnetico si dispone come per un normale dipolo.
Il microspecchio è posto nella regione finale delle spire, molto vicino alla bacchetta (Fig.3): quando il campo lo investe, viene indotta
una polarizzazione magnetica che lo assoggetta a una forza. Questa tende a farlo ruotare in modo da allineare il dipolo indotto alle
linee di campo magnetico, minimizzando l’energia del sistema. Lo
specchio è sospeso al centro della struttura (magneticamente isolante) fissata sulla bacchetta. È vincolato da due bracci centrali in
modo tale da permettergli solo di ruotare attorno a questo asse. La
torsione dei bracci produce una forza elastica di richiamo che contrasta la forza magnetica e tende a riportare lo specchio nella posizione di equilibrio. Il controllo dell’angolo di rotazione avviene modulando l’intensità di corrente che percorre la spira, cioè agendo
sul campo di induzione magnetica. Cambiando il verso della corrente è anche possibile invertire il verso di rotazione.
Figura 3: Speciale sonda di scansione elettromagnetica con microspecchio
MEMS
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Il sistema combina le tecniche di interferometria conoscopica ad
una speciale sonda d’acquisizione dati basata su un microspecchio
mobile attuato elettro-magneticamente. Il microspecchio mobile,
realizzato in materiale ferromagnetico con tecniche di fabbricazione micro e nanolitografiche, permette di modificare l’angolo di incidenza della luce in modo controllato. Il microspecchio, infatti, è
montato su di una bacchetta elettromagnetica in grado cioè di generare un campo magnetico la cui intensità dipende dalla corrente
che circola nell’avvolgimento. Modulando opportunamente tale
corrente è possibile controllare finemente i movimenti dello specchio. Lo specchio riflette la luce incidente del laser sulla superficie
dell’orecchio, quindi variando l’angolo dello specchio, si possono
ottenere scansioni lineari della cavità. Il microspecchio MEMS è costituito da due parti: un supporto di sostegno in rame cresciuto
elettroliticamente, su cui è sospeso lo specchio. La superficie riflettente è in grado variare la posizione angolare se soggetta alla forza
indotta dal campo.
La strategia di misura sfrutta il “tilt” dello specchio, combinato con
un motore di rotazione a cui è vincolata la sonda. Il laser, nella sua
scansione, descrive una traiettoria cilindrica ideale per la misura di
cavità come quella auricolare. Otoscan 3D è dotato anche di un
motore traslazionale che consente di ottenere un range di misura
ampio, sufficiente per ogni tipo di cavità (Fig.4).
Figura 5: Nuvola di punti tridimensionale, superficie elettronica ricostruita,
calco fabbricato
Otoscan 3D rappresenta un’efficace alternativa ai tradizionali metodi invasivi per la presa del calco delle cavità auricolari. Il sistema
permette di ricavare la mappa tridimensionale del canale auditivo
in formato completamente elettronico, compatibile con i metodi di
prototipazione rapida. La misura è veloce e non invasiva. Ai fini
della realizzazione di un apparecchio acustico, i dati in formato
elettronico permettono un maggiore accuratezza ed una riduzione
dei tempi di produzione, con il vantaggio del comfort del paziente.
Contatti
Enzo Di Fabrizio (Group Leader)
e-mail: [email protected]
http://ueb.elettra.trieste.it/experiments/beamlines/lilit/htdocs/index.htm
Mauro Prasciolu (PhD Student)
e-mail: [email protected]
http://ueb.elettra.trieste.it/experiments/beamlines/lilit/htdocs/index.htm
Figura 4: Scansione laser tridimensionale della cavità auricolare
Per realizzare la protesi auditiva dalla nuvola di punti acquisita, si
definisce la forma del canale auricolare mediante una rete di minuscoli triangoli (formato STL). Questo formato di acquisizione costituisce lo standard di ingresso per le macchine di prototipazione rapida (Fig.5).
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R I C E R C A
Nanometer Positioning by Laser
Doppler Scale Feedback
and Multiple-Pass Optic,
an Application of HighResolution Laser Interferometry
Charles P. Wang Optodyne,inc.
Gianmarco Liotto Optodyne Laser Metrology srl
ABSTRACT
We have collaborate with Argonne National Laboratarory (USA)
for the design and realization, and testing for a closed loop positioning system with 1- Angstrom step and 50 mm maximum travel controlled with a Laser Doppler Scale (LDS) with sub-nanometric resolution and exceptional stability. The stability conjugated
with high speed make possible the development of a multiplepass optical arrangement used for increase the resolution to 3
tenth of nanometer and to minimize the effect of air turbulence.
LDS have large displacement capability in respect with the micro
positioning scale and due to high speed the capability to overcome
the micro hart quark due to stick-slip friction. The LDDM® (Laser
Doppler Displacement Meter) is a new generation two frequency
interferometer based on the principles of radar, the Doppler effect,
and optical heterodyning. The new frontier called nano-technology have the needs of transducers and actuators that are at the
same time high performing and cost effective. With the Laser Doppler LDS and the multiple-pass optics make possible to design and
manufacture closed loop positioning systems at high resolution,
compact dimensions in order to produce industrial systems finalized to the production activity.
I. Introduction
High accuracy positioning systems in the nanometer range are
needed for IC fabrication such as deep UV lithography, research in
micro-electro-mechanical systems (MEMS) and nano technology. A
linear encoder with sub-nanometer resolution is needed for such
applications as large field x-ray lithography, large field scanning
microscopes, x-ray microscopes, x-ray micro machining etc. For a
conventional laser interferometer the resolution is about wavelenght/64 or 10 nm. With higher fringe interpolation, -Wavelenght/1024 or 0.6 nm can be achieved [1]. However, the major uncertainties are the optical non-linearity, electronic noises and detector shot noises [2]. For high resolution and high accuracy measurement in a laboratory environment, the measurement is effected by the environment such as mechanical and acoustic vibrations, thermal expansion, and air turbulence. Because of the air
circulation, or turbulence, the effective laser beam path length
(OPD) is fluctuating. This fluctuation limits the accuracy of the laser
measurement. Long time-average has been used to minimize the
effect of air turbulence. However, too much averaging may cause
a time-lay and inconvenience in the measurement. Another
method is to control the environment to minimize the air circulation and temperature gradient or to cover the laser beam path
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completely. However, in a shop environment, both of these are difficult to achieve. To overcome these difficulties, a laser Doppler displacement meter (LDDM) with a 6-pass (up to 24-pass) optical arrangement is used to achieve sub-nanometer resolution with a
measuring range of 100 mm and a maximum velocity of 600
mm/sec. The optical setup is compact and easy to align. As compare with a laser interferometer, the advantages are: higher resolution, less effected by air turbulence, less shot noises, less non-linear phase distortion, and less non-linearity error.
II Laser interferometers in a laboratory environment
There are optical, electrical, and environmental limitations on high
fringe interpolation to achieve high resolution in a laboratory environment. The optical non-linearity or non-linear phase distortion is
a fundamental limit on the accuracy of the heterodyne Michelson
interferometer caused by leakage of the frequency components in
the beam splitter [2]. A typical optical non-linearitv is 6 nm [4] For
high fringe interpolation, high signal-to-noise ratio (S/N) is important. Reducing the electronic noises in the circuit and the shot noises in the photo-detector will increase the S/N, and also improving
the laser alignment will increase the fringe contrast or the S/N.
Usually, the material thermal expansion is the largest source of error in the positioning accuracy However with controlled room temperature and using invar material (thermal expansion coefficient is
near zero at room temperature), the effect of thermal expansion
can be minimized. Air turbulence or index of refraction fluctuation
is the most commonly discussed error source in interferometer accuracy. Small thermal gradients are present m the environment.
Because the thermal diffusivity of air is low (0.2 cm-2/sec), the
thermal in-homogeneities are mixed by the airflow before they
reach equilibrium. In a region 10 cm long, the time scale for thermal equilibrium is 500 sec while the transit time for a 100 LFM
flow is 0.2 sec. Hence the time scale for turbulence is from a few
msec up 200 msec. Mechanical vibration is another source of errors. These are the vibration of the floor and sonic frequencies
transmitted through air and through the supporting structure. A
table with good vibration isolation and damping is essential. With
proper isolation, damping and acoustic shielding, the effect of
thermal heating mechanical and acoustic vibrations can be minimized.
III. Laser interferometer and Single aperture laser Doppler
system
Conventional laser interferometers are based on the Michaelson
interferometer. There are two laser beams the output beam and
the return beam. which are parallel but displaced about 25 mm.
Hence, large optics is required. Also, the alignment is critical, 3 elements have to be aliened co-axially. The single-aperture LDDM laser system is based on laser Dopplermetry. The laser head is very
compact (25 mm x 25 mm x 202 mm) and is completed with stabilization circuits, electro-optics, and photo-detectors. The output
beam and the return beam share the same aperture Hence large
optics is not required. Hence it is more compact and flexible. The
major features of the LDDM single-aperture laser system are compact, small laser head and reflector high resolution and high accuracy, versatile and flexible. The laser stability is 0.1 ppm the laser
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system accuracy is 1 ppm, the resolution is 2 nm, the maximum
range is 5 m, and the maximum speed is 5 m/sec.
A commercial Laser Doppler Displacement Meter (LDDM) system
includes four components: a laser head, a processor module, a display module, and a target reflector. The laser head houses a frequency-stabilized HeNe laser, an electro-optic assembly and a photodetector, which functions as a receiver. The laser light reflected
by the target is frequency shifted by the motion of the target. The
photodetector measures the phase variation caused by the frequency shift, which corresponds to the displacement of the target.
When the displacement is larger than the half-wavelength, wavelenght/2, a counter records the total phase changes as:
∆φ total = 2π N + φ
(1)
where N is the number of half-wavelengths, and φ is the phase angle less than 2π.
The total target displacement, ∆z, can be expressed as:
c
∆z = --------- (N + φ/2π)
(2)
2f0
where f0 is the frequency of the laser, and c is the speed of the light.
If we make the laser light reflecting back and forth M times
between the fixed base and the target before it finally reach the
photodetector, then introducing equation (2) gives
c
∆z = --------- (N + φ/2π)
(3)
2f0 M
which indicates that the multiple-reflection optics provides M-times resolution extension power for the system.
The laser Doppler displacement meter is based on the principles of
radar, the Doppler effect, and optical heterodyning. We have chosen a LDDM as our basic system, not only because of its high resolution
(2 nm typically) and high measuring speed (2 m/s) but also because
of its unique performance independent of polarization, which provides the convenience to create a novel multiple-reflection-based
optical design to attain sub-Angstrom linear resolution extension.
IV. Multiple-pass optical arrangement
For a typical laser interferometer. the laser beam is reflected by a
retroreflector target, and the displacement of the target is determined by measuring the change in the optical path length. A multiple-pass is an optical arrangement, with the laser beam reflected
back and forth between the retroreflector target and some mirrors
or prisms mounted stationary with the laser head. It has been
shown in Ref[3 4] that multiple-pass optical arrangement can increase the resolution, and reduce the effect of air turbulence.
Conventional multiple-pass optical arrangements using mirrors are
rather complex, balky and difficult to align. Tins is because the
conventional laser interferometer uses 2 apertures. A 6-pass optical arrangement developed by Optodyne can easily be achieved by
attaching an optical adapter to the single aperture laser head and
a 38 mm diameter retroreflector target as shown in Fig. 2. Using
the property of a cube comer prism, the incident and reflected laser beam are always parallel. Hence the alignment becomes easy.
The number of passes between the optical adapter and the retroreflector is increased by a factor of 6. In the 6-pass optical arrangement a 1 mm displacement of the retroreflector target becomes a
6 mm increment of the effective optical path length. Hence, the
resolution is increased by a factor of 6 and the air turbulence is
averaged over the 6 parallel paths. However, the maximum range
and the maximum velocity are also reduced by a factor of 6. A factor of 12 is also possible with multiple comer cubes. A schematic
of the 12- pass optical arrangement is shown in Fig. 1.
The major advantages of the 6-pass laser system arc: higher resolution, less effected by air turbulence, less sliot noises, and less
non-linear phase distortion. The disadvantages are: shorter range,
lower speed, more optical components and less lateral tolerance.
V. Performance test and results
The performance of a laser system with 6-pass optical arrangement was compared with a single-pass laser interferometer. Both
laser systems were set up co-axially with both retroreflectors
mounted together and with equal distances from the laser heads.
A typical result is shown in Fig. 4. The heavy line is the fluctuation
in the 6-pass optical arrangement and the light line is the fluctuation in a single-pass optical arrangement. The effect of air circulation or the change in refractive index, is reduced considerably in
the 6-pass optical arrangement. To demonstrate the sub-nanometer resolution in the laboratory environment, a 12-pass optical arrangement with a PZT driver is used to move the stage at an increment of 0.2 nm.
VI. Summary and conclusion
In summary, a laser Doppler displacement meter with a multiplepass optical arrangement has been developed by Optodyne. The
performance is sub-nanometer resolution with a measuring range
of 100 mm and a maximum velocity of 600 mm/sec. The optical
setup is compact and easy to align. It is also less sensitive to the air
turbulence.
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and non-linearity", Applied Optics, Vol. 26, No. 13, pp 2676-2682.
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Doppler Linear Encoder Using Multiple- Reflection Optical Design for
High Resolution Linear Actuator, Proc. SPIE, Vol.3429 (1998) 284-292.
Fig. 1 Schematics of a multiple pass optical arrangement and laser beam path.
Fig. 4 Effect of air circulation on a 6-pass optical arrangement and on a signle
pass optical arrangement
CONTACT
Charles P. Wang
Optodyne,inc.
1180 Mahalo place
Compton, CA 90220
Gianmarco Liotto
Optodyne Laser Metrology srl
Via Veneto,5
20044-Bernareggio (MI LANO)
tel.+39 039 6093618
[email protected]
http://www.optodyne.com/
Fig 2 A 6 -pass optical adapter using an optical adaptor and a 38mm diameter
retroreflector target.
Fig 3 test of 1 Angstrom (0,1nm) step movements
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Nanometrology
for astronomy in space
S. Cesare Alenia Spazio
The space mission GAIA
The company Alenia Spazio, main Italian industry in the space sector, is the leader of an international team Involved in the project of
the space mission GAIA. The Global Astrometric Interferometer for
Astrophysics (GAIA) is one of the “cornerstone” mission of the European Space Agency (ESA) scientific programme. Its launch is foreseen to take place in the year 2010. Mission objective is the measure of the position, parallax and proper motion of at least on billion of stars (1% of the stars of our galaxy), till the magnitude V =
20 with position and parallax accuracy of 10 µas (1µas ≅ 5⋅10-12
rad) at magnitude V = 15 and 4 µas at magnitude V = 10. By comparison, the previous astrometric mission HIPPARCOS achieved an
accuracy of about 1 µas on about 120000 stars up to the 10th magnitude.
The astrometric instrument by which GAIA will measure the star
position and parallaxes is constituted by two large-field telescopes with lines of sight (LOS) lying on the same plane separated by
an angle α = 106°, called the Basic Angle (Fig. 1). After the first
three mirrors of the two telescopes, a roof-top mirror (called M4)
intercepts the light beams coming from the star fields observed
along the two lines of sight and send them towards a common
focal plane.
The astrometric instrument will be installed on a satellite which will
slowly spin (with a period of 6 hours) about an axis perpendicular
to the plane containing the lines of sighs of the two telescopes.
The spin axis will be forced to follow a precession motion (with 70
days period) about the sun-satellite direction, keeping a constant
angle of 50° off this direction (Fig. 2). The combination of the spin
and precession motion will move the fields of view of the two telescopes across the sky until the whole celestial sphere will be covered by several times. During the motion, the position of the observed will be accurately measured on the common focal plane of the
two telescopes. The knowledge of the Basic Angle between the telescope lines of sight, will allow to obtain the on-sky angular separation of the stars from these position measurements. A post-flight
global reduction of all these angular measurements will finally allow to solve for the positions and parallaxes of all the stars in an
absolute reference frame determined by all the observed stars
themselves.
To achieve the GAIA astrometric goal, the Basic Angle must be stable to 1 µas (1 σ) over time periods from 3.3 s (star image integration time on a single focal plane detector) to 6 hours (spin period
of the satellite). The value of the Basic Angle after a complete spin,
can be recovered by exploiting the closure condition.
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Fig. 1. Configuration of the GAIA astrometric instrument and definition of the
Basic Angle
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like the one shown in the picture. A steep zero crossing occurs
every time the distance between the markers is a multiple of λ/2, λ
being the laser wavelength. In a very narrow region (few nanometres) around the zero crossing, the interferometer signal is nearly linear. Therefore around the zero crossing the sensitivity of the instrument to distance variation between the two markers is maximum. To maintained the interferometer always working in the region of linearity and maximum sensitivity (i.e. in proximity of the
zero crossing) in presence of a distance variation between the
spherical mirrors, a frequency variation is applied to the laser beam
by means of an acousto-optic modulator, so to keep the laser wavelength always tuned to the optical cavity. The information about
the distance variation is thus obtained from the amount of frequency shift applied to the laser beam to keep it in resonance with
the optical cavity.
Fig. 2. Sky scanning motion of GAIA
The metrology system for the GAIA astrometric instrument
The extreme stability required for the Basic Angle cannot be guaranteed passively, i.e. just by choosing materials with low thermal
expansion coefficient for the structure connecting the telescope
mirrors and by keeping the astrometric instrument under a tight
thermal control. The Basic Angle must be actively controlled or, at
least measured with the 1 µas resolution during the star observation. Since 1997 the European Space Agency has promoted the technological development of a metrology and control system for
the monitoring and stabilisation of the Basic Angle. One of such
technological programme has been assigned to a team led by Alenia Spazio, including Istituto di Metrologia “G. Colonnetti”, Osservatorio Astronomico di Torino and Politecnico di Torino.
The concept devised for the Basic Angle monitoring is based on
the measurement of the distance variation between reference
points placed on the various mirrors of the astrometric instrument,
by means of 12 Fabry-Perot type laser interferometers. The location of the reference points has been chosen so to keep under monitoring all the mirror degrees of freedom affecting the variation of
the Basic Angle. A numerical simulator including an optical model
of the astrometric instrument and the geometry of the reference
points has been implemented to verify the performance of the
mathematical relationships devised to estimate the variation of the
Basic Angle from the variation of the distances measured by the laser metrology (Fig. 3).
The operating principle of the Fabty-Perot laser interferometer is
shown in Fig.4. The interferometer is constituted by two spherical
mirrors, with curvature radius equal to the double of their separation, forming an optical cavity. They are also the “reference
points” whose relative distance measured by the interferometer.
The laser beam is injected in the optical cavity after having been
phase modulated. The back reflected beam is separated from the
injected one by a polarising beamsplitter and a quarter waveplate
and sent to a photodiode. The detected signal is phase shifted and
demodulated, according to the Pound-Drever technique. As one
mirror moves relative to the other, an output signal is generated
The ultimate resolution achievable by the interferometer is determined by the frequency stability of the laser source. For monitoring the Basic Angle variation with a resolution of 1 mas, the distance between the reference points monitored by the laser interferometer shall be measured with a resolution of 1 pm. Consequently the frequency relative stability of the laser source shall be
δν/ν < 10-12. The identified laser source, a solid state Nd:YAG
operating at λ = 1319 nm to not interfere with the telescope observation in the optical band, is frequency stabilised against a reference optical cavity using the Pound-Drever technique. The spherical mirrors of the reference optical cavity are connected by a spacer made in ULE, a material having a thermal expansion coefficient £ 10-8 /K in the temperature range 5-35 C°. The cavity is enclosed in a thermally controlled housing. The temperature shall be
stabile within 10-4 K during time periods of 6 hours, in order to
achieve the GAIA goal.
For the control of the Basic Angle, the investigation of the behaviour of the astrometric instrument led to the conclusion that the
actuation of the M4 mirror only along a single linear degree of
freedom (piston) is sufficient for this purpose. This mirror will be displaced in piston by a mechanism actuated by piezoelectric translators, commanded by a digital controller to the positions that
compensate the variations of the Basic Angle, estimated on the
basis of the metrology measurements.
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(Fig. 6). Three laser interferometers, fed by a frequency stabilised
Nd:YAG laser source at 1064 nm, were utilised to measure the mirror relative displacement of the two plates on three point and a 3DOFs piezo-driven mechanism was utilised to keep stable these distances. The choice of the laser frequency for the laboratory test
was driven by the necessity of verifying also the frequency stability
obtained by through a temperature stabilised reference optical cavity. This verification was performed by doubling the laser frequency and beating the beam at λ = 532 nm with a second frequency doubled Nd:YAG laser stabilised against a molecular transition of the iodine (there are no strong transitions at 1064, nor at
1319 nm).
The achieved distance stability between the three pairs of reference points was between 1 and 3 pm under the seismic and acoustic
vibrations coming from the laboratory environment and the application of sinusoidal disturbances with 1mm amplitude to one of
the two plates (Fig. 6, [1]).
Fig. 3. Numerical simulator of the GAIA metrology system for the Basic Angle
monitoring
Fig. 4. Operating principle of the Fabry-Perot laser interferometer, and example
of the output signal
The proof-of-concept test
A laboratory prototype of the metrology and control system was
built and submit to performance tests on the COSI (Control Optics
Structure Interaction) testbed, suitably designed and implemented
for this purpose (Fig. 5). The tesbed has been assembled and the
tests have been carried out at the Istituto di Metrologia “G. Colonnetti” in Turin.
The laboratory set-up utilised to test the system consisted of two
dummy mirrors (two ∅ = 57 cm plates) at a 0.5 m relative distance
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Fig. 5. The COSI testbed for the performance test of the laser metrology and the mirror control system
•
•
Towards the realisation of the flight system
After the implementation of the fist prototype and the successful
performance tests, the European Space Agency awarded another
contract to Alenia’s team with the objective of realising and submitting to space qualification the items of the metrology and control system that must be directly interfaced to the mirrors of the
astrometric instrument: the optical head of the laser interferometer and the mirror actuation mechanism (Fig. 7).
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The optical head (Fig. 8) contains one of the spherical mirror of the
Fabry-Perot interferometer, the lenses for matching the laser beam
to the fundamental mode of the resonant optical cavity, the polarising beamsplitter and the quarter waveplate for the separation of
the injected beam to the back reflected one, the receptacle for the
optical fiber bringing the laser beam to the interferometer with its
collimating optics, and the receptacle for the optical fiber bringing
the laser beam to the detector with its coupling optics. The volume
of the optical head is few cubic centimetres to be as less invasive as
possible when installed on the GAIA mirrors. The fixation of the
optical elements is designed to keep the relative alignment
without stressing the glass, when optical head is cooled down to
160 K, the operating temperature of the astrometric instrument.
The M4 mirror actuation mechanism (Fig. 9) consists of a linear
piezoelectric translator and flexible hinges to guide the mirror motion along a straight line smoothly and without backlash. A
blocking device made by two clamps tightened around the mirror
linear guide by four Frangibolts® (bolts made of on shape memory
alloy) prevents the breaking of the piezoelectric translator under
the launch loads. Once GAIA will have reached its operative orbit,
the Frangibolts® will be broken by an electrical current and two
springs will release the clamps letting the mirror to move under the
actions of the piezoelectric translator.
To be suitable for the GAIA mission, the metrology and mirror control system shall not just proof their performance in the monitoring
and stabilisation of the Basic Angle, but shall also be able to sustain the loads, vibrations and shocks induced by the rocket during
satellite launch, and to survive all along the mission lifetime (5
years) under the space environment and the temperature excursions undergone by the satellite. For these reasons the optical
head and the mirror mechanism will be subject to space qualification tests aimed to verify the following requirements:
•
•
•
Fig. 6. Measurements of the three laser interferometer with the
active distance control system operating
&
Tolerance to a radiation dose of 10 krad
Survival to a quasi-static load of 65 g
Survival to vibrations with 15 g acceleration amplitude and frequencies from 18 and 35 Hz
Survival to a shock with accelerations up to 3000 g and frequency spectrum from 100 to 10000 Hz
Withstanding of a temperature variation from 150 K to 353 K
After these tests, the optical head and the mirror mechanisms will
be included in an engineering model of the overall metrology and
control system for verifying that the performance of distance measurement and stabilisation at 1 pm level is still achieved. If the environmental tests and successive performance test will have been
passed successfully, the optical head and the mirror mechanisms
will be declared space qualified. The completion of this qualification campaign is planned by mid 2005.
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Fig. 8. The optical head of the Fabry-Perot interferometer
Fig. 8. The actuation mechanism of the M4 mirror
References
[1]
Fig. 7. Twelve laser interferometer optical heads and one actuation mechanism
installed on the GAIA mirrors
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M. Bisi, L. Bonino, M.Cecconi, S. Cesare, F. Bertinetto, G. Mana, D.Carollo, M. Gai, M. G. Lattanzi, E. Canuto, F. Donati, Enabling interferometry technologies for the GAIA astrometric mission, in Proc. SPIE Vol.
3744, p. 31-42, Interferometry '99: Techniques and Technologies,
Malgorzata Kujawinska; Mitsuo Takeda; Eds.
Contatti
Dr. Stefano Cesare
Alenia Spazio
Strada Antica di Collegno 253
10146 Torino
e-mail: [email protected]
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NEMAS – Nano Engineered
MAterials and Surfaces
Carlo Enrico Bottani
(Ordinario di Fisica della Materia - Coordinatore del Centro) Centro di
Eccellenza per l’Ingegneria dei Materiali e delle Superfici Nanostrutturati del
Politecnico di Milano
Introduzione
La consapevolezza della rilevanza strategica delle nano-tecnologie
sta aumentando anche nel nostro paese sia a livello industriale sia a
livello politico. Un numero significativo di laboratori altamente qualificati operanti nel settore esiste da diversi anni nel Politecnico e in
altre università milanesi. Alcuni di questi laboratori, nelle aree della
fisica della materia, della chimica, della scienza e tecnologia dei materiali, della metallurgia e dell’elettronica, sono particolarmente
omogenei e/o complementari per cultura, metodologie e strumentazione e costituiscono un laboratorio integrato di grande potenzialità. Va inoltre sottolineato che le specifiche competenze tecnologiche, naturalmente presenti in una scuola di ingegneria, favoriscono il conseguimento prioritario di obiettivi di interesse industriale e l’avvio di processi virtuosi di collaborazione industria-università.
Nel progetto di strutture integrate di ricerca, che operano in un
contesto di riferimento internazionale, non bisogna dimenticare la
tipologia del sistema industriale italiano. Accanto alle destinazioni
applicative strategiche nella microelettronica e nell’optoelettronica
è indispensabile considerare anche quelle meccaniche, chimiche,
biologiche, ambientali e energetiche per le quali il benchmarking
internazionale è, talora, più favorevole riguardo alla nascita di nuove iniziative. In questo settore il Politecnico di Milano è attivo da
tempo come incubatore d’impresa con una struttura ad hoc
Il MIUR ha riconosciuto le competenze del Politecnico di Milano in
campo nanotecnologico approvando presso l’ateneo (con il D.M. n.
193 del 17 ottobre 2003) la costituzione di un Centro di Eccellenza
per l’Ingegneria dei Materiali e delle Superfici Nanostrutturati recentemente denominato NEMAS – Nano Engineered MAterials and
Surfaces. Il Ministero ha cofinanziato i primi tre anni di attività del
centro con 2,55 milioni di euro. All’iniziativa partecipano ricercatori
di quattro dipartimenti: Chimica, Elettronica, Fisica e Ingegneria Nucleare (Laboratorio Materiali Micro- e Nano-Strutturati).
Obiettivi generali
Il Centro si pone i seguenti obiettivi generali prioritari:
a) La maggiore integrazione funzionale possibile di tutte le competenze disciplinari necessarie. Ciò è essenziale per affrontare
la tematica delle nanotecnologie dove le competenze richieste
sono fortemente sovrapposte e spaziano dalle scienze di base
all’ingegneria, mal prestandosi alle suddivisioni tradizionali in
chimica, fisica ecc. Questo settore strategico non fa eccezione:
l’innovazione con rilevanza economica e sociale richiede competenze ibride e integrate.
b) Stretta integrazione delle attività di ricerca con attività formative di alto livello (dottorato di ricerca, istruzione permanente
ecc.) al fine di rafforzare non solo la ricerca di base nel settore
ma anche di favorire la nascita di specifiche iniziative imprenditoriali.
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c) Progettare, produrre e caratterizzare materiali innovativi e superfici funzionali nanostrutturati
d) Progettare e realizzare dispositivi e/o processi prototipo, basati
su materiali innovativi e superfici funzionali nanostrutturati, di
interesse nei settori microelettronico, optoelettronico, meccanico, chimico, biologico, ambientale e energetico.
e) Istituire rapporti organici di collaborazione scientifica e tecnologica (per es. mediante la costituzione di Laboratori Rete Regionali) con analoghi centri di eccellenza interdisciplinare esistenti presso l'Università degli Studi di Milano (con cui e' stato
siglato un protocollo d'intesa per l'area delle micro- e nanotecnologie), con l'Università degli Studi di Milano Bicocca e altri atenei del Nord-Italia. Come in altri settori strategici è opportuno che le Università diano inizio a un processo di forte
collaborazione e condivisione di risorse umane, strumentali e
logistiche. In questo ambito, contando su maggiori risorse
complessive, si favorirà il richiamo di ricercatori italiani operanti all’estero, il coinvolgimento di personalità scientifiche di livello internazionale, la mobilità dei ricercatori e l’interscambio di
personale con le industrie.
Obiettivi specifici
Sono iniziati progetti di ricerca di grande potenziale impatto scientifico, tecnologico, economico e ambientale nei settori strategici
• della catalisi e della sensoristica ambientale
• della spintronica
• dell’optoelettronica molecolare e polimerica
• della nanoelettronica in silicio
e sta per iniziare un nuovo progetto sulla genomica funzionale
In tutti i progetti ci si propone di
• acquisire tecniche innovative di produzione e processing di
materiali nanostrutturati
• progettare, produrre e caratterizzare nuovi materiali nanostrutturati e superfici nanostrutturate funzionali
• progettare e realizzare dispositivi e processi prototipo per applicazioni in campo scientifico, industriale e ambientale
• stimolare la nascita di nuove attività imprenditoriali
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I progetti cofinanziati dal MIUR sono denominati come segue:
1 Coatings nanostrutturati per catalisi ambientale
2 Materiali magnetici nanostrutturati per spintronica
3 Materiali organici nanostrutturati per elettronica e fotonica
4 Nanostrutture epitassiali a base silicio per elettronica e fotonica
5 Superfici funzionali di carbonio, metalli ed ossidi di metalli di
transizione nanostrutturate
Questi progetti prevedono sia ricadute a breve/medio termine sul
piano industriale, ambientale e sociale sia la catalisi di processi di
collaborazione università-industria per quanto riguarda la ricerca
strategica a medio-lungo termine come previsto dalla filosofia del
VI Programma Quadro della Comunità Europea.
Progetto 1 – Coatings nanostrutturati per catalisi
ambientale.
Nelle applicazioni di tipo ambientale della catalisi risulta necessaria
l’adozione di sistemi ottenuti per deposizione di rivestimenti attivi
su supporti strutturati. Tali sistemi sono caratterizzati da diversi livelli di scala che concorrono a determinarne le prestazioni: millimetrica per quanto riguarda la geometria dei supporti; micrometrica per lo spessore dei rivestimenti attivi; nanometrica con riferimento alla struttura porosa ed agli aggregati che costituiscono la
fase attiva. Questo progetto si propone di sviluppare metodi di
preparazione in grado di garantire il controllo delle proprietà di catalizzatori strutturati a tutti i livelli di scala sopra menzionati al fine
di migliorarne le prestazioni. In particolare si farà riferimento a sistemi di interesse in diversi processi chiave della catalisi ambientale
quali: combustione catalitica, abbattimento congiunto di NOx e
particolato e produzione di idrogeno.
Per queste applicazioni risulta cruciale l’elevata dispersione di nanoparticelle di elementi attivi a base di metalli nobili (Pt, Pd, Rh) su
materiali in polvere e su sistemi strutturati a base di gamma-allumina, zirconia ed alfa-allumina. Verranno inoltre studiate nuove tecniche di tipo fisico per la deposizione di materiali nanostrutturati
quali PLD (Pulsed Laser Deposition) e co-deposizioni PLD/CBD (Cluster Beam Deposition) al fine di ottenere dispersione di elementi
attivi su matrici di ossidi nanostrutturati (in collaborazione col Progetto 5).
Progetto 2 - Materiali magnetici nanostrutturati per
spintronica
I sistemi di interesse sia fondamentale che applicativo in tale settore sono materiali artificiali nanostrutturati (in genere a strati di
spessore nano o subnanometrico), quali film ultrasottili con accoppiamento antiferromagnetico, film sottili di ossidi, interfacce ferromagnete/semiconduttore e multistrati di terre rare e metalli di
transizione. In particolare si intendono affrontare le tematiche relative agli effetti di superficie e interfaccia nei multistrati a film sottile (sia metalli che ossidi magnetici) e nelle strutture ibride ferromagnete-semiconduttore. Tali sistemi saranno cresciuti ed investigati
in-situ mediante la realizzazione di un sistema di crescita direttamente interconnesso con quello di analisi e caratterizzazione, utilizzando spettroscopie elettroniche anche nella versione risolta in
spin che dà accesso allo studio delle proprietà magnetiche. A tal fine verrà utilizzato un nuovo apparato con l’aggiunta di una nuova
tecnica di crescita. In particolare, verrà implementata la tecnica di
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deposizione per ablazione indotta da laser ad impulsi (PLD, Pulsed
Laser Deposition), che andrà ad affiancare la già esistente e proficuamente utilizzata epitassia da fasci molecolari (MBE). Il progetto
contiene anche una parte su film sottili magnetici elettrodeposti,
da utilizzare in applicazioni per sistemi microelettromeccanici, in
modo da integrare i motivi magnetici realizzati in microcomponenti su wafer di silicio con tecniche di “patterning” avanzate.
Progetto 3 - Materiali organici nanostrutturati per
elettronica e fotonica
• Sintesi di materiali policoniugati per applicazioni in optoelettronica e sensoristica
I materiali studiati appartengono prevalentemente alla classe dei
tiofeni in quanto questa classe presenta una grande versatilità sul
piano chimico associata ad una buona stabilità e buone proprietà
elettriche ed ottiche. Queste proprietà dipendono non solo dal disegno chimico della molecola ma anche dall’organizzazione supramolecolare delle stesse molecole e dalla loro interazione con altre
superfici che ne governano l’ordine e la morfologia.
I materiali vengono progettati in vista di applicazioni in dispositivi
quali celle solari, LED, transistors, sensori, ecc.
• Materiali fotocromici per applicazioni in optoelettronica
ed in astrofisica
I materiali che danno luogo a processi fotocromici irreversibili termicamente risultano essere particolarmente interessanti dal punto
di vista tecnologico per le possibili applicazioni in optoelettronica,
in particolare come memorie ottiche, guide d’onda e photoswitch
molecolari.
• Materiali molecolari per ottica non lineare
Per poter realizzare dispositivi ottici ed elettro-ottici è necessario,
ancora oggi, studiare nuovi sistemi molecolari con elevata risposta
ottica non lineare (NLO). Una elevata polarizzabilità molecolare, e
quindi una risposta NLO potenzialmente molto alta, può essere ottenuta depositando i sistemi molecolari in esame su superfici metalliche opportunamente nanostrutturate.
• Studio di materiali nanostrutturati di carbonio: caratterizzazione
spettroscopica e sviluppo di modelli
Questo filone di ricerca, in collaborazione con il progetto 5, ha come interesse lo studio di nuovi materiali carbonacei, con particolare attenzione: a) ai materiali contenenti nano-domini di tipo grafitico b) a materiali formati da nano-oggetti (in particolare nanotubi
di carbonio) organizzati in diverse architetture sovramolecolari.
Progetto 4 - Nanostrutture epitassiali a base silicio per
elettronica e fotonica
Da circa un anno è diventato operativo presso il Polo di Como del
Politecnico di Milano il centro di ricerca interuniversitario L-NESS
(Laboratorio per le Nanostrutture Epitassiali su Silicio e Spintronica). L’attività di ricerca del laboratorio di fisica dei semiconduttori
di L-NESS è incentrata sulla crescita e caratterizzazione di film sottili, in particolare eterostrutture e nanostrutture integrate su substrati di silicio ed utilizzabili per dispostivi microelettronici ed optoelettronici. Lo sviluppo di tali dispositivi avviene anche grazie a
collaborazioni con partner industriali. I settori di interesse sono: a)
fabbricazione di substrati di silicio-germanio (SiGe) cresciuti su silicio (Si). Tali substrati sono alla base dello sviluppo di dispositivi con
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elettroni o lacune ad alta mobilità ottenuti comprimendo o estendendo opportunamente il parametro reticolare delle regioni del dispositivo nelle quali avviene la conduzione. Un ulteriore ambito di
applicazione dei substrati di SiGe è costituito dalla possibile integrazione su silicio di dispositivi optoelettronici basati su arseniuro
di gallio (GaAs); b) deposizione di silicio nanocristallino su substrati
amorfi per applicazioni fotovoltaiche. La fabbricazoine di dispositivi per l’optoelettronica avverrà combinando il processo LEPECVD
per la crescita dei substrati di SiGe con la deposizione da fasci molecolari (MBE-Molecular Beam Epitaxy) per la crescita di film di
GaAs. L’obiettivo è la fabbricazione di celle fotovoltaiche, fotodiodi
e, possibilmente, laser integrati su silicio.
Progetto 5 - Superfici funzionali di carbonio, metalli ed
ossidi di metalli di transizione nanostrutturate
• Superfici nanostrutturate a base di carbonio.
Film nanostrutturati di carbonio si sono rivelati interessanti, oltre che
per studi di base riguardanti la possibilità di controllare, attraverso la
produzione di precursori (cluster) con diversa taglia ed energia, le
proprietà elettroniche, chimiche e strutturali del materiale deposto,
anche per applicazioni nel campo dei supercapacitori, della produzione di idrogeno e della produzione di energia (fuel cells). Verrano
realizzati nanocompositi, ad es. contenenti cluster metallici, mediante deposizione per ablazione laser (PLD, pulsed laser deposition), e
mediante tecniche di co-deposizione (Cluster Beam Deposition CBD
e PLD). Una tipica applicazione: celle a combustibile (in collaborazione con l’Università degli Studi di Milano-CIMAINA)
• Sensori di gas e superfici per genomica funzionale .
Superfici di ossidi metallici, ed in particolare di metalli di transizione (TiO2, WO3, MoO, SnO2, Fe2O3 ecc.), sono particolarmente
interessanti per applicazioni nel campo della sensoristica di gas. In
presenza di un gas infatti la conducibilità elettrica superficiale viene modificata in modo caratteristico, a causa della variazione dello
strato di ossigeno adsorbito. Un esempio particolarmente rilevante
è quello dell’ossido di titanio che, grazie alla sua biocompatibilità e
alle proprietà antibatteriche sotto illuminazione UV, trova applicazione anche in biologia e in genomica. Matrici di superfici per genomica funzionale verranno sviluppate in collaborazione con l’Università degli Studi di Milano-CIMAINA, l’Istituto Oncologico Europeo e l’IRST di Trento.
• Superfici nanostrutturate per la catalisi ambientale.
Tale linea di ricerca verrà realizzata in stretta collaborazione con il
Progetto 1 (Coatings nanostrutturati per la catalisi ambientali), di
cui costituisce parte complementare e integrante. I sistemi studiati
sono: Pd disperso su allumina di transizione e zirconia per combustione catalitica in turbine a gas; Pt o Rh dispersi su gamma-allumina ad alta area superficiale addizionati con Ba o K per catalizzatori
ad accumulo/riduzione di NOx per motori a combustione magra;
Rh disperso su alfa-allumina e zirconia per ossidazione catalitica
parziale di idrocarburi per produzione di H2.
CONTATTI
Prof. Carlo E. Bottani Chairman of the Centre of Excellence
NEMAS - Nano Engineered MAterials and Surfaces Politecnico di Milano
Via Ponzio, 34/3 20133 - Milano (Italy) tel: + 39 02 2399 6352
fax: + 39 02 2399 6309 e.mail: [email protected]
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Synthesis of Dense Nanometric
MoSi2 by Spark Plasma
Sintering
R.Orrù1,2, G.Cao1,* and Z.A. Munir2
1Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali, Università di Cagliari, Centro
Studi sulle Reazioni Autopropaganti (CESRA) e Unità di Ricerca del Consorzio
INteruniversitario Nazionale di Scienze e Tecnologie dei Materiali
2 Facility for Advanced Combustion Synthesis, Department of Chemical
Engineering and Materials Science, University of California
*Corresponding Author
I. Introduction
The synthesis of molybdenum disilicide has been accomplished by
a variety of methods, including arc melting, combustion synthesis
(SHS), and mechanical alloying. The product of mechanical alloying is typically an agglomerated powder while that of the SHS
process is usually a porous solid. In a more recent study Gras, et al.
[1] combined these two approaches by milling powders of Mo and
Si and then reacting them by the SHS method. They reported the
product to be nanometric a-MoSi2. However, the synthesized silicide was highly porous, as is the case in the majority of materials
prepared by this method. Obviously in many cases the practical
advantages of nanomaterials can only be realized when highly
dense products can be made. The process of making dense nanomaterials, however, is not simple, as will be discussed subsequently. It has been suggested that the scarcity of adequate mechanical
properties on nanomaterials is the consequence of the difficulty of
preparing high-density samples [2]. The feasibility of a new approach for the simultaneous synthesis and densification of nanomaterials has been recently demonstrated [3-5]. In this paper we
report the results of an investigation on the synthesis of dense nanometric MoSi2.
By far the majority of investigations on the synthesis of this silicide
were those focused on the effect of milling on the formation of a
nanometric product. In these investigations, two types of mills were employed: SPEX and planetary mills. Using the former type,
Schwarz, et al. [6] reported the formation of MoSi2 after 20 h of
milling under an unspecified condition of charge ratio (CR) i.e.,
ball/powder mass ratio. But even after this time, unreacted Mo
was still observed. From X-ray analyses on the product, they calculated a crystallite size for MoSi2 of 10-15 nm. Subsequent hotpressing of this material resulted in 97% dense bodies but the
densification process was accompanied by a very large grain
growth. The grain size increased by more than three orders of magnitude after 20-30 min at 1500°C. Using a similar experimental
approach, Ma, et al. [7] reported the near complete formation of
the low temperature (a) form of the silicide after 3 h of milling with
CR=5. The product, however, had a large particle size, in the range
of one to few hundred micrometers. These authors reported that
the formation of a-MoSi2 is abrupt and concluded that the process
is a self-sustaining combustion. Similar conclusions were made by
Patankar, et al. [8] on the basis of the abrupt dependence of the
formation of the silicide phase on time. Product formation (under
CR = 10) occurred within a time increment of about one minute
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after milling for 3.22 h (193 min). The crystallite size of the product
was reported to be 300 nm. But in a more recent investigation
using the same technique, the formation of MoSi2 was not detected until after 20 h of milling. Even then, unreacted Mo was still
present and persisted after 40 h of milling time [9].
The published results of the planetary milling investigations are also varied with regards to the formation of the product. Fei, et al.
[10], using a relatively high CR of 15, reported that the complete
formation of the silicide is not achieved until after 210 h of milling.
Continued milling for 300 h resulted in a product with a crystallite
size of 43 nm. The need for longer times to form MoSi2 in a planetary mill was also confirmed in another study in which no product
formed after 40 h of milling with CR = 5 [11]. In contrast, Bokhonov, et al. reported the formation of a-MoSi2 after 6 min of milling
[12]. In their work, however, the charge ratio was significantly higher (CR= 20) than in the other cases.
In all of the above examples the products are either agglomerated
powders or, in the case of the SHS study [1], porous bodies. Except
for the case of thin film formation by CVD or PVD, the preparation
of dense nanomaterial requires an additional step. Consolidation
of nanopowders to produce dense bodies for further property characterization has been accomplished with several techniques including sintering, hot-pressing, and spark plasma (or pulsed electric
current) sintering (SPS) [13-18]. The major concern in all of these
methods of consolidation is grain growth. In view of the non-equilibrium state of the nanomaterials and the fact that consolidation
takes place at high temperatures and requires relatively long holding times, grain growth (Oswald ripening) is anticipated. In the cited study of Schwarz, et al. [6], the grain size increased from a range of 10-15 nm to 3-10 µm during the 20-30 min densification by
hot-pressing with 12 MPa at 1500°C. As was pointed out above,
the relatively limited number of experimental data on mechanical
and plastic properties on nanomaterials has been attributed to the
difficulty of synthesizing dense bodies [2].
Thus the preparation of dense nanomaterials has until recently
been a two-step process involving the sequential synthesis and
consolidation. A few years ago, a process was developed to simultaneously synthesize and densify materials using electric field activation [19,20]. More recently, this approach was extended to the
synthesis of dense nanomaterials [3-5]. In the present investigation
the simultaneous synthesis and densification of MoSi2 using mechanically activated elemental reactants was studied.
II. Experimental Materials and Methods
The starting powders used were commercially available Mo (Alfa
Aesar, 3-7 µm, 99.95% purity) and Si (Alfa Aesar, -325 mesh,
99.5% purity). Elemental powders were milled either separately or
together (co-milled) in a stoichiometric ratio corresponding to MoSi2. Ball-milling experiments were conducted in a planetary ball
mill (Fritsch model Pulverisette 5) using zirconia vials and 50 zirconia balls (10 mm in diameter). In order to minimize oxidation, all
powder handling and loading was performed inside a glove box
which had been evacuated and back-filled with argon gas. The
vials were then sealed and transferred to the ball mill. Milling runs
included repeated cycles of 1 h milling followed by 1 h cooling. After each run, the powders were removed and the vials and balls
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were cleaned using a slurry of silica and methanol in order to remove all residual powders of the previous milling experiment. The
range of the charge ratio, CR (ball to powder mass ratio) investigated was 7-21. A ball milling rotation speed, R, of 250 rpm was generally used but the effect of a further increase of the rotation
speed (300 rpm) was also investigated.
Phase identification and crystallite size evolution during the milling
process were obtained using a Scintag XDS 2000 X-ray diffractometer with CuKα radiation (λ=1.5405 Å). No Ni filter was used in
order to minimize the reduction in peak intensity. Minor peaks were also detected from CuKβ (λ=1.3322 Å) and WLα (λ=1.4763 Å)
radiation. Crystallite size was determined using the WilliamsonHall method from the line broadening of X-ray diffraction peaks.
The experimental facility employed to simultaneously react and
consolidate the milled powders was the Spark Plasma Sintering
(SPS) System (Model SPS-1050, Sumitomo Mining Company, Ltd.,
Kawasaki, Japan). This apparatus combines a 100 kN uniaxial press
with a 15 V, 5000 A DC power supply to provide a pulsed current
through the sample and the die that contains it. The pulse cycle is
12 ms on and 2 ms off. Other than providing rapid Joule heating,
the imposed pulsed high current is reported to generate a plasma
within the voids surrounding the powder particles. It is also likely
that the presence of the current enhances mass transport through
electromigration.
Tipically, 7g of powder mixture was placed in a graphite die (internal diameter = 19 mm) which was lined with graphite foil. However, no foil was used between the sample and the graphite plungers. The die was then placed inside the reaction chamber of the
SPS apparatus and the system was evacuated. This step was followed by the application of 18 kN load through the plungers, which corresponds to a pressure of 63.5 MPa.
The experiment is initiated with the application of a previously set
constant value of the electric power setting which is directly proportional to the maximum current of 5000 A. The electric power
range investigated is 17-25%Pmax (nominally a current range of
850-1250 A). The temperature of the external surface of the
graphite die was measured by a pyrometer. Voltage, current, load,
sample displacement, and displacement rate were measured in
real time during synthesis. Although some consolidation takes place immediately after the application of the load, the most significant and typically rapid volume change accompanies the onset of
the reaction. Therefore sample displacement constitutes an important indication of the onset of the reaction between Mo and Si. Typically, the power was turned off as soon as the rapid displacement occurred.
After the reaction, the sample was allowed to cool before it was
removed from the die. The relative density of the product was determined by geometrical measurements and by the Archimedes
method. Phase identification and crystallite size analysis of the
consolidated samples were made using XRD analyses.
III. Results
The one-step synthesis and consolidation of molybdenum silicide
was investigated through mechanical and electric field activation.
The effect of the parameters of mechanical activation (ball-milling)
and field activation (SPS conditions) on the synthesis reaction and
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product crystallite size was studied. Molybdenum and silicon were
milled separately or together (co-milled) in a 1:2 atomic ratio.
The effect of charge ratio (ball to powder mass ratio), milling time,
and rotational speed on crystallite size was investigated for both
cases. In addition the formation of new phases was monitored in
the case of co-milled powders.
Crystallite size decreased with an increase in all of the above-mentioned parameter, but in the ranges of the variables (milling time =
0-12 h, CR =7-21, R =250-300 rpm), the charge ratio had the most significant impact. When milled separately, the minimum molybdenum crystal size obtained in the range investigated is about 20
nm (cf. Figure 1). On the other hand, the milling of silicon resulted
in XRD peaks indicative of amorphous phase formation. For the case of co-milling, the milling parameters under which product phase formation occurs were identified (cf. Figure 2). Both the low
temperature, tetragonal phase α-MoSi2 and the high temperature, hexagonal phase β-MoSi2 formed during milling. The minimum
crystallite size for Mo before products formation during milling is
about 125 nm and was obtained under the conditions of R = 250
rpm, t = 3 h, and CR = 14. Si XRD peaks almost disappeared before product formation during the milling of the powders.
Mechanical activation played a major role in the subsequent
synthesis by electric field activation. Unmilled powders did not
react in the SPS at power levels of 17 and 20%. At higher power
level, the unmilled powders react to form a-MoSi2 with a trace of
Mo5Si3. However, milled powders showed, expectedly, a much
higher reactivity. Powders co-milled at R= 250 rpm, t = 3 h, and
CR = 14 reacted after only 2 seconds under a power of 17%. The
product was a-MoSi2 whose crystallite size was about 1-2 µm. Traces of Mo5Si3 were also detected. Separately milled powders (Mo:
R= 250 rpm, t = 8 h, and CR = 21 and Si: R =250 rpm, t = 12 h,
and CR = 21) did not react until after 2 min under the same electric
power conditions. Phase identification and crystallite size analyses
gave results similar to those obtained in the case of co-milled powders in which no product was formed during milling.
The formation of a product phase during milling was found to have a marked effect on the reaction and on the crystallite size of the
product. Powders which were co-milled at R = 250 rpm, CR = 14,
and t = 7 h (i.e., contained a product phase) reacted under a 17%
power to produce nanocrystalline (125-140 nm) MoSi2 (cf. Figure
3). The relative density of the product is 94.8%. The results show
that both a and b-MoSi2 form during milling but that only the a
modification forms during the SPS reaction. Under these conditions, however, the reaction in the SPS is not complete, with evidence of Mo in the product. Increasing the milling time (with the
concomitant increase in product formation) results in higher
amounts of unreacted Mo in the product after SPS. These results
correlate with displacement observations during the SPS process.
No crystallite size analysis could be made on the MoSi2 produced
in the SPS because of overlap in the peaks with the unreacted Mo.
Furthermore, an increase of the applied electric power leads to an
increase in the conversion to the product.
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19. Z. A. Munir, I. J. Shon, and K. Yamazaki, “Simultaneous Synthesis and
Densification by Field-Activated Combustion,” US Patent No.
5,794,113, August 11, 1998.
20. I. J. Shon, Z. A. Munir, K. Yamazaki, and K. Shoda, “Simultaneous
Synthesis and Densification of MoSi2 by Field Activated Combustion,”
J. Amer. Ceram. Soc., 79: 1875-1880 (1996).
Figure 3. XRD patterns of the starting mixture (a) and of the SPS final product
(b) for Mo+2Si powders co-milled under the conditions of R = 250 rpm; t = 7 h;
CR = 14; and P=17% Pmax.
Figure 1. Dependence of Mo crystallite size on milling time at different charge
ratios (R = 250 rpm).
Figure 2. Effect of milling time and charge ratio on product formation (R = 250
rpm).
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CONTACT
R.Orrù1,2, G.Cao1,* and Z.A. Munir2
1Dipartimento di Ingegneria Chimica e Materiali, Università di Cagliari, Centro
Studi sulle Reazioni Autopropaganti (CESRA) e Unità di Ricerca del Consorzio
INteruniversitario Nazionale di Scienze e Tecnologie dei Materiali, Piazza
d’Armi, 09123 Cagliari, Italy
2 Facility for Advanced Combustion Synthesis, Department of Chemical
Engineering and Materials Science, University of California, Davis, CA 95616,
USA
*Corresponding Author
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Notizie Nanotec IT
Conferenza Internazionale: “Present situation and
Forecasts of Nanotechnology in: Materials, Health
and Medical Systems, Energy”
Conferenza Internazionale: “Nanotechnology and
Smart Materials for Medical Applications: from
Medical Diagnostics to Therapy”
Progetto NRM
Co-ordinator
• AIRI/Nanotec IT
Partners
• Institute of Nanotechnology (UK)
• MATIMOP (IL)
• Technology Centre (CZ)
• VDI/VDE-IT (DE)
• VTT (FI)
• W&W (ES)
• Yole Dèveloppement (FR)
SCIENTIFIC COMMITTEE
Dr. Joost D. De Bruijn Progentix BV, Netherland
Dr. Richard Moore Eucomed, UK
Dr. Ichiro Nakatomi NanoCarrier,JP
Prof. Roberto Cingolani INFM (CNR), Lecce Univ., IT
Prof. Dr. Frank F. Bier Fraunhofer IBMT, DE
Il Progetto Nanoroadmap (NRM), http://www.nanoroadmap.it,
finanziato dalla Commissione Europea nell’ambito del VI Programma Quadro (Thematic Priority 3) ha come obiettivo principale quello di produrre una previsione a lungo termine (10 anni) circa l’applicazione delle nanotecnologie in tre settori fondamentali (Materiali, Salute, Energia). Le road maps così preparate potranno essere
di aiuto a quanti in Europa (organizzazioni di ricerca, agenzie governative, imprese, pianificatori, ecc.) sono interessati alle nanotecnologie per ottimizzare e meglio indirizzare gli sforzi in questo
campo negli anni a venire.
La Conferenza Internazionale: “Present situation and Forecasts of
Nanotechnology in: Materials, Health and Medical Systems,
Energy”, che si terrà a Roma, il 4 e 5 Novembre 2004, marca la
conclusione della prima fase del Progetto, che ha preso avvio a
gennaio 2004. Obiettivo della Conferenza, organizzata da Nanotec IT / AIRI, è quello illustrare quanto accade al momento a livello
mondiale nel campo delle nanotecnologie con riferimento ai tre
settori di applicazione suddetti e le previsioni attuali circa l’evoluzione futura.
Noti esperti, provenienti sia del mondo della ricerca che da quello
dell’industria, parteciperanno alla Conferenza per presentare le loro
attività e le loro previsioni e dalla discussione, alla quale sarà dato
ampio spazio, ci si attendono utili indicazioni per la preparazione
delle road map. Una sessione poster offrirà ulteriori opportunità per
conoscere recenti sviluppi e applicazioni ed arricchire il dibattito.
Informazioni dettagliate sono disponibili sul sito web
http://www.nanoroadmap.it/events/first_conference/about.htm.
STEERING COMMITTEE
Dr. sa Myriam Alcalay European Istitute of Oncology
Dr. Enrico Alessi STMicroelectronics
Dr. Gaetano Brambilla Farmindustria
Dr. Paolo Del Giudice Istituto Superiore di Sanità
Dr. Giovanni Gaviraghi SIENA BIOTECH
Dr. Marco Mattiuzzi BRACCO
Dr. sa Monica Pighini TECHNOBIOCHIP
Dr. Gian Michele Ratto CNR – Institute of Neurosciences
Dr. Claudio Semeraro Z.CUBE (Zambon Group)
Ing. Franco Vallana SORIN
Uno dei settori in cui le nanotecnologie promettono di avere un
impatto decisivo e nel quale le attività di ricerca sono più intense, è
quello delle applicazioni in campo biomedicale.
Considerata l’importanza e l’interesse del settore, Nanotec IT ha
deciso di organizzare, congiuntamente alla Inglese IoN (Institute of
Nanotechnology), che nel dicembre 2003 aveva organizzato con
successo a Edinburgo un evento Nanoforum sull’argomento (“Nanotechnology and Smart Materials for Medical Devices”), una
Conferenza Internazionale con l’intento di ribadire le potenzialità
delle nanotecnologie nel campo della cura della salute umana.
La Conferenza, che si svolgerà a Roma, presso il Centro Congressi Frentani, il 29 e 30 Novembre 2004, è “application oriented” ed accanto ai risultati più recenti della ricerca, intende mettere in evidenza le applicazioni più vicini all’applicazione pratica.
Lo spettro degli argomenti che saranno trattati è ampio. In particolare:
• Nuove frontiere della diagnostica medica farmaci e terapie
• Impianti/protesi, “tissue engineering”
• L’impatto delle nanotecnologie sulla cura della salute e la pratica medica (tavola rotonda)
Nomi di primo piano impegnati nella ricerca del campo delle nanotecnologie applicate alla medicina presenteranno i risultati della
loro attività Tra essi citiamo:
• Holger BECKER (Microfluidic Chip Shop – Jena, Germany)
• Fabio BELTRAM (NEST - Pisa, Italy)
• Frank F. BIER (Frauhofer Institute-IBMT, Germany)
• Andrew CAMPITELLI (StateDevPolicy/Advanced Health
• Technologies, Australia)
• Gianfranco GILARDI (University of Torino/Imperial College, UK)
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Mauro FERRARI (Ohio State Univ., USA)*
James GIMZEWSKI (UCLA, USA)
Harry HEINZELMANN (Centre Suisse d’Electronic and Microtechnique, Switzerland)
Mauro MAGNANI (Università Urbino, Italy)
Richard MOORE (Eucomed, Belgium)
Ichiro NAKATOMI (NanoCarrier, Japan)
Alfred NORDMANN (Germany)
Mathis RIEHLE (Glasgow University, UK)
Il programma e maggiori informazioni sono disponibili sul sito web
del convegno: http://www.nanotec.it/nanomedicine/index.htm
Nuovi iscritti Nanotec IT
Con l’iscrizione a Nanotec IT della Brembo S.p.A., società leader
nella progettazione, produzione e commercializzazione di sistemi
frenanti per autovetture, e dell’ITC-irst (Trento), centro di ricerca
pubblico della Provincia Autonoma di Trento, attivo nelle aree di ricerca delle tecnologie dell’informazione, dei microsistemi e della
fisica chimica delle superfici e delle interfacce, la lista degli iscritti è
salita a 20 e vanta la presenza della maggioranza delle istituzioni
Nazionali, sia pubbliche che private, attive nel campo delle nanotecnologie.
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A.P.E. Research
BREMBO
CNR - I.E.I.I.T. (Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle telecomunicazioni)
CNR -IFN (Istituto di Fotonica e Nanotecnologie)
CNR - INFM (Istituto Nazionale per la Fisica della Materia)
CNR - ISTM (Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari)
CNR - ISMN (Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati)
CRF - Centro Ricerche FIAT
CSM - Centro Sviluppo Materiali
INSTM (Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e
Tecnologia dei Materiali)
ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente) Dipartimento Materiali e Nuove Tecnologie
EniTecnologie
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
ITC-irst / Centro per la ricerca scientifica e tecnologica
Pirelli Labs
Saes Getters
Scuola Superiore Sant’Anna - CRIM (Centro di Ricerche in Microingegneria)
Servitec
STMicroelectronics
Veneto Nanotech
La presenza di nuovi iscritti fornisce un ulteriore concreto ed importante contributo alle attività del Centro Italiano delle Nanotecnologie volta a promuovere l’impegno della R&S nazionale nel settore nanotech e favorire la collaborazione tra università e industrie.
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L’adesione a Nanotec IT è aperta a chiunque sia impegnato nel settore delle nanotecnologie o pensi di occuparsene nel prossimo futuro, oppure voglia semplicemente essere informato sulle loro potenzialità ed i loro sviluppi. Informazioni o modalità per iscriversi
sono disponibili sul sito http://www.nanotec.it/ o scrivendo a
[email protected].
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Industria & Nanotecnologie
Scanning Probe Microscope – La chiave per il
nanomondo: due star-ups a confronto
Il crescente interesse industriale verso le nanotecnologie ha reso lo
Scanning Probe Microscope (SPM) uno strumento indispensabile
per le attività di ricerca e sviluppo in questo innovativo settore. A livello mondiale il mercato globale dell’SPM è sostanzialmente suddiviso tra la Veeco statunitense (circa il 50% del mercato ) e la
Seiko giapponese, creando una situazione di sostanziale monopolio che lascia poco spazio a nuove attività ed alle PMI. Proprio in
questo ambiente particolarmente difficile è riuscita ad emergere la
venture company coreana PSIA, la quale ha fatto propria una nicchia del mercato dello sviluppo industriale di SPMs per la realizzazione di semiconduttori e LCD.
Il Dr. Sang-Il Park, CEO della PSIA, dopo il successo ottenuto con la
PSI nella Silicon Valley, tornò in Corea dove, nel 1997, creò appunto la PSIA. Dopo oltre quattro anni spesi in attività di ricerca e sviluppo, con un importante supporto da parte del Governo e di venture capitals, ha lanciato sul mercato la serie XE di SPMs, grazie alla quale la PSIA è diventata una multinazionale con punti di distribuzione in Asia, Europa e USA.
La storia di PSIA rappresenta un interessante esempio della nascita
di una piccola media impresa in un settore “difficile” come quello
delle nanotecnologie e per questa ragione è stato deciso di riportare la relazione presentata al First International Nanotechnology Business Plan Contest, nano tech 2003 + Future per illustrare l’esperienza. A titolo di confronto è riportata anche l’esperienza di una PMI Italiana, Ape Research, che ben illustra il problema del trasferimento tecnologico nel nostro Paese dove non altrettanto favorevole é il supporto pubblico o la presenza del “venture
capital” per la nascita di uno start-up o di uno spin-off.
Il caso PSIA
Scanning Probe Microscope (SPM) can image atomic scale features
on surfaces with unprecedented spatial resolution. Not only can
SPM provide topographic images with quantitative data, but also
measure various electrical and mechanical properties of samples in
nanometer scale. Since its invention in 1980s, SPM has made a
profound contribution in many areas of research and opened the
Nano Technology (NT) era.
It was around 1990 when commercial SPMs were introduced by 3
major SPM companies – Digital Instruments (DI), Park Scientific Instruments (PSI), and TopoMetrix (TM), all US corporations based in
California. Since then, the SPM market has grown substantially to
about $200 million per year. In order to enter this growing market,
Veeco Instruments acquired DI in 1998. Veeco also acquired the
merged company of PSI and TM in 2001 to boost their SPM business. However, as the SPM industry became monopolized, the
buyers became unhappy and currently there exists a strong demand for a second source of high quality SPM in the market.
PSIA Corp. was founded in 1997 with a strategic alliance with PSI
by Dr. Sang-il Park, the founder of PSI as well. The mission of PSIA
was to market PSI products in Asia and to develop advanced SPMs,
which would be jointly marketed with PSI. However, due to the
M&As of the 3 major companies, the relationship between PSIA
and PSI became weaker, and finally, terminated in January 2002 as
the Veeco acquired all 3 SPM companies.
During the last 5 years, PSIA has raised funds, gathered talented
engineers, and developed a new generation SPM, besides marketing PSI products. Unlike most other Korean companies, PSIA kept
horizontal relationship among the employees and provided free atmosphere with self-regulations as in some Silicon Valley companies. PSIA also provided a pleasant and spacious work environment. The engineering team at PSIA has many brilliant star players,
while Dr. Park was able to direct them to build an advanced SPM
efficiently. As a result, PSIA was able to develop and introduce a
new generation SPM, the XE-100 in 2002.
Though, like most other venture business, it was not easy and
smooth cruise all the way due to the harsh business environment
in Korea and excessive government regulations.
Dr. Park had the advantage of a newcomer. Since he was from the
US with the track record as a professional businessman, he could
pretend not to know such business practice in Korea. Consequently, he faced some difficulties with uncooperative public officials
and buyers in large companies. Certainly it was risky, but Dr. Park
thought it was worthy to take such risk in order to make PSIA a role model of high tech venture business with world-class reputation.
The foreign currency crisis that Korea endured at the end of 1997
was somehow fortunate for PSIA. In order to overcome the crisis,
Korean government had to boost the economy by improving the
business environment and encouraging new venture business
start-ups. As the Korean government poured great effort into deregulation, the attitude of public officials started to change.
The second wave that PSIA faced was the bubble of venture business during 1999-2000. Due to the encouragement and support
from the government, combined with the NASDAQ rally, numerous venture businesses started up and a large amount of capital
was invested in the venture. Such bubble shook the engineers at
PSIA. When they saw their friends in other companies making a
fortune, their morale was down and some of them left. Unlike some IT business, PSIA could not be expected to make an explosive
growth by its business nature. Furthermore, PSIA was still in the
R&D phase with the annual revenue of about one million dollars
only. “We should have been in IT business, imagining a big picture,
rather than trying to image small things” some engineers complained.
It was about one year later when the bubble of IT industry settled
down and the importance of NT started to rise in Korea. From the
year 2002, Korean government allocated a large amount of R&D
grant budget for NT research. The SPM market in Korea expanded
rapidly and so did the revenue of PSIA with the timely introduction
of XE-100. It was a significant achievement to sell 40 systems in
the first year of introduction. More importantly, PSIA had the opportunity to thoroughly field-test its products before exporting to
foreign countries.
As the new product is well received in domestic market, PSIA started to set up its foreign sales network. It was possible to gather capable salesmen who were in the SPM business before but were left
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out due to the merger of the 3 major SPM companies. So far, PSIA
has established its distributors in the US, Japan, China, Taiwan,
Singapore, UK, Germany, Italy, Benelux and Scandinavia, etc...
New distributors in Europe are under negotiation. Psia has grown
50% in 2003, and it’s expect to grow 50% again in 2004.
The strategy of PSIA is ‘providing the best quality SPM at mid price’. This is possible since PSIA has a strong engineering team and
know-how in developing commercial SPM. There are high quality
machine shops and electronics shops in Korea. Besides, the R&D
and manufacturing cost is much lower than in the US and Japan.
On-line purchasing through the Internet removed the earlier difficulties in purchasing hard-to-find parts and items in Korea.
PSIA out-sources most of its manufacturing. The outside suppliers
not only manufacture individual parts but also assemble them to a
certain level and perform basic tests. At PSIA factory, final assembly and system level testing are performed. There are only 4 people
in the manufacturing department, but they can produce up to 5
systems every week.
PSIA is currently undertaking 2 government funded R&D projects.
The first one is the ‘Nanoscale Metrology and Analysis Laboratory’
project through the National Research Laboratory (NRL) program.
The second one is the ‘New Functional SPM’ project through the
National Nanotechnology Initiative program. Both projects are 5year programs with around $300k/year budget each, where the
government R&D grant is about 70% of this budget.
Contact
Sang-il Park ([email protected]), PSIA Corp. http://www.psia.co.kr
Il caso APE RESEARCH
La strada che alcuni dei paesi cosiddetti “emergenti”, stanno seguendo nella valorizzazione delle loro start-up high tech, è probabilmente poco percorribile nel nostro continente.
Anche in Europa ci sono imprese che negli ultimi 5-10 anni sono
riuscite a ritagliarsi uno loro spazio in questo settore, seguendo
però strategie imprenditoriali che si sono dovute confrontare con
condizioni “al contorno” completamente diverse.
In Italia, una tra le prime start-up a tentare la strada delle nanotecnologie è stata A.P.E. Research s.r.l., che fin dall’inizio ha focalizzato la sua attività nello sviluppo e nella realizzazione di microscopi a
sonda (SPM).
La società nasce nel 1996 a Trieste e si stabilisce in AREA Science
Park, a fianco di centri di ricerca e laboratori come ELETTRA e il TASC-INFM. L'idea imprenditoriale dei 5 laureati in fisica delle superfici che hanno dato vita all'iniziativa era quella di sfruttare il knowhow altamente specialistico maturato negli anni precedenti con la
loro esperienza di ricerca in Italia e all’estero, per creare una impresa di strumentazione scientifica, tipologia di azienda quasi inesistente in Italia, soprattutto in quel settore.
I capitali a disposizione però erano solamente quelli accumulati
singolarmente dai soci, sufficienti per fondare una SRL, ma inadeguati per mettere in piedi un’attività di questo tipo. Fortunatamente, tra i primi a credere in questa iniziativa è stata l'AREA Science
Park stessa, che ha concesso un prestito agevolato di poco più di
100 mila euro.
Con a disposizione cifre di quest’ordine di grandezza, gli inizi furono difficili e si concentrarono nella realizzazione di prodotti svilup56
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pati su commessa, con l’obiettivo di soddisfare le esigenze di clienti che non trovavano riscontro nei prodotti disponibili sul mercato.
La necessità di effettuare sviluppo di strumentazione senza però
avere a disposizione i capitali necessari per allestire i laboratori di
elettronica, informatica e meccanica, portò la società a cercare la
collaborazione con gli stessi clienti che commissionavano gli strumenti, a fronte di condizioni economiche vantaggiose.
Esemplificativo di questo tipo di collaborazione, è stato lo sviluppo
del primo Microscopio a campo prossimo (SNOM) commerciale italiano, messo sul mercato nel 1999.
In questo caso l’allora INFM aveva proposto di trasferire ad APE Research il know-how e fornire tutta la collaborazione necessaria affinché la ditta sviluppasse ed ingegnerizzasse lo strumento a partire da un prototipo realizzato nei suoi laboratori.
Come contropartita, alla società era richiesta la realizzazione di
due strumenti a prezzi altamente concorrenziali (meno della metà
del prezzo degli SNOM allora in commercio) per altre unità di ricerca dell’Istituto.
Con questo tipo di approccio, APE Research ha successivamente
portato avanti diversi altri progetti che hanno consentito la realizzazione di altrettanti strumenti.
Con questi presupposti, tuttavia, le collaborazioni stabilite, si sono
rivelate tanto soddisfacenti dal punto di vista qualitativo, quanto
altrettanto penalizzanti per due altre classi di ragioni.
Innanzitutto il cliente/collaboratore richiede un prezzo per lo strumento finito fortemente inferiore a quello di altri prodotti similari
esistenti sul mercato, a compensazione del ruolo svolto nello sviluppo dello strumento. E’ una richiesta assolutamente legittima da
parte del cliente, che comporta delle difficoltà nel gestire l' attività
imprenditoriale vera e propria, perché si impedisce in questo modo
all’azienda di auto-finanziare, con un adeguato profitto, ulteriori
investimenti nell’attività. Inoltre, visto che spesso nell'attività di sviluppo gli inconvenienti e gli imprevisti sono all'ordine del giorno,
lavorare con margini risicati espone l’azienda ad ulteriori difficoltà
e rischi se l'attività non viene completata nei tempi previsti.
Un secondo prezzo da pagare è legato al ritardo che spesso si crea
tra il momento in cui viene proposto o definito lo sviluppo di uno
strumento e quello in cui questo può realmente iniziare. Infatti,
poiché i fondi necessari per queste attività sono legati spesso all’approvazione di finanziamenti da parte dello Stato (FIRB, FISR) o
della CE (programmi quadro), si devono mettere in conto ritardi di
molti mesi.
Tutto questo si traduce quindi nella difficoltà di pianificare le attività di sviluppo e nell’attuare in ritardo idee imprenditoriali valide al
momento in cui vengono ideate ma che lo sono di meno quando
possono essere realizzate.
Lavorare in queste condizioni, in un mercato di nicchia, in cui i
competitors sono del calibro di VEECO Instruments, e in cui è necessario avere sempre strumenti ‘up-to-date’ rispetto alle più recenti tecnologie, non è facile.
Per questo motivo fin dalla sua costituzione, APE Research ha cercato il sostegno di Venture Capitals. Dopo i primi contatti informali, i risultati sono stati però deludenti, sia per la scarsità degli attori
in Italia, sia per le ridotte dimensioni dell’intervento allora richiesto
(qualche milione di euro) e quindi troppo poco remunerativo rispetto ai costi dell’operazione.
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Finalmente, nel 2003 APE Research ha raggiunto un accordo con
la finanziaria regionale del F.V.G., FRIULIA S.p.a., che è entrata nel
capitale sociale dell'impresa.
Ad oggi, se si eccettuano soggetti particolari come appunto FRIULIA, che ha funzioni di tipo istituzionali e che quindi opera con logiche di sviluppo territoriale non condizionate esclusivamente dal
ritorno a breve sul capitale investito, non sembrano esserci investitori in grado di sostenere le iniziative che, uscite dalla fase iniziale
di definizione e formazione dell'impresa, hanno bisogno di essere
seguite nella fase di sviluppo per crescere fino a diventare adulte.
Per quanto riguarda APE Research la situazione è oggi più rosea e
grazie all'ingresso del partner FRIULIA, la società comincia a prendere finalmente forma e ad aprirsi a quella competizione sul mercato internazionale che è il suo vero terreno di confronto. (Marco
Peloi)
Contact:
Marco Perloi ([email protected]); A.P.E. Research.
http://www.aperesearch.com/
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Seminari e convegni
XIV Congresso Nazionale di Catalisi GIC2004
Le Scienze Molecolari al Servizio dell’Uomo
Il XIV Congresso Nazionale del Gruppo di Catalisi – manifestazione
promossa dal Gruppo di Catalisi (GIC) e dalla Divisione di Chimica
Industriale della Società Chimica Italiana - si è svolto, seguendo la
normale cadenza biennale, a Lerici (6-10 giugno 2004), nell’incantevole scenario di Villa Marigola, costruzione ricca di storia e affacciata sul famoso Golfo dei Poeti.
Il convegno, articolato in conferenze plenarie, comunicazioni orali
e posters, si proponeva come momento di incontro e confronto
per tutti i ricercatori che operano in settori tecnico-scientifici in cui
sono presenti trasformazioni catalitiche. Le comunicazioni orali, in
sessioni parallele, sono state un centinaio e in poster – in due sessioni – circa novanta.
La manifestazione è stata di ottimo livello, confortata dalla presenza di circa 250 delegati (di cui circa il 10% di provenienza industriale), un numero ben superiore alle attese. Probabilmente in
questo si è rivelata vincente la formula delle tematiche con coordinatore, sperimentata per la prima volta.
Il GIC, nell’organizzare il congresso, ha proseguito nella strada di
coagulare i gruppi e le associazioni che a diverso titolo operano in
catalisi: nel caso specifico si è coinvolta la Società Italiana di Biocatalisi e Biosepararazioni, con cui saranno possibili altre iniziative,
come già avvenuto con AIZ (Associazioni Italiana Zeoliti) e AIM (Associazione Italiana Macromolecolare). La strategia è di stimolare
contatti tra componenti analoghe per favorire il trasferimento di
competenze o l’instaurarsi di nuove collaborazioni.
La comunità catalitica italiana si è confermata ancora una volta vivace e attiva, con forze giovani (circa un 35% dei partecipanti erano neolaureati, dottorandi e dottorati, la cui partecipazione è stata
facilitata dalle 50 borse distribuite) che possono assicurare il mantenimento di un buon livello sullo scenario europeo. Più controversa la partecipazione dell’industria che comunque riflette l’attuale
stato del settore, sostenuto principalmente da imprese medio-piccole o dedite a settori di nicchia.. Si è osservata una minor focalizzazione sulla petrolchimica a favore dei temi energetici - la grande
risonanza mondiale del “vettore idrogeno” ha trovato riscontro in
diversi lavori presentati – e una rilevante attenzione alle sintesi di
prodotti ad alto valore aggiunto, ottenuti tramite degradazione di
composti secondari dell’industria alimentare o farmaceutica. Le
biomassse in generale, in quanto materia prima rinnovabili, sono
oggetto di molto studi - spesso anche per l’applicazione in campo
energetico – studi che si inseriscono nel filone dello sviluppo sostenibile.
Interessanti alcuni spunti di valorizzazione delle potenzialità della
fotocatalisi e della combinazione di processi catalitici e separativi
(membrane catalitiche) nel settore ambientale, nonchè la sessione
dedicata allo sviluppo di catalizzatori per celle a combustibile.
Rinaldo Psaro ha presentato una comunicazione sul primo censimento nazionale sulle nanotecnologie compiuto da Nanotec It, a
seguito dell’intervento si è sviluppato un vivace dibattito su quale
sia la linea di demarcazione tra nanoscienze e natecnologie nello
specifico settore della catalisi.
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Di notevole pregio sono risultate le conferenze plenarie di cui si
tratteggiano i contenuti limitatamente a quelle pertinenti alle nanoscienze e alle nanotecnologie
• Michel Guisnet (Univerisità&CNRS di Poitiers, Francia): "Zeolite
catalysts in refining and petrochemical processes. Recent advances". M.Guisnet ha discusso alcuni dei processi catalitici
basati sull’utilizzo di catalizzatori zeolitici sviluppati negli ultimi
15-20 anni, enfatizzando il concetto di “pore mouth catalysis”
e di molecole di coke quali siti attivi di un processo catalitico.
• Marc J. Ledoux (Università&CNRS di Strasburgo, Francia): "Catalysis for and with carbon nanostructures". M.Ledoux ha discusso sintesi e applicazioni di nanofibre e nanotubi di carbonio, evidenziando che ora sono state sviluppate sintesi ad alta
resa. Fra le applicazioni citate si ricorda l’ossidazione di H2S a S
ed acqua. Come applicazione particolare, M.Ledoux ha proposto l’uso di nanotubi di carbonio come “reattori” per la cristallizzazione di nanozeoliti. Al momento le maggiori limitazioni
all’uso di questi materiali sono l’elevato costo e la ridotta capacità di produzione.
• Angelika Brückner (Institut für Angewandte Chemie, Berlin,
Germania): "Combining in situ techniques – a new dimension
in understanding catalyst function". Ha discusso l’importanza
delle tecniche in situ per lo studio di catalizzatori eterogenei in
condizioni reali (attivazione, reazione e disattivazione). Evidenziando potenzialità e limiti per ogni tecnica, ha enfatizzato
l’importanza di un approccio multi-tecniche per ottenere una
visione globale dei fenomeni. (Rinaldo Psaro)
Nanotecnologie ed educazione
http://www.festival.infm.it/it/festival2004/evento.php?id=M08
Le nanoscienze e le nanotecnologie, note fino a pochi anni fa
solamente ad una ristretta cerchia degli addetti ai lavori, stanno
cominciando a diffondersi presso un pubblico più vasto che,
incuriosito dal gran parlare che si fa di quella che si preannuncia
come la rivoluzione scientifica e tecnologica dei prossimi 10-20
anni, è alla ricerca di occasioni per ottenere maggiori informazioni.
L’argomento è affascinate, ma allo stesso tempo complesso e non
è sicuramente sufficiente l’attività divulgativa svolta dai soli mezzi
di comunicazione di massa che, per la loro natura, sono portati a
diffondere un informazione essenziale e di conseguenza
semplificata.
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Un tentativo di percorrere una strada diversa è stato fatto circa un
anno fa a Trieste, con l’iniziativa espositiva NanoTech Young, proposta come evento di preparazione alla conferenza internazionale
Euro NanoForum 2003.
In quell’occasione una cinquantina di ricercatori che lavorano nell’Università, nei laboratori degli Enti di Ricerca e delle imprese che
sono coinvolte nel settore delle nanotecnologie, hanno cercato di
raccontare il loro lavoro ad una platea di non specialisti, sforzandosi di utilizzare un linguaggio semplice e chiaro per presentare i
principi che sono alla base delle loro ricerca.
Il risultato di questo lavoro collettivo è stata la realizzazione di un
percorso scientifico e culturale che, attraverso i poster, gli exhibit
multimediali e l’esposizione di strumenti e prodotti nanotecnologici, ha portati i visitatori a percorrere un viaggio virtuale all’interno
dei laboratori di ricerca. La mostra era poi completata dalla presenza degli stessi ricercatori che si alternavano nel presentare la loro
attività di ricerca al pubblico. L’iniziativa, diretta principalmente
agli studenti delle scuole superiori del Friuli Venezia Giulia, ha avuto un discreto successo e nei dieci giorni di apertura è riuscita a
coinvolgere circa 800 studenti ed un numero imprecisato di altri visitatori.
La riuscita di questo primo evento ci ha spinto quindi a rielaborare
il materiale preparato per la mostra e, grazie al contributo del Laboratorio dell’Immaginario Scientifico, a preparare una vera e propria mostra multimediale itinerante, che abbiamo chiamato Nanomondi. La sua prima presentazione al pubblico avverrà al Festival
della Scienza di Genova che si terrà dal 28 ottobre al 8 novembre
prossimi.
Descrizione di Nanomondi
Uno tra gli obiettivi principali di questa iniziativa, oltre che diffondere la conoscenza di queste tematiche, è quello di far incontrare i
visitatori con i ricercatori che lavorano in questo settore. Per questo motivo, durante il periodo di apertura della mostra sono previste presentazioni pratico-laboratoriali tenute da giovani che, dopo
un’introduzione generale sulle nanotecnologie, racconteranno
con un linguaggio divulgativo gli specifici argomenti delle loro ricerche. A queste presentazioni potranno assistere, su prenotazione, scolaresche e gruppi organizzati.
Inoltre la scelta di privilegiare le relazioni di ricercatori che operano
nel territorio in cui viene presentato l’iniziativa, in questo caso abbiamo coinvolto ricercatori dell’Università di Genova, aumenta l’interesse del pubblico che può così essere messo a conoscenza anche della realtà scientifica locale.
L’iniziativa è completata da una sezione espositiva ed una multimediale e interattiva.
Nella prima, in forma di poster, verranno illustrati i principali argomenti, le principali tecniche di ricerca e gli strumenti scientifici impiegati in ambito nanotecnologico. La sezione presenterà inoltre
alcuni dei più interessanti tra i prodotti realizzati con tecniche di
fabbricazione derivate dalle nanotecnologie e già entrati in commercio.
Nella seconda sezione invece, si privilegerà l’aspetto interattivo,
sperimentale, ludico, artistico e spettacolare del tema pensando alla fruizione libera e autonoma da parte del pubblico. Faranno parte di questa sezione multivisioni proiettate su grandi schermi, co-
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stituite da immagini di oggetti naturali ed artificiali ottenute utilizzando varie tecniche di microscopia ad altissima risoluzione, affiancate da postazioni multimediali interattive che propongono
degli approfondimenti per ognuna delle immagini presentate.
Verrà esposta inoltre una raccolta di fotografie di Paola Machetta,
una giovane fotografa e ricercatrice Triestina che, giocando con il
fenomeno dell’interferenza della luce, ha cercato di fissare sulla
pellicola l’aspetto artistico dei materiali utilizzati nella sua attività di
ricerca. Il visitatore viene poi stimolato a ripetere l’esperienza creativa utilizzando un microscopio e dei campioni di materiale.
Infine vi sarà una serie di dispositivi che, in forma di gioco, illustreranno i principi di funzionamento delle tecniche di studio delle nanotecnologie (come ad esempio il principio di retroazione caratteristico della microscopia a sonda).
Nanomondi è organizzata da istituti di ricerca, enti ed imprese di
Trieste che operano nel settore delle nanotecnologie: TASC-INFM,
Dipartimenti di Biologia e di Ingegneria dei Materiali dell’Università, Elettra, A.P.E. Research s.r.l., Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico “Burlo Garofolo”, Sviluppo Italia Friuli Venezia
Giulia, Area Science Park e Laboratorio dell’Immaginario Scientifico e con contributi di Protos e M.B.N. srl.
La sezione laboratoriale invece verrà realizzata in collaborazione
con i docenti e i ricercatori dell’Università di Genova che si occupano di nanotecnologie. (Mario Peloi)
per la mostra:
Nanomondi: Scienza, Tecnica ed Estetica del mondo a 10-9 metri
Genova, 28 ottobre - 8 novembre 2004,
Chiesa Inferiore di San Giovanni di Prè in Piazza della Commenda 1.
aperta tutti i giorni dalle 9.00 alle 19.00
Sezione Laboratoriale su prenotazione per scolaresche e gruppi organizzati.
Riferimento:
Marco Peloi
Coordinatore di Nanomondi
Tel. 040-3757908
Fax 040-3757906
[email protected]
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Nanotecnologie e difesa
Gli interventi del Ten. Gen. Gianni Botondi (Segretario Generale
della Difesa e Direttore Nazionale degli Armamenti) e del prof. Carlo Rubbia (Presidente ENEA) hanno aperto, il 30 Giugno 2004, il I°
Simposio sulle Tecnologie Avanzate: “Sviluppo delle Nanotecnologie per la Difesa”, svoltosi alla Scuola Trasporti e Materiali nel comprensorio della Cecchignola (Roma). Il primo ha sottolineato come le direttive politiche del Ministro della Difesa e gli indirizzi tecnico-operativi del Capo di Stato Maggiore della Difesa,
siano indirizzate verso l’obiettivo di “mettere a disposizione dello
strumento operativo sistemi e mezzi tecnologicamente moderni,
nei tempi ed a costi giusti, rispondenti ai requisiti operativi per prestazioni, efficienza, sopportabilità e interoperabilità”. Il testo del
discorso del prof. Rubbia (che non ha partecipato di persona) ha
poi presentato una panoramica delle nanotecnologie e nanoscienze, sia in termini di possibili sviluppi ed applicazioni, sia fotografando brevemente la risposta dei mercati a questa nuova rivoluzione
scientifica.
Queste due introduzioni hanno così creato una connessione virtuale tra le due argomentazioni, Difesa e nanotecnologie, fornendo una valida premessa al Simposio, in seguito approfondita dagli
oratori, tra i quali due membri del Comitato Direttivo di Nanotec IT,
Dr. Stefano Bellucci e dr. Roberto Zamboni, l’ing. P.Guargaglini,
amministratore delegato Finmeccanica, l’ing. Remo Pertica, vicepresidente AIAD, il dr. C.Falessi, Direttore Tecnologico di AMS, e
molti altri esponenti del mondo della ricerca, dell’industria e del
ambiente militare.
L’agenda del convegno prevedeva quattro sessioni diverse:nanotecnologie e materiali alternativi, nanoelettronica; nanosensori;
nanobiotecnologie.
Da quanto emerso durante il Simposio, dividendo i campi di applicazione delle nanotecnologie in tre grandi branche: nanoelettronica/fotonica, nanomateriali e nanobiotecnologie, è possibile prevedere che tutti questi settori porteranno un valido miglioramento
alle tecnologie di cui si avvalgono i sistemi di difesa. A partire dalla
miniaturizzazione dei sistemi informatici e di comunicazione, sistemi robotici, materiali più leggeri e dalle elevate performance con in
proiezione la capacità di autoreplicarsi ed autoripararsi, bio-sensori
per la determinazione di agenti chimici e biologici, realizzazione di
bio-materiali meso-strutturati e auto-organizzati, tessuti bio-mimetici, ceramiche avanzate per proteggere gli elementi portanti
degli aeromobili, ecc…
In particolare, come sottolineato dall’ing. Franco Reverberi
(AIAD/Coordinamento R&T) nella sua presentazione, confrontando i requisiti delle attività di difesa militare (Military Requirements)
e quanto le nanotecnologie possono offrire (Available Technologies) nel breve-medio periodo, emergono tre importanti punti di
raccordo: il miglioramento della protezione del soldato (come sistema e come capacità di sopravvivenza), dei sistemi unmanned
(robot semoventi per operazioni ad alto rischio e robotica per il
controllo subacqueo dei porti) e delle grandi reti (supporti informatici più potenti, meno ingombranti e con ridotto consumo energetico, e miglioramento dei sistemi di comunicazione).
Tra i relatori del convegno erano presenti anche esponenti di PMI
nazionali, impegnate, ad esempio, nella R&S di sistemi e materiali
innovativi per la protezione del soldato (Società Aero Sekur Spa) e
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per la protezione balistica (Sistema Compositi SpA).
L’alto numero di partecipazioni e l’interesse suscitato dalla manifestazione, hanno dimostrato l’importanza di un incontro tra gli attori della ricerca e sviluppo delle nanotecnologie in Italia e gli organi ministeriali preposti all’aggiornamento tecnologico, per il miglioramento e l’ottimizzazione delle attività di difesa nazionale e
locale. A conferma di ciò, il Ten.Col. Petronio ha già manifestato
l’intenzione di rendere questo tipo di simposi su nanotecnologie e
difesa un appuntamento periodico per la nascita di nuove idee e
collaborazioni.
Alla manifestazione hanno partecipato oltre duecento persone tra
le quali diversi membri di Nanotec IT/AIRI (ing. Guido Frigessi di
Rattalma, ing. Alessio D’Andrea, dr. GianFranco Innocenti, oltre ai
relatori dr. Bellucci e dr. Zamboni).
EuroNano Tex 2004
Nei giorni 27 e 28 giugno 2004 si è svolta a Barcellona la prima
conferenza Europea sull’applicazione delle nanotecnologie all’industria tessile, un tema di grande interesse visto che il tessile ha
un peso rilevante nel panorama industriale Europeo, sia a livello
economico che sociale. L’Europa detiene infatti una quota di circa
il 15% mercato mondiale di questo settore il quale, a sua volta,
dando lavoro a circa 2,5 milioni di persone, rappresenta approssimativamente l’8% dell’occupazione Europea nel settore manifatturiero.
Negli ultimi dieci anni, l’industria tessile Europea ha subito un’intensa concorrenza da parte dei paesi emergenti, in particolare
quelli dell’Est asiatico, con la Cina in primo piano, che ha eroso le
sue posizioni e determinato una perdita costante di posti di lavoro.
Obbiettivo del convegno era quello di mettere in evidenza se e come le nanotecnologie possono offrire delle soluzioni che permettano di salvaguardare la competitività dell’Europa nel settore consentendo di proporre prodotti a maggior contenuto di conoscenza
innovativi, per i mercati tradizionali, o del tutto nuovi per nuovi
mercati, determinare minori costi e margini più alti.
Il convegno, al quale hanno partecipato circa 90 delegati provenienti dai più importanti paesi Europei, USA, Giappone, Cina ed
Israele in rappresentanza di istituzioni di ricerca, imprese, agenzie
governative, ha affrontato con presentazioni ad hoc vari aspetti
del problema ed ha messo in evidenza che le nanotecnologie possono effettivamente consentire di raggiungere questi obiettivi e
che hanno già fatto il loro ingresso nel settore dove sono presenti
prodotti che le sfruttano ricavandone un significativo vantaggio
competitivo ed un ritorno economico favorevole.
Dal convegno è però emerso che l’impiego delle nanotecnologie
comporta un approccio spesso costoso, talvolta non facilmente integrabile con gli attuali processi produttivi, e che non sempre danno luogo a caratteristiche esclusive. Esse, almeno nel breve medio
termine, si dovranno quindi confrontare con altre tecnologie, anche se magari più convenzionali. Il semplice uso delle nanotecnologie non assicura di per sé il successo economico e commerciale e
non risolve automaticamente i problemi dell’industria tessile Euro-
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pea. La scelta alle fine sarà sempre dettata da una attenta valutazione di costi e benefici. Allo stesso tempo però vi è la convinzione
che esse offrono un’opportunità che non può essere persa, perché
qualcuno le utilizzerà ed i costi sicuramente scenderanno. Gli stessi Paesi che attualmente minacciano l’industria tessile Europea, la
Cina in testa, guardano con attenzione alle nanotecnologie ed in
tempi relativamente breve saranno pronti a competere anche in
questo campo.
L’industria Europea per giocare anche in futuro un ruolo di rilievo
dovrà quindi adottare una strategia articolata che punti ad una integrazione di sistema, passi da produzioni di larga scala a produzioni high tech e specializzate, sviluppi nuove competenze.
Le nanotecnologie possono contribuire ad implementare questa
strategia. Esse possono infatti consentire di produrre filati e tessuti
che sono, per esempio:
• ad alte prestazioni;
• con nuove proprietà (idrorepellenti, antimacchia, antipiega,
ecc.);
• funzionali (foto-termocromici, magnetici, antifiamma, antibatterici, antiallergici, ecc.)
• multiuso;
• “intelligenti”.
Un aspetto importante emerso dal convegno è che nella ricerca e
sviluppo di fibre e tessuti a contenuto nanotecnologico dovrà essere assolutamente assicurata fin dall’inizio un’attenzione specifica
verso l’immissione sul mercato di processi e prodotti rispettosi dell’ambiente e del posto di lavoro, sicuri per i consumatori sotto tutti
i punti di vista.
In conclusione, il convegno ha messo in risalto che le nanotecnologie giocheranno un ruolo importante nel futuro del settore tessile,
ma perché il loro impiego sia realmente decisivo è fondamentale
esse determino una innovazione di prodotto con un chiaro e decisivo valore aggiunto, si realizzi un’integrazione favorevole tra tecnologia e processo produttivo, sia disponibile una regolamentazione chiara che disciplini produzione e diffusione.
International Dialogue on Responsible Research
and Development of Nanotechnology.
Per iniziativa della National Science Foundation (NSF) USA, nei
giorni 17-18 giugno 2004 si è tenuto ad Alexandria (Washington),
Virginia, un workshop nel corso del quale sono state affrontate le
implicazioni che e livello ambientale, della salute umana e socioeconomico sono associate con la diffusione delle nanotecnologie.
L’interesse per queste tecnologie, che a detta di molti sono in grado di rivoluzionare praticamente tutti i comparti produttivi e la vita
di tutti giorni, è andato crescendo in maniera drammatica nel corso degli 4-5 anni a livello mondiale tanto che nel 2003 i finanziamenti pubblici per la ricerca in questo settore hanno superato globalmente i 3,5 miliardi di US$.
Prodotti che sfruttano queste tecnologie cominciano ad affacciarsi
sul mercato e parallelamente, proprio in considerazione della loro
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specificità e pervasività, preoccupazioni in merito alla diffusione
delle nanotecnologie vengono manifestate con sempre maggiore
frequenza. Con l’organizzazione del workshop si è voluto avviare
un confronto sulle tematiche suddette che consenta di dare una risposta a tali preoccupazioni non più rinviabile. Promuovere un’azione per una R&S responsabile nel campo delle nanotecnologie è
fondamentale ed altrettanto cruciale é stabilire un rapporto corretto e di fiducia con la gente se si vuole evitare che si creino incomprensioni che possono ostacolare lo sfruttamento delle potenzialità positive di queste nanotecnologie.
Al workshop hanno partecipato rappresentanti di 25 Paesi, tra i
quali erano compresi tutti quelli maggiormente industrializzati (AIRI/Nanotec IT, con il Dott. Mantovani, era l’unico presente per l’Italia), i più importanti tra quelli in via di sviluppo ed una nutrita delegazione della UE guidata dai Dott. Andreta e Tomellini. La discussione, informale ed esplorativa, ha affrontato un ampio spettro di
argomenti che sono stati trattati sia in sessioni plenarie che nell’ambito di quattro specifici “breakout group” nei quali erano stati
suddivisi i partecipanti e che riguardavano:
• Ambiente;
• Salute Umana e Sicurezza;
• Problematiche Socio-Economiche ed Etiche;
• Nanotecnologie nei Paesi in via di sviluppo.
Su alcuni temi, in particolare, è emerso un consenso unanime:
• Necessità di un accordo condiviso sulle norme e le metodologie per regolamentare la verifica dell’impatto delle nanotecnologie sull’uomo e sull’ambiente. Coloro che considerano la natura delle nanotecnologie essenzialmente incrementale ritengono il sistema regolatorio attuale sostanzialmente adeguato,
mentre coloro che attribuiscono alle nanotecnologie un carattere essenzialmente distruttivo suggeriscono l’adozione di un
approccio nuovo, flessibile (partendo magari da quello che esiste) per rispondere con rapidità ai nuovi sviluppi;
• Esigenza di individuare organizzazioni e strumenti per rispondere adeguatamente alle preoccupazioni dell’opinione pubblica nei confronti di una tecnologia emergente in grande crescita a livello globale;
• Necessità di stabilire a livello internazionale un dialogo ed una
cooparazione e coordinamento permanenti per una R&S responsabile nel campo delle nanotecnologie con l’obiettivo di
massimizzare i benefici che possono derivare da queste per
l’uomo e la società ed allo stesso tempo rispondere adeguatamente alle preoccupazioni circa i possibili rischi ad esse associati.
Sono state individuate alcune priorità:
• Sviluppo di una nomenclatura comune;
• Messa a punto di metodologie di risk assessment;
• Scambio di informazioni di tossicologia umana e ambientale;
• Promozione di iniziative per la formazione e informazione dell’opinione pubblica.
Al fine di rendere operativi tali dialogo e collaborazione si è convenuto di dar vita ad un gruppo ristretto (preparatorio) che dovrà
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identificare possibili azioni, meccanismi, tempistica, struttura e
quadro istituzionale, ecc. Questo gruppo sarà costituito da rappresentanti delle tre aree geografiche principali: Nord & Sud America,
Europa & Africa, Asia & Oceania e dovrà elaborare una proposta
da discutere in un nuovo incontro internazionale al quale dovranno partecipare le istituzioni ed i Paesi presenti al workshop, ma allargando ulteriormente lo spettro dei paesi presenti e rafforzando
la presenza di alcune componenti, quali l’industria e organizzazioni della società civile.
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Notizie in breve
Recensione del volume Introduction to
Nanotechnology
Alessandro Ponti – Consiglio Nazionale delle Ricerche – Istituto di Scienze e
Tecnologie Molecolari - Milano
Se scrivere oggi una “Introduzione alle
nanotecnologie” è da un lato un
impresa che sicuramente trova un
ampio e interessato pubblico, dall’altro
è uno sforzo notevole data l’ampiezza
oramai raggiunta da questo campo
della scienza e della tecnologia così
giovane ma già così vastamente
praticato. Questo volume abbastanza
agile (meno di 400 pagine) riesce nel
suo scopo grazie a una definizione
inclusiva delle nanotecnologie e alla
chiarezza con cui vengono formulati i
concetti chiave soggiacenti a queste
discipline. L’osservazione che ogni proprietà di un materiale è
associata ad una dimensione caratteristica, spesso dell’ordine del
nanometro, e che quando si raggiungono queste dimensioni la
chimica e la fisica del materiale sono radicalmente diverse da quelle
del materiale massiccio, è la forza propulsiva che sta dietro il
sorprendente sviluppo delle nanotecnologie. Inoltre, data questa
definizione, l’interdisciplinarietà tipica delle nanotecnologie risulta
quasi intrinseca a un’attività di ricerca che è definita non in base agli
oggetti della ricerca stessa ma in base alle dimensioni di questi
oggetti. Questi due concetti informano il libro e ne costituiscono il
leitmotiv.
A differenza di ciò che spesso accade con le monografie scientifiche, l’Introduzione non è una mera elencazione del contenuto dei
vari capitoli, bensì mette chiaramente in evidenza quali sono le
idee fondamentali e le principali sfide delle nanotecnologie e ne
presenta un curioso excursus storico. I seguenti capitoli 2 e 3 descrivono i concetti basilari della fisica dello stato solido e delle tecniche di misura delle proprietà delle nanostrutture in modo succinto ma esauriente, fornendo al lettore quelle conoscenze di base
che permettono di usufruire al meglio del resto del libro. I successivi capitoli da 4 a 13 sono dedicati ognuno a un diverso nanomateriale o nanosistema. Di particolare interesse ci paiono quelli dedicati alle nanostrutture di carbonio, specialmente fullereni e nanotubi, (cap. 5) e alle nanostrutture di semiconduttori cioè quantum
wells, wires, e dots (cap. 9) perché trattano di quei nanomateriali
già giunti o in procinto di giungere allo stadio di prodotti industriali. Sono anche da segnalare i capitoli 10 e 11, in cui si tratta di fenomeni come l’auto-assemblaggio, di materiali con strutture supramolecolari e di un campo, la catalisi, la cui importanza industriale non può essere sovrastimata. Vi si trovano autentiche chicche come i dendralizzatori, cioè i dendrimeri-catalizzatori. Se questi capitoli riguardano da vicino la chimica, i capitoli 6 e 7 stimoleranno forse più gli ingegneri con la descrizione di materiali massicci nanostrutturati, sia amorfi che cristallini, e del “caldissimo” cam-
po delle nanoparticelle magnetiche, dove nuovi nanomateriali e
nanostrutture sono cruciali per l’industria dei computer al fine di
mantenere l’attuale tasso di crescita della capacità e delle prestazione degli hard disk. Infine, il capitolo 13 sulle macchine molecolari e i sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) è forse il capitolo più
proiettato verso il futuro, più lontano dallo sfruttamento industriale. Questi nanosistemi sono però fonte di grande stupore e ispirazione per l’inventiva del ricercatore e, successivamente, dell’imprenditore.
Se una critica va fatta a questo volume, essa riguarda la predilezione degli autori per la fisica rispetto alla chimica e, soprattutto, alla
biologia. Sebbene comprensibile vista l’attività scientifica degli autori, questo atteggiamento, che causa solamente veniali ingenuità
riguardo alla chimica, purtroppo porta anche a un eccessiva concisione nella trattazione delle nanostrutture biologiche e della biomimicry, cui viene dedicato il solo capitolo 12. Inoltre, il volume
avrebbe sicuramente beneficiato di almeno un accenno alla nanofluidica, importante e ormai maturo campo.
In conclusione, questa monografia è certamente una lettura raccomandabile ed utile per chiunque voglia accostarsi alla nanotecnologie, siano essi ricercatori accademici e industriali provenienti da
discipline scientifiche “classiche”, imprenditori interessati allo sviluppo di prodotti nanotecnologici che vogliano avere cognizione di
causa, oppure persone curiose di conoscere la disciplina scientifica
che promette di rivoluzionare la nostra futura vita quotidiana.
Charles P. Poole e Frank J. Owens, Introduction to Nanotechnology, John Wiley & Sons (2003), ISBN 0471079359.
“Stage d’eccelenza per gli studenti
dell’International Master in Nanotechnologies”
La prima edizione dell’International Master in Nanotechnologies viene premiata con stage d’eccellenza. Molte sono, infatti, le
aziende di prestigio internazionale che hanno dimostrato interesse
per gli studenti iscritti alla prima edizione dell’International Master
in Nanotechnologies organizzato dal CIVEN.
Il CIVEN, Coordinamento Interuniversitario Veneto per le Nanotecnologie, è stato fondato dall’Università degli Studi di Padova e dall’Università Ca’ Foscari di Venezia, nell’ambito del Distretto Tecnologico Veneto Nanotech, al fine di promuovere la ricerca e la formazione nel settore delle nanotecnologie.
Quest’anno numerose imprese, operanti nel mercato internazionale delle nanotecnologie, si sono offerte per ospitare e avvalersi
della professionalità dei nuovi “Nanotechnology Manager”.
La specificità dell’International Master in Nanotechnologies,
diretto dall’ing. Busnardo, consiste nel formare specialisti di elevato profilo, capaci di coniugare solide conoscenze tecnico-scientifiche a skill di tipo economico-gestionali. Questi futuri manager potranno trovare impiego in qualità di project-leader per la Ricerca &
Sviluppo di imprese industriali o di consulenti high-tech di start-up
nanotecnologiche; in alternativa potranno investire le competenze
acquisite come imprenditori, capaci di generare business profitteN E W S L E T T E R
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voli nel settore delle nanotecnologie.
Gli studenti della prossima edizione dell’International Master in
Nanotechnologies potranno inoltre avvalersi della Nanofabrication Facility (NFF), un laboratorio all’avvanguardia che è in fase di
completamento presso il Parco Scientifico Vega (Venezia). Lo scopo dell’NFF è trasferire tecnologia e know-how al mondo imprenditoriale, grazie alla progettazione e alla realizzazione di iniziative
di ricerca e di sperimentazione industriale.
L’imprenditoria veneta sarà l’interlocutore principale per i futuri
manager delle nanotecnologie, ma dato le caratteristiche globali di
questa scienza è imprescindibile che il contesto di riferimento sia
internazionale.
La prima edizione del Master si conclude infatti con stage presso
importanti aziende quali l’INTEL (Irlanda), IBM (Svizzera), Focal
Point (Stati Uniti), Axo Dresden (Germania) e istituzioni pubbliche
come l’Universidad Tecnològica Nacional-Regional Delta (Argentina).
Alcuni degli stage si svolgeranno anche presso note aziende venete, come la San Benedetto (VE), la Tycoon Technoglass (VE), Veneto
Nanotech (PD), il Distretto Tecnologico Veneto, e presso prestigiose
imprese italiane come la STMicroelectronics (Catania), D’Appolonia (Genova), Moma (Bergamo), Protect (Brescia).
La taratura internazionale del master prevede che i corsi siano tenuti in inglese da docenti di fama mondiale. Durante il primo anno
di attività, il Master ha già ospitato illustri docenti quali il Prof. Bozio del Dipartimento di Chimica Fisica dell’ Università di Padova, il
Prof. Stoddart del Department of Chemistry and Biochemistry University of California (Los Angeles), il Prof. Stellaci del Department
of Materials Science and Engineering del Massachusetts Institute
of Technology (USA) e molti altri. È quindi d’obbligo che gli studenti abbiano una conoscenza avanzata della lingua, che verrà valutata attraverso un test d’accesso.
Il master ha durata annuale, richiede un impegno a tempo pieno e
comprende sei mesi di didattica (gennaio-luglio) con 330 ore dedicate alle nanotecnologie e alle nanoscienze e altre 150 ore dedicate a materie inerenti alla pianificazione e alla gestione d’impresa.
Sono, inoltre, previsti workshop, conferenze, lavori di gruppo e tre
mesi conclusivi di stage in azienda (settembre-novembre).
Si tratta di un master di secondo livello, altamente specialistico e rivolto ai laureati in ingegneria, fisica, chimica, biologia e farmacia e
assegnato congiuntamente dalle Università di Padova e di Venezia.
Per informazioni
e-mail: [email protected]
Tel. 041/5094254
Fax 041/5094279
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Master di I livello in COMPOSITI E
NANOTECNOLOGIE PER L’AEROSPAZIO
M. Regi**, M. Marchetti**, F. Mancia*, L. Amantini**
* C.S.M. Centro Sviluppo Materiali S. p. A.
** Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale e Astronautica
I compositi costituiscono il “materiale” di maggiore interesse nel
settore aerospaziale. La leggerezza e la rigidezza, associate a un livello significativo di affidabilità, consentono di sviluppare apparati
e sistemi tecnologicamente molto avanzati. Le missioni aerospaziali hanno vissuto un notevole balzo in avanti grazie all’uso dei materiali compositi. Non va dimenticato anche il contributo dell’elettronica e della miniaturizzazione dei componenti.
Il design di un sistema è un processo non banale in quanto il suo
carattere fortemente multidisciplinare richiede che diversi settori
dell’ingegneria vadano ad interagire e a integrarsi fra loro.
Storicamente i compositi nascono con l’esigenza di sostituire i materiali tradizionali (le leghe metalliche). Le matrici sono realizzate
utilizzando i polimerici (es. resine epossidiche), mentre l’elemento
di rinforzo è costituito da fibre o particelle che opportunamente
funzionalizzate, una volte disperse nella matrice, svolgono le azioni di resistenza ai carichi applicati.
Vi è una profonda differenza tra un materiale continuo e un composito in termini di comportamento, fenomeni, tecnologie di produzione e studio teorico (meccanica della frattura, etc.).
Parallelamente a questo significativo cambiamento nell’uso dei
materiali in ambito aerospaziale, si è sviluppato un nuovo settore
della Ricerca. Vale a dire quello delle nanotecnologie. Esse si prefiggono di implementare le caratteristiche e le prestazioni degli attuali sistemi tecnologici agendo su scala nanometrica. La particella
o la molecola non sarà più l’elemento principale da analizzare a livello microscopico, ma sarà il sistema stesso a essere strutturato su
dimensioni micro e nano.
Una classica applicazione è quella, in elettronica, dei MEMS/NEMS
nei quali la miniaturizzazione dell’elemento raggiunte livelli tali da
consentire un controllo mai raggiunto fino a ora delle caratteristiche dell’oggetto.
L’aspetto forse più interessante del concetto di nanotecnologia è la
sua applicabilità in tutti i settori della scienza (ingegneria, medicina, biologia, agraria, etc.). Raramente il mondo delle ricerca ha sviluppato tematiche in grado di interessare concretamente tutte le
varie branche della scienza, nella sua accezione più generale del
termine.
Nei compositi l’elemento di maggiore interesse sono i nanotubi in
carbonio (fig. 1). Grazie alle loro proprietà (meccaniche, termiche,
elettriche) è possibile pensare di realizzare dei compositi con caratteristiche davvero rilevanti.
Il processo che può portare alla realizzazione concreta di dimostratori di questi materiali innovativi è complesso e così sintetizzabile:
• Sintesi dei nanotubi
• Loro purificazione
• Funzionalizzazione del materiale nano strutturato
• Integrazione in un materiale polimerico (matrice)
• Test (meccanici, termici, etc.)
• Studio e realizzazione di modelli teorici.
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fig. 1 i nanotubi in carbonio
Lo scopo è quello di definire un data sheet di un materiale innovativo con il quale sviluppare strutture aerospaziali innovative.
fig. 2 micrografia SEM di un composito a rinforzo nano strutturato
fig. 3 una possibile futura struttura spaziale realizzata con un composito nano
tecnologico
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Appare evidente come il settore dei compositi rappresenti solo la
punta di un iceberg nell’ambito delle nanotecnologie. Inoltre, lo
sviluppo di un sistema nano coinvolge molte figure. L’ingegnere, il
chimico, il fisico debbono integrare le rispettive conoscenze le quali non diventano più dei comportamenti stagni che viaggiano su
strade separate e con diverse finalizzazioni. L’intrecciarsi di specializzazioni permette di incrementare il bagaglio dei singoli ricercatori coinvolti, ma principalmente consente un utile confronto tra differenti metodologie e filosofie scientifiche/didattiche. Tutto ciò con
la possibilità, ad esempio, di risolvere problemi specifici di un settore utilizzando strumenti tipici di un altro. Ovviamente la finalizzazione è di realizzare un sistema operativo fortemente innovativo.
Ritornando sull’argomento in oggetto è possibile fare alcune riflessioni.
Gli ultimi anni hanno visto un crescente sviluppo dei materiali compositi che, nati per esigenze aeronautiche, si sono diffusi in tutti gli
altri campi dell’ingegneria. Le loro caratteristiche strutturali e di
leggerezza ne fanno un campo di estremo interesse e ne fanno auspicare una rapida diffusione.
Allo stato attuale lo studio di questi materiali si è spinto fino a prevedere un’azione progettuale di livello microscopico, in cui il progettista realizza le caratteristiche meccaniche e fisiche agendo non
più a livello macro sulla struttura in formazione. Questo grazie alle
nanotecnolgie dei materiali. Questi studi stanno aprendo un orizzonte di sviluppo che porterà sia a una diffusione massiccia dei
compositi, anche al di fuori del campo aeronautico e spaziale, sia a
un bisogno di ricercatori qualificati da parte di aziende aeronautiche, spaziali, navali e meccaniche.
In questo contesto la Scuola di Ingegneria Aerospaziale (SIA) dell’Università degli Studi di Roma “La Sapienza” ha ritenuto opportuno istituire un Master di I° livello in COMPOSITI E NANOTECNOLOGIE PER L’AEROSPAZIO rispondendo alle esigenze della
formazione iniziale e al perfezionamento dei futuri ricercatori. Alla
base di questo Master vi è il Concurrent Engineering ovvero un approccio sistematico e integrato che tiene conto di tutti i processi
correlati, come la produzione, il supporto logistico, per arrivare a
un nuovo prodotto aerospaziale innovativo e competitivo.
Tutti i settori dell’ingegneria partecipano a questo processo e in
particolare quello dei materiali e delle nanotecnologie.
Lo scopo dell’Università è quello di mettere a disposizione i migliori docenti e uno staff di personale responsabile dell’organizzazione
didattica, del corretto svolgimento dei corsi e dei rapporti con gli
studenti. Ma nel Master non c’è solo l’Università.
Fondamentale è il ruolo ricoperto da Enti e Aziende partner che sostengono l’iniziativa e che sono direttamente interessati all’inserimento nei propri organici di personale qualificato sotto la propria
supervisione. Ed è proprio per questo motivo che massima parte
dei corsi è tenuta dagli stessi Enti ed Aziende che, attivamente
coinvolte, metteranno a disposizione infrastrutture, locali e il proprio personale interno costituito da esperti, quadri e manager.
Il Master si propone di contribuire alla formazione di figure professionali altamente specializzate nel settore dei materiali avanzati e
nelle nanotecnolgie, stabilendo un collegamento tra gli ambienti
della ricerca e il mondo del lavoro.
Avvalendosi della collaborazione di centri di ricerca e di aziende
sponsor si vuole offrire a coloro che parteciperanno la conoscenza
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dello stato attuale dell’arte nella progettazione e nella realizzazione dei materiali compositi avanzati e delle nanotecnologie nel settore aeronautico e spaziale, nonché le loro applicazioni.
Tutto questo è un ottima opportunità di incontro e confronto tra i
migliori professionisti italiani e stranieri del settore. Un bagaglio di
esperienze indispensabili per accelerare la integrazione nel settore
e per aprire nuove prospettive di carriera.
I corsi si terranno presso la Scuola di Ingegneria Aerospaziale dell’Università degli Studi di Roma e saranno affiancati da visite presso le Aziende.
L’aspetto più importante del Master è la sua struttura didattica
suddivisa in Moduli, che può essere cosi sintetizzata:
• Introduzione ai moderni sistemi aerospaziali.
• Introduzione ai materiali compositi tradizionali ed innovativi
(es. compositi ibridi, strutture inflatable, compositi con nanotubi in carbonio).
• Introduzione ai processi tecnologici di produzione e delle procedure di analisi (es. microscopia elettronica avanzata) di materiali avanzati.
• Analisi dei problemi di integrazione dei processi di design di un
sistema aerospaziale e di quelli legati allo sviluppo di materiali
avanzati.
• Introduzione alle nanotecnologie: processi, caratterizzazioni,
analisi morfologiche, integrazione di sistemi nanometrici.
• Applicazione delle nanotecnologie al settore aerospaziale.
La durata del master è prevista in dodici mesi (a partire da gennaio
2005) all’interno dei quali i primi sei mesi verranno dedicati alla didattica, mentre i rimanenti saranno caratterizzati da Stage presso
le Industrie e gli Enti che patrocineranno il Corso di Master. Questo
approccio consente una visione teorico/pratica molto dettagliata
degli argomenti trattati
L’ammissione al Master avverrà attraverso una selezione per titoli e
un colloquio. Possono partecipare alla selezione i laureati in Ingegneria e in Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali (previa valutazione da parte della commissione di valutazione) in possesso di
laurea conseguita in base al vecchio ordinamento o di laurea specialistica (LS) o di laurea (L) di primo livello conseguita presso una
Università italiana.
Il bando di concorso per l’iscrizione al Master dell’Anno Accademico 2004-2005 è uscito a luglio 2004.
Tutti i partner industriali partecipano attivamente nella definizione
dei contenuti dei singoli moduli didattici e alcuni metteranno a disposizione borse di studio a copertura delle quote di iscrizione il cui
ammontare è fissato in 7.500,00 Euro.
Tra gli Sponsor e i Patrocinatori si ricordano:
• Aerosekur
• Avio Space
• Agusta
• Alenia Spazio
• AMS
• CSM
• CIRA
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• ENEA
• INFN
• Nanotec IT
• Macotech
• Regione Lazio
• Sistema Compositi
• Ministero della Difesa.
L’obiettivo è quello di arricchire ulteriormente la lista di coloro che
partecipano con collaborazioni e borse di studparta con il contributo di altri Enti e Aziende fortemente interessate al settore delle
nanotecnologie. Per tutti coloro che sono interessati all’iniziativa
vengono a seguito riportati i riferimenti e i contatti del Master:
Organizzazione:
Università degli Studi di Roma “La Sapienza”,
Scuola di Ingegneria Aerospaziale (SIA)
Segreteria:
Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Astronautica,
Via Eudossiana 18 – 00184 Roma.
Fax +39 06.44.585.670
Ing. Luca Amantini; [email protected]
Tel. +39 06.44.585.953
Sig. Alberico Blasi;
[email protected]
Tel. 06.44.585.321
Coordinamento:
Ing. Marco Regi;
[email protected];
Tel. +39 06.44.585.953
Direttore del Master:
Prof. Mario Marchetti
[email protected];
Tel. +39 06.44.585.800
Consiglio Didattico - Scientifico:
Proff. Mario Marchetti; Isidoro Peroni; Fabio Santoni; Luigi Schirone (Scuola di
Ingegneria Aerospaziale);
Ing. Ugo Franzoni (CSM – Roma);
Dott. Franco Natalizia (AGUSTA – Frosinone);
Dott. Salvatore Scaglione (ENEA – Casaccia)
Sito web: www.mastercompositinanotecnologie.it - www.uniroma1.it
Prodotti nanotech
L’utilizzo di nanoparticelle all’interno di una comune vernice per
uso edilizio, può portare ad ottenere un prodotto molto migliore
non solo dal punto di vista del suo uso specifico ma anche per la
salute e l’ambiente.
Un esempio concreto di ciò viene da Hong Kong, dalla Guangzhou
SunCrown Chemical, importante industria chimica, che ha svilup-
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pato una vernice con nanoparticelle multifunzionali (granuli nanometrici di Silicone, Titanio, Zinco, etc..), la quale presenta caratteristiche fortemente innovative.
Grazie ad una serie di test effettuati è stato dimostrato che questa
vernice, quando irradiata da luce ultravioletta o solare, tende ad
accelerare la produzione di anioni, neutralizzando gli ioni positivi (il
loro rapporto viene così ad avvicinarsi al valore ottimale di circa 1),
senza al contempo produrre ozono, con effetti positivi sulla qualità
dell’aria.
Allo stesso tempo il film di vernice depositato sulle superfici ha un
effetto antimuffa, resiste all’acqua e al calore, ed ha una buona resistenza ai lavaggi ed eventuali sfregamenti.
Sia pure con finalità diverse, questo approccio è stato adottato anche dalla Mercedes-Benz, la quale sta utilizzando delle vernici contenenti nanoparticelle ceramiche per le sue vetture per ottenere
una verniciatura con una maggiore resistenza ai graffi ed una vita
più lunga.
La nuova strategia della Comunità Europea per lo
sviluppo delle nanotecnologie.
La Commissione Europea attraverso la comunicazione "Towards a
European Strategy for Nanotechnology", ha adottato una strategia a livello comunitario per aiutare l’Europa a diventare rapidamente il leader mondiale nel campo delle nanotecnologie. Il documento fornisce una serie di raccomandazioni ed iniziative su come
rafforzare la ricerca e sviluppo (R&S) Europea nel settore ed in particolare proponendo un approccio integrato per avviare quanto
prima attività commerciali legate alle nanotecnologie in grado di
generare un beneficio sociale ed economico. Le azioni chiave richiedono il raggiungimento di obiettivi precisi, quali un incremento rapido degli investimenti e delle infrastrutture della R&S, formando opportunamente il personale di ricerca, rafforzando l’attività di trasferimento tecnologico in Europa, valutando l’impatto
che questo innovativo campo avrà sulla società da ogni punto di vista (etico, sociale, medico, economico, ecc..) e promovendo cooperazioni internazionali per un approccio responsabile globale alla
R&S delle nanotecnologie.
A seguito di questo documento il consorzio Nanoforum (www.nanoforum.org), progetto cofinanziato dall’UE per diffondere le nanotecnologie, ha preparato un questionario, che sarà disponibile
nel suo sito fino a fine settembre, per raccogliere le opinioni di tutti gli interessati sulle proposte di politiche comunitarie.
Costruire il futuro con la nanoelettronica. Una
strategia per l’Europa
Un gruppo di dirigenti delle principali imprese ed organismi di ricerca Europei hanno presentato lo scorso 29 giugno al commissario della Ricerca Philippe Busquin e al commissario dell’Imprese e
della Società dell’informazione Erkki Liikanen, il rapporto dal titolo
“2020: Nanoelectronics at the Center of Change”. (http://europa.eu.int/comm/research/industrial_technologies/pdf/nanoelectronics_june2004_en.pdf) Questa roadmap sulla nanoelettronica
contiene un messaggio diretto alla CE: per diventare la potenza industriale più competitiva del mondo, l’Europa deve guidare la tran-
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sizione del settore della microelettronica verso la nuova generazione della nanoelettronica, consacrandovi investimenti pubblici e privati coordinati pari ad almeno 6 miliardi di euro l’anno fino al
2008. Il documento ha tra l’altro avviato l’ ENIAC (European Nanoelectronics Initiative Advisory Council) presieduto da Pasquale Pistorio, presidente e CEO della STMicroelectronics, un partenariato
europeo pubblico-privato che elaborerà un'agenda strategica di ricerca nel campo della nanoelettronica e la attuerà (per maggiori
informazioni: http://www.cordis.lu/ist/eniac)
Nanoradar
Il nanoradar è una nuova tecnologia su cui sta lavorando AMS
(Alenia Marconi System), la società che fa capo a Finmeccanica
ma destinata a confluire in Eurosystem, nuova joint-venture con gli
inglesi della Bae, la quale porterà una vera rivoluzione tecnologica
nel campo dei radar. Queste nuovi apparati, considerati “più forti e
a maggiore efficienza”, saranno composti da sistemi complessi capaci di integrare tra loro vari tipi di sensori: radar, sonar, “software
definable radio” e tutti i sistemi di comunicazione . Sempre più
piccoli, leggeri e meno costosi, questi nanoradar saranno applicabili a qualsiasi tipo di tecnologia di telecomunicazione, dai cellulari
alle trasmissioni satellitari. E non solo. A partire da essi, potranno
essere realizzate vernici “schermanti” in grado di filtrare le informazioni alle sole frequenze volute. Questo è uno dei lavori di
AMS, che rientra all’interno di un focus group su “nanotecnologie
e nanomateriali” attivato da Finmeccanica un anno fa e a cui lavorano già dieci differenti società del Gruppo.
Firmato accordo di programma per distretto
biomedicina molecolare
Il 5 ottobre 2004 è stato firmato, tra il Mo. L. Moratti (MIUR) e il
Presidente della Regione Friuli Venezia Giulia R. Illy, l’accordo di
programma per l’istituzione del distretto tecnologico di biomedicina molecolare, finanziato da MIUR (15 Meuro) e Regione (21 Meuro) e che dovrebbe creare 200 nuovi posti di lavoro in 3 anni.
Le ricerche che saranno sviluppate riguarderanno oncologia, cardiologia vascolare, neuroscienze, epatologia, medicina rigenerativa,
basate su forte interdisciplinarietà, garantite dalla strutture già
operative nell’Area Scienze Park, nella Università di Trieste e di Udine, nel Centro oncologico di Aviano, nei settori delle nanoscienze e
nanotecnologie, della bioinformatica e della scienza dei materiali.
Il distretto sarà gestito dal Consorzio pubblico-privato di Biomedicina molecolare, che fra i soci privati annovera Bracco (che ha già
laboratori di ricerca nell’Area).
Nuove tecnologie per i pneumatici
Nei Pirelli Labs si stanno sviluppando nuove tecnologie per migliorare i pneumatici delle automobili. Fra alcuni mesi sarà pronto ed
entrerà nel mercato il nuovo sistema M2m, ideato dai Pirelli Labs e
dal centro R&S di Pirelli Pneumatici, che, tramite sensori inserite
nelle gomme, fornisce informazioni in tempo reale sulla temperatura e sulla pressione, mentre già, durante il salone internazionale
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del motociclo e dello scooter di Monaco, è stato presentato il Pirelli Safety Wheel System, sistema in grado di rigonfiare automaticamente i pneumatici delle moto in caso di foratura o calo di
pressione.
A queste e ad altre innovazioni già introdotte sul mercato, o in procinto di esserlo, si aggiungeranno tra pochi anni delle nuove mescole ottenute dal perfezionamento dei polimeri tradizionali con
cariche di dimensioni nanometriche, in modo da modificarne chimicamente le caratteristiche. Ciò permetterà di rendere ad esempio le mescole meno permeabili oppure di rendere le gomme più
rigide e più adatte a determinate condizioni stradali. Inoltre è in fase di sviluppo l’idea di utilizzare nano-cariche metalliche con un
comportamento magnetico le quali, modificando il campo magnetico circostante, permetterebbero di aggiungere alle informazioni
fornite dal sistema M2m, anche lo stato della deformazione dei
pneumatici.
Nuovi laboratori congiunti avviati dal MAE
Nell’ambito delle iniziative del Ministero per gli Affari Esteri per
l’avviamento all’estero di laboratori congiunti di tecnologie avanzate è:
• operativo il laboratorio sui materiali nanostrutturati per l’ambiente e l’energia (sviluppo di sensori e membrane per celle a
combustibile e apparecchi di rilevazione ambientale) tra Università di Tor Vergata, Roma e Istituto di Scienze Industriali dell’Università di Tokio (campus di Komaba);
• in via di maturazione il Laboratorio di nanotecnologie applicate al settore biomedico (che troverà spazio all’interno del Centro di Biomedicina Molecolare (CBM) dell'AREA Science Park di
Trieste) affidato al Prof. Mauro Ferrari, National Cancer Institute di Bethesda.
Le nanotecnologie e l’Istituto Italiano di Tecnologia
Progetto italo-americano a Siena di medicina
molecolare
Il Prof. Antonio Giordano, professore alla Temple University e all’Università di Siena (anatomia patologica) presidente e fondatore
della SBARRO Institute for Cancer Research and Molecular Medicine, dovrebbe iniziare un’attività di ricerca nel campo della medicina molecolare presso l’Università di Siena cofinanziata dalla SBARRO Health Research Organization.
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Secondo quanto dichiarato dal suo neodirettore scientifico, Prof.
Roberto Cingolani, quella delle bionanotecnologie sarà una delle
aree nelle quali opererà il costituendo Istituto Italiano di Tecnologia. Le altre aree sono neuroscenze e automazione e robotica e l’obiettivo è di progettare e sviluppare sistemi robotici innovativi, attraverso un programma interdisciplinare che cercherà di sfruttare
tutte le possibili sinergie esistenti tra questi settori.
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Eventi futuri
Oct 26, 2004
Nano Electronics & Photonics Forum conference
Palo Alto, CA
Oct 28 - Nov08, 2004
Festival della Scienza - Nanomondi. Scienza, tecnica ed estetica del
mondo a 10-9 metri
Genova - Chiesa Inferiore di San Giovanni di Pre' in Piazza della
Commenda (9.00-19.00), Italy
Oct 30 - Nov 05, 2004
CANEUS 2004 Conference on Micro-Nano-Technologies for Aerospace Applications
Monterey, California, USA
Nov 29 - Nov 30, 2004
Nanotechnology and Smart Materials for Medical Applications: from Medical Diagnostics to Therapy
Rome, Italy
Dec 01- Dec 02, 2004
Nanotechnology and Smart Textiles for Industry and Fashion
London, UK
Dec 01- Dec 03, 2004
International Symposium on Environmental Nanotechnology 2004
Taipei, Taiwan
Nov 02 - Nov 03, 2004
Nano-molecular Analysis for Emerging Technologies
Teddington, Great Britain
Nov 03 - Nov 04, 2004
Nanotechnology in Crime Prevention & Detection II
London, UK
Nov 04 - Nov 05, 2004
Present situation and Forecasts of Nanotechnology in: Materials, Health and Medical Systems, Energy
Rome, Italy
Nov 04 - Nov 05, 2004
BIOMATERIAL2004
Erfurt, Germany
Nov 04 - Nov 06, 2004
Nano-materials: Synthesis, Characterisation and Application
Kolkata, India
Nov 07- Nov 11, 2004
International Congress of Nanotechnology 2004
San Francisco, California, USA
Nov 09 - Nov 10, 2004
Nanotechnology and Patenting
The Hague, The Netherlands
Nov 24 - Nov 27, 2004
Asia NANO 2004 Asian Conference on Nanoscience & Nanotechnology
Beijing, CHINA
Nov 23 - Nov 24, 2004
Course FSRM: Nanotechnology - Imaging and Engineering at the
Nanoscale (2 days)
Rome, Italy
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PUBBLICITÀ 2004
L I S T I N O P R E Z Z I [ A L N E T T O D I I VA 2 0 % ]
1. NANOTEC IT NEWSLETTER
Sulla Newsletter sono riportate le notizie più importanti (disponibili anche su www.nanotec.it),
quali risultati di ricerche ed applicazioni, eventi, corsi, iniziative di Nanotec IT e degli iscritti,
articoli su tendenze e su risultati di ricerche, su politiche della ricerca, su problematiche connesse
alla diffusione delle nanotecnologie.
Tiratura: n.1.000 copie. Pubblicazione: aprile, settembre, dicembre. Destinatari: (attivi o interessati
alle nanotecnologie): industria, istituti universitari, istituti di enti pubblici di ricerca, associazioni
industriali, pubbliche amministrazioni.
Gli ordini devono pervenire a Nanotec IT • AIRI entro il 26 novembre 2004 per il terzo numero.
Seconda di copertina
1 pagina
20x29 cm
1/2 pagina
20x14,5 cm
1/3 di pagina 20x7 cm
1/6 di pagina 10x7 cm
800,00 euro
500,00 euro
350,00 euro
200,00 euro
Quarta di copertina
1 pagina
20x29 cm
1.000,00 euro
1/2 pagina
20x14,5 cm 600,00 euro
1/3 di pagina 20x7 cm
400,00 euro
1/6 di pagina 10x7 cm
250,00 euro
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2. SITO WEB (www.nanotec.it)
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12 mesi
3 mesi
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NANOTEC IT è una struttura autonoma dell’AIRI il cui obiettivo primario è quello di diventare il punto di riferimento nazionale per le
nanotecnologie, nel quale trovino una sintesi missioni e obiettivi del mondo industriale e quelli del mondo della ricerca, si da rendere più
efficace ed efficiente l’impegno del Paese nel settore.
NANOTEC IT si propone di diffondere l’informazione relativa a questo settore, di stimolare la collaborazione tra strutture di ricerca pubbliche
e imprese, grandi e PMI, di favorire la valorizzazione dei risultati della ricerca e il trasferimento tecnologico, di fornire elementi utili per una
ottimale allocazione delle risorse nazionali.
Il fine ultimo di NANOTEC IT è quello di contribuire a trasformare i risultati della ricerca in uno strumento di vantaggio competitivo per le
imprese del Paese favorendo:
• l’applicazione di queste tecnologie emergenti;
• lo sviluppo di nuovi prodotti;
• la creazione di nuovi business.
All'iniziativa avviata dall'AIRI hanno già aderito gran parte dei principali attori, sia pubblici che privati, impegnati in Italia nelle nanotecnologie.
Iscritti a NANOTEC IT
• A.P.E. Research
• BREMBO
• CNR - I.E.I.I.T. (Istituto di elettronica e di ingegneria dell'informazione e delle telecomunicazioni)
• CNR -IFN (Istituto di Fotonica e Nanotecnologie)
• CNR - INFM (Istituto Nazionale per la Fisica della Materia)
• CNR - ISTM (Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari)
• CNR - ISMN (Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati)
• CRF - Centro Ricerche FIAT
• CSM - Centro Sviluppo Materiali
• INSTM (Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali)
• ENEA (Ente per le Nuove tecnologie, l'Energia e l'Ambiente) - Dipartimento Materiali e Nuove Tecnologie
• EniTecnologie
• INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
• ITC-irst / Centro per la ricerca scientifica e tecnologica
• Pirelli Labs
• Saes Getters
• Scuola Superiore Sant’Anna - CRIM (Centro di Ricerche in Microingegneria)
• Servitec
• STMicroelectronics
• Veneto Nanotech
Attività del Centro
- osservatorio permanente per la raccolta e selezione, sia a livello nazionale che internazionale, di informazioni, risultati e tendenze di ricerca,
applicazioni, dati e previsioni di mercato, attori sia a livello di ricerca che industriale, presenza e dislocazione di infrastrutture e apparecchiature
per la ricerca, programmi nazionali e della UE a sostegno della ricerca e innovazione, ecc.;
- censimento nazionale sulle nanotecnologie;
- diffusione capillare delle informazioni raccolte;
- attivazione di iniziative volte a far emergere e mettere in evidenza le necessità del mondo industriale in materia di ricerca di base, di
formazione e di addestramento, di infrastrutture e centri di competenza, di politiche nazionali di indirizzo e intervento;
- attivazione e facilitazione di contatti e collaborazioni per R&S tra imprese e tra imprese e istituzioni di ricerca;
- promozione e sostegno di iniziative ed eventi volti a favorire il trasferimento tecnologico e le applicazioni;
- programmazione e organizzazione di iniziative di formazione (corsi accademici, corsi brevi, scuole stive, stages, borse di studio, cc.).
A NANOTEC IT possono iscriversi sia organizzazioni attivi nella ricerca, sulle nanotecnologie (grandi imprese, PMI, centri di ricerca privati,
enti pubblici di ricerca, università, dipartimenti universitari), sia soggetti non impegnati direttamente in attività di ricerca, ma interessati a
seguirne evoluzione ed applicazioni (imprese, associazioni, enti finanziari, banche ecc.), sia infine fornitori di apparecchiature e
strumentazioni di ricerca sulle nanotecnologie. Gli iscritti che sono Soci Airi partecipano direttamente, attraverso il Comitato Direttivo,
all’indirizzo della attività del Centro mentre quelli che non sono Soci Airi avranno solo un ruolo consultivo, pur potendo contribuire a
tutte le iniziative e ovviamente fruire di tutti i servizi del Centro.
Per maggiori informazioni:
NANOTEC IT - c/o Airi - Viale Gorizia 25/c - 00198 Roma - tel. 068848831 - 068546662 - fax 068552949
[email protected] – www.nanotec.it