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Diamanti per la Vita Sensori cellulari

Paolo Olivero

Dipartimento di Fisica Centro inter-dipartimentale Interfacce e Superfici Nanostrutturate

Università di Torino

Torino, 11/04/2017

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La Fisica della Materia

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la materia ed i materiali

La Storia dei Materiali è una storia (la storia?) della Cultura Umana.

Fisica della Materia

-10000 -8000 -6000 -4000 0 -2000 2000

Età della Pietra Età del Bronzo

Età del Ferro

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Fisica della Materia

La più grande invenzione del Millennio?

Transistor

Laser

Antibiotici Radio

Motore a scoppio

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Fisica della Materia La più grande invenzione del Millennio?

La Stampa a Caratteri Mobili

Johannes Gutenberg (1398-1468)

fonti: nd -Life Magazine

carta inchiostro metalli teneri

Rivoluzione Culturale

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Premi Nobel per la Fisica 2006-2016

2012: S. Haroche, D. J. Wineland: Fisica atomica, ottica quantistica

2010: A. Geim, K. Novoselov : Grafene

2008: Y. Nambu: Fisica subatomica, rottura spontanea della simmetria

2007: A. Fert, P.Grünberg: Magnetoresistenza gigante

2006: J. C. Mather, G. F. Smoot: Anisotropia della radiazione cosmica

2013: F. Englert, P. Higgs: Bosone di Higgs

2015: T. Tajita, A. B. McDonald: oscillazioni neutriniche

2014: I. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura: Diodo ad emissione nel blu

2016: D. J. Thouless, F. D. M. Haldane, J. M. Kosterlitz: fasi topologiche della materia

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Premi Nobel per la Fisica 2006-2016

2012: S. Haroche, D. J. Wineland: Fisica atomica, ottica quantistica

2011: S. Perlmutter, B. P. Schmidt, A. G. Riess: Espansione

2010: A. Geim, K. Novoselov : Grafene

2008: Y. Nambu: Fisica subatomica, rottura spontanea della simmetria

2007: A. Fert, P.Grünberg: Magnetoresistenza gigante

2006: J. C. Mather, G. F. Smoot: Anisotropia della radiazione cosmica

2013: F. Englert, P. Higgs: Bosone di Higgs

2015: T. Tajita, A. B. McDonald: oscillazioni neutriniche

2014: I. Akasaki, H. Amano, S. Nakamura: Diodo ad emissione nel blu

2016: D. J. Thouless, F. D. M. Haldane, J. M. Kosterlitz: fasi topologiche della materia

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Inter-disciplinarità

Fisica della Materia

Fisica

Chimica

Scienza dei Materiali Archeologia

Biologia

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Diamanti per la vita

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dal greco:

(indistruttibile)

Il diamante

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Che cosa è il diamante Una delle numerose forme allotropiche del carbonio

diamante

grafite fullerene

nanotubo

grafene

carbonio amorfo

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Il Carbonio

C 6

Carbonio 12.0107

sp1 sp2 sp3

Tre tipi di orbitali ibridi

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Diamante e Grafite Equilibrio stabile e meta-stabile

Diagramma di fase del Carbonio

voi siete qui

A pressione e temperatura ambiente il diamante esiste come forma meta-stabile della grafite.

Il diamante naturale si forma ad alta pressione e temperatura

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Diamanti naturali e artificiali La Terra: fucina di diamanti

Nelle profondità della terra (litosfera: 140-190 km sotto la superficie, al di sotto di placche continentali relativamente stabili):

pressione: 4.5 6 GPa temperatura: 900 1300 C

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Diamanti naturali e artificiali Crescita ad alta pressione e temperatura

16

Diamanti naturali e artificiali Crescita ad alta pressione e temperatura

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Una (sorprendente) alternativa alla produzione ad alta pressione e temperatura: Bassissima pressione e (relativamente) bassa temperatura

La deposizione da fase di vapore (CVD)

Diamanti naturali e artificiali

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basso coefficiente di attrito

estrema trasparenza dal vicino ultra-violetto al lontano infra-rosso

alta mobilità dei portatori di carica

alto campo elettrico di breakdown

inerzia chimica

bio-compatibilità

possibilità di funzionalizzare chimicamente la superficie

centri di luminescenza a varie lunghezze

Altre proprietà di interesse

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Diamanti, scienza e tecnologia Realtà commerciali

ogni anno vengono prodotte più di 200 tonnellate di diamante artificiale per applicazioni industriali il mercato del diamante artificiale per applicazioni industriali ha superato quello dei diamanti naturali per la gioielleria dal 1978

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Diamanti, scienza e tecnologia

Diamonds are

scientists too!

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Il Cervello, una macchina perfetta

velocità di trasmissione segnali elettrici 120 m/s (432km/h)

Cervello, organo principale del sistema nervoso centrale

Nel cervello 10-100 miliardi di neuroni

Trasmissione segnali per via chimica (esocitosi) e per via elettrica (potenziali

1000 2000 neurotrasmettitori rilasciati ogni vescicola

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Il Cervello, una macchina perfetta

https://www.humanbrainproject.eu/

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Il Cervello, una macchina (quasi) perfetta

Malattia Numero di casi Costo annuo

(miliardi di $)

Depressione 18.700.000 30,4

Alzheimer 4.000.000 90

Epilessia 2.500.000 3,5

Schizofrenia 2.000.000 32,5

Parkinson 1.500.000 25

Malattie neurodegenerative causate da disfunzioni nei meccanismi di trasmissione dei segnali a livello neuronale

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La conversione tra diamante è grafite non avviene spontaneamente

Meno dura, chimicamente più reattiva, elettricamente conduttiva

A pressione e temperatura ambiente il diamante è metastabile

La grafite è stabile

Interazioni esterne

Carbonio amorfo

Trattamento termico

Microfabbricazione del diamante

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La litografia ionica

Diamante artificiale

CVD

HPHT

Canali conduttivi

Ioni accelerati ad energie

dei megaelettronvolt

Una tecnica estrema per un materiale estremo

27 Laboratory for Ion Beam Interactions,

Zagebria (Croazia) Acceleratorie AN2000, INFN

Laboratori Nazionali di Legnaro Padova (Italia)

Sorgente di ioni

Accelerazione

Impiantazione

La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

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DIAMANTE ATOMO DI CARBONIO

IONE ACCELERATO AD ALTA ENERGIA

Es. He @ 2 MeV

La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

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La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

DIAMANTE VACANZA = assenza di

un atomo in una posizione reticolare

INTERSTIZIALE = atomo in una posizione intra-

reticolare

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DIAMANTE

La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

31

DIAMANTE DIAMANTE CARBONIO AMORFO

profondità ~ m

La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

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La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

DIAMANTE DIAMANTE

Trattamento termico

CARBONIO AMORFO

33

La litografia ionica Una tecnica estrema per un materiale estremo

DIAMANTE DIAMANTE GRAFITE

34

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.00.0

5.0x1022

1.0x1023

1.5x1023

2.0x1023

va

ca

nc

y d

en

sit

y (

cm

-3)

d ( m)

La litografia ionica Fabbricazione tridimensionale

Profilo di danneggiamento da fasci di ioni MeV

Maschere a spessore variabile

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Biosensore a multielettrodo

60 canali grafitici per

cellulare

Biosensori cellulari a multi-elettrodo (MEA)

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Biosensoristica Cellule cromaffini

si trovano nel midollo della ghiandola surrenale

rilasciano adrenalina e noradrenalina

Ca2+

Ca2+

Sympathetic stimulation

Catecholamines

37

si trovano nel midollo della ghiandola surrenale

rilasciano adrenalina e noradrenalina

responsabile della risposta fuggi o combatti

Biosensoristica Cellule cromaffini

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Biosensoristica Rilevazione della esocitosi

Ossidazione

39

Biosensoristica Rilevazione della esocitosi

ottimo rapporto segnale/rumore e alta risolizione temporale

Stimolazione della secrezione di neurotrasmettitori tramite perfusione di soluzione di KCl

40

2D Gaussian mixture analysis distribuzione 3-modale: eventi larghi full fusion piccoli kiss-and-run

e stand- kiss-and-stay

Biosensoristica Rilevazione della esocitosi

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Biosensoristica Ippocampo

Regione del cervello responsabile di: memoria a lungo termine navigazione spaziale

L'ippocampo è una delle prime regioni del cervello a soffrire dei danni portando deficit di memoria e disorientamento

es. malattia di Alzheimer

42

Biosensoristica

43

Cellule piastrate sul dispositivo per

18 giorni

Esperimento farmacologico

Somministrata TTX (Tetrodotoxin)

TTX

Biosensoristica Rivelazione del

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Potenziale

Tessuto del nodo senoatriale con tessuto muscolare residuo

Biosensoristica Rivelazione del

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Soluzione Bay K

10 µM

f ~ 5 Hz

I ~ 600 µV

Migliora la cinetica dei

canali del calcio

Soluzione di cadmio

500 µM

Bloccante dei canali del

calcio

Esperimento

farmacologico

Soluzione salina

(Tyrode)

f ~ 2 Hz

I ~ 300 µV

Biosensoristica Rivelazione del

46

Concludendo...

I diamanti non si formano solo in condizioni naturali, ma possono essere sintetizzati

Il diamante non è solo una pietra preziosa, ma anche

un materiale di interesse per la ricerca e la tecnologia Fasci di ioni ad alta energia sono uno strumento utile e

versatile per la microfabbricazione del diamante In ambito biosensoristico, micro-dispostivi integrati

in diamante possono offrire soluzioni a diverse problematiche sperimentali

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Ringraziamenti Università di Torino

Dipartimento di Fisica Gruppo di Fisica dello Stato Solido

Centro inter-dipartimentale "NIS"

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica

Università di Ulm

Dipartimento di Scienza e Tecnologia del Farmaco

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Ringraziamenti

Fabio ( )

Giulia B (@ Istituto Italiano di Tecnologia)

Giulia G (@ ITT Motion Technologies)

Filippo (@ ITT Motion Technologies)

Marilena (@ Centro Ricerche FIAT)

49 Grazie !