MPH204

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 1

Solar Cells and Nanotechnology

Potential advancements in nanotechnology may open the door to the production of cheaper and slightly  more efficient solar cells.  Conventional solar cells are called photovoltaic cells. These cells are made out of  semiconducting material, usually silicon. When light hits the cells, they absorb energy though photons. This  absorbed energy knocks out electrons in the silicon, allowing them to flow. 

Diagram of a photovoltaic solar cell.

Conventional  solar  cells  have  two  main  drawbacks:  they  can  only  achieve  efficiencies  around  10%  and  they  are  expensive  to  manufacture.  The  first  drawback,  inefficiency,  is  almost  unavoidable  with  silicon  cells.  This  is  because the incoming photons, or light, must have  the  right  energy,  called  the  band  gap  energy,  to  knock out an electron. 

If the photon has less energy than the band gap energy then it will pass through. If it has more energy than the  band gap, then that extra energy will be wasted as heat. 

Nanotechnology  might  be  able  to  increase  the  efficiency  of  solar  cells, but the most promising application of nanotechnology is the reduction  of  manufacturing  cost.  The  nanorods  behave  as  wires  because  when  they  absorb  light  of  a  specific  wavelength  they  generate  electrons.  These  electrons  flow  through  the  nanorods  until  they  reach  the  aluminum  electrode  where  they  are  combined  to  form  a  current  and  are  used  as  electricity.  This  type  of  cell  is  cheaper  to  manufacture  than  conventional  ones  for  two  main  reasons.  First,  these  plastic  cells  are  not  made  from  silicon, which can be very expensive. Second, manufacturing of these cells  does  not  require  expensive  equipment  such  as  clean  rooms  or  vacuum  chambers like conventional silicon based solar cells. Instead, these plastic  cells can be manufactured in a beaker. 

Another  potential  feature  of  these  solar  cells  is  that  the  nanorods  could  be  ‘tuned’  to  absorb  various  wavelengths  of  light.  This  could  significantly  increase  the  efficiency  of  the  solar  cell  because  more  of  the  incident light could be utilized .Improvements such as this could make it possible to manufacture inexpensive  solar cells with the same efficiency as current technology. Since the manufacturing cost of conventional solar  cells  is  one  of  the  biggest  drawbacks,  this  new  technology  could  have  some  impressive  effects  on  our  daily  lives. Although this new technology is only capable of supplying low power devices with sufficient energy, its  implications  on  society  would  still  be  tremendous.  It  would  help  preserve  the  environment,  decrease  soldiers  carrying loads, provide electricity for rural areas, and have a wide array of commercial applications due to its  wireless capabilities. 

Dr.A.K.Agarwal

Single  Electron  Transistor:  The  single­electron  transistor  (SET)  is  a  nanodevice  that  can  control  the 

transport of single elementary charges on and off a metallic island. It can also function as transistor similarly to  a nowadays FET. The principles of the operation of the SET is determined by the Coulomb blockade, an energy  barrier  that  determines  the  current  flow  through  the  device  and  the  charge  placed  on  the  metallic  island.  Regulating the gate charge of the device can modify the Coulomb blockade. The SET can also be used as an  ultra­sensitive  electrometer  in  DC  ad  RF  mode.  Theoretical  calculations  show  a  charge  sensitivity  h  values  lower  than 1.7_106e/ Hz _{for  the  SET  and  experimental  research  gives  values  of 1.210}5_{e/ Hz.  The}  experimental value for the SET is 1000 times better than the field­effect transistor used as an electrometer. The  SET  can  thus  be  used  as  ultra­sensitive  electrometer  and  will  be  used  in  the  future  in  the  study  of  charged  nanoscale systems.

Principles of the Single Electron Transistor

The Coulomb Blockade

The single­electron transistor consists of a metallic island, placed between two tunneling junctions connected to  a drain and a source and has a gate electrode as in a normal field­effect transistor. The tunneling junctions are  simply a thin (<10 nm) oxide layer between the island and the electrodes. Quantum dots have also been used as  islands for the SET. The schematics of the SET are given in figure 1. Each tunneling junction in the SET has  intrinsic tunneling resistance and capacitance (parallel to each other). 

Fig. 1: Left: schematic circuit representation of the single­electron transistor. Right: a more realistic representation of what the ‘core’  of the single­electron transistor looks like.

The  island  of  the  single­electron  transistor,  even  if  very  small  (nanometric  scale)  still  contains  a  very  large  number of electrons (@109_{). Yet, through tunneling, one can add or subtract electrons from the island charging}  it either negatively or positively. The extra electrons that charge the island are called excess electrons and their  number  is  designed  by n.  The  number  of  excess  electrons  can  also  be  negative,  meaning  that  electrons  have  been removed leaving a positive charge on the island (one could talk of excess holes in this case). The presence  of excess electrons affects the electrostatic energy of the system, which depends on the charging energy of the  SET:

   

 

C e n C

Q

E isl

ch

2 2 2

2 1 2

1

       (1) where Qisl is the charge on the island, n the number of excess electrons, e the charge of one electron and CS the  total capacitance of the island which is equal to: C CG CL CR (CG, CL and CR are the gate capacitance and  the intrinsic capacitances of the left and right tunneling junctions respectively). The energy scale applied when  working with the SET is usually defined on the charging energy itself and the unit taken is usually:  



C e E_C

2 2

.  The energy does not only depends on Qisl, but also on the charge induced by the gate, the gate charge QG=VGCG 

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 3

where VG is the gate voltage. The electrostatic energy of the system is equal to Eel EC(nng)2, where n is  the number of excess electrons of the island and ng the number of elementary gate charges. The expression for  the electrostatic energy of the system then becomes:

 



 

 



C Q ne C

C V ne C

Q

E G G G

el

2

2 _{( )}

2 1 2 ) (

2 1 2

1

       (2) This energy determines if tunneling through a junction is forbidden or allowed: if the adding of an extra excess  electron  causes  the  energy  of  the  system  to  increase  then  tunneling  will  be  energetically  forbidden  and  the  Coulomb charging energy will act as a blockade. This is known as the Coulomb blockade. 

The drain­source voltage, VDS, determines the energy of the electrons before the junction. When this energy is  higher  than  the  Coulomb  blockade,  the  electrons  will  overcome  the  blockade  and  tunneling  will  occur.  The  height of the blockade is determined by the number of excess electrons on the island and the gate charge.

So the adding of an excess electron on the island will be either favorable or unfavorable depending on the gate  charge which on its turn depends on the gate voltage. We can see from equation (2) that if the gate charge is  equal  to  integer  values  of  elementary  charge e  the  Coulomb  blockade  will  be  active  and  there  will  be  no  tunneling of electrons in or out the island will occur (figure 2a). The transistor will be in the conducting state  (meaning that tunneling will lower the energy of the system) if the gate charge is equal to values that are half  integers of the electron charge, then the system have an energy minimum which is in between two states with  well­defined  elementary  charges.  This  will  cause  a  cascade  of  tunnel  events,  involving  the  two  junctions  sequentially, giving rise to a current between the drain and the source. This can be seen graphically in figure 2b.

 

Figure 2: Graphical representation of the Coulomb blockade in a) blocking state and b) in conducting state for the single electron  transistor. The transistor will be in the conducting state if the gate charge is equal to e(2N+1)/2 where N is an integer. If the gate  charge is equal to integer values of e the Coulomb blockade will be active and there will be no conduction. In the picture N1 and N2 

denote the numbers of electrons having tunneled through the junctions and p is an integer. (Source: Devoret & SchoelKopf, Nature  2000)

Dr.A.K.Agarwal

Dip­pen nanolithography

Dip  Pen  Nanolithography (DPN)  allows  surface  patterning  on  scales  of  under  sub  100 nanometers.  DPN  is  the nanotechnology analog  of  the dip  pen (also  called  the quill  pen),  where  the  tip  of  an  atomic  force  microscope cantilever acts as a "pen," which is coated with a chemical compound or mixture acting as an "ink,"  and put in contact with a substrate, the "paper."

Molecular inks are typically composed of small molecules that are  coated  onto  a  DPN  tip  and  are  delivered  to  the  surface  through  a  water  meniscus.  The  deposition  rate  of  a  molecular  ink  is  dependent on the diffusion rate of the molecule, which is different  for  each  molecule.  The  size  of  the  feature  is  controlled  by  the  tip/surface dwell­time (ranging from milliseconds to seconds) and  the size of the water meniscus.

Examples: Alkane thiols written to gold Silanes written to glass or silicon

Liquid  Inks: Liquid  inks  can  be  any  material  that  is  liquid  at 

deposition  conditions.  The  liquid  deposition  properties  are  determined  by  the  interactions  between  the  liquid  and the tip, the liquid and the surface, and the viscosity of the liquid itself. These interactions limit the minimum  feature size of the liquid ink to about 1 micrometre, depending on the contact angle of the liquid.

Examples

 Protein, peptide, and DNA patterning; Hydrogels; Sol gels; Conductive inks; Lipids

Applications

1. Nanoscale Sensor Fabrication ­ Small, high­value sensors that can detect multiple targets 2. Nanoscale Protein Chips ­ High­density protein arrays with increased sensitivity

3. Cell  engineering:  DPN  is  emerging  as  a  powerful  research  tool  for  manipulating  cells  at  subcellular  resolution.  Stem cell differentiation, Subcellular drug delivery, Cell sorting, Surface gradients, Cell and  tissue screening

4. Dip­Pen"  Nanolithography  on  Semiconductor  Surfaces: DPN  can  also  be  apply  to  semiconductor 

surfaces, such as silicon and gallium arsenide.   Unique advantages

 Directed Placement ­ Directly print various materials onto existing nano and microstructures with nanoscale 

registry

 Direct Write ­ Maskless creation of arbitrary patterns with feature resolutions from as small as 50 nm and as 

large as 10 micrometres[15]

 Biocompatible ­ Subcellular to nanoscale resolution at ambient deposition conditions  Scalable ­ Force independent, allowing for parallel depositions[16]

 Common misconceptions

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 5

A  quantum  dot  is  a  nanoparticle  made  of  any  semiconductor  material  such  as  silicon,  cadmium  selenide,  cadmium  sulfide,  or  indium  arsenide.  Quantum  dots  may  be  able  to  increase  the  efficiency  of  solar  cells.  In  normal solar cells, a photon of light generates one electron. Experiments with both silicon quantum dots and  lead sulfide quantum dots can generate two electrons for a single photon of light. Therefore, using quantum dots  in solar cells could significantly increase their efficiency in producing electric power.

Researchers are also working on the use of quantum dots in displays for applications ranging from your cell  phone to large screen televisions that would consume less power than current displays. By placing different size  quantum dots in each pixel of a display screen, the red, green, and blue colors used to generate the full spectrum  of colors would be available.

Quantum dots are semiconductor nanoparticles that glow a particular color after being illuminated by light. The  color they glow depends on the size of the nanoparticle. When the quantum dots are illuminated by UV light,  some of the electrons receive enough energy to break free from the atoms. This capability allows them to move  around the nanoparticle, creating a conduction band in which electrons are free to move through a material and  conduct electricity.

When these electrons drop back into the outer orbit around the atom (the valence band), they emit light. The  color of that light depends on the energy difference between the conduction band and the valence band.

Electrons  in  a  quantum  dot  generating  light.

The  smaller  the  nanoparticle,  the  higher  the 

energy  difference  between  the  valence  band 

and  conduction  band,  which  results  in  a  deeper 

blue  color.  For  a  larger  nanoparticle,  the  energy 

difference  between  the  valence  band  and  the 

conduction band is lower, which shifts the  glow 

toward red.

Many  semiconductor  substances  can  be  used  as  quantum  dots.  Nanoparticles  of  any  other  semiconductor  substance have the properties of a quantum dot. The gap between the valence band and the conduction band,  which is present for all semiconductor materials, causes quantum dots to fluoresce.

Dr.A.K.Agarwal

Nanowire

A nanowire is  a  nanostructure,  with  the  diameter  of  the  order  of  a  nanometer  (10−9 _{meters).  It  can  also  be}  defined  as  the  ratio  of  the  length  to  width  being  greater  than  20.  Alternatively,  nanowires  can  be  defined  as  structures  that  have  a  thickness  or  diameter  constrained  to  tens  of nanometers or  less  and  an  unconstrained  length. At these scales, quantum mechanical effects are important — which coined the term "quantum wires".  Many  different  types  of  nanowires  exist,  including  metallic  (e.g., Ni, Pt, Au),  semiconducting  (e.g., Si, InP, GaN,  etc.),  and  insulating  (e.g., SiO2, TiO2). Molecular  nanowires are  composed  of  repeating  molecular units either organic (e.g. DNA) or inorganic (e.g. Mo6S9­xIx).

The nanowires could be used, in the near future, to link tiny components into extremely small circuits.  Synthesis of nanowires

here  are  two  basic  approaches  to  synthesizing  nanowires:  top­down  and  bottom­up.  A  top­down  approach  reduces  a  large  piece  of  material  to  small  pieces,  by  various  means  such  as lithography or electrophoresis.  A  bottom­up approach synthesizes the nanowire by combining constituent adatoms. Most synthesis techniques use  a bottom­up approach.

Nanowire  production  uses  several  common  laboratory  techniques,  including  suspension,  electrochemical  deposition,  vapor  deposition,  andVLS growth. Ion  track  technology enables  growing  homogeneous  and  segmented nanowires down to 8 nm diameter.

Suspension[edit]

A  suspended  nanowire  is  a  wire  produced  in  a  high­vacuum  chamber  held  at  the  longitudinal  extremities.  Suspended nanowires can be produced by:

 The chemical etching of a larger wire

 The bombardment of a larger wire, typically with highly energetic ions

 Indenting the tip of a STM in the surface of a metal near its melting point, and then retracting it VLS Growth[edit]

A common technique for creating a nanowire is Vapor­Liquid­Solid (VLS) synthesis. This process can produce  crystalline nanowires of some semiconductor materials. It uses as source material either laser ablated particles  or a feed gas such as silane.

VLS synthesis requires a catalyst. For nanowires, the best catalysts are liquid metal (such as gold) nanoclusters,  which can either be self­assembled from a thin film by dewetting, or purchased in colloidal form and deposited  on a substrate.

Solution­phase synthesis[edit]

Solution­phase synthesis refers to techniques that grow nanowires in solution. They can produce nanowires of  many types of materials. Solution­phase synthesis has the advantage that it can produce very large quantities,  compared to other methods. In one technique, the polyol synthesis, ethylene glycol is both solvent and reducing  agent. This technique is particularly versatile at producing nanowires of lead, platinum, and silver.

Physics of nanowires Conductivity of nanowires

Nanowires also show other peculiar electrical properties due to their size. Unlike single wall carbon nanotubes,  whose  motion  of  electrons  can  fall  under  the  regime  of ballistic  transport (meaning  the  electrons  can  travel  freely from one electrode to the other), nanowire conductivity is strongly influenced by edge effects. The edge  effects come from atoms that lay at the nanowire surface and are not fully bonded to neighboring atoms like the  atoms within the bulk of the nanowire. The unbonded atoms are often a source of defects within the nanowire, 

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 7

and may cause the nanowire to conduct electricity more poorly than the bulk material. As a nanowire shrinks in  size, the surface atoms become more numerous compared to the atoms within the nanowire, and edge effects  become more important.

Welding nanowires[edit]

For nanowires with diameters less than 10 nm, existing welding techniques, which require precise control of the  heating mechanism and which may introduce the possibility of damage, will not be practical. Recently scientists  discovered  that  single­crystalline  ultrathin  gold  nanowires  with  diameters  ~3­10 nm  can  be  "cold­welded"  together  within  seconds  by  mechanical  contact  alone,  and  under  remarkably  low  applied  pressures  (unlike  macro­  and  micro­scale cold  welding process).  Nanowire  welds  were  also  demonstrated  between  gold  and  silver, and silver nanowires (with diameters ~5­15 nm) at near room temperature, indicating that this technique  may be generally applicable for ultrathin metallic nanowires. 

Electronic devices

Nanowires  still  belong  to  the  experimental  world  of  laboratories.  However,  they  may  complement  or  replace carbon nanotubes in some applications. Some early experiments have shown how they can be used to  build the next generation of computing devices.

To create active electronic elements, the first key step was to chemically dope a semiconductor nanowire. This  has already been done to individual nanowires to create p­type and n­type, p­n junction  semiconductors.

Conducting  nanowires  offer  the  possibility  of  connecting  molecular­scale  entities  in  a  molecular  computer.  Dispersions  of  conducting  nanowires  in  different  polymers  are  being  investigated  for  use  as  transparent  electrodes for flexible flat­screen displays.

Sensing of proteins and chemicals using semiconductor nanowires[edit]

In an analogous way to FET devices in which the modulation of conductance (flow of electrons/holes) in the  semiconductor,  between  the  input  (source)  and  the  output  (drain)  terminals,  is  controlled  by  electrostatic  potential variation (gate­electrode) of the charge carriers in the device conduction channel, the methodology of  a Bio/Chem­FET is based on the detection of the local change in charge density, or so­called “field effect”, that  characterizes the recognition event between a target molecule and the surface receptor.

While several inorganic semiconducting materials such as Si, Ge, or metal oxides (e.g. In2O3, SnO2, ZnO, etc.)  have  been  used  for  the  preparation  of  nanowires.  Silicon  nanowires  are  usually  the  material  of  choice  when  fabricating nanowire FET­based chemo/biosensors.

Dr.A.K.Agarwal

Nanorod

nanorods have  dimensions  range  from  1–100 nm.  They  may  be  synthesized  from  metals  or  semiconducting  materials. Standard aspect ratios (length divided by width) are 3­5. Nanorods are produced by direct chemical  synthesis. A combination of ligands act as shape control agents and bond to different facets of the nanorod with  different strengths. This allows different faces of the nanorod to grow at different rates, producing an elongated  object.

One  potential  application  of  nanorods  is  in  display  technologies,  because  the  reflectivity  of  the  rods  can  be  changed  by  changing  their  orientation  with  an  applied  electric  field.  Another  application  is  for microelectromechanical  systems (MEMS).  Nanorods,  along  with  other  noble  metal  nanoparticles,  also  function as theragnostic agents. Nanorods absorb in the near IR, and generate heat when excited with IR light.  This  property  has  led  to  the  use  of  nanorods  as  cancer  therapeutics.  Nanorods  can  be  conjugated  with  tumor  targeting  motifs  and  ingested.  When  a  patient  is  exposed  to  IR  light  (which  passes  through  body  tissue),  nanorods  selectively  taken­up  by  tumor  cells  are  locally  heated,  destroying  only  the  cancerous  tissue  while  leaving healthy cells intact.

Nanorods based on semiconducting materials have also been investigated for application as energy harvesting  and  light  emitting  devices.  In  2006,  Ramanathan  et  al.  demonstrated1 _{electric­field  mediated  tunable}  photoluminescence  from  ZnO  nanorods,  with  potential  for  application  as  novel  sources  of  near­ultraviolet  radiation. 

Synthesis

ZnO nanorods  :Zinc oxide (ZnO) nanorod, also known as nanowire, has a direct bandgap energy of 3.37 eV  and  it  has  an  excitation binding  energy of  60  meV.  Recent  years,  ZnO  nanorods  have  been  intensely  used  to  fabricate  nano­scale  electronic  devices,  including field  effect  transistor,  ultraviolet photodetector, Schottky  diode, and ultra­bright light­emitting diode (LED). Among various methods for fabrication, growing from vapor  phase  is  the  most  developed  approach.  In  a  typical  growth  process,  ZnO  vapor  is  condensed  onto  a  solid  substrate. ZnO vapor can be generated by three methods: thermal evaporation, chemical reduction, and Vapor­ Liquid­Solid (VLS)  method.  In  the  thermal  evaporation  method,  commercial  ZnO  powder  is  mixed  with  SnO2 and  evaporated  by  heating  the  mixture  at  elevated  temperature.  In  the  chemical  reduction  method,  zinc  vapor, generated by the reduction of ZnO, is transferred to the growth zone, followed by reoxidation to ZnO.  Metal­organic chemical vapor deposition (MOCVD) has also been recently developed. No catalyst is involved  in this process and the growth temperature is at 400 ~500 °C, i.e. considerably milder conditions compared to  the traditional vapor growth method.

Gold nanorods: The seed­mediated growth method is the most common and achieved method for synthesizing  high­quality gold nanorods. A typical growth protocol involves the addition of citrate­capped gold nanospheres,  served  as  seeds,  to  the  bulk  HAuCl4 growth  solution.  The  growth  solution  is  obtained  by  the  reduction  of  HAuCl4 with ascorbic  acid in  the  presence  of cetyltrimethylammonium  bromide (CTAB) surfactant and  silver  ions. Longer nanorods (up to an aspect ratio of 25) can be obtained in the absence of silver nitrate by use of a  three­step addition procedure. 

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 9

Cation  Exchange: Cation  exchange  is  a  conventional  but  promising  technique  for  new  nanorod  synthesis.  Cation exchange transformations in nanorods are kinetically­favorable and often shape­conserving. Compared  to  bulk  crystal  systems,  the  cation  exchange  of  nanorods  is  million­times  faster  due  to  high  surface  area.  Existing nanorods serve as templates to make a variety of nanorods that are not accessible in traditional wet­ chemical  synthesis.  Furthermore,  complexity  can  be  added  by  partial  transformation,  making  nanorod  heterostructures.

Exciton:  An exciton is a bound state of an electron and an electron hole which are attracted to each other by  the  electrostatic Coulomb  force.  It  is  an  electrically  neutral quasiparticle that  exists  in insulators, semiconductors and  in  some  liquids.  The  exciton  is  regarded  as  an  elementary  excitation  of condensed matter that can transport energy without transporting net electric charge.[2] _{The distance between} 

the electron and the hole within an exciton is called Bohr radius of the exciton.

An exciton can form when a photon is absorbed by a semiconductor. This excites an electron from the valence  band into the conduction band. In turn, this leaves behind a positively­charged electron hole (an abstraction for  the  location  from  which  an  electron  was  moved).  The  electron  in  the  conduction  band  is  then  effectively  attracted to this localized hole by the repulsive Coulomb forces from large numbers of electrons surrounding  the hole and excited electron. This attraction provides a stabilizing energy balance. Consequently, the exciton  has slightly less energy than the unbound electron and hole. However, the binding energy is much smaller and  the particle's size much larger than a hydrogen atom. 

Quantum confinement in a semiconductor

Typical exciton Bohr radius of semiconductors is of a few nanometers. In bulk semiconductors, the exciton can  move freely in all directions. When the length of a semiconductor is reduced

to the same order as the exciton radius, i.e., to a few nanometers, quantum confinement effect

occurs and the exciton properties are modified. Depending on the dimension of the confinement, confinement,  three kinds of confined structures are defined: quantum well (sometimes termed QW), quantum wire (QWR)  and quantum dot (QD). In a QW, the material size is reduced only in one direction and the exciton can move  freely  in  other  two  directions.  In  a  QWR,  the  material  size  is  reduced  in  two  directions  and  the  exciton  can  move freely in one direction only. In a

QD, the material size is reduced in all directions and the exciton can not move freely in any direction.

Quantum dots are said to be in the 'weak confinement regime' if their radii are on the order of the exciton Bohr  radius; quantum dots are said to be in the 'strong confinement regime' if their radii are smaller than the exciton  Bohr  radius.  If  the  size  of  the  quantum  dot  is  small  enough  that  the  quantum  confinement  effects  dominate  (typically less than 10 nm), the electronic and optical properties are highly tunable.

Band gap energy

The  band  gap  can  become  larger  in  the  strong  confinement  regime  where  the  size  of  the  quantum  dot  is  smaller  than  the  Exciton Bohr radius ab* as the energy levels split up. 

where  ab is  the  Bohr  radius=0.053 nm,  m  is  the  mass,  μ  is  the  reduced mass, and εr is the size­dependent dielectric constant

Dr.A.K.Agarwal

This results in the increase in the total emission energy (the sum of the energy levels in the smaller band gaps in  the strong confinement regime is larger than the energy levels in the band gaps of the original levels in the weak  confinement  regime)  and  the  emission  at  various  wavelengths;  which  is  precisely  what  happens  in  the  sun,  where the quantum confinement effects are completely dominant and the energy levels split up to the degree  that the energy spectrum is almost continuous, thus emitting white light.

Confinement energy

The  exciton  entity  can  be  modeled  using  the  particle  in  the  box.  The  electron  and  the  hole  can  be  seen  as  hydrogen  in  the Bohr  model with  the  hydrogen  nucleus  replaced  by  the  hole  of  positive  charge  and  negative  electron mass. Then the energy levels of the exciton can be represented as the solution to the particle in a box at  the ground level (n = 1) with the mass replaced by the reduced mass. Thus by varying the size of the quantum  dot, the confinement energy of the exciton can be controlled.

Bound exciton energy

There  is  Coulomb  attraction  between  the  negatively  charged  electron  and  the  positively  charged  hole.  The  negative  energy  involved  in  the  attraction  is  proportional  to  Rydberg's  energy  and  inversely  proportional  to  square  of  the  size­dependent  dielectric  constant[6] _{of  the  semiconductor.  When  the  size  of  the  semiconductor}  crystal is smaller than the Exciton Bohr radius, the Coulomb interaction must be modified to fit the situation. Therefore, the sum of these energies can be represented as:

where μ is the reduced mass, a is the radius, me is the free electron mass, mh is the hole mass, and εr is the size­

dependent dielectric constant.

Although  the  above  equations  were  derived  using  simplifying  assumptions,  the  implications  are  clear;  the  energy of the quantum dots are dependent on their size due to the quantum confinement effects, which dominate  below the critical size leading to changes in the optical properties. This effect of quantum confinement on the  quantum  dots  have  been  experimentally  verified[7] _{and  is  a  key  feature  of  many  emerging  electronic}  structures.[8][9]

Besides  confinement  in  all  three  dimensions  (i.e.,  a  quantum  dot),  other  quantum  confined  semiconductors  include:

Colloidal Synthesis

Colloidal semiconductor nanocrystals are synthesized from  precursor  compounds  dissolved  in  solutions,  much  like traditional chemical processes. The synthesis of colloidal quantum dots is done by using precursors, organic  surfactants, and solvents. 

Heating the solution at high temperature, the precursors decompose forming monomers which then nucleate and  generate nanocrystals. The temperature during the synthetic process is a critical factors in determining optimal  conditions  for  the  nanocrystal  growth.  It  must  be  high  enough  to  allow  for  rearrangement  and  annealing  of  atoms during the synthesis process while being low enough to promote crystal growth. 

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 11

The concentration of monomers is another critical factor that has to be stringently controlled during nanocrystal  growth. The growth process of nanocrystals can occur in two different regimes, "focusing" and "defocusing".  At  high  monomer  concentrations,  the  critical  size  (the  size  where  nanocrystals  neither  grow  nor  shrink)  is  relatively  small,  resulting  in  growth  of  nearly  all  particles.  In  this  regime,  smaller  particles  grow  faster  than  large ones (since larger crystals need more atoms to grow than small crystals) resulting in "focusing" of the size  distribution  to  yield  nearly  monodisperse  particles.  The  size  focusing  is  optimal  when  the  monomer  concentration  is  kept  such  that  the  average  nanocrystal  size  present  is  always  slightly  larger  than  the  critical  size. Over time, the monomer concentration diminishes, the critical size becomes larger than the average size  present, and the distribution "defocuses".

Typical dots are made of binary alloys such as cadmium selenide, cadmium sulfide, indium arsenide, andindium  phosphide. Dots may also be made from ternary alloys such as cadmium selenide sulfide. These quantum dots  can contain as few as 100 to 100,000 atoms within the quantum dot volume, with a diameter of 10 to 50 atoms.  This corresponds to about 2 to 10 nanometers, and at 10 nm in diameter, nearly 3 million quantum dots could be  lined up end to end and fit within the width of a human thumb.

Large  batches  of  quantum  dots  may  be  synthesized  via colloidal  synthesis.  Due  to  this  scalability  and  the  convenience of benchtop conditions, colloidal synthetic methods are promising for commercial applications.

Auger Electron Spectroscopy (AES)

The Auger Process: X­ray and high energy electron bombardment of atom can create core hole Core hole will  eventually decay via either

(i) photon emission (x­ray fluorescence ­XRF) more likely for deep core hole (high BE) high Z elements (ii) radiationless internal rearrangement (Auger process) more likely for shallow core hole (low BE) low 

Z elements (almost exclusively  for Z<15) Auger process is a  three electron process and  leaves atom doubly­ionized ­ occurs independently of incident excitation (doesn't "compete" with  photoemission)

• Photon not much use for surface analysis since propagates large distances in solid (but is used for x­ray  microprobe analysis in SEM/TEM)

• Auger electrons produced with similar kinetic energies to photoelectrons so similar surface sensitivity • Initial core hole can be generated by x­rays see Auger peaks in XPS or electrons (most common in AES)  spectrum contains Auger, incident and inelastically scattered electrons but no photoemission peaks!

In simple, one­electron picture (ignoring relaxation or final state effects), X­ ray photon   h   ≈ EA ­ EB

Auger electron  KE  ≈ EA ­ EB  ­ EC  ­ 

Dr.A.K.Agarwal

by core –hole to overcomeBE

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 13

Nanorobotics

Nanorobotics is the emerging technology field creating machines or robots whose components are at or close to  the scale of a nanometer (10−9_{meters). More specifically, nanorobotics refers to the nanotechnology engineering}  discipline of designing and building nanorobots, with devices ranging in size from 0.1–10 micrometers and  constructed of nanoscale or molecular components.      

Nanomachines are largely in the research­and­development phase, _{but some primitive molecular machines have}  been tested. An example is a sensor having a switch approximately 1.5 nanometers across, capable of counting  specific molecules in a chemical sample. The first useful applications of nanomachines might be in medical  technology, _{which could be used to identify and destroy cancer cells. Another potential application is the}  detection of toxic chemicals, and the measurement of their concentrations.

Another definition is a robot that allows precision interactions with nanoscale objects, or can manipulate with  nanoscale resolution. Such devices are more related to microscopy or scanning probe microscopy, instead of the  description of nanorobots as molecular machine. Following the microscopy definition even a large apparatus  such as an atomic force microscope can be considered a nanorobotic instrument when configured to perform  nanomanipulation. For this perspective, macroscale robots or microrobots that can move with nanoscale  precision can also be considered nanorobots. 

Since nanorobots would be microscopic in size, it would probably be necessary for very large numbers of them  to work together to perform microscopic and macroscopic tasks.

Approaches

Biochip : The joint use of nanoelectronics, photolithography, and new biomaterials provides a possible  approach to manufacturing nanorobots for common medical applications, such as for surgical instrumentation,  diagnosis and drug delivery. This method for manufacturing on nanotechnology scale is currently in use in the  electronics industry. 

Nubots   :  Nubot is an abbreviation for "nucleic acid robot." Nubots are organic molecular machines at the  nanoscale. DNA structure can provide means to assemble 2D and 3D nanomechanical devices. DNA based  machines can be activated using small molecules, proteins and other molecules of DNA. Biological circuit gates  based on DNA materials have been engineered as molecular machines to allow in­vitro drug delivery for 

targeted health problems. Such material based systems would work most closely to smart biomaterial drug  system delivery, while not allowing precise in vivo teleoperation of such engineered prototypes.

Positional nanoassembly:Nanofactory Collaboration, founded by Robert Freitas and Ralph 

Merkle , specifically aimed at developing positionally­controlled diamond mechanosynthesis and  a diamondoid nanofactory that would have the capability of building diamondoid medical nanorobots.

Bacteria­based :This approach proposes the use of biological microorganisms, like the bacterium Escherichia  coli. Thus the model uses a flagellum for propulsion purposes. Electromagnetic fields normally control the  motion of this kind of biological integrated device. 

Open technology: A document with a proposal on nanobiotech development using open technology 

approaches has been addressed to the United Nations General Assembly.[31] _{According to the document , the use}  of nanobiotechnology should be established as a human heritage for the coming generations, and developed as 

Dr.A.K.Agarwal

an open technology based on ethical practices for peaceful purposes. Open technology is stated as a  fundamental key for such an aim.

Nanorobot Race :In the same ways that technology development had the space race and nuclear arms race, a  race for nanorobots is occurring There is plenty of ground allowing nanorobots to be included among 

the emerging technologies. Some of the reasons are that large corporations, such as General Electric, Hewlett­ Packard and Northrop Grumman have been recently working in the development and research of nanorobots.

Potential applications

Nanomedicine :Potential applications for nanorobotics in medicine include early diagnosis and targeted drug­ delivery for cancer, biomedical instrumentation,  surgery, pharmacokinetics monitoring of diabetes, and health  care. In such plans, future medical nanotechnology is expected to employ nanorobots injected into the patient to  perform work at a cellular level. Such nanorobots intended for use in medicine should be non­replicating, as  replication would needlessly increase device complexity, reduce reliability, and interfere with the medical  mission.

Today,  harmful  side  effects  of  treatments  such  as chemotherapy are  commonly  a  result  of  drug  delivery  methods  that  don't  pinpoint  their  intended  target  cells  accurately. Researchers  at Harvard and MIT,  however,  have  been  able  to  attach  special RNA strands,  measuring  nearly  10 nm  in  diameter,  to  nano­particles,  filling  them  with  a  chemotherapy  drug.  These  RNA  strands  are  attracted  to cancer  cells.  When  the  nanoparticle  encounters a cancer cell, it adheres to it, and releases the drug into the cancer cell. This directed method of drug  delivery has great potential for treating cancer patients while avoiding negative effects (commonly associated  with improper drug delivery). 

Another  useful  application  of  nanorobots  is  assisting  in  the  repair  of  tissue  cells  alongside white  blood  cells. The  recruitment  of  inflammatory  cells  or  white  blood  cells  (which  includeneutrophils, lymphocytes, monocytes and mast cells) to the affected area is the first response of tissues  to injury. Because of their small size nanorobots could attach themselves to the surface of recruited white cells,  to squeeze their way out through the walls of blood vessels and arrive at the injury site, where they can assist in  the tissue repair process. Certain substances could possibly be utilized to accelerate the recovery.

Drug delivery

Nanotechnology  has  provided  the  possibility  of  delivering  drugs  to  specific  cells  using  nanoparticles.  The  overall drug consumption and side­effects may be lowered significantly by depositing the active agent in the  morbid region only and in no higher dose than needed. This highly selective approach would reduce costs and  human suffering. An example can be found in dendrimers and nanoporous materials. Another example is to use  block  co­polymers,  which  form micelles for  drug  encapsulation. They  could  hold small  drug  molecules transporting  them  to  the  desired  location.  Another  vision  is  based  on  small  electromechanical  systems; nanoelectromechanical systems are being investigated for the active release of drugs. Some potentially  important  applications  include  cancer  treatment  with  iron  nanoparticles  or  gold  shells.  A  targeted  or  personalized  medicine  is  intended  to  reduce  the  drug  consumption  and  treatment  expenses  resulting  in  an  overall societal benefit by reducing the costs to the public health system.

Nanomedical  approaches  to drug  delivery center  on  developing nanoscale  particles or  molecules  to  improve  drug bioavailability. Bioavailability refers to the presence of drug molecules where they are needed in the body 

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 15

and  where  they  will  do  the  most  good.  Drug  delivery  focuses  on  maximizing  bioavailability  both  at  specific  places  in  the  body  and  over  a  period  of  time.  This  can  potentially  be  achieved  by  molecular  targeting  by  nanoengineered devices.  In vivo imaging is another area where tools and devices are being developed. Using  nanoparticle contrast  agents,  images  such  as  ultrasound  and  MRI  have  a  favorable  distribution  and  improved  contrast. The new methods of nanoengineered materials that are being developed might be effective in treating  illnesses and diseases such as cancer. What nanoscientists will be able to achieve in the future is beyond current  imagination.  This  might  be  accomplished  by  self  assembled  biocompatible  nanodevices  that  will  detect,  evaluate, treat and report to the clinical doctor automatically.

Drug  delivery  systems,  lipid­  or  polymer­based  nanoparticles, can  be  designed  to  improve  the pharmacological and therapeutic properties of drugs. The strength of drug delivery systems is their ability to  alter  the pharmacokinetics and biodistribution of  the  drug.  When  designed  to  avoid  the  body's  defence  mechanisms, nanoparticles have beneficial properties that can be used to improve drug delivery. Where larger  particles  would  have  been  cleared  from  the  body,  cells  take  up  these  nanoparticles  because  of  their  size.  Complex  drug  delivery  mechanisms  are  being  developed,  including  the  ability  to  get  drugs  through  cell  membranes and into cell cytoplasm. Drugs are placed in the body and only activate on encountering a particular  signal.    Potential  nanodrugs  will  work  by  very  specific  and  well­understood  mechanisms;  one  of  the  major  impacts of nanotechnology and nanoscience will be in leading development of completely new drugs with more  useful behavior and less side effects.

It  is  greatly  observed  that nanoparticles  are  promising  tools  for  the  advancement  of drug  delivery, medical  imaging, and as diagnostic sensors. However, the biodistribution of these nanoparticles is still imperfect due to  the complex host's reactions to nano­ and microsized materials and the difficulty in targeting specific organs in  the  body.  While  advancement  of  research  proves  that  targeting  and  distribution  can  be  augmented  by  nanoparticles,  the  dangers  of  nanotoxicity  become  an  important  next  step  in  further  understanding  of  their  medical uses. 

Applications and reported research studies

 Abraxane, approved by the U.S. Food and Drug Administration (FDA) to treat breast cancer and non­small­  cell lung cancer (NSCLC), is the nanoparticle albumin bound paclitaxel.

 In a mice study, scientists from Rice University  reported enhanced effectiveness and reduced toxicity of an  existing  treatment  for head  and  neck  cancer when  using  the  nanoparticles  to  deliver  the  drug.  The hydrophilic carbonic clusters functionalized with polyethylene glycol or PEG­HCC are mixed with the  chemotherapeutic  drug paclitaxel (Taxol)  and  the epidermal  growth  factor  receptor (EGFR)  targeted Cetuximab and  injected  intravenously.  They  found  the  tumors  were  killed  more  effectively  with  radiation and the healthy tissue suffered less toxicity than without the nanotechnology drug delivery. 

 Researchers at Case Western Reserve University reported using nanoparticle chain to deliver doxorubicin to  breast cancer cells in a mice study. Three magnetic, iron­oxide nanospheres were chemically linked to one  doxorubicin­loaded liposome and  formed  a  100 nm  long  nanoparticle  chain.  After  the  nanochains  penetrated the tumor, radiofrequency field was generated that caused the magnetic nanoparticles to vibrate  and rupture the liposome, dispersing the drug in its free form throughout the tumor. The result showed that  the  nano  treatment  was  more  effective  in  halting  tumor  growth  than  the  standard  treatment  with  doxorubicin.  It  is  also  less  harmful  to  healthy  cells  since  only  5%  to  10%  of  the  standard  dose  of  doxorubicin were used. 

 Nanoparticles  made  of polyethylene  glycol (PEG)  carrying  payload  of antibiotics at  its  core  could  swift charge thus  allowing  them  to  target  bacterial  infection  more  precisely  inside  the  body,  a  group 

Dr.A.K.Agarwal

of MIT researchers reported. The nanoparticles, containing a sub­layer of pH sensitive chains of the amino  acid histidine, carry a slightly negative charge when circulating in the blood stream, can evade detection and  clearing by the immune system. When they encounter an infection site the particles gain a positive charge  provoked by the slightly acidic environment at the infection sites, allowing them to bind to the negatively  charged bacterial cell walls and release antibiotics at locally high concentration. This nano delivery system  can potentially destroy bacteria even it has developed resistance to antibiotics because of the targeted high  dose and prolonged release of the drug. 

 Using  the biomimetic strategy,  researchers  in  the Harvard  University Wyss  Institute demonstrated  in  a  mouse  model  that  the  drug  coated  nanoparticles  can  dissolve  blood  clots  by  selectively  binding  to  the  narrowed regions in the blood vessels – just like the platelets do. By précised targeting and concentrating  drug at the location of obstruction, the dose used is less than 1/50th of the normal dose. 

 The X­shaped RNA nanoparticles capable of carrying four functional modules were created by researchers  in the University of Kentucky. These RNA molecules are chemically and thermodynamically stable, able to  remain  intact  in  the  mouse  body  for  more  than  8  hours  and  to  resist  degradation  by RNase in  the  blood  stream. The X­shaped RNA can achieve therapeutic and diagnostic functions by regulating gene expression  and cellular function, and binding to cancer cells with precision.

 An  early  phase  clinical  trial  using  the  platform  of  ‘Minicell’  nanoparticle  for  drug  delivery  Researchers  at The Methodist Hospital Research Institute in Houston have created ‘LeukoLike Vectors’ or LLVs. LLVs  are the drug­carrying silicon nanoparticles coated with the lipoproteinremoved from the membranes of the  white blood cells, leukocytes. The ‘cloaked’ nanoparticles were found to behave like leukocytes, are able to  evade the body immune system and survive much longer in vivo when studied in mice. 

Protein and peptide delivery

Protein and peptides exert multiple biological actions in human body and they have been identified as showing  great  promise  for  treatment  of  various  diseases  and  disorders.  These  macromolecules  are  called biopharmaceuticals.  Targeted  and/or  controlled  delivery  of  these  biopharmaceuticals  using nanomaterials like nanoparticles and Dendrimers is  an  emerging  field  callednanobiopharmaceutics,  and  these products are called nanobiopharmaceuticals.

Applications and reported research studies

 Nanoparticles  delivering  the  myelin  antigens  were  found  to  induce immune  tolerance in  a  mouse  model  with  relapsing multiple  sclerosis. Biodegradable polystyrene microparticles  coated  with  the myelin  sheath peptides reset  the  mouse’s immune  system and  prevent  the  disease  from  recurring  or  reduce  the  symptoms  by  halting  the  attack  of  the  immune  system  to  the  protective  myelin  sheath  coating  the nerve  fibers of  the central  nervous  system.  Team  of  researchers  in Northwestern  University indicated  that  this  treatment method can potentially be used in otherautoimmune diseases.[31][32]

 Researchers  at UCLA developed  a  nanoparticle  system  with  water­soluble  shell  encapsulated  a  protein  derived from bird anemia virus, apoptin. Apoptin selectively sends ‘self­destruct’ signal to tumor cells and  trigger  the  programmed  cell  death  (apoptosis)  as  it  builds  up  in  the nucleus,  while  leaving  healthy  cells  unharmed. In the mouse model of human breast cancer, the treatment was found to significantly reduce the  tumors’ growth. This new form of treatment resembles chemotherapy and gene therapy but without the risk  of  harming  healthy  cells,  a  common  pitfall  of  chemotherapy,  and  no  probability  of genetic  mutation that  usually accompanies gene therapy.[33][34]

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 17

A schematic illustration showing how nanoparticles or other cancer drugs might be used to treat cancer. The  small size of nanoparticles endows them with properties that can be very useful in oncology, particularly in  imaging. Quantum dots (nanoparticles with quantum confinement properties, such as size­tunable light 

emission), when used in conjunction with MRI (magnetic resonance imaging), can produce exceptional images 

of tumor sites. These nanoparticles are  much 

brighter than organic dyes and only need  one light 

source for excitation. This means that the  use of 

fluorescent quantum dots could produce a  higher 

contrast image and at a lower cost than  today's 

organic dyes used as contrast media. The  downside, 

however, is that quantum dots are usually  made of 

quite toxic elements.

Another nanoproperty, high surface area to  volume 

ratio,  allows  many  functional  groups  to  be  attached to a 

nanoparticle,  which  can  seek  out  and  bind  to 

certain tumor  cells.  Additionally,  the  small  size  of 

nanoparticles (10 to 100 nanometers), allows them to preferentially accumulate at tumor sites (because tumors  lack an effective lymphatic drainage system). A very exciting research question is how to make these imaging  nanoparticles  do  more  things  for  cancer.  For  instance,  is  it  possible  to  manufacture  multifunctional  nanoparticles  that  would  detect,  image,  and  then  proceed  to  treat  a  tumor?  This  question  is  under  vigorous  investigation;  the  answer  to  which  could  shape  the  future  of  cancer  treatment. A  promising  new  cancer  treatment  that  may  one  day  replace  radiation  and  chemotherapy  is  edging  closer  to  human  trials.Kanzius  RF therapy  attaches  microscopic  nanoparticles  to  cancer  cells  and  then  "cooks"  tumors  inside  the  body  with  radio waves that heat only the nanoparticles and the adjacent (cancerous) cells.

Sensor test chips containing thousands of nanowires, able to detect proteins and other biomarkers left behind by  cancer  cells,  could  enable  the  detection  and  diagnosis  of  cancer  in  the  early  stages  from  a  few  drops  of  a  patient's blood. 

The  basic  point  to  use  drug  delivery  is  based  upon  three  facts:  a)  efficient  encapsulation  of  the  drugs,  b)  successful delivery of said drugs to the targeted region of the body, and c) successful release of that drug there. Researchers at Rice University , have demonstrated the use of 120 nm diameter nanoshells coated with gold to  kill  cancer  tumors  in  mice.  The  nanoshells  can  be  targeted  to  bond  to  cancerous  cells  by  conjugating antibodies or peptides to the nanoshell surface. By irradiating the area of the tumor with an infrared  laser, which passes through flesh without heating it, the gold is heated sufficiently to cause death to the cancer  cells.[37]

Nanoparticles of cadmium selenide (quantum dots) glow when exposed to ultraviolet light. When injected, they  seep into cancer tumors. The surgeon can see the glowing tumor, and use it as a guide for more accurate tumor  removal.

In photodynamic therapy, a particle is placed within the body and is illuminated with light from the outside. The  light gets absorbed by the particle and if the particle is metal, energy from the light will heat the particle and  surrounding  tissue.  Light  may  also  be  used  to  produce  high  energy  oxygen  molecules  which  will  chemically  react with and destroy most organic molecules that are next to them (like tumors). This therapy is appealing for  many  reasons.  It  does  not  leave  a  “toxic  trail”  of  reactive  molecules  throughout  the  body  (chemotherapy)  because it is directed where only the light is shined and the particles exist. Photodynamic therapy has potential  for a noninvasive procedure for dealing with diseases, growth and tumors.

Dr.A.K.Agarwal

Surgery

At Rice University, a flesh welder is used to fuse two pieces of chicken meat into a single piece. The two pieces  of chicken are placed together touching. A greenish liquid containing gold­coatednanoshells is dribbled along  the seam. An infrared laser is traced along the seam, causing the two sides to weld together. This could solve  the difficulties and blood leaks caused when the surgeon tries to restitch the arteries that have been cut during a  kidney or heart transplant. The flesh welder could weld the artery perfectly.[38]

Visualization

Tracking  movement  can  help  determine  how  well  drugs  are  being  distributed  or  how  substances  are  metabolized. It is difficult to track a small group of cells throughout the body, so scientists used to dye the cells.  These dyes needed to be excited by light of a certain wavelength in order for them to light up. While different  color  dyes  absorb  different  frequencies  of  light,  there  was  a  need  for  as  many  light  sources  as  cells.  A  way  around this problem is with luminescent tags. These tags are quantum dots attached to proteins that penetrate  cell membranes. The dots can be random in size, can be made of bio­inert material, and they demonstrate the  nanoscale property that color is size­dependent. As a result, sizes are selected so that the frequency of light used  to make a group of quantum dots fluoresce is an even multiple of the frequency required to make another group  incandesce. Then both groups can be lit with a single light source.

Tissue engineering

Nanotechnology may be able to help reproduce or repair damaged tissue. “Tissue engineering” makes use of  artificially stimulated cell proliferation by using suitable nanomaterial­based scaffolds and growth factors. For  example,  bones  could  be  regrown  on carbon  nanotube scaffolds. Tissue  engineering  might  replace  today's  conventional treatments like organ transplants or artificial implants. Advanced forms of tissue engineering may  lead to life extension.

Antibiotic resistance

Nanoparicles  can  be  used  in  combination  therapy  for  decreasing antibiotic  resistance.  It  has  been  shown  that Zinc  Oxide nanoparticles can  decrease  the  antibiotic  resistance  and  enhance  the  antibacterial  activity  of Ciprofloxacin against microorganism in Vitro. Nanoparticles can interfere with the different proteins which  are interacting in the antibiotic resistance or pharmacologic mechanisms of drugs.[40]

Immune response

Buckyballs have been investigated for the ability to "interrupt" the allergy/immune response by preventing mast  cells (which  cause  allergic  response)  from  releasing  histamine  into  the  blood  and  tissues,  by  binding  to  free  radicals "dramatically better than any anti­oxidant currently available, such as vitamin E.

Diagnostic and medical devices

Nanotechnology­on­a­chip is one more dimension of lab­on­a­chip technology. Magnetic nanoparticles, bound  to a suitable antibody, are used to label specific molecules, structures or microorganisms. Gold nanoparticles  tagged  with  short  segments  of DNA can  be  used  for  detection  of  genetic  sequence  in  a  sample.  Multicolor  optical  coding  for  biological  assays  has  been  achieved  by  embedding  different­sized quantum  dots into  polymeric  microbeads.  Nanopore  technology  for  analysis  of  nucleic  acids  converts  strings  of  nucleotides  directly into electronic signatures.Nanotechnology is also opening up new opportunities in implantable delivery  systems,  which  are  often  preferable  to  the  use  of  injectable  drugs,  because  the  latter  frequently  display  first­ order kinetics (the blood concentration goes up rapidly, but drops exponentially over time). This rapid rise may 

Dr.A.K.Agarwal

MPH204‐Introduction to Nanoscience & TechnologyPage 19

cause difficulties with toxicity, and drug efficacy can diminish as the drug concentration falls below the targeted  range.

Neuro­electronic interfaces

Neuro­electronic interfacing is a visionary goal dealing with the construction of nanodevices that will permit  computers  to  be  joined  and  linked  to  the  nervous  system.  This  idea  requires  the  building  of  a  molecular  structure that will permit control and detection of nerve impulses by an external computer. The computers will  be able to interpret, register, and respond to signals the body gives off when it feels sensations. The demand for  such  structures  is  huge  because  many  diseases  involve  the  decay  of  the  nervous  system  (ALS  and  multiple  sclerosis). Also, many injuries and accidents may impair the nervous system resulting in dysfunctional systems  and paraplegia. If computers could control the nervous system through neuro­electronic interface, problems that  impair  the  system  could  be  controlled  so  that  effects  of  diseases  and  injuries  could  be  overcome.  Two  considerations must be made when selecting the power source for such applications. They are refuelable and  nonrefuelable  strategies.  A  refuelable  strategy  implies  energy  is  refilled  continuously  or  periodically  with  external  sonic,  chemical,  tethered,  magnetic,  or  electrical  sources.  A  nonrefuelable  strategy  implies  that  all  power is drawn from internal energy storage which would stop when all energy is drained.

One  limitation  to  this  innovation  is  the  fact  that  electrical  interference  is  a  possibility.  Electric  fields, electromagnetic  pulses  (EMP),  and  stray  fields  from  other in  vivo electrical  devices  can  all  cause  interference. Also, thick insulators are required to prevent electron leakage, and if high conductivity of the in  vivo medium occurs there is a risk of sudden power loss and “shorting out.” Finally, thick wires are also needed  to conduct substantial power levels without overheating. Little practical progress has been made even though  research is happening. 

Medical applications of molecular nanotechnology

Molecular  nanotechnology is  a speculative subfield  of  nanotechnology  regarding  the  possibility  of  engineering molecular  assemblers,  machines  which  could  re­order  matter  at  a  molecular  or  atomic  scale.  Molecular  nanotechnology  is  highly  theoretical,  seeking  to  anticipate  what  inventions  nanotechnology  might  yield and to propose an agenda for future inquiry. The proposed elements of molecular nanotechnology, such as  molecular assemblers and nanorobots are far beyond current capabilities.

Nanorobots

The somewhat speculative claims about the possibility of using nanorobots[43] _{in medicine, advocates say, would}  totally  change  the  world  of medicine once  it  is  realized.  Nanomedicine  would  make  use  of  these  nanorobots  (e.g., Computational  Genes),  introduced  into  the  body,  to  repair  or  detect  damages  and  infections.  According  to Robert Freitas of the Institute for Molecular Manufacturing, a typical blood borne medical nanorobot would  be  between  0.5­3  micrometres  in  size,  because  that  is  the  maximum  size  possible  due  to capillary passage  requirement. Carboncould be the primary element used to build these nanorobots due to the inherent strength  and  other  characteristics  of  some  forms  of  carbon  (diamond/fullerene composites),  and  nanorobots  would  be  fabricated in desktop nanofactories specialized for this purpose.

Nanodevices  could  be  observed  at  work  inside  the  body  using MRI,  especially  if  their  components  were  manufactured  using  mostly 13_{C  atoms  rather  than  the  natural} 12_{C  isotope  of  carbon,  since}13_{C  has  a  nonzero}  nuclear magnetic moment. Medical nanodevices would first be injected into a human body, and would then go  to  work  in  a  specific  organ  or  tissue  mass.  The  doctor  will  monitor  the  progress,  and  make  certain  that  the  nanodevices have gotten to the correct target treatment region. The doctor will also be able to scan a section of