nano 2009/1. -...
TRANSCRIPT
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 2.oldal
BEVEZETŐ
Üdvözli minden olvasóját ez a különleges kiadvány, amely középiskolás diákok írásait
tartalmazza a nanotechnológiáról, elsősorban középiskolás diákok számára. A tanulóknak,
akiktől a bevezetőt követő hasábok származnak, alkalmuk volt bepillantást nyerni a
nanotechnológia világába, és most saját tapasztalataikat osztják meg társaikkal. Írásaik
remélhetőleg minden érdeklődőnek segítenek egy kicsit tágabb képet alkotni erről a
forradalmian új tudományról. A nanotudományok sokoldalúságából adódóan lehetetlen ennyi
oldalban összefoglalni a nanotechnológia eddigi eredményeit, a NANO így inkább a cikkírók
által érdekesnek ítélt tudományterületeket ragadja ki, és ezekről közöl írásokat. Ha valaki az
adott témában mélyrehatóbb ismeretekre vágyik, illetve valamely itt nem tárgyalt
nanotudomány iránt érdeklődik, annak e sorok írója egy kis önálló kutatást ajánl az internet
segítségével, amely garantáltan meghozza majd gyümölcsét.
Manapság a hétköznapi ember is egyre többet találkozhat a nanotechnológia
fogalmával. De hogy ez az idegennek tűnő kifejezés valójában mit is rejt magában, az már
kevésbé közismert. Általános értelemben a 100 nm alatti mérettartományban működő
technológiákat hívjuk nanotechnológiának. A nanométer a méter
egymilliárdod része, vagy a hajszál vastagságának százezred része.
A mikroelektronika is eljutott már ebbe a mérettartományba, hiszen
egy Pentium chip 70-80 nm-es áramköri elemek milliárdjait
tartalmazza. De mégsem önmagában a parányi méret a
leglényegesebb újdonsága a nanotechnológiának. A nanométeres
mérettartomány már az atomok és molekulák birodalma. A
nanovilágban lehetővé válik egy újfajta, a korábbiaktól gyökeresen
eltérő megközelítés, nevezetesen, hogy alulról építkezve,
atomokból és molekulákból kiindulva hozzunk létre működőképes
eszközöket, molekuláris gépezeteket. Ez az újfajta megközelítési
mód az, ami a nanotechnológia igazi újdonságát adja. Azon
alapvető koncepció, hogy az anyagokat „alulról felfelé”, az atomi
szinttől kezdve építjük fel, korlátlan lehetőségeket rejt magában:
képesek leszünk anyagot tervezni, teljesen új anyagokat létrehozni.
A nanotechnológia egyben magában hordozza a határtudományok ismereteinek bővülését is.
Fizika, biológia és kémia még sosem került ennyire közel egymáshoz, határterületeik intenzív
kutatása egy új tudományos korszak kezdetét jelenti.
HB
A NANOTECHNOLÓGIA RÖVID TÖRTÉNETE
1959: Richard P. Feynman Nobel-díjas fizikus „Enciklopédia egy tű hegyén” című
előadásában elsőként vetette fel az atomi szintű építkezést.
1974: Norio Taniguchi a Tokiói Tudományegyetemről bevezette a nanotechnológia
kifejezést.
1981: Gerd K. Binning és Heinrich Rohrer feltalálják az alagútmikroszkópot. A mikroszkóp
segítségével lehetővé vált a kutatók számára az anyag atomi szintű szerkezetének
feltérképezése és manipulációja. A feltalálók 1986-ban fizikai Nobel-díjban
részesültek.
1981: Erich Drexler molekuláris nanotechnológiáról szóló cikket publikált a „Proceedings of
the National Academy of Sciences” folyóiratban.
A mi építőmunkásaink nem
egészen így néznek ki
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 3.oldal
1985: A kb. 1 nanométer méretű Buckminster-fullerén felfedezése. A
felfedezők (Robert F. Curl Jr., Harold W. Kroto és Richard E.
Smalley) 1996-ban mindhárman kémiai Nobel-díjban
részesültek a felfedezésért)
1989: Először a világon betűket írtak le atomokkal. Az IBM kutatói 35
xenon atommal írják le a cég logóját.
1991: Sumio Iijima Japánban felfedezi a többfalú szénnanocsöveket.
1993: Warren Robinett a North Carolina Egyetemről és R. Stanley
Williams a California Egyetemről pásztázó
alagútmikroszkóphoz csatlakoztatva egy olyan virtuális valóság
rendszert hoztak létre, amely a kutatók számára lehetővé teszi az
atomok megjelenítését és „megérintését”.
1993: Létrehozták az első nanotechnológiai laboratóriumot
az USA-ban, a Rice Egyetemen.
1997: Megalapítják az első nanotechnológiai céget (Zyvex).
1998: A Delft Műszaki Egyetem kutatói előállították az első
szénnanocső-tranzisztort.
2000: A 2000. évet az USA-ban a nanotechnológia évének
nyilvánítják.
2000: A Lucent és Bell laboratóriumok, az Oxfordi
Egyetemmel együttműködve létrehozták az első DNS
motort, amely a biotechnológia és a nanotechnológia
egymáshoz közelítéséből eredt.
2001: Szénnanocsövekből nanométeres logikai áramköröket
fejlesztettek ki számítógépek építéséhez.
2001: Mitsu cég Japánban kidolgozta a szén-nanocsövek
tömegtermelésének módszerét.
2002: A nanotechnológusok megoldották az
1 trillió bit/hüvelyknégyzet (6,45 cm2) adattárolási
sűrűséget, amely 100 gigabájtos meghajtónak felel
meg. Ez lehetővé teszi 25 millió nyomtatott könyvlap
tárolását egy postai pecsét nagyságú felületen.
2002: Az IBM közzétette egy új elektronmikroszkóp kifejlesztését, amely felbontóképessége
kisebb, mint egy hidrogénatom sugara.
Persze kicsit megtévesztő ez a kronológia, mivel a
nanotechnológia valójában egy ősi technológia, amely a
gyakorlatban több mint négymilliárd éve működik a
Földön. Hogy mit is értek ez alatt? A természetben az elő
szervezetek nanotechnológiát alkalmaznak, alulról
építkeznek, bennük fehérjékből és nukleinsavakból
felépülő molekuláris gépezetek működnek. Ez megkönnyíti
a tudósok helyzetét, van honnan ellesni a molekuláris
építkezés fortélyait. Ez pedig egy teljesen új világot nyit fel
előttük. Most pedig vessünk arra egy pillantást, milyen
csodákat is rejt magában ez az új világ.
HB
A nanovilág focilabdája: a
fullerén
Japán apróság
Szép, új világ
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 4.oldal
A fény kívülről zöld utat mutat... ...de belülről más a helyzet
HOL LEHET HASZNA A NANOTECHNOLÓGIÁNAK?
Ha valaki úgy gondolja, hogy a nanotechnológia „apróságai” nem képesek jelentős
változásokat hozni életünkbe, akkor az illető bizony csukott szemmel jár a világban. Például
az autógumikat a korom nanorészecskék már a XX. század kezdete óta teszik feketévé.
Hasonlóan az üveget is már évszázadok óta nanoméretű arany- és ezüstrészecskékkel
„szennyezik”, ezáltal létrehozva a kívánt színt (a mellékelt képpáron látható Lycurgus kehely
jó példa erre - kívülről megvilágítva zöld, míg belülről megvilágítva piros).
A nanotechnológia, azaz az anyag atomi szinten történő manipulálása K. Eric Drexler
1986-ban megjelent könyve óta rohamosan fejlődik. A nanotechnológiai kutatások
előrelépéséhez nagyban hozzájárult a fullerének, a szén nanocsövek, a fémoxid alapú
kvantumgömbök és az atomerő mikroszkóp (AFM) felfedezése. A tudomány új megközelítése
új eszközöket adott a kutatók kezébe.
Manapság a japánok mindent miniatürizálnak, bár ők pontosan a nanotechnológia
alulról építkező megközelítési módjával ellentétes szemléletmódot használnak. Az egyre
intenzívebben fejlődő nanotechnológia a közeljövőben komoly konkurenciát jelenthet a ma
még elterjedten használatos, már nanoszinten dolgozó miniatürizált mikrotechnológiáknak. A
mikroelektronikában a nanotechnológia olyan új memóriaelemeket ígér, amelyek néhány
elektronnal működnek majd, s minden tulajdonságukban felülmúlják a jelenlegieket.
De a nanotechnológia nem csak az informatikában jeleskedhet. A szakemberek jóslatai
szerint körülbelül öt-tizenöt éven belül nemcsak új memória, hanem új üzemanyagcellák és
fejlettebb energiatakarékos fényforrások látnak napvilágot a nanotechnológiának
köszönhetően. A környezetvédelemben olyan nanorészecskék alkalmazása várható, amelyek a
napenergia felhasználásával képesek ártalmatlanítani a veszélyes anyagokat. A
nanotudományok az űrkutatásban, az anyagszállításban, az
energetikában és a nemzetbiztonságban is hasznunkra válhatnak. A
nanotechnológia az élet szinte minden aspektusára hatással lesz
majd, kezdve az új, víz- és koszlepergető tulajdonságú textilektől a
hatalmas teherbírású, ugyanakkor könnyű karbon-szálakon át új, a
molekulák egyenkénti érzékelésére képes biológiai szenzorokig.
De a hétköznapi életünket érintő legnagyobb áttörés az
orvostudomány területén várható: a nanotechnológiával
létrehozott, célzott hatóanyag-leadású gyógyszerek az
egészségügyi ellátás forradalmát jelenthetik. S talán nem is olyan
sokára képesek leszünk parányi nanorobotokat előállítani, amelyek Okos gyógyszer
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 5.oldal
a vérbe jutva folyamatosan figyelik testünk állapotát, megtalálják a hibásan működő sejteket
és molekuláris szinten javítják ki bennük a hibákat.
AG
FŰBEN, FÁBAN, NANORÉSZECSKÉBEN AZ ORVOSSÁG
A nanobiológia az életfolyamatok nanoskálán történő vizsgálatával, a sejtekben működő
nanogépezetek megismerésével foglalkozik. Története csupán néhány évre tekint vissza, de a
tudományág rendkívül gyorsan fejlődik. Minthogy az élő szervezetek nanotechnológiát
alkalmaznak, hatékony gyógyításuk csak molekuláris szinten lehetséges. A nanotechnológia
alkalmazása az orvoslásban, azaz a „nanomedicina” kutatása világszerte egyre nagyobb
jelentőségű. A fő alkalmazási területek a nanogyógyszerek, implantátumok, protézisek
készítése, valamint új diagnosztikai technikák
kifejlesztése. Az elmúlt évtizedben 38 új,
nanotechnológiát alkalmazó gyógyszer került
a piacra.
A nanorészecskék gyógyászati
alkalmazásának többféle célja lehet: a
gyógyszer hatásosságának növelése, a
hatóanyag-bevitel javítása, bizonyos gátak
(sejtfal, vér-agy gát) leküzdése,
immunreakciók elkerülése, a leadási sebesség
szabályozása, stb. Mindezen célok elérhetők a
nanotechnológiával.
A gyógyszerhordozó nanorészecskék
10-200 nanométer nagyságúak, vagyis egy
baktériumnál vagy egy vörösvérsejtnél akár
százszor kisebbek. Hasonló méretűek, mint a vírusok. A vírusokhoz hasonlóan könnyen
áthatolnak a bőrön, a sejtfalon, így beléphetnek a véráramba, nyirokrendszerbe. A különbség
csak annyi, hogy a nanogyógyszerek nem kárt okoznak, hanem óriási nagy hasznot.
A nanogyógyszereket többek között a rákterápiában, az idegrendszeri terápiában és a
cukorbetegség kezelésében alkalmazzák. A gyógyszerhordozó nanorészecskéket
szerteágazóan felhasználhatjuk:
Az inzulint szabályozott hatóanyag leadású nanorészecskékbe ágyazva lehetővé válik,
hogy a cukorbetegséget injekciózás helyett
tablettával kezelhessük.
A lipid nanogömbök a gyógyszermolekulák
célzott bevitelére alkalmazhatók kis méretük és
felületi tulajdonságaik miatt.
A „mesterséges vírus” (lipid burkolatú
nanogömb) belsejében DNS szállítható a
megfelelő helyre. Ez a génterápiában lehet
hasznos.
Nanorészecskék alkalmazásával különböző
gének és enzimek működését is
szabályozhatjuk.
Magnetitet tartalmazó szilícium-dioxid
nanogömbök segítségével megfelelő mágneses tér hatására csak a rákos sejtekbe jut el
a hatóanyag.
A csodálatos liposzóma
Dendrimer alapú, még okosabb gyógyszer
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 6.oldal
Nanorészecskék segítségével megvalósítható a hatóanyagok irányított célba juttatása. A
gyógyszerhordozó nanorészecskét úgy képzelhetjük el, mint egy tapasztalt sofőrt, aki az
utasát (jelen esetben a hatóanyagot) a legrövidebb úton a céljához szállítja, és csak ott engedi
kiszállni.
A felsorolt sokféle felhasználási lehetőség csak bevezető volt a nanotechnológia ezen
érdekes területére. És ki tudja, mit hoz a jövő? Ami tegnap fikció volt, mára már valóság, ami
ma elképzelés, holnapra már a jelen.
PE
NANOROBOTOK
A nanotechnológia a gyakorlatban széleskörűen
alkalmazható tudományág. Vívmányainak
legjelentősebb felhasználási területe az
orvostudomány és az érzékeléstechnika, de emellett
sok érdekes és gyakran humoros eredmény is születik
más tudományterületeken.
A nanotechnológiában az atomok és molekulák
olyanok, mint a LEGO játék építőelemei. Mit szokott
egy kisgyerek építeni LEGO-ból? Kisautókat,
robotokat! Valószínűleg ez ihlette a tudósokat, amikor
megalkották a nano-autót. Ez az aprócska szerkezet
külsőre valóban egy autóra hasonlít.
Hosszanti és keresztirányú tengelyei feltekert grafit-
rétegekből álló nanocsövek, míg kerekei 60 db szénatomból
felépülő, leginkább focilabdára emlékeztető fullerénmolekulák.
Adott felületre helyezve képes annak felszínén mozogni.
Sebességét és haladási irányát az útfelület melegítésével
befolyásolni lehet, hiszen a kocsi az energiát biztosító meleg felé
halad. A távlati tervek közt szerepel ennek a szerkezetnek a
továbbfejlesztése, hogy a nano-autó képes legyen más molekulák
és nanoszerkezetek szállítására. Így végeredményben egy
távirányítós molekuláris teherautót építethetünk.
Hasonlóan sokoldalú kis
szerkezetek a nanorobotok.
Bár a név nagyon fantasztikumnak hat, valójában a
természetben előforduló dolgokról van szó. Na persze
senki se nanofogaskerekekre, nanokarokra meg
nanolábakra számítson. A vírusok, sőt a szervezetünkben
megtalálható fehérjék némelyike is robotokra emlékeztető
működésre képesek.
Az egyik ilyen, a sejtjeinkben is jelenlévő kinezin
nevű fehérje. Rendkívül bonyolult szerkezete képessé
teszi arra, hogy kis energiabefektetéssel a sejtek belsejét
behálózó fehérjeszálakon szó szerint sétálgasson.
Külalakja leginkább a két lábon járkáló villanykörtére
emlékeztet. Ennek két alsó nyúlványa képes felváltva
előrelendülni és elfordulni, és ezzel járásra emlékeztető mozgást végezni. Felső része pedig a
génsebészet segítségével könnyen átalakítható, ezáltal egy molekuláris szállítóeszközt
(Nano)birodalmi lépegető - a kinezin
Virae Casuale egy közönséges vírus
Még nincs rá jogosítvány
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 7.oldal
kaphatunk. A kinezin motorfehérje nagyenergiájú ATP molekulák elbontásával 8 nm-es
lépésekkel halad, s másodpercenként akár 160 nm-t is megtehet.
Akinek ezek a nanoszerkezetek lassúak, azoknak
figyelmébe ajánlom a baktériumok mozgásáért felelős
bakteriális flagellumokat. A majdnem kimondhatatlan
név egy rendkívüli szerkezetet takar. A baktérium a
belsejében termelődő fehérjék a sejtmembránban
önmagukat mérnöki pontossággal rendezve egy
villanymotorra hasonlító szerkezetet hoznak létre,
amelyik egy a sejtből ostorszerűen kinyúló
filamentumot propellerként forgatva tolja előre a
baktériumot. Ez az alig 50 nanométeres parányi
szerkezet képes túlszárnyalni korunk legmodernebb
Forma I-es versenyautóit a maga 100.000 fordulat/perc sebességével. És ebből persze nem
csak egy található egy baktériumban.
Gyakorta jó dolog, ha az ember odafigyel a környezetében található érdekességekre, és
azokat a nanotechnológia eszközeivel a saját oldalára állítja. Bár ezek a szerkezetek szemmel
nem láthatóak, mégis hozzájárulnak ahhoz, hogy a tudósok az atomoktól indulva szinte a
semmiből teremtsenek valamit. Valamit azért, hogy a mindennapi életünk könnyebb legyen.
KL
NANOTECHNOLÓGIÁVAL A RÁK ELLEN
A rák, mint napjaink legalattomosabb betegsége, fokozott figyelmet érdemel minden
orvostudománnyal kapcsolatos kutatásban. Bizonyára mindenki képes felfogni ennek a
problémának a súlyosságát és jelentőségét.
Mint kortárs kérdezem: van-e olyan ember, akiben nem bujkál ott a félelem, hogy vajon
ott hordozza-e magában kódoltan a halálos kór sejtjeit, vagy hogy ha igen, vajon mikor jön el
az idő, mikor az előtörő kór az illető egész addigi életét felforgatja. Az szinte biztos, hogy ha
közvetlenül nem is, közvetve - rokoni vagy ismeretségi köre által - már mindenki találkozott
ezzel a kegyelmet nem ismerő szóval.
A problémára, úgy tűnik, létezik megoldás: századunk csodatevőjét úgy hívják, hogy
nanotechnológia, amelynek a számtalan lehetősége között ott szerepel a rák gyógyítása is.
Valójában hogyan tudja mindezt ez a miniatűr, láthatatlan részecsketudomány? -
kérdezhetitek jogosan. Lássuk hát a választ:
A tudósok megtalálták a módját, hogyan akadályozhatják
meg a rákos daganatok tápanyaggal való ellátását, illetve
továbbterjedését a szervezeten belül. Megfigyelték, hogy a
daganatokban speciális fehérjékkel borított hajszálerek
képződnek. Lemásolták a vérsejtek, azaz a vérlemezkék
működésének elvét, és olyan nanorészecskéket hoztak létre,
amelyek képesek ezeket a fehérjéket felismerni és hozzájuk
tapadni, s alvadékot képezve meggátolják a vér eljutását a
daganatokba. Ezek az apró részecskék arra is alkalmasak,
hogy a kemoterápiás gyógyszereket eljuttassák a megfelelő
területekre. A kutatást, amelyet az Amerikai Tudományos
Akadémia folyóiratában publikáltak, egereken hajtották végre. A kísérletek során a
szakemberek a parányi elemeket arra használták, hogy a tumorokhoz vezető véredények
A világ leggyorsabb motorja
a bakteriális flagellum
Nanorészecske a javából
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 8.oldal
tápanyaggal és oxigénnel történő ellátását a minimálisra szorítsák vissza. A nanorészecskék
potenciális ereje abban rejlik, hogy képesek rendkívüli célpontokra is odatalálni a testen belül.
A részecskék tájolási képességének vizsgálatakor a tudósok egerekbe fecskendezték a
nanoszemcséket, és azt tapasztalták, hogy azok kizárólag a daganatot ellátó vérhálózatot
korlátozták. A rögképződés során a részecskék vérsűrűsödést idéznek elő, amely még több
nanorészecskét odavonz, hasonlóan a vérlemezkék alvadást előidéző folyamatához. A teszt
azt mutatta, hogy az injekciót követő néhány órán belül a mesterséges vérlemezkék elzárták a
tumor ellátását anélkül, hogy az egészséges szövetekben kárt tettek volna.
A tudósok bíznak abban, hogy a nanorészecskék arra is használhatók, hogy gyógyszereket
szállítsanak a daganatokhoz. „Célul tűztük ki egy gyógyszer-szállító nanorészecske
kifejlesztését is, amely a tumorhoz vezető erekben felhalmozódik, és egyszerre zárja el az
ereket, valamint szivárogtatja az orvosságot is” - mondta a kutatást vezető Dr. Erkki
Ruoslahti.
Ezek az álmok valóban valóra válhatnak, már csak a kutatókon múlik, hogy egyszer
emberek millió lehessenek hálásak a nanotechnológiának, és azoknak a kitartó kutatóknak,
akik megvalósították az ezzel a technológiával gyógyító gyógyszereket.
Az emberiség és az orvostudomány már számos betegséggel, kórral és fertőzéssel nézett
szembe, majd győzte le őket. A nanotechnológia felhasználásával biztos vagyok benne, hogy
a rák elleni harc is hasonló eredménnyel fog zárulni.
Remélem sikerült ezzel az írással eléggé felkeltenem az érdeklődést, hogy egy kicsit
tovább kutakodjatok, és néhányan akár komolyan is elmélyüljetek a témában.
FÁ
A SZÉN-NANOSZERKEZETEK VILÁGA
A szenet az emberiség kétféle
megjelenési formában évezredek óta
ismeri. Az egyik a gyémánt, a másik
pedig a grafit. Mindkettő szénatomokból
épül fel, csak kicsit másképpen
kapcsolódnak össze ugyanazok az
atomok. Aztán 1985-ben kiderült, hogy a
szénből másféle szerkezetek is létrehozhatók. Felfedezték a
60 szénatomból álló fullerént, az 1 nanométer átmérőjű
focilabdát. Ennek örömére ne próbáljunk meg belerúgni,
úgysem sikerül, elvégre egy hajszál vastagságánál is
ötvenezerszer kisebb.
Nem sokkal később, 1991-ben fedezte fel egy japán kutató
a szén-nanocsöveket. Ezek egyik irányban hosszúra nyúlt
fullerénmolekulák, henger alakú, egy atom vastagságú
grafitrétegek, amelyek végén egy-egy fullerén félgömb
található. Vannak egyszeres és többszörös falúak, fémes-
valamint félvezető viselkedésűek. Később Y-szerűen elágazó
nanocsöveket is létrehoztak.
A szén-nanocsövek kiváló mechanikai és elektromos
tulajdonságokkal rendelkeznek. Könnyűek, tökéletesen
rugalmasak, de az acélnál mégis ötvenszer erősebbek, s akár
ezerszer akkora áramot képesek szállítani, mint egy hasonló
átmérőjű rézhuzal. A nanocsövekben szupergyorsan
Na vajon mi lehet...
Egyfalú szén nanocső
Fullerén: másodszorra
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 9.oldal
áramlanak a folyadékok, vagyis a folyadékrészecskék egy Forma I-es versenyautó
sebességének sokszorosával korcsolyáznak a nanocsövek belsejében, mivel azoknak a belső
felülete szinte súrlódásmentes. Ezen tulajdonságaik miatt a szén-nanocsövek az
orvostudománytól elkezdve a vegyiparon keresztül az elektronikáig rendkívül sokféle
területen alkalmazhatóak.
Az előállítás során keletkezett csövek különböző típusúak lehetnek.
Az előállítási technológia tökéletlenségéből származik a
nanocsövekhez fűződő remények teljes megvalósulásának egyik
legnagyobb akadálya, ugyanis nem sikerült még megoldani a
tökéletesen azonos típusú nanocsövek létrehozását. Az egyes típusokat
a sokféle keletkező típus közül kell kiválogatni, ami rendkívül
költséges eljárás. De nem akarjunk Hamupipőkévé válni, a
hosszadalmas válogatást meghagyjuk másnak, és „in medias res”
kezdjük el egy még érdekesebb szén-
nanoszerkezet vizsgálatát.
A nanovilág királya és egyben legerősebb lakosa, amitől
még a méhek is ötletet koppintottak, a varázslatos grafén.
Ezzel a szén-nanoszerkezettel a tudósok 2003-ban kezdtek
foglalkozni. A grafén egyetlen atom vastagságú grafitréteg,
olyan, mint egy kitekert nanocső. Ahogy a méhek hatszög
alakúra építik a lép sejtjeit, úgy a grafénben is a szénatomok
egy hatszöges rács csomópontjain helyezkednek el.
Tulajdonságai sok tekintetben hasonlítanak a szén-
nanocsövekre. A grafén bámulatos anyag, amelynek létezését
a ’90-es évekig lehetetlennek gondolták, mert nem hitték,
hogy egyetlen atom vastagságú szénréteg stabil formában
létezhet.
Az előállításához nem is kevés mágia szükséges. A nagy
varázslók egymás mellé kényszerítik a rendetlen atomokat és
így készül az egyetlen atom vastagságú csodaanyag. Ez
szilícium-karbid felmelegítésével, majd kigőzölésével történik. A másik módszernél csupán
hagymapucoló tudásunkat kell elővenni és egyesével lehántogatni a grafit „nanozöldségről”
az atomnyi rétegeket.
Ha van, amire tényleg igaz a mondás: „kicsi a bors, de erős”, akkor az a grafén. A grafén a
vizsgált anyagok között az eddigi legerősebb. A vele végzett mechanikai kísérletet leginkább
úgy modellezhetjük, hogy egy kávéscsészét lefedünk fóliával és egy ceruzát próbálunk
beleszúrni. Ha a fólia helyett egy grafénlemezt alkalmaznánk, akkor a ceruza végére
ráállíthatnánk egy autót, azt is elbírná a kis vasgyúró.
Szilícium, vigyázz! A te időd lejárt! A grafén-tranzisztor százszor gyorsabb lehet a
szilícium-tranzisztornál. A grafént kivételes tulajdonságai a félvezetőiparban is hasznossá
teszik. A grafén alapú elektronika egyik ígéretes tulajdonsága, hogy az ilyen számítógépek
százszor több információval bombázhatnak bennünket.
Kicsiny beszámolónk véget ért. Én is „visszazsugorodom” eredeti méretemre. De
végkövetkeztetésképpen levonhatjuk: Rendkívül érdekes dolog ez a nanotechnológia!
PE
A grafént alkotó grafitrétegek,
avagy mit morzsolsz el a ceruzád végén
Többfalú szén nanocső
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 10.oldal
ZnO NANOSZERKEZETEK
A nanotechnológia másik, a nanogyógyszerekhez hasonlóan rendkívüli intenzitással
kutatott területe a ZnO nanoszerkezetek (ZnO nanorudak) világa.
A ZnO nanorudak kiemelt helyzete a nanotechnológiai kutatások korában egyedi fizikai
tulajdonságainak köszönhető. A ZnO nanorudak egyszerre mutatnak félvezető és
piezoelektromos tulajdonságokat (azaz mechanikai hatásra elektromos feszültség keletkezik
bennük), ezáltal a nanotechnológián belül alkalmazott elektronika (nanoelektromechanikai
rendszerek és nanopiezoelektromosság) fő résztvevői lehetnek. Maguk a ZnO nanorudak a
ZnO egykristály atomi kristályszerkezetének köszönhetően hatszög alapú hasábok, átmerőjük
500 nm körüli, magasságuk megközelítőleg 1500 nm. A nanorudak növesztésére többféle
eljárás is létezik, ez az írás az úgynevezett elektronsugaras litográfiát tárgyalja részletesebben.
A növesztés első része egy ún. rezisztréteg felvitele a
ZnO egykristályra. Jelen esetben folyékony plexiüveggel,
polimetil-metakriláttal (PMMA) dolgozunk. Az egyenletes
elterülés érdekében négyezres fordulatszámon forgatjuk a
PMMA-val borított ZnO hordozót, majd 170 Celsius fokon
tíz percig hevítjük. A hevítés után következik maga az
elektronsugaras litográfia, melynek során egy
elektronmikroszkópban elektronokkal pásztázzuk a mintát
(ez a folyamat olyan szinten irányítható, hogy pontosan előre
megtervezett helyeken pásztázhatunk). Ott, ahol a PMMA-t
elektronok érik, megbomlik az anyagszerkezete, így ha
ezután a minta egy előhívóoldatba kerül, az a fent említett
helyeken gyorsabban leoldja a megváltozott anyagszerkezetű
PMMA-t (az előhívó oldat után szükséges egy semlegesítő
oldatba is tenni mintát, nehogy a teljes PMMA réteg
lebomoljon). A végeredmény egy olyan kétrétegű minta,
amelynek a felső rezisztrétegén „lyukak” találhatóak. Ezeken
a „lyukakon” keresztül tudnak egymásra rakódni a ZnO
egykristályok egy megfelelő növesztő oldatban, létrehozva a
ZnO nanorudakat. A folyamat lényege tehát az, hogy egy
mintára helyezett réteggel kontrolláljuk a ZnO nanorudak elrendeződését, ezáltal tetszőleges,
szabályos mintázat hozható létre.
A ZnO nanorudak elsődleges
felhasználása a nanogenerátorokban
lehetséges. A nanogenerátorok olyan
eszközök, amely nanoméretű
szerkezeteket látnak el tartósan
elektromos árammal. Példa lehet egy
ilyen szerkezetre egy ember ereiben
keringő szenzor, amely folyamatosan
méri a beteg vércukorszintjét. De ezen
felül a ZnO nanorudak felhasználhatóak
biológiai gázérzékelőként is, illetve
képesek fénykibocsátásra, így
nanolézerként is működhetnek.
HB
ZnO nanorudak
növesztése...
Iskolánk legkisebb címere, avagy mivel szórakozik az unatkozó fizikus
NANO 2009/1.
Út a tudományhoz pályázat 11.oldal
LINKEK További információk:
http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/magyarul.html
http://nano.lap.hu
http://www.nano-ev.de
Források:
Országos Nanotechnológia Konferencia (Veszprém - 2008. november 20.)
Képek forrásai:
(a) http://www.ndhs-sites.org.uk/communicty/photo/462px-Bob_the_builder.jpg
(b, p) http://www.geographic.hu/images/napihirek/9228.jpg
(g) http://origo.hu/tudomany/elet/20050623rakos.html
(h) http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/lipos.gif
(j) http://www.kariahintikka.fi/matrixx/blogs/img/nanoauto-NanoCartriangle.jpg
(l) http://beszelo.c3.hu/files/images/2.bmp
(m) http://www.arn.org/docs/mm/flag_labels.jpg
(o) http://www.seilnacht.com/Lexikon/ElSi2.JPG
( r) http://www2.cnrs.fr/sites/en/image/nanotube_hd.jpg
(s) http://almos.vein.hu/~posfaim/tanitas/szerkezetek/grafit.jpg
(c, d, e, f, i, k, n, p, q, t, u) Saját készítésű és a Vonderviszt Professzor Úrtól kapott képek.
IMPRESSZUM NANO - Nem Annyira Nehéz Olvasmány
Készítették a nagykanizsai Batthyány Lajos Gimnázium tanulói Erdősné Németh Ágnes és
Horváth Balázs vezetésével:
Abonyi Gergő (AG - [email protected])
Ferenczy Ágota (FÁ - [email protected])
Horváth Balázs (HB - [email protected])
ifj. Konecz László (KL - [email protected])
Kovács István Nándor (grafika és design)
Patus Eszter (PE - [email protected])
Köszönet a segítségért: dr. Deák Andrásnak, PhD és dr. Volk Jánosnak, PhD (Magyar
Tudományos Akadémia Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Kerámia és
Nanokompozitok Osztály)
Lektorálta: Dr. Vonderviszt Ferenc, DSc (Pannon Egyetem Műszaki Informatika Kar
Nanotechnológia Tanszék)
Szerkesztőség:KIN,HB,KL,ENÁ,NG,FÁ,AG,PE