Nanotechnologijų raidos istorija

Jelena Tamulienė

Vilniaus universiteto Teorinės fizikos ir astronomijos institutas

Kodėl atsirado nanotechnologijos

Apie ką

Kas tai yra nanotechnologija; Truputis istorijos (Kokia nauda); Nanotechnologijų kryptis; Ką turime;

Nanotechnologija yra mokslinių išradimų

ir atomų ir molekulių išteklių

praktinis pritaikymas

sukuriant kokį nors daiktą, kurio

didumas būtų

nanometro dydžio

Technologija?

Nanotechnologijų kitos “žaidimo taisyklės”

Metrinė skalė Nanoskalė

Antikinė Nanotechnologijų istorija (?)

~400 pr.m.e, Atomai [Democritas] ~ prieš 2000 – nanokristalus naudojo graikai ir romėnai

plaukų dažymui.

prieš 1000 m. aukso nanodalelės naudojamos stiklo mozaikai.

1661 m. - elementai [Boyle] 1803 m. - atominė teorija [Daltonas] 1869m. - periodinė lentelė [Mendelejevas] 1915 m. - Borno atomo modelis [Bohr]

Šiuolaikinė nanotechnologijų istorija

1959 m. - Feynmano kalba “There is plenty of room at

the bottom” 1965 m. - Mooro straipsnis 1974 m. – pavartotas terminas “Nanotechnology”

[Taniguchi]

1981 m. – IBM pagamino “Skanavimo-tuneliavimo mikroskopą”

1985 m. - atrasti fulerenai Smalley 1990 m. - IBM atomais užrašė “IBM”• 1999 – “Nanomedicine” – 1-moji nanomedicinos knyga [R.

Freitas]

• 2000 –Nacionalinė nanotechnologijų iniciatyva

Nanotechnologijų “Tėvas”

Nanotechnologijų koncepciją iškėlė Richard P. Feynman (1918-1988)

Paskaičiavo, kad enciklopedijos tomas, galėtų tilpti į segtuko galvutę.

Numatė keletą nanotechnologijos krypčių:

Ateities mikroskopai Naujų metodų sukūrimasGalimas atomo-atomo savaiminis susijungimas – naujų struktūrų sudarymas

Nanodydžio efektas

Prietaisų ir sistemų minimizacija ir jų galimybių išplėtimas;

Paviršiaus ploto, palyginus su tūriu išplėtimas;

Nauji reiškiniai ir naujos savybės tokios kaip:

Fizikinės ( pvz. lydymosi T), Cheminės (pvz. reaktyvumas), Elektrinės (pcz. laidumas), Mechaninės (pvz.stipris)

Nanotechnologijų poveikis ekonomikai

Numatoma rinkos dalis (dekadomis)*

$340B/metams Medžiagos$300B/metams Elektronika$180B/metams Farmacija$100B/metams Chemijos pramonė$ 70B/metams Kosmoso pramonė$ 20B/metams Įrankiai$ 30B/metams Sveikatos apsauga$ 45B/metams Apsauga

$1 Trillijonas per metus 2015

*2007 m duomenimis, šaltinis: NSF

Remiantis “The Nanotechnology Opportunity Report (NOR),” 3rd Edition Cientifica Ltd., atspausdinta 2008Liepą

“Produktų, kuriems sukurti naudojamasi nano-technologijų rinka pasieks JAV $ 263.000.000.000 iki 2012 m.”

“"Didžiausi augimo tempai bus biologijos ir nanotechnologijų sveikatos priežiūros bei farmacijos sektoriuose.”

Nanotechnologijų poveikis ekonomikai

Elektronika

•Mažesnis, greitesnis, ekonomiškas energijos naudojimas, didelies apimties skaičiavimai, ir kiti IT pranašumai.

1920-1930 m. detektoriniai arba vieno diodo, kuris vadinamas detektoriumi, radijo imtuvai.

Markoni firmos 1920-1930 m radijo imtuvas

1930-1940 m radijo imtuvas 1950-1960 m radijo imtuvas

Pirmųjų kompiuterių trigeris, galintis įrašyti 0 arba 1 ir įrenginys formuojantis reikiamą impulsą, kuris sklinda trigeriu. Šie įrenginiai buvo 1961 metų laidos kompiuteriuose.

Spinta, kurioje sudėta 1000 tokių trigerių. Tokių spintų kompiuteriuose buvo ne viena. Trigeriai buvo nuolat tikrinami, ar jie gerai įrašo nulį ir vienetą . Ši darbą atlikdavo inžinierius.

Įvedimo įrenginį. Įvedama informacija būdavo surašoma kortose.

Čia kompiuterio išvedimo įrenginys. Tokiu būdu buvo pamatomas sprendžiamo uždavinio atsakymas.

Pirmasis nešiojamas kompiuteris „Obsorne 1 Portable“. Jis buvo sukonstruotas 1981 m. Šis kompiuteris turėjo normalią klaviatūrą ir ekraną. Naudotis juo galėjo tik profesionalai.

Luste gali “tilpti” 25 enciklopedijos tomai. Kuo mažesnis lustas, tuo daugiau informacijos jame telpa. “Laimima” dar ir tuo, kad ši informacija greičiau sklinda prietaisu.

• Didesnio efektyvumo ir pigesnės elektros energijos gamybos technologijos:− Saulės elementai;− Vandenilio kuro celės;

− Baterijos;− Bio kuras

Energija

Konarka, įmonė Dresdene Fulerenų pagrindu gaminami

POLIMERINIAI saulės elementai.www.konarka.com Skaidrūs; Lankstūs; Lengvi; Veikia ir nuo atspindėtos saulės

šviesos; Gali būti tvirtinami vertikaliai

Buitis•Maistas ir gėrimai; Pakavimo medžiagos, sensoriai maisto kokybės tikrinimui;

• Įrankiai ir tekstilė: drėgmės nepraleidžianti,apsauganti nuo vėjo, garinanti prakaitą.

• Namų apyvakos įrankiai ir kosmetika.

•Savi-išsivalantys ir nesibraižantys paviršiai.

Medicina

•Vėžio gydymas •Vaistų gabenimas•Apetito kontrolė•Vaistų kūrimas•Medicinos įrankiai•Diagnostikos testai •Vaizduokliai

Nanomedicina:

Greitas širdies ir kraujagyslių gydymas;Gydymos patogeniškos ligos ir vėžys;Nauji metodai suteikiant pirmąją pagalbą fizinių traumų metu; Chirurgija ir skubi pagalba ar intensyvi slauga;Stuburo atstatymas ir smegenų gydymas (nanostruktūros);Mityba ir virškinimas;Lyties pakeitimai;Kosmetika;Sportinės ir rekreacinės – įrangos gerinimas;Veterinarija ir kosmoso medicina;Senėjimo procesų kontrolė;Žmogaus svorio kontrolė.

Gydymas

Diagnostika

Nano įrenginys padedantis nustatyti, kur yra išdėstytos vėžio ląstelės.

Kanalas su nanostruktūra padedančia nustatyti ar ar yra rizika susirgti vėžiu.

anglies vamzdeliai yra naudojami pernešti vaistams žmogaus organizme, mikroschemose ir pluoštuose, kuriuos galima suvyti į lengvas, itin stiprias virves. Jau dabar anglies vamzdeliai gali transportuoti peptidus, ar taip vadinamą genetinę medžiagą. Iš grafeno lakštų pagamintos plonos plėvelės leidžia manyti, kad jas galima būtų naudoti permatomų ir laidžių skystųjų kristalų ekranų ir Saulės energijos elementų gamybai

Iš cinko oksido nanovamzdelių yra sukurta nauja medžiaga, galinti automobilių variklių skleidžiamą šilumą paversti elektros energija

Nanoplėvele padengti langai neapšąla.

Rūbai ir mašinos neišsipurvina.

Į rūbus įmontuoti lengvi ir nepastebimi davikliai praneša, kad ligoniui reikia pagalbos, Gasrininkas turi pasitraukti iš gaisro vietos, nes jis gali nudegti.

Mašinų paviršiai, padengti nanodalelėmis yra tvirtesni ir lengvesni

Šveicarijos ir JAV mokslininkai sukūrė pirmąjį mikroskopą ant lusto.

Šis mikroskopas ypatingas tuo, kad jame esančiame skystyje gali judėti ląstelės, ir tą vieną ląstelę galima “pamatyti".

Naujasis mikroskopas tekainuoja 10 $USD dolerių.Nereikia elektros energijos. Tyrimo rezultatai gaunami akimirksniu gauni atsakymą,

Šiuo metu panašūs tyrimai atliekami laboratorijose, kuriose stovi mikroskopai, kurių kaina 250000 $USD ir daugiau.

Kas dar? Sensoriai teršalams aptikti. Geresni vaizduoklai –

magnetinių nanodalelių, kurios nebūtų toksiškos, panaudojimas

Sveika ląstelė

Ląstelė su geležies oksido nanodalele

Ląstelė su geliežies oksido dalele padengta specifine medžiaga

Nanoporų sensoriai

NASA Ames nanotechnology

DNR gijos tarp metalo gali veikti kaip molekulinės elektronikos prietaisas. Tokios molekulės ir nanodarinių naudojimas - perversmas elektronikoje.

DNA struktūros sudarymas

NASA Ames nanotechnology

Anglies nanovamzdeliai

• Neuronų medis su 14 simetriškai Y jungtimis, kuris veikia panašiai kaip biologinių neuronų tinklas;• “Nervų medis” gali būti mokomas atlikti sudėtingas perjungimo ir skaičiavimo funkcijas;• Ne tik tik elektroninių signalų, galimas naudoti garso, cheminius ar terminius signalus.

Sporto inventorius

Kosmetika, drabužiai ir maistas

Nauja duomenų saugojimo sistema, galinti sutalpinti 1015 baitų/cm2 Šioje sistemoje H atomai būtų paskirta 0 ir F atomai kaip 1.“Adatėlė” gali atskirti 0 ir 1 sparčiai ir vienareikšmiškai.

NASA Ames nanotechnology

- Galingas, kompaktiškas, mažas energijos suvartojimas, apsauga nuo radiacijos. • Didelio našumo skaičiavimo (Tera ir Peta apimties)- Palydovinių duomenų apdorojimas;               - Erdvėlaivių inžinierija;              - Klimato modeliavimas.

• Itin pažangios skaičiavimo technologijos;• Modernūs, kompaktiški jutikliai, itin maži zondai;• Visų sistemų mažinamas;• Mikro erdvėlaiviai;• ”Mąstantys" erdvėlaiviai;• Mikro, nano žygiai planetų tyrinėjimams;• Naujos medžiagos naujos kartos erdvėlaivių gamybai.

Courtesy of NASA

Dalelių struktūra

Aukso dalelės Sidabro dalelėsGeležies dalelės ant

vario paviršiausSilicio karbidas ant Ga

dalelės

Anglies nanovamzdeliai

Nanoprietaisų gamyba

Išsklaidyti rentgeno spinduliai

Atomai kristale

Detektorius

NanoprietaisaiKristalas Baltieji kraujo

kūneliai

KristalasRentgeno spinduliai

PERSPEKTYVOS

Medžiagos

Elektronika

Sensoriai komponentai

• Nanovamzdeliai

• Mažos galios elektroniniai komponentai

• Nano-zondai erdvėje

• Nanovamzdelių kompozitai

• Molekuliniai kompiuteriai

• Nano skrydžio sistemų komponentai

• Paviršiaus struktūros kontrolė

• Gedimams spinduliavimui atspari elektronika

• Kvantinės navigacijos sistemos

• Protingosios “odos” medžiagos

• Nano elektroninės “smegenys” Kosmose

• Integruota nanosensorių sistema

• Biologinių sistemų naudojimas medžiagų ir mašinų kūrimui

• Biologiniiai kompiuteriai

• NEMS skridimo sistemos @ 1 µW

2002 2004 2006 2011 2016

NASA Nanotechnologijų planai

>

Sistemos projektavimas ir integracija

Galimybės

Didelio atsparumo medžiagos (>10 GPa)

Kaosminių laivų varikliai (20% lmažesnės masės, 20% mažiau trukšmo)

Daugkartinio naudojimo erdvėlaiviai (20% mažiau masės, 20% mažiau triukšmo)

Autonominiai erdvėlaiviai(40% mažesnės masės

Prisitaikančios savi-taisančios kosminė įranga.

Daugiafunkcinėsi-Funkcinės medžiagos

Naujos dirbtinės biologinės medžiagos

2002 2005 2010 2015

Biomimetic,Radiacijai atsparūs

elektronikos komponentai

Nanoelektronika ir kompiuterija Poveikis kosminio transporto, kosmoso mokslui

CNT PrietaisaiAnglies nanovamzdelių prietaisai

Biologinės molekulės

Ultra aukšo tankio

informacijos saugojimo

komponentai

Kompiuterių našumas

RLV

hne-

Nano elektronikos komponentai

Europa Sub

Robotų kolonija

Web Sensoriai

Nanosensoriai

2002 2005 2015

Jutiklių galimybės1999

DSI RAX

2003ISPP

Ankstyvas nanotechnologijų poveikis

Biosensoriai

Kosminės stotys

Europa Sub

Mars Robotų kolonija

Sensoriai Web2020

Nanovamzdelių jutikliai diagnostikai

Optiniai jutikliai

Nanoporos kaip biologiniai jutikliai

Daugiafunkciniai Sensoriai

(Cheminiai,Optinia ir biologiniai)

2010

Sharp CJV

2002 2005 2010 2015

Nanovamzdelių kompozitai

Daugiafunkcinės medžiagos

Tacky

Non-tacky

temperature

Savi-diagnstinės medžiagos

NANO Medžiagos

Savi-susdarančios medžiagos

Nanotekstilė

“protingosios” struktūros

RLV Cryo Tankas

Gamyba vienetiniųCNT

CNT ryšiai

CNT =anglies nanovamzdeliai

2002 2010 2020 2030

Gyvosios gamtos pavyzdžiu sukurtos sistemos

Biologijos megdžiojimas

embrionais

Organizmai-ekstremalai

DNA Kompiuterija

Smegenų tipokompiuterija

Savi-besiorganizuojanči

o sistemos

Dirbtinės nanoporosAukšta skiriamoji geba

Gyvybės paieška Marse

Sensoriai

Biologinės nanoporosMaža skiriamoji geba

Oda ir kaulai

Savi –taisančiosIr termiškai apsisaugojančios

sistemos

Biologinės kosminės sistemos

Kosminis transportavimas

Ir dar daugiau

Klausimai ?

Rizika

Nano toksiškumasKeli pavyzdžiai

• Nanodalelės gali prasiskverbti į ląsteles ir audinius;

• Nanodalelės gali įlįsti į kapiliarų kraujagyslesplaučiuose;

• Nanodalelės gali būti transportuojamos į kraują ir į kitus organus;

• Nanodalelės gali sukelti ląstelių oksidacinį stresą (sukelti toksinius procesus ląstelėse);

• Nanodalelės gali sukelti uždegiminius procesus ląstelėse.

Fulerenai pažeidžia ląstelės membranąTeoriniai tyrimai. Fulereno patekimas į ląstelės membraną

Nature nanotechnology (2008) , Vol. 3, pp 363

Vidutinis įsiskverbimo laikas -500 ps

Vidutinis įsiskverbimo laikas 1 µs

Teoriniai tyrimai. Fulerenų grupės patekimas į ląstelės membraną

Fulerenų išsidėstymas membranoje

Pasikeičia membranos savybės

Anglies nanodalelės pažeidžia plaučiusPo kelių dienų poveikio, anglies nanodalelės aptinkamos

tiriamųjų plaučiuose

Nature nanotechnology (2009) , Vol. 4, pp 747

Anglies nanodalelės yra surandamos makrofaguose ir plaučių audiniuose, bet gali būti pernešamos į kitas vietas

Anglies nanovamzdeliai: Mikroorganizmų žudikai

Anglies nanovamzdeliai sumažina E coli bakterijų gyvybingumą

Normali E coli bakterija E coli bakterija su anglies nanovamzdeliu

Langmuir (2007) , Vol. 23, pp 8671

Anglies nanovamzdeliai Žuvusios ląstelėsLiuminiscencinė nuotrauka

Nustatyta nanovamzdelių ir negyvų bakterijų vietų koreliacija. Maždaug 80% bakterijų žūna.

CoCr nanodalelės pažeidžia DNR Vis dažniau naudojant nanodaleles medicinoje susirūpinta dėl jų

gebėjimo prasiskverbti į organizmą. CoCr nanodalelė gali susidaryti dėvėti ortopedinius sąnario endoprotezus

Schematinis sklaidos atvaizdavimas

Nustatytas netiesioginis CoCr nanodalelių poveikis žmogaus ląstelėms. Nustačius rasta apsauga nuo nepageidaujamų efektų – BeWo nanodalelių sluoksnis, kuris veikia kaip placenta.

Nature nanotechnology (2009) 4, 873

CoCr dalelės organizme

Sidabro nanodalelių toksiškumasTirtas poveikis žuvies (zebra fish) embrionams

Nanotechnology (2008) 4, 873

Naudojamos dviejų rūšių dalelės:padengtos krakmolu ir

galvijų serumu (BSA)

Ag Nanodalelės

starch BSA

Iš nanodalelių danga suteikia norimas tirpumo ir stabilumo

savybes vandenyje

Toksiškumo apimtis vertinama kaip mirtingumo skaičius, ikrų skaičius ir

būsena, širdies susitraukimų dažnis ir išsigimimų skaičius

Optical characterization

Sidabro dalelių toksiškumas

Nanotechnology (2008) 4, 873

Normalus embrionas Embryo

Mirę embrionaiPažeisti embrionai

Sidabro nanodalelių toksiškumas Buvo nustatyta, kad sidabro nanodalelės patenka į embrionų ląstelių vidų

Nanotechnology (2008) 4, 873

TEM Mitochondrijos

TEM Branduolių Embriono EDS

Nanodalelės centrinėje nervų sistemoje - širdies ritmo, kvėpavimo ir kūno judesių sutrikimai

Nanodalelės kraujyje - edema ir kurios nors organizmo dalies mirimas

Neigiams Ag poveikis priklauso nuo koncentracijos ir kur nanodalelė patenka

Apibendrinimas

Nanotechnologijos yra “lazda su dviem galais”: dėl naudojamų medžiagų savybių (mažas paviršiaus plotas, aktyvumas ir t.t.) jos yra ir bus plačiai taikomos pramonėje ir buityje, bet dėl tų pačių savybių jos yra potencialiai toksiškos.

Kurdami ir taikydami naujas technologijas, nepamirškime “abiejų

lazdos galų”

DĖKOJU UŽ JŪSŲ DĖMESĮ IR JŪSŲ KLAUSIMUS