Zarys i zastosowanie, nowinki i ciekawostki naukowe

Zarys i zastosowanie Nanotechnologia to ogólna nazwa całego

zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nano-metrycznych (od 0,1 do 100 nanometrów), czyli na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Nanotechnologia jest określeniem, które zagościło w słownikach na początku minionej dekady. Ogólnie oznacza inżynierię w bardzo małej skali.

Bardziej konkretnie, nanotechnologia wiąże się z opanowaniem technologii manipulowania i przekształcania materii w skali pojedynczych atomów, czyli odległości rzędu nanometrów. Biorąc pod uwagę fakt, iż nanometr jest jedną milionową milimetra lub szerokością trzech, czterech atomów, zdolność do przekształcania materii w tej skali jest faktycznie zdumiewająca. A jednak już teraz jest możliwe i wykonywalne.

Krótka historia1959 r.- Richard P. Feynman

wygłosił wykład There's Plenty Room at the Bottom (w wolnym tłumaczeniu Dużo zmieści się u podstaw). Rozpoczął od wyobra-żenia sobie, co trzeba zrobić by zmieścić 24-tomową Encyklope-dię Britannikę na łepku od szpilki

1960 r. - wykonanie silnika mieszczącego się w sześcianie o boku 1/64 cala McLellan

1985 r. - w Uniwersytecie Stanford Thomas Newman odtworzył pierwszy akapitu Opowieści o dwóch miastach Karola Dickensa w skali 1:25000

Krótka historia Lata osiemdziesiąte i dziewięćdziesiąte to okres

gwałtownego rozwoju technik litograficznych oraz produkcji ultracienkich warstw kryształów (technologie MOCVD, MBE).

Do ważnych osiągnięć technologicznych zaliczyć można: 

Wykonanie napisu IBM przez dwóch fizyków Donalda Eiglera i Erharda Shweizera za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego używając 35 atomów

Odkrycie fullerenów - cząsteczek węgla odznaczających się niespotykaną w chemii symetrią dwudziestościanu foremnego

Metody wiązek molekularnych i wykorzystanie do tworzenia studnia kwantowa, drut kwantowy i kropka kwantowa

Nanorurka i badania własności pojedynczych nanorurek - cząsteczek węgla, które wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozrywanie i unikalne własności elektryczne, oraz są znakomitymi przewodnikami ciepła

ObecnieNanotechnologia jest

obecnie bardzo modnym i obiecującym działem nauki o materiałach, bardzo często jest też jednak słowem-wytrychem, przy pomocy którego próbuje opisać niemal każde badania w dziedzinie technologii materiałowej.

Do struktur nanotechnologicznych można obecnie zaliczyć:Studnie kwantowe,

druty kwantowe i kropki kwantowe.

Sztuczne włókna - o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, które również posiadają niespotykane własności mechaniczne.

Nanorurki - czyli bardzo długie i puste w środku cząsteczki oparte na węglu w wiązaniach o hybrydyzacji sp2 .

Nanotechnologia na świecie – W.Brytania Nanotechnologia została uznana za ważną dziedziną i znalazła się w

rządowym programie LINK, którego celem było wspomaganie ważnych nowych technologii. Dążenie do miniaturyzacji i zwiększania precyzji stawiają przed przemysłem coraz większe wymagania odnośnie obróbki, pozycjonowania, sterowania i pomiarów z nanometrową tolerancją. Brytyjska Narodowa Inicjatywa na rzecz Nanotechnologii (UK National Initiative on Nanotechnology - NION), która pojawiła się w 1986 roku była efektem szybkiego wzrostu znaczenia tej nowej technologii. Przyświecał jej cel promocji badań ukierunkowanych na przemysłowe wykorzystanie. Prace prowadzone w Narodowym Laboratorium Fizyki (NPL) są stymulowane potrzebami optyki dla promieniowania X, które znajduje coraz większe zastosowania praktyczne. Zastosowania te to, badanie struktury polimerów metodą analizy promieniowania X rozpraszanego pod małym kątem, analiza pierwiastków lekkich metodą dyfrakcji promieniowania na siatkach specjalnej konstrukcji, wytwarzanie zwierciadeł w celu wygodniejszego wykorzystywania promieniowania synchrotronowego, oraz teleskopów i mikroskopów pracujących w zakresie promieniowania X. Dla wielu z tych zastosowań wymagana jest tolerancja wykończenia powierzchni elementów aparatury na poziomie subnanometrowym. Nanotechnologia coraz powszechniej wkracza na takie pola jak wytwarzanie precyzyjnych manipulatorów czy produkcja obwodów scalonych i zwierciadeł żyroskopów laserowych.

Nanotechnologia na świecie - Niemcy Niemieccy naukowcy wychodzą z założenia, iż nanocząsteczki stanowią

fazę pośrednią pomiędzy podstawowymi elementami budowy materii - atomami i cząsteczkami - a ciałem stałym, w którym atomy i cząsteczki tworzą mniej lub bardziej uporządkowane struktury. Ze względu na ich specyficzną strukturę "już nie cząsteczki, a jeszcze nie ciało stałe", nanocząsteczki, połączone ze sobą, zaczynają nagle wykazywać nowe właściwości. Metale dają się na przykład przeobrażać w półprzewodniki lub tworzywa optyczne. Do pomyślenia byłaby tu niemal nieskończona liczba odmian, o ile nanocząstki byłyby wytworzone z substancji niemetalicznych i nieorganicznych i umieszczone wewnątrz innych materiałów, na przykład w szkle czy tworzywach sztucznych. Powstawałyby wówczas tak zwane nanokompozyty, które w przypadku tworzyw umożliwiają rozwiązania podobnie "szyte na miarę", jak indywidualnie projektowane mikrochipy w elektronice. Rząd przeznacza rocznie 70 milionów dolarów na tak zwane mikrosystemy, czyli różne technologie w skali mikro, które obejmują zarówno mikromechanikę, jak i mikroelektronikę. Ten program prowadzi niemieckie Centrum Technologii VDI/VDE, które koordynuje wydatki na mikromechanikę. Program Technologii Mikrosystemów skupia setki małych i średnich firm oraz instytutów badawczych z całego kraju.

Karlsruhe i VDI/VDE zaproponowały stworzenie w ramach Wspólnoty Europejskiej programu o miliardowym budżecie, który skupiałby się na technologiach miniaturyzacji.

Nanotechnologia na świecie - JaponiaRząd japoński przyznał priorytet rozwojowi

technologii budowy mikrourządzeń. Ministerstwo Handlu Międzynarodowego i Przemysłu (MITI) przeznaczyło 200 milionów dolarów na dziesięcioletni program badawczy. Celem tego programu jest między innymi opracowanie wytwarzania serwomotorów i czujników, które można wykorzystać w robotach kontrolujących rurociągi oraz inteligentnych cewnikach połączonych z urządzeniami w rodzaju skalpela do mikrochirurgii. Program MITI obejmuje nie tylko masową produkcję litograficzną opartą na krzemie, ale również wiele innych metod obróbki małych elementów z metalu i tworzyw sztucznych za pomocą cięcia i szlifowania każdego pojedynczego elementu.

Nanotechnologia na świecie - USA Program DARPA jest największym amerykańskim programem badań

mikromechanicznych, chociaż jego trzyletni budżet, wynoszący 20 milionów dolarów, to niewiele w porównaniu z wydatkami Japonii czy Niemiec na ten cel. DARPA prowadzi badania m.in. nad: Superczuły czujnik przyspieszenia. Urządzenie wielkości zegarka ręcznego, mierzące różne parametry, na

przykład ciśnienie powietrza, jego temperaturę i wilgotność, współrzędne geograficzne oraz wykrywające obecność pewnych gazów, na przykład dwutlenku węgla.

Serwomotor budowany w Stanford University, który zapewnia ruch w kierunku prostopadłym do powierzchni układu scalonego.

 W innym programie DARPA prowadzone są próby wytwarzania w jednej z fabryk w Północnej Karolinie wszystkich struktur mikromechaniki, dotychczas produkowanych w różnych ośrodkach w USA.

Ma to być sprawdzian, czy dziedzina ta jest już na tyle rozwinięta, aby warto było inwestować w produkcję krótkich serii systemów mikromechanicznych i dzięki temu uzyskiwać je względnie tanio. Postęp w tej dziedzinie może nastąpić bardzo szybko, jeśli zostaną wykorzystane doświadczenia mikroelektroniki.

Nanotechnologia w PolsceW Polsce, pomimo niewielkich nakładów na naukę

oraz badania laboratoryjne, prowadzone są badania z zakresu ogólnie pojętej nanotechnologii. Istnieją trzy główne ośrodki badań nad nanotechnologią (łącznie jest 25 placówek): Instytuty działające przy PAN, Politechnika Warszawska oraz Politechnika Wrocławska. Ośrodki, które w mniejszym stopniu zajmują się tymi zagadnieniami, to Politechnika Poznańska i Politechnika Śląska. W ośrodkach tych prowadzi się badania nad następującymi zagadnieniami:wspomaganie technologii informacyjnych,bioinżynieria (biotechnologie),nowe systemy (nanosystemy),nowe źródła energii (np. z wykorzystaniem nanorurek),nowe materiały (np. "smart materials").

Zastosowanie nanotechnologii Istnieje ogromna liczba zastosowań produktów wytwarzanych

dzięki nanotechnologii. Wśród tych zauważyć możemy produkty codziennego użytku. Rozdrobnione preparaty srebrowe już przy śladowej obecności działają dezynfekująco, bakteriobójczo, odkażająco czy nawet kosmetycznie i leczniczo.

Nanopreparaty miedziowe z kolei wykazują silną grzybobójczość osiąganą przy stężeniach tysiąckrotnie mniejszych od preparatów stosowanych w ochronie roślin, drewna, czy w budownictwie.

Z uwagi na całkowity brak działań toksycznych, ujemnie dermatologicznych, czy uczuleniowych, uczuleniowych a więc alergicznych, nano koloidalne preparaty miedzi zasługują w pełni na nazwę ekologicznych.

Wodne koloidy nanosrebrowe i nanomiedziane stosowane w odkażaniu i uzdatnianiu wody, przeciwbakteryjnemu zabezpieczaniu odzieży, konserwacji oraz przedłużaniu czasu przechowywania żywności, kosmetyce osobistej ciała ludzkiego, dezynfekcji urządzeń pracujących w kontakcie z żywnością do zastosowań w zakładach mleczarskich, mięsnych, przetwórstwa owoców i warzyw, ochronie inwentarza żywego od farm zwierzęcych po stawy rybne.

Zastosowanie nanotechnologii Te same lub też podobne koloidy wytwarzane z pojedynczych pierwiastków

bądź ich stopów, służą także do zabezpieczania materiałów budowlanych, narażonych na rozwój bakterii i grzybów. Do grupy tej zaliczamy także preparaty do zastosowań ochronnych muzealnych, zabezpieczające przed atakiem grzybów: mumie, kości, artefakty, wykonane z drewna, skóry czy tkanin, brązy, rzeźby. Dodatki do paliw płynnych, działają na zasadzie katalitycznego rozkładu paliwa, zmniejszające zanieczyszczenie środowiska. Dodatki usprawniające działanie olejów i smarów silnikowych, przedłużają żywotność silników spalinowych, łożysk tocznych, kulkowych i ślizgowych. Specjalistyczne koloidy służą szerokiej gamie wytwarzania produktów przemysłu chemicznego, farmaceutycznego, produkcji materiałów obiektów użytkowych wytwarzanych z polimerów. Specjalistyczne koloidy służą technologii obronności od środków sanitarnych po farby pochłaniające promieniowanie mikrofalowe i czyniące samoloty niewidzialnymi dla radarów . 

Nanotechnologia jest również używana do produkcji i pakowania żywności. Zmiany na poziomie molekularnym dokonywane są w celu uzyskania konkretnych smaków, kolorów czy wartości odżywczych a tzw. "inteligentne opakowania" pozwalają zachować świeżość produktów spożywczych przez dłuższy okres. Brak dokładnych badań na temat wpływu nanocząsteczek na zdrowie konsumentów wywołał międzynarodową dyskusję i spowodował, iż Parlament Europejski zdecydował się znowelizować rozporządzenie regulujące rynek nowej żywności

Lepsze tranzystory z nanokabli Miniaturyzacja krzemowych tranzy-

storów ma swoje granice i współczesna technologia właśnie się do nich zbliża. Dlatego też poszukiwane są alternatywne sposoby na zapewnienie ciągłego rozwoju komputerów. Jednym z nich jest pomysł na wykorzystanie krzemowych nano-kabli.

W 2008 roku naukowcy z MIT stworzyli nanokable, w których ruchliwość elektronów jest dwukrotnie lepsza niż w poprzednich tego typu produktach. Teraz ten sam zespół udowodnił, że jest w stanie ułożyć na sobie do pięciu wysoko wydajnych nanokabli, pięciokrotnie zwiększając w ten sposób wydajność nanokablowego tranzystora, bez zwiększania jego powierzchni na układzie scalonym.

Kwantowe baterie bardziej pojemne? Pojemność teoretycznej "cyfrowej baterii

kwantowej" może o całe rzędy wielkości przewyższać pojemność współczesnych urządzeń. Koncepcję baterii kwantowej zaproponowali naukowcy z University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC).

Współczesne baterie zbudowane są z dwóch elektrod przedzielonych izolatorem. Po dostarczeniu do elektrod napięcia, w izolatorze powstaje pole elektryczne, dzięĸi któremu przechowywana jest energia. Nie można jednak przechowywać jej nieskończenie wiele, gdyż po przekroczeniu pewnej ilości pomiędzy elektrodami powstanie łuk elektryczny i utracimy to, co przechowujemy.

Naukowcy z UIUC teoretyzują, że gdybyśmy zbudowali baterię z macierzy miniaturowych elektrod oddalonych od siebie zaledwie o około 10 nanometrów, to w nanoskali dojdzie do wystąpienia efektu kwantowego, który zapobieże pojawieniu się łuku elektrycznego.

Manipulacje komórkami drożdży Komórkami drożdży, pokrytymi

nanocząstkami tlenku żelaza, można manipulować za pomocą zwykłego magnesu. Opracowana metoda osadzania na powierzchni drożdży magnetycznych nanocząstek jest bezpieczna dla komórek i nie przeszkadza im w normalnym funkcjonowaniu - informuje "Soft Matter".

Pomysł tworzenia z żywych komórek drożdży (Saccharomyces cerevisiae) miniaturowych magnesów może wydawać się nieco dziwny czy wręcz ekscentryczny. Dla biotechnologów, biochemików czy biologów molekularnych magnetyczne drożdże tworzą jednak układ, który może znacząco ułatwić pracę. Drożdże stanowią bowiem modelowy układ komórkowy, przez co są powszechnie używane w różnych eksperymentach, gdzie możliwość precyzyjnego manipulowania poszczególnymi komórkami jest często bezcenna.

Nanotechnologiczny dozownik leków Nowo opracowana kompozytowa membrana

zbudowana z kilku typów nanocząstek, funkcjonuje jako bardzo precyzyjny nanozawór, wydzielający w określonych warunkach fizykochemicznych zmagazynowaną wewnątrz kapsułki substancję chemiczną (np. lek). Nowy system dostarczania leków nie jest toksyczny dla żywych komórek, co umożliwia wykorzystanie tej technologii w przyszłości w medycynie - informuje "Nano Letters". Nanotechnolodzy coraz częściej udowadniają swymi odkryciami tezę, iż tradycyjne metody dostarczania leków np. pastylki czy zastrzyki, niebawem przejdą do historii. Przykładem nowo opracowanej technologii, która może zdetronizować tabletki oraz zrewolucjonizować medycynę, jest technologia opracowana przez międzynarodowy zespół naukowców, łączący badaczy z McMaster University (Kanada), University of Zaragoza (Hiszpania), Massachusetts Institute of Technology oraz Harvard Medical School (USA).

Elastyczne, trójwymiarowe baterie słoneczne Wykorzystując silnie porowatą, anodyzowaną

folię aluminiową, jako podstawę dla półprzewodnikowych nanokolumn wykonanych z siarczku kadmu (elementów ogniwa słonecznego przetwarzającego energię słoneczną w energię elektryczną), naukowcom udało się stworzyć trójwymiarowe, elastyczne ogniwo słoneczne. Technologia ta być może w przyszłości zostanie zastosowana przy produkcji tanich baterii słonecznych, informuje "Nature Materials". Słońce, a dokładniej zgromadzona w świetle słonecznym energia, którą za pomocą ogniw słonecznych można coraz wydajniej przekształcać w energię elektryczną, stanowi dziś nadal marginalne źródło prądu na Ziemi. Taka sytuacja wynika z faktu, iż dostępne technologie konwersji światła w prąd elektryczny są albo bardzo drogie lub mało wydajne. By to zmienić, na całym świecie prowadzone są niezliczone projekty badawcze, których cel jest jeden - superwydajne i tanie, więc dostępne dla każdego - ogniwa słoneczne.

Przewodzący nanoklejNowo opracowany nanoklej

pozwala na połączenie nanokryształów, w tym kropek kwantowych, w taki sposób, iż możliwy jest przepływ prądu pomiędzy poszczególnymi drobinkami. Odkrycie to stwarza zupełnie nowe możliwości technologiczne, które naukowcy wykorzystać mogą między innymi przy konstrukcji baterii słonecznych oraz innych urządzeń optoelektronicznych, donosi "Science".

Srebro w walce z zakrzepicą Choć nanotechnologia jest jedną z najmłodszych

dziedzin nauki, już dziś widać doskonale jej ogromny potencjał. Stopniowo znajduje ona coraz więcej zastosowań także w badaniach z zakresu medycyny, czego doskonałym przykładem są srebrne nanocząsteczki o działaniu przeciwzakrzepowym , opracowane przez naukowców z uniwersytetu Banaras Hindu w indyjskim mieście Balapur.

Wytworzenie zakrzepu , czyli złogu komórek powstającego w naczyniach krwionośnych pod wpływem niepożądanej aktywacji układu krzepnięcia krwi, może być stanem bezpośredniego zagrożenia życia. Istnieją co prawda leki ograniczające ryzyko tego patologicznego stanu, lecz ich skuteczność bywa niewystarczająca, a dodatkowo zwiększają one ryzyko samoistnego wystąpienia krwawień.

Naukowcy z Indii liczą, że stworzone przez nich nanocząsteczki, swoją średnicą nieprzekraczające 1/50000 średnicy ludzkiego włosa, mogą pomóc rozwiązać ten niezwykle istotny problem.

ŹródłaRegis E.: Nanotechnologia, narodziny nowej nauki, czyli

świat cząsteczka po cząsteczce. Prószyński i S-ka, 2001Voldman S. H.: Piorunochrony dla nanoukładów, Świat

Nauki 12/2002NanoNet.pl – portal o nanotechnologii Nanotechnologia.republika.pl  Racjonalista.plWikipedia.org

Opracowali

• Ewa ADAMEK• Ewa KUŚ• Danuta ŻURAWIECKA• Krzysztof BLOK• Rafał CHRÓSZCZ• Robert DĘBCZAK• Piotr KURZOK• Arkadiusz WACH• Wojciech WRÓBEL