Nanotechnologia

Aby zapoznać się z czasopismem naukowym o materiałach, zobacz Nanotechnologia (czasopismo) . Aby zapoznać się z innymi zastosowaniami „Nanotech”, zobacz Nanotech (ujednoznacznienie) .

Fullerenowe nanoprzekładnie
Część serii artykułów na temat
nanotechnologii
Wpływ i zastosowania
Nanomateriały
Samoorganizacja molekularna
Nanoelektronika
Nanometrologia
Nanotechnologia molekularna

Nanotechnologia , w skrócie nanotechnologia , to wykorzystanie materii w skali atomowej , molekularnej i supramolekularnej do celów przemysłowych. Najwcześniejszy, szeroko rozpowszechniony opis nanotechnologii odnosił się do szczególnego celu technologicznego, jakim jest precyzyjne manipulowanie atomami i cząsteczkami w celu wytwarzania produktów w makroskali, obecnie określanych również jako nanotechnologia molekularna . Bardziej ogólny opis nanotechnologii został następnie ustalony przez National Nanotechnology Initiative , który zdefiniował nanotechnologię jako manipulację materią o co najmniej jednym wymiarze o wielkości od 1 do 100 nanometrów (nm). Ta definicja odzwierciedla fakt, że mechaniki kwantowej są ważne w tej skali dziedziny kwantowej , dlatego definicja przesunęła się z określonego celu technologicznego do kategorii badawczej obejmującej wszystkie rodzaje badań i technologii, które zajmują się specjalnymi właściwościami materii, które występują poniżej określonego progu wielkości. Dlatego często spotyka się liczbę mnogą „nanotechnologie” oraz „ nanoskali” . technologie” w odniesieniu do szerokiego zakresu badań i zastosowań, których wspólną cechą jest rozmiar.

Nanotechnologia definiowana przez rozmiar jest naturalnie szeroka i obejmuje dziedziny nauki tak różnorodne, jak nauka o powierzchni , chemia organiczna , biologia molekularna , fizyka półprzewodników , magazynowanie energii , inżynieria , mikrofabrykacja i inżynieria molekularna . Związane z tym badania i zastosowania są równie zróżnicowane, począwszy od rozszerzeń konwencjonalnej fizyki urządzeń do zupełnie nowych podejść opartych na samoorganizacji molekularnej , od opracowywania nowe materiały o wymiarach w nanoskali do bezpośredniej kontroli materii w skali atomowej .

Naukowcy debatują obecnie nad przyszłymi implikacjami nanotechnologii . Nanotechnologia może być w stanie stworzyć wiele nowych materiałów i urządzeń o szerokim zakresie zastosowań , takich jak nanomedycyna , nanoelektronika , produkcja energii z biomateriałów i produkty konsumenckie. Z drugiej strony nanotechnologia rodzi wiele takich samych problemów, jak każda nowa technologia, w tym obawy dotyczące toksyczności i wpływu nanomateriałów na środowisko oraz ich potencjalnego wpływu na gospodarkę światową, a także spekulacje na temat różnych scenariusze zagłady . Obawy te doprowadziły do ​​debaty wśród grup rzeczników i rządów na temat tego, czy specjalne regulacje dotyczące nanotechnologii są uzasadnione.

Pochodzenie

Osobny artykuł: Historia nanotechnologii

Koncepcje, które zapoczątkowały nanotechnologię, zostały po raz pierwszy omówione w 1959 roku przez znanego fizyka Richarda Feynmana w jego przemówieniu Na dnie jest dużo miejsca , w którym opisał możliwość syntezy poprzez bezpośrednią manipulację atomami.

Porównanie rozmiarów nanomateriałów

Termin „nanotechnologia” został po raz pierwszy użyty przez Norio Taniguchi w 1974 roku, choć nie był on powszechnie znany. Zainspirowany koncepcjami Feynmana, K. Eric Drexler użył terminu „nanotechnologia” w swojej książce Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology z 1986 roku , w której zaproponował ideę „asemblera” w nanoskali, który byłby w stanie zbudować kopię samego siebie i innych elementów o dowolnej złożoności z kontrolą atomową. Również w 1986 roku Drexler był współzałożycielem The Foresight Institute (z którym nie jest już powiązany), aby pomóc zwiększyć świadomość społeczną i zrozumienie koncepcji i implikacji nanotechnologii.

Pojawienie się nanotechnologii jako dziedziny w latach 80. nastąpiło w wyniku konwergencji prac teoretycznych i publicznych Drexlera, które rozwinęły i spopularyzowały ramy koncepcyjne dla nanotechnologii, oraz dobrze widocznych postępów eksperymentalnych, które zwróciły dodatkową uwagę na szeroką skalę na perspektywy atomowej kontroli nad materiał. W latach 80. XX wieku dwa główne przełomy zapoczątkowały rozwój nanotechnologii w epoce nowożytnej. Najpierw wynalezienie skaningowego mikroskopu tunelowego w 1981 r., który umożliwił bezprecedensową wizualizację pojedynczych atomów i wiązań, aw 1989 r. z powodzeniem wykorzystano go do manipulowania pojedynczymi atomami. Twórcy mikroskopu Gerd Binnig i Heinrich Rohrer z IBM Zurich Research Laboratory otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku. W tym samym roku Binnig, Quate i Gerber wynaleźli również analogiczny mikroskop sił atomowych .

Buckminsterfullerene C 60 , znany również jako buckyball , jest reprezentatywnym członkiem struktur węglowych znanych jako fulereny . Członkowie rodziny fulerenów są głównym przedmiotem badań w ramach nanotechnologii.

Po drugie, fulereny zostały odkryte w 1985 roku przez Harry'ego Kroto , Richarda Smalleya i Roberta Curla , którzy razem zdobyli w 1996 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii . C 60 nie był początkowo opisywany jako nanotechnologia; termin ten był używany w odniesieniu do późniejszych prac z powiązanymi nanorurkami węglowymi (czasami nazywanymi rurkami grafenowymi lub rurkami Bucky'ego), co sugerowało potencjalne zastosowania w elektronice i urządzeniach w nanoskali. Odkrycie nanorurek węglowych jest w dużej mierze przypisane do Sumio Iijima z NEC w 1991 roku, za który Iijima zdobył w 2008 roku inauguracyjną Nagrodę Kavli w dziedzinie nanonauki.

Na początku XXI wieku dziedzina ta zyskała coraz większą uwagę naukową, polityczną i komercyjną, co doprowadziło zarówno do kontrowersji, jak i postępu. Pojawiły się kontrowersje dotyczące definicji i potencjalnych implikacji nanotechnologii, czego przykładem jest Towarzystwa Królewskiego na temat nanotechnologii. Podniesiono wyzwania dotyczące wykonalności zastosowań przewidzianych przez zwolenników nanotechnologii molekularnej, których kulminacją była debata publiczna między Drexlerem i Smalleyem w latach 2001 i 2003.

Tymczasem zaczęła pojawiać się komercjalizacja produktów opartych na postępach w technologiach nanoskalowych. Produkty te są ograniczone do masowych zastosowań nanomateriałów i nie obejmują atomowej kontroli materii. Niektóre przykłady obejmują Silver Nano do wykorzystania nanocząstek srebra jako środka przeciwbakteryjnego, przezroczyste filtry przeciwsłoneczne na bazie nanocząsteczek , wzmacnianie włókien węglowych za pomocą nanocząsteczek krzemionki oraz nanorurki węglowe do tekstyliów odpornych na plamy.

Rządy podjęły działania w celu promowania i finansowania badań w dziedzinie nanotechnologii, na przykład w Stanach Zjednoczonych za pośrednictwem National Nanotechnology Initiative , która sformalizowała definicję nanotechnologii opartą na wielkości i ustanowiła finansowanie badań w nanoskali, a w Europie za pośrednictwem europejskich programów ramowych na rzecz badań i Rozwój technologiczny .

W połowie 2000 roku zaczęła kwitnąć nowa i poważna uwaga naukowa. Pojawiły się projekty mające na celu stworzenie map drogowych nanotechnologii, które koncentrują się na precyzyjnej atomowo manipulacji materią i omawiają istniejące i przewidywane możliwości, cele i zastosowania.

Idee fundamentalne

Nanotechnologia to inżynieria systemów funkcjonalnych w skali molekularnej. Obejmuje to zarówno bieżące prace, jak i koncepcje bardziej zaawansowane. W swoim pierwotnym znaczeniu nanotechnologia odnosi się do przewidywanej zdolności konstruowania przedmiotów od podstaw przy użyciu technik i narzędzi opracowywanych obecnie w celu wytwarzania kompletnych produktów o wysokiej wydajności.

Jeden nanometr (nm) to jedna miliardowa, czyli 10-9 metra . Dla porównania, typowe długości wiązań węgiel-węgiel , czyli odstępy między tymi atomami w cząsteczce , mieszczą się w zakresie 0,12–0,15 nm , a podwójna helisa DNA ma średnicę około 2 nm. Z drugiej strony najmniejsze komórkowe formy życia, bakterie z rodzaju Mycoplasma , mają około 200 nm długości. Umownie za nanotechnologię przyjmuje się zakres skali od 1 do 100 nm zgodnie z definicją używaną przez National Nanotechnology Initiative w USA. Dolną granicę wyznacza wielkość atomów (wodór ma najmniejsze atomy, które mają w przybliżeniu jedną czwartą nm średnicy kinetycznej ), ponieważ nanotechnologia musi budować swoje urządzenia z atomów i cząsteczek. Górna granica jest mniej więcej dowolna, ale mieści się w okolicach wielkości, poniżej której zjawiska nieobserwowane w większych strukturach zaczynają być widoczne i mogą być wykorzystane w nanourządzeniu. Te nowe zjawiska odróżniają nanotechnologię od urządzeń, które są jedynie zminiaturyzowanymi wersjami równoważnych makroskopowych urządzenie; takie urządzenia są na większą skalę i są objęte opisem mikrotechnologii .

Aby umieścić tę skalę w innym kontekście, porównawczy rozmiar nanometra do metra jest taki sam, jak rozmiar marmuru do wielkości ziemi. Innymi słowy: nanometr to długość brody przeciętnego mężczyzny w czasie potrzebnym do przyłożenia brzytwy do twarzy.

W nanotechnologii stosowane są dwa główne podejścia. W podejściu „oddolnym” materiały i urządzenia są zbudowane z komponentów molekularnych, które łączą się chemicznie zgodnie z zasadami rozpoznawania molekularnego . W podejściu „z góry na dół” nanoobiekty są konstruowane z większych jednostek bez kontroli na poziomie atomowym.

Dziedziny fizyki, takie jak nanoelektronika , nanomechanika , nanofotonika i nanojonika, ewoluowały w ciągu ostatnich kilku dekad, aby zapewnić podstawowe naukowe podstawy nanotechnologii.

Od większych do mniejszych: perspektywa materiałów

Obraz rekonstrukcji na czystej powierzchni Gold ( 100 ), jak zwizualizowano za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej . Widoczne są pozycje poszczególnych atomów tworzących powierzchnię.
Główny artykuł: Nanomateriały

Kilka zjawisk staje się wyraźnych wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru systemu. Obejmują one statystyczne efekty mechaniczne, a także efekty mechaniki kwantowej , na przykład „efekt wielkości kwantowej ”, w którym właściwości elektronowe ciał stałych ulegają zmianie przy znacznym zmniejszeniu wielkości cząstek. Efekt ten nie wchodzi w grę przy przechodzeniu od wymiarów makro do wymiarów mikro. Jednak efekty kwantowe mogą stać się znaczące, gdy zostanie osiągnięty zakres wielkości nanometrów, zwykle przy odległościach 100 nanometrów lub mniejszych, tak zwana sfera kwantowa . Ponadto szereg właściwości fizycznych (mechanicznych, elektrycznych, optycznych itp.) zmienia się w porównaniu z układami makroskopowymi. Jednym z przykładów jest wzrost stosunku pola powierzchni do objętości zmieniający właściwości mechaniczne, termiczne i katalityczne materiałów. Dyfuzja i reakcje w nanoskali, nanostruktury materiałów i nanourządzeń z szybkim transportem jonów są ogólnie określane jako nanojoniki. mechaniczne nanoukładów są przedmiotem zainteresowania badań nanomechaniki. Aktywność katalityczna nanomateriałów stwarza również potencjalne zagrożenia w ich interakcji z biomateriałami .

Materiały zredukowane do nanoskali mogą wykazywać inne właściwości w porównaniu do tego, co wykazują w makroskali, umożliwiając unikalne zastosowania. Na przykład substancje nieprzezroczyste mogą stać się przezroczyste (miedź); stabilne materiały mogą stać się palne (aluminium); nierozpuszczalne materiały mogą stać się rozpuszczalne (złoto). Materiał taki jak złoto, który jest chemicznie obojętny w normalnej skali, może służyć jako silny katalizator chemiczny w nanoskali. Duża część fascynacji nanotechnologią wynika z tych zjawisk kwantowych i powierzchniowych, które materia wykazuje w nanoskali.

Od prostych do złożonych: perspektywa molekularna

Główny artykuł: Samoorganizacja molekularna

Nowoczesna chemia syntetyczna osiągnęła punkt, w którym możliwe jest przygotowanie małych cząsteczek do niemal dowolnej struktury. Metody te są obecnie stosowane do produkcji szerokiej gamy użytecznych chemikaliów, takich jak farmaceutyki lub komercyjne polimery . Zdolność ta rodzi pytanie o rozszerzenie tego rodzaju kontroli na kolejny większy poziom, poszukiwanie metod składania tych pojedynczych cząsteczek w zespoły supramolekularne składające się z wielu cząsteczek ułożonych w dobrze określony sposób.

Podejścia te wykorzystują koncepcje samoorganizacji molekularnej i / lub chemii supramolekularnej, aby automatycznie ułożyć się w jakąś użyteczną konformację poprzez podejście oddolne . Koncepcja rozpoznawania molekularnego jest szczególnie ważna: cząsteczki można projektować w taki sposób, aby faworyzować określoną konfigurację lub układ ze względu na niekowalencyjne siły międzycząsteczkowe . Reguły parowania zasad Watsona-Cricka są tego bezpośrednim skutkiem, podobnie jak specyficzność enzymu kierowanego do pojedynczego substratu lub specyficzne fałdowanie samego białka . W ten sposób dwa lub więcej elementów można zaprojektować tak, aby były komplementarne i wzajemnie atrakcyjne, tworząc bardziej złożoną i użyteczną całość.

Takie podejścia oddolne powinny umożliwiać równoległe wytwarzanie urządzeń i być znacznie tańsze niż metody odgórne, ale mogą potencjalnie zostać przytłoczone wraz ze wzrostem rozmiaru i złożoności pożądanego zespołu. Większość użytecznych struktur wymaga skomplikowanych i termodynamicznie nieprawdopodobnych układów atomów. Niemniej jednak istnieje wiele przykładów samoorganizacji opartych na rozpoznaniu molekularnym w biologii , w szczególności parowanie zasad Watsona-Cricka i interakcje enzym-substrat. Wyzwaniem dla nanotechnologii jest to, czy zasady te można wykorzystać do konstruowania nowych konstrukcji oprócz tych naturalnych.

Nanotechnologia molekularna: perspektywa długoterminowa

Główny artykuł: Nanotechnologia molekularna

Nanotechnologia molekularna, czasami nazywana produkcją molekularną, opisuje zaprojektowane nanosystemy (maszyny w nanoskali) działające w skali molekularnej. Nanotechnologia molekularna jest szczególnie związana z asemblerem molekularnym , maszyną, która może wytwarzać żądaną strukturę lub urządzenie atom po atomie przy użyciu zasad mechanosyntezy . Wytwarzanie w kontekście nanosystemów produkcyjnych nie jest związane z konwencjonalnymi technologiami stosowanymi do wytwarzania nanomateriałów, takich jak nanorurki węglowe i nanocząsteczki, i należy je wyraźnie od nich odróżnić.

Kiedy termin „nanotechnologia” został niezależnie ukuty i spopularyzowany przez Erica Drexlera (który w tamtym czasie nie był świadomy wcześniejszego użycia go przez Norio Taniguchiego), odnosił się on do przyszłej technologii produkcji opartej na systemach maszyn molekularnych . Założeniem było to, że biologiczne analogie w skali molekularnej tradycyjnych komponentów maszyn wykazały, że maszyny molekularne są możliwe: z niezliczonych przykładów znalezionych w biologii wiadomo, że można wyprodukować wyrafinowane, zoptymalizowane stochastycznie maszyny biologiczne .

Istnieje nadzieja, że ​​rozwój nanotechnologii umożliwi ich konstruowanie w inny sposób, być może przy użyciu biomimetyki zasady. Jednak Drexler i inni badacze zaproponowali, że zaawansowana nanotechnologia, chociaż być może początkowo wdrażana środkami biomimetycznymi, ostatecznie mogłaby opierać się na zasadach inżynierii mechanicznej, a mianowicie technologii produkcji opartej na mechanicznej funkcjonalności tych elementów (takich jak koła zębate, łożyska, silniki i elementów konstrukcyjnych), które umożliwiłyby programowalny montaż pozycyjny zgodnie ze specyfikacją atomową. Wydajność fizyki i inżynierii przykładowych projektów została przeanalizowana w książce Drexlera Nanosystems .

Ogólnie rzecz biorąc, bardzo trudno jest złożyć urządzenia w skali atomowej, ponieważ atomy trzeba układać na innych atomach o porównywalnej wielkości i lepkości. Według innego poglądu, przedstawionego przez Carlo Montemagno , przyszłe nanosystemy będą hybrydami technologii krzemowej i biologicznych maszyn molekularnych. Richard Smalley argumentował, że mechanosynteza jest niemożliwa ze względu na trudności w mechanicznym manipulowaniu poszczególnymi cząsteczkami.

Doprowadziło to do wymiany listów w publikacji ACS Chemical & Engineering News w 2003 roku. Chociaż biologia wyraźnie pokazuje, że systemy maszyn molekularnych są możliwe, niebiologiczne maszyny molekularne są dziś dopiero w powijakach. Liderami badań nad niebiologicznymi maszynami molekularnymi są dr Alex Zettl i jego koledzy z Lawrence Berkeley Laboratories i UC Berkeley. [1] Zarchiwizowane 08.10.2015 w Wayback Machine Skonstruowali co najmniej trzy różne urządzenia molekularne, których ruch jest kontrolowany z pulpitu za pomocą zmieniającego się napięcia: nanorurkowy nanomotor , molekularny siłownik i nanoelektromechaniczny oscylator relaksacyjny. Zobacz nanomotor z nanorurkami , aby uzyskać więcej przykładów.

Eksperyment wskazujący, że możliwe jest pozycyjne składanie molekularne, przeprowadzili Ho i Lee z Cornell University w 1999 roku. Użyli skaningowego mikroskopu tunelowego, aby przenieść pojedynczą cząsteczkę tlenku węgla (CO) do pojedynczego atomu żelaza (Fe) znajdującego się na płaskim srebrze kryształ i chemicznie związał CO z Fe przez przyłożenie napięcia.

Obecne badania

Graficzne przedstawienie rotaksanu , przydatnego jako przełącznik molekularny .
Ten czworościan DNA jest sztucznie zaprojektowaną nanostrukturą typu wykonanego w dziedzinie nanotechnologii DNA . Każda krawędź czworościanu to podwójna helisa DNA o długości 20 par zasad , a każdy wierzchołek to trójramienne połączenie.
Obrotowy widok C 60 , jeden rodzaj fulerenu.
To urządzenie przenosi energię z nanocienkich warstw studni kwantowych do nanokryształów znajdujących się nad nimi, powodując, że nanokryształy emitują światło widzialne.

Nanomateriały

Dziedzina nanomateriałów obejmuje poddziedziny, które opracowują lub badają materiały o unikalnych właściwościach wynikających z ich wymiarów w nanoskali.

Podejścia oddolne

Mają one na celu ułożenie mniejszych komponentów w bardziej złożone zespoły.

  • Nanotechnologia DNA wykorzystuje specyfikę parowania zasad Watsona-Cricka do konstruowania dobrze zdefiniowanych struktur z DNA i innych kwasów nukleinowych .
  • Podejścia z zakresu „klasycznej” syntezy chemicznej ( synteza nieorganiczna i organiczna ) mają również na celu zaprojektowanie cząsteczek o ściśle określonym kształcie (np. bis-peptydy ).
  • Mówiąc bardziej ogólnie, samoorganizacja molekularna ma na celu wykorzystanie koncepcji chemii supramolekularnej, aw szczególności rozpoznawania molekularnego, aby spowodować, że składniki jednocząsteczkowe automatycznie ułożą się w jakąś użyteczną konformację.
  • mikroskopu sił atomowych mogą być używane jako „głowica pisząca” w nanoskali do osadzania substancji chemicznej na powierzchni w pożądany wzór w procesie zwanym nanolitografią zanurzeniową . Technika ta pasuje do szerszej poddziedziny nanolitografii .
  • Epitaksja z wiązek molekularnych umożliwia tworzenie oddolnych zestawów materiałów, w szczególności materiałów półprzewodnikowych powszechnie stosowanych w układach scalonych i zastosowaniach obliczeniowych, stosach, bramkowaniu i laserach nanodrutowych .

Podejścia odgórne

Starają się tworzyć mniejsze urządzenia, używając większych do kierowania ich montażem.

Podejścia funkcjonalne

Mają one na celu opracowanie komponentów o pożądanej funkcjonalności bez względu na sposób ich montażu.

  • Zespół magnetyczny do syntezy anizotropowych materiałów superparamagnetycznych, takich jak ostatnio prezentowane nanołańcuchy magnetyczne.
  • Elektronika w skali molekularnej dąży do opracowania cząsteczek o użytecznych właściwościach elektronicznych. Można je następnie wykorzystać jako komponenty jednocząsteczkowe w urządzeniu nanoelektronicznym. Przykład patrz rotaksan.
  • Syntetyczne metody chemiczne można również wykorzystać do stworzenia syntetycznych silników molekularnych , takich jak w tak zwanym nanosamochodzie .

Podejścia biomimetyczne

  • Bionika lub biomimikra ma na celu zastosowanie metod i systemów biologicznych występujących w przyrodzie do badania i projektowania systemów inżynieryjnych i nowoczesnych technologii. Biomineralizacja jest jednym z przykładów badanych systemów.
  • Bionanotechnologia to wykorzystanie biomolekuł do zastosowań w nanotechnologii, w tym wykorzystanie wirusów i zespołów lipidowych. Nanoceluloza to potencjalne zastosowanie na skalę masową.

Spekulacyjny

Te poddziedziny mają na celu przewidywanie , jakie wynalazki może przynieść nanotechnologia, lub próbują zaproponować program, zgodnie z którym badania mogą się rozwijać. Często przedstawiają one szeroki obraz nanotechnologii, kładąc większy nacisk na jej implikacje społeczne niż na szczegóły, w jaki sposób takie wynalazki mogłyby faktycznie powstać.

  • Nanotechnologia molekularna to proponowane podejście, które obejmuje manipulowanie pojedynczymi cząsteczkami w ściśle kontrolowany, deterministyczny sposób. Jest to bardziej teoretyczne niż inne poddziedziny, a wiele proponowanych technik wykracza poza obecne możliwości.
  • Nanorobotyka koncentruje się na samowystarczalnych maszynach o pewnej funkcjonalności działających w nanoskali. Istnieją nadzieje na zastosowanie nanorobotów w medycynie. Niemniej jednak wykazano postęp w zakresie innowacyjnych materiałów i metodologii, udzielając niektórych patentów na nowe urządzenia nanoprodukcyjne do przyszłych zastosowań komercyjnych, co również stopniowo pomaga w rozwoju nanorobotów z wykorzystaniem wbudowanych koncepcji nanobioelektroniki.
  • Produktywne nanosystemy to „systemy nanosystemów”, które będą złożonymi nanosystemami wytwarzającymi atomowo precyzyjne części dla innych nanosystemów, niekoniecznie przy użyciu nowych właściwości pojawiających się w nanoskali, ale dobrze poznanych podstaw produkcji. Ze względu na dyskretny (tj. atomowy) charakter materii i możliwość wzrostu wykładniczego etap ten jest postrzegany jako podstawa kolejnej rewolucji przemysłowej. Michał Roko , jeden z architektów amerykańskiej National Nanotechnology Initiative, zaproponował cztery stany nanotechnologii, które wydają się odpowiadać postępowi technicznemu rewolucji przemysłowej, przechodząc od pasywnych nanostruktur, przez aktywne nanourządzenia, aż po złożone nanomaszyny i ostatecznie do produktywnych nanosystemów .
  • Programowalna materia ma na celu zaprojektowanie materiałów, których właściwości można łatwo, odwracalnie i z zewnątrz kontrolować poprzez połączenie informatyki i materiałoznawstwa .
  • w analogii do niego ukuto słowa pikotechnologia i femtotechnologia , chociaż są one używane rzadko i nieformalnie.

Wymiarowość w nanomateriałach

Nanomateriały można podzielić na nanomateriały 0D, 1D, 2D i 3D . Wymiarowość odgrywa główną rolę w określaniu właściwości nanomateriałów, w tym fizycznych , chemicznych i biologicznych . Wraz ze spadkiem wymiarowości obserwuje się wzrost stosunku powierzchni do objętości. Wskazuje to, że nanomateriały o mniejszych wymiarach mają większą powierzchnię w porównaniu z nanomateriałami 3D. Ostatnio dwuwymiarowe (2D) nanomateriały są szeroko badane pod kątem zastosowań elektronicznych , aplikacje biomedyczne , dostarczanie leków i bioczujniki .

Narzędzia i techniki

Typowa konfiguracja AFM . Mikrofabrykowany wspornik z ostrą końcówką jest odchylany przez elementy na powierzchni próbki, podobnie jak w fonografie , ale na znacznie mniejszą skalę. Wiązka laserowa odbija się od tylnej części wspornika do zestawu fotodetektorów , umożliwiając pomiar ugięcia i złożenie go w obraz powierzchni.

Istnieje kilka ważnych współczesnych rozwiązań. Mikroskop sił atomowych (AFM) i skaningowy mikroskop tunelowy (STM) to dwie wczesne wersje sond skanujących, które zapoczątkowały nanotechnologię. Istnieją inne rodzaje mikroskopii z sondą skanującą . Chociaż koncepcyjnie podobny do skaningowego mikroskopu konfokalnego opracowanego przez Marvina Minsky'ego w 1961 r. I skaningowego mikroskopu akustycznego (SAM) opracowanego przez Calvina Quate'a i współpracownikami w latach 70. nowsze mikroskopy z sondą skanującą mają znacznie wyższą rozdzielczość, ponieważ nie są ograniczone długością fali dźwięku ani światła.

Końcówki sondy skanującej można również używać do manipulowania nanostrukturami (proces zwany składaniem pozycyjnym). Metodologia skanowania zorientowana na cechy może być obiecującym sposobem na wdrożenie tych nanomanipulacji w trybie automatycznym. Jest to jednak nadal powolny proces ze względu na małą prędkość skanowania mikroskopu.

Opracowano również różne techniki nanolitografii, takie jak litografia optyczna , litografia rentgenowska , nanolitografia zanurzeniowa, litografia wiązką elektronów czy litografia nanoimprintu . Litografia to odgórna technika wytwarzania, w której materiał masowy jest redukowany do nanoskalowego wzoru.

Inna grupa technik nanotechnologicznych obejmuje te stosowane do wytwarzania nanorurek i nanoprzewodów , stosowane w wytwarzaniu półprzewodników, takie jak litografia w głębokim ultrafiolecie, litografia wiązką elektronów, obróbka skupioną wiązką jonów, litografia nanoodcisków, osadzanie warstw atomowych i osadzanie z fazy gazowej cząsteczek, a ponadto obejmuje techniki samoorganizacji molekularnej, takie jak te wykorzystujące kopolimery dwublokowe. Prekursory tych technik poprzedzały erę nanotechnologii i są raczej kontynuacją postępu naukowego niż technikami, które zostały opracowane wyłącznie w celu stworzenia nanotechnologii i które były wynikiem badań nad nanotechnologią.

Podejście odgórne przewiduje nanourządzenia, które muszą być budowane kawałek po kawałku etapami, podobnie jak wytwarzane są przedmioty. Mikroskopia z sondą skanującą jest ważną techniką zarówno do charakteryzowania, jak i syntezy nanomateriałów. Mikroskopy sił atomowych i skaningowe mikroskopy tunelowe mogą być używane do oglądania powierzchni i przemieszczania atomów. Projektując różne końcówki do tych mikroskopów, można ich używać do wycinania struktur na powierzchniach i pomagać w kierowaniu samoorganizującymi się strukturami. Stosując na przykład podejście do skanowania zorientowanego na cechy, atomy lub cząsteczki można przesuwać po powierzchni za pomocą technik mikroskopii z sondą skanującą. Obecnie jest to droga i czasochłonna produkcja masowa, ale bardzo dobrze nadaje się do eksperymentów laboratoryjnych.

Natomiast techniki oddolne budują lub rozwijają większe struktury atom po atomie lub cząsteczka po cząsteczce. Techniki te obejmują syntezę chemiczną, samoorganizację i montaż pozycyjny. Interferometria z podwójną polaryzacją jest jednym z narzędzi odpowiednich do charakteryzowania samoorganizujących się cienkich warstw. Inną odmianą podejścia oddolnego jest epitaksja z wiązki molekularnej lub MBE. Naukowcy z Bell Telephone Laboratories jak John R. Arthur. Alfred Y. Cho i Art C. Gossard opracowali i wdrożyli MBE jako narzędzie badawcze pod koniec lat 60. i 70. XX wieku. Próbki wykonane przez MBE były kluczem do odkrycia ułamkowego kwantowego efektu Halla, za który w 1998 roku przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. MBE pozwala naukowcom układać atomowo precyzyjne warstwy atomów, a przy okazji budować złożone struktury. Ważny dla badań nad półprzewodnikami, MBE jest również szeroko stosowany do wytwarzania próbek i urządzeń dla nowo powstającej dziedziny spintroniki .

Jednak nowe produkty terapeutyczne, oparte na reagujących nanomateriałach, takich jak ultraodkształcalne, wrażliwe na stres pęcherzyki transferomowe , są w trakcie opracowywania i zostały już zatwierdzone do stosowania u ludzi w niektórych krajach.

Aplikacje

Jednym z głównych zastosowań nanotechnologii jest dziedzina nanoelektroniki , w której tranzystory MOSFET są wykonane z małych nanodrutów o długości ≈10 nm. Oto symulacja takiego nanoprzewodu.
Nanostruktury nadają tej powierzchni superhydrofobowość , która pozwala kropelkom wody toczyć się po nachylonej płaszczyźnie .
Lasery nanoprzewodowe do ultraszybkiej transmisji informacji w impulsach świetlnych
Główny artykuł: Lista zastosowań nanotechnologii

Na dzień 21 sierpnia 2008 r. Project on Emerging Nanotechnologies szacuje, że publicznie dostępnych jest ponad 800 produktów nanotechnologicznych zidentyfikowanych przez producentów, a nowe pojawiają się na rynku w tempie 3–4 tygodniowo. Projekt zawiera listę wszystkich produktów w publicznie dostępnej internetowej bazie danych. Większość zastosowań ogranicza się do wykorzystania pasywnych nanomateriałów „pierwszej generacji”, które obejmują dwutlenek tytanu w filtrach przeciwsłonecznych, kosmetykach, powłokach powierzchniowych i niektórych produktach spożywczych; Alotropy węgla używane do produkcji taśmy gecko ; srebro w opakowaniach do żywności, odzieży, środkach dezynfekujących i sprzęcie AGD; tlenek cynku w filtrach przeciwsłonecznych i kosmetykach, powłokach powierzchniowych, farbach i lakierach do mebli ogrodowych; i tlenek ceru jako katalizator paliwowy.

Dalsze zastosowania pozwalają piłkom tenisowym trwać dłużej, piłkom golfowym lecieć prosto, a nawet piłkom do kręgli stać się bardziej wytrzymałymi i mieć twardszą powierzchnię. Spodnie i skarpetki zostały nasycone nanotechnologią, dzięki czemu wytrzymają dłużej i zapewnią ludziom chłód latem. Bandaże są nasycane nanocząstkami srebra, aby szybciej leczyć skaleczenia. Konsole do gier wideo i komputery osobiste mogą stać się tańsze, szybsze i zawierać więcej pamięci dzięki nanotechnologii. Ponadto, aby zbudować struktury do obliczeń na chipie za pomocą światła, na przykład na chipie optyczne kwantowe przetwarzanie informacji i pikosekundowa transmisja informacji.

Nanotechnologia może sprawić, że istniejące zastosowania medyczne będą tańsze i łatwiejsze w użyciu w miejscach takich jak gabinet lekarza pierwszego kontaktu iw domu. Samochody są produkowane z nanomateriałów , więc w przyszłości mogą potrzebować mniej metali i mniej paliwa do działania.

Naukowcy zwracają się teraz ku nanotechnologii, próbując opracować silniki Diesla z czystszymi spalinami. Platyna jest obecnie stosowana jako katalizator silników Diesla w tych silnikach. Katalizator jest tym, co oczyszcza cząstki spalin. Najpierw stosuje się katalizator redukujący, który odbiera atomy azotu z cząsteczek NOx w celu uwolnienia tlenu. Następnie katalizator utleniający utlenia węglowodory i tlenek węgla, tworząc dwutlenek węgla i wodę. [ potrzebne źródło ] Platyna jest stosowana zarówno w katalizatorach redukcji, jak i utleniania. Używanie platyny jest jednak nieefektywne, ponieważ jest drogie i niezrównoważone. Duńska firma InnovationsFonden zainwestowała 15 milionów DKK w poszukiwanie nowych substytutów katalizatora z wykorzystaniem nanotechnologii. Celem rozpoczętego jesienią 2014 roku projektu jest maksymalizacja powierzchni i minimalizacja ilości potrzebnego materiału. Obiekty mają tendencję do minimalizowania swojej energii powierzchniowej; na przykład dwie krople wody połączą się, tworząc jedną kroplę i zmniejszą powierzchnię. Jeśli powierzchnia katalizatora, która jest wystawiona na działanie spalin jest zmaksymalizowana, wydajność katalizatora jest zmaksymalizowana. Zespół pracujący nad tym projektem ma na celu stworzenie nanocząstek, które nie będą się łączyć. Za każdym razem, gdy powierzchnia jest optymalizowana, materiał jest oszczędzany. W ten sposób tworzenie tych nanocząstek zwiększy skuteczność powstałego katalizatora silnika wysokoprężnego, co z kolei doprowadzi do czystszych spalin i obniży koszty. Jeśli się powiedzie, zespół ma nadzieję zmniejszyć zużycie platyny o 25%.

Nanotechnologia odgrywa również znaczącą rolę w szybko rozwijającej się dziedzinie inżynierii tkankowej . Projektując rusztowania, naukowcy próbują naśladować nanoskalowe cechy komórki , aby skierować jej różnicowanie w odpowiednią linię. Na przykład podczas tworzenia rusztowań wspierających wzrost kości naukowcy mogą naśladować doły resorpcyjne osteoklastów .

Naukowcy z powodzeniem wykorzystali nanoboty oparte na origami DNA , zdolne do wykonywania funkcji logicznych w celu ukierunkowanego dostarczania leku karaluchom. Mówi się, że moc obliczeniową tych nanobotów można zwiększyć do mocy Commodore 64 .

Implikacje

Główny artykuł: Implikacje nanotechnologii

Obszarem zainteresowania jest wpływ, jaki produkcja i stosowanie nanomateriałów na skalę przemysłową miałoby na zdrowie ludzi i środowisko, jak sugerują badania nanotoksykologiczne . Z tych powodów niektóre grupy opowiadają się za regulacją nanotechnologii przez rządy. Inni przeciwstawiają się temu, że nadmierna regulacja zdławiłaby badania naukowe i rozwój korzystnych innowacji. zdrowiem publicznym , takie jak Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy, aktywnie prowadzą badania nad potencjalnymi skutkami zdrowotnymi wynikającymi z narażenia na nanocząsteczki.

Niektóre produkty nanocząsteczkowe mogą mieć niezamierzone konsekwencje . Naukowcy odkryli, że w praniu uwalniają się bakteriostatyczne nanocząsteczki srebra stosowane w skarpetkach w celu zmniejszenia zapachu stóp. Cząsteczki te są następnie spłukiwane do strumienia ścieków i mogą niszczyć bakterie, które są krytycznymi składnikami naturalnych ekosystemów, gospodarstw rolnych i procesów oczyszczania ścieków.

Publiczne debaty na temat postrzegania ryzyka w Stanach Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii, przeprowadzone przez Centrum Nanotechnologii w Społeczeństwie, wykazały, że uczestnicy byli bardziej pozytywnie nastawieni do nanotechnologii w zastosowaniach energetycznych niż w zastosowaniach zdrowotnych, przy czym zastosowania zdrowotne budzą dylematy moralne i etyczne, takie jak koszty i dostępność.

Eksperci, w tym dyrektor Woodrow Wilson Center's Project on Emerging Nanotechnologies David Rejeski, zeznali, że pomyślna komercjalizacja zależy od odpowiedniego nadzoru, strategii badań ryzyka i zaangażowania opinii publicznej. Berkeley w Kalifornii jest obecnie jedynym miastem w Stanach Zjednoczonych, które reguluje nanotechnologię; Cambridge w stanie Massachusetts w 2008 roku rozważało uchwalenie podobnego prawa, ale ostatecznie je odrzuciło.

Kwestie zdrowotne i środowiskowe

Film o wpływie nanotechnologii na zdrowie i bezpieczeństwo
Główne artykuły: Zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa związane z nanomateriałami oraz Zanieczyszczenia powodowane przez nanomateriały

Nanowłókna są wykorzystywane w wielu obszarach iw różnych produktach, od skrzydeł samolotów po rakiety tenisowe. Wdychanie unoszących się w powietrzu nanocząstek i nanowłókien może prowadzić do wielu chorób płuc , np. zwłóknienia . Naukowcy odkryli, że gdy szczury wdychały nanocząsteczki, cząsteczki osadzały się w mózgu i płucach, co doprowadziło do znacznego wzrostu biomarkerów stanu zapalnego i odpowiedzi na stres oraz że nanocząsteczki indukują starzenie się skóry poprzez stres oksydacyjny u bezwłosych myszy.

Dwuletnie badanie przeprowadzone w Szkole Zdrowia Publicznego UCLA wykazało, że myszy laboratoryjne spożywające nanottlenek tytanu wykazały uszkodzenia DNA i chromosomów w stopniu „powiązanym ze wszystkimi wielkimi zabójcami człowieka, a mianowicie rakiem, chorobami serca, chorobami neurologicznymi i starzeniem”.

Badanie przeprowadzone przez Nature Nanotechnology sugeruje, że niektóre formy nanorurek węglowych – dziecko z plakatu „rewolucji nanotechnologicznej” – mogą być równie szkodliwe jak azbest , jeśli są wdychane w wystarczających ilościach. Anthony Seaton z Instytutu Medycyny Pracy w Edynburgu w Szkocji, który przyczynił się do powstania artykułu na temat nanorurek węglowych powiedział: „Wiemy, że niektóre z nich prawdopodobnie mogą powodować międzybłoniaka. Dlatego z tego rodzaju materiałami należy obchodzić się bardzo ostrożnie”. Wobec braku konkretnych regulacji ze strony rządów Paull i Lyons (2008) wezwali do wykluczenia sztucznych nanocząsteczek z żywności. Artykuł w gazecie donosi, że pracownicy fabryki farb zachorowali na poważną chorobę płuc iw ich płucach wykryto nanocząsteczki.

Rozporządzenie

Główny artykuł: Regulacja nanotechnologii

Wezwania do ściślejszej regulacji nanotechnologii pojawiły się wraz z narastającą debatą dotyczącą zagrożeń dla zdrowia i bezpieczeństwa ludzi związanych z nanotechnologią. Toczy się znacząca debata na temat tego, kto jest odpowiedzialny za regulacje dotyczące nanotechnologii. Niektóre agencje regulacyjne obejmują obecnie niektóre produkty i procesy nanotechnologiczne (w różnym stopniu) – poprzez „przykręcenie” nanotechnologii do istniejących przepisów – istnieją wyraźne luki w tych systemach. Davies (2008) zaproponował regulacyjną mapę drogową opisującą kroki mające na celu zaradzenie tym niedociągnięciom.

Zainteresowane strony zaniepokojone brakiem ram regulacyjnych do oceny i kontroli ryzyka związanego z uwalnianiem nanocząstek i nanorurek dostrzegły podobieństwa z gąbczastą encefalopatią bydła (choroba „szalonych krów”), talidomidem , genetycznie zmodyfikowaną żywnością, energią jądrową, technologiami reprodukcyjnymi, biotechnologią i pylica azbestowa . Dr Andrew Maynard, główny doradca naukowy w Woodrow Wilson Center's Project on Emerging Nanotechnologies, podsumowuje, że nie ma wystarczających funduszy na badania nad zdrowiem i bezpieczeństwem ludzi, w wyniku czego istnieje obecnie ograniczone zrozumienie zagrożeń dla zdrowia i bezpieczeństwa związanych z nanotechnologią . W rezultacie niektórzy naukowcy wezwali do ściślejszego stosowania zasady ostrożności , z opóźnionym dopuszczeniem do obrotu, ulepszonym etykietowaniem i dodatkowymi wymaganiami dotyczącymi opracowywania danych dotyczących bezpieczeństwa w odniesieniu do niektórych form nanotechnologii.

W raporcie Towarzystwa Królewskiego zidentyfikowano ryzyko uwolnienia nanocząstek lub nanorurek podczas usuwania, niszczenia i recyklingu oraz zalecono, aby „producenci produktów objętych systemami rozszerzonej odpowiedzialności producenta, takimi jak przepisy dotyczące wycofania z eksploatacji, opublikowali procedury określające, w jaki sposób te materiały będą udało się zminimalizować możliwe narażenie ludzi i środowiska” (str. xiii).

Centrum Nanotechnologii w Społeczeństwie odkryło, że ludzie różnie reagują na nanotechnologie w zależności od zastosowania – uczestnicy debat publicznych są bardziej pozytywnie nastawieni do nanotechnologii w energetyce niż w zastosowaniach zdrowotnych – co sugeruje, że wszelkie publiczne apele o regulacje w zakresie nanotechnologii mogą się różnić w zależności od sektora technologicznego.

Zobacz też

Główny artykuł: Zarys nanotechnologii

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Nanotechnology&oldid=1134252666 ”