Nanotehnologija

Iz Vikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na: navigaciju, pretragu
Struktura fulerena koja ne bi bila vidljiva bez nanotehnologije.
Ugljenična nanocev, animirani prikaz.

Nanotehnologija je interdisciplinarna nauka koja uključuje fiziku, hemiju, biologiju, nauke o materijalima, kao i širok skup inženjerskih disciplina.[1][2] Riječ nanotehnologija, koristi se kao sinonim i za nauku i za tehnologiju. Kao nauka, nanotehnologija proučava fizičke, hemijske i biološke osobine molekula i atomskih čestica. Nanotehnologija kao tehnologija primjenjuje istraživanja iz navedenih nauka i različite inženjerske discipline za proizvodnju materijala i funkcionalnih sistema sa posebnim i jedinstvenim osobinama.[3][4]

Nanotehnologija je predmet istraživanja na svim područjima ljudske aktivnosti i koja će biti osnovna nauka budućeg razvijanja događaja u elektrotehnici, medicini, građevinarstvu, poljoprivredi i svim drugim oblastima.[5]

Koreni nanotehnologije[uredi]

Iako se nanotehnologija smatra za modernu nauku, njeni koreni sežu u duboku prošlost. Glazura kojom se presvlačilo keramičko posuđe za zapravo nanobakar i nanosrebro, a hrana u tim posudama je duže ostajala sveža. Brodsko drvo se premazivalo posebnom bakarnom emulzijom da bi se zaštitilo od propadanja od strane gljivica, posebno od vrste brodski puž.[6]

Danas, nanotehnologija kao inženjerska disciplina, odnosi se na tehnike i proizvode koji uključuju strukture nanometarskih dimenzija, u rangu od 1 do 100 nanometara,[7] a naročito one koje transformišu materiju, energiju i informaciju, upotrebom nanometarskih komponenti sa precizno definisanim molekularnim osobinama. Krajem 1980ih, pojam nanotehnologija ulazi u široku upotrebu za opis budućih tehnologija koje će se bazirati na molekularnim mašinskim sistemima, odnosno sistemima dizajniranim tako da budu sposobni da konstruišu složene proizvode sa atomskom preciznošću. Od polovine 1990-tih, upotreba koncepta se proširila na instrumente, procese i proizvode čije su ključne dimenzije u rangu između 1 do 100 nanometara. Različite tehnologije se uklapaju u ovu definiciju, a mnoge mogu doprineti razvoju novih proizvoda i proizvodnih procesa, na primer, napredna molekularna proizvodnja.

Nanomaterijali[uredi]

Nanomaterijalima se smatraju objekti kojima je bar jedna dimenzija između 1 i 1000 nanometara, ali najčešće 1-100 nm, što je uobičajena definicija nanoskale.[8]

Nanopore[uredi]

Desaj i Ferari su stvorili jedan od prvih nanomaterijala koji mogu imati primenu u medicini. [9] Reč je o komorama koje obuhvataju ćelije, a načinjene su od pojedinačnih silicijumskih oblandi. Komore omogućavaju komunikaciju ćelije sa spoljašnjom okolinom pomoću rupa (nanopora) čiji prečnik može biti i do 20 nm. Nanopore su dovoljno velike da propuštaju manje molekule, kao što su kiseonik, glukoza ili insulin, ali dovoljno male da sprečavaju prolaz imunoglobulina. Kada se u organizam ubaci ovakva obložena strana ćelija, organizam je neće prepoznati i odbaciti, a omogućiće joj dotok nutrijenata i kiseonika, kao i otpuštanje insulina. Ova tehnologija može imati primenu kod pacijenata obolelih od dijabetesa. Slično ovome, možda je moguće ubaciti obložene neurone u pacijente koji pate od Alchajmerove bolesti, pri tome električnom stimulacijom obezbeđujući otpuštanje neurotransmitera.

Nanoljuske[uredi]

Nanoljuske su sferične nanočestice, koje imaju dielektrično jezgro i tanku zlatnu ljusku. Ove nanoljuske takođe sadrže kvazičesticu plazmon, koja predstavlja simultanu oscilaciju elektrona u odnosu na jone. Od debljine ljuske i radijusa nanočestice zavisi sa elektromagnetnim talasima koje talasne dužine će nanočestice biti uparene. U primeni, npr. za uništavanje ćelija tumora, koristi se bliski dio infracrvenog spektra, jer je u tom delu optička transmisija kroz tkivo optimalna.

Nanoljuske se prvo ubace u polimerski hidrogel, u kom se nalazi i lek. Nanoljuske kruže po organizmu dok se ne akumuliraju blizu ćelija tumora. Na željenom mestu, nanoljuske selektivno apsorbuju infracrvene elektromagnetne talase, koje emituje infracrveni laser. Tako se zagriju i istope polimer, što izaziva otpuštanje leka, koje je više lokalizovano u odnosu na standardne metode. Sličan postupak se može primenjivati i za ispuštanje insulina u organizam, kod pacijenata koji imaju dijabetes.[10]

Kvantne tačke[uredi]

Kvantne tačke su nanočestice koje imaju prečnik od nekoliko nanometara i mogu se podešavati tako da emituju svetlost određene boje. Ova činjenica ih može učiniti korisnim za detekciju, ako se kombinuju sa biomolekulama. Pri osvetljavanju belom bojom, svaka nanočestica će emitovati svetlost jedne boje, čiji je intenzitet i do hiljadu puta veći od trenutno korištenih testova.

Temeljni koncepti, poređenje[uredi]

Nanotehnologija je veština pravljenja ili rada sa stvarima tako malim da ih je moguće posmatrati samo pomoću najjačih mikroskopa. To je takođe i sposobnost pravljenja veoma malih mašina uz pomoć računarske tehnologije, atom po atom. Da se naglasi ovaj smisao, često se nanotehnologija naziva i molekularna nanotehnologija.

Može se reći da je nanotehnologija polje primenjene nauke bazirana na dizajnu, sintezi i primjeni materijala i uređaja reda veličine nano.

Jedan nanometar je milijarditi deo metra. Poređenja radi, tipična dužina veze dva atoma ugljenika je 0,12-0,15 nm, i prečnik dvostruke spirale DNK je oko 2 nm. Najmanje ćelijske životne forme, bakterija iz roda Mycoplasma, su oko 200 nm dužine. Nano-sastavljanje ili pristup odozdo prema gore, je sinteza nanostrukturiranog materijala sastavljanjem njegovih prethodno pripremljenih nanometarskih sastavnih elemenata koje čine nanometarske čestice ili čak i pojedinačni atomi ili molekule.

Od velikog, prema malom: pogled na materijale[uredi]

Glavni članak: Nanomaterijali
Poređenje veličina nanomaterijala

Brojni fizički fenomeni počinju da se ističu, kako se veličina sistema smanjuje. Ovo uključuje statističke mehaničke efekte, kao i kvantne mehaničke efekte, na primer „efekt kvantne veličine“, gde su elektroničke osobine čvrstih tela drugačije u slučaju znatnog smanjenja veličine delića. Ovi efekti se ne primećuju kod smanjenja sa makro, na mikro dimenzije.

Štaviše, kvantni efekti počinju da dominiraju kada se dostignu nanometarske veličine, tipično na rastojanjima od 100 nanometara i manje, u takozvanom kvantnom carstvu. Dodatno, mnoge fizičke (mehaničke, električne, optičke, i druge) osobine se menjaju u poređenju sa makroskopskim sistemima. Jedan primer je povećanje odnosa između površine i zapremine, menjajući termičke i katalitičke osobine materijala.

Pojmovi u nanotehnologiji[uredi]

Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetaka hiljada atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu.

Nanobot je imaginarna mašina (robot) na skali od nekoliko do nekoliko desetaka nanometara, dizajniran da obavlja specifične poslove.

Bukminsterfuleren C60 je reprezentativni član ugljenikovih struktura, poznatih kao fulereni.[11][12] Članovi porodice fulerena su glavni subjekti istraživanja pod nanotehnološkim kišobranom.

Do 2012. godine, kroz svoju Državnu nanotehnološku inicijativu, SAD su investirale 3,7 milijardi dolara, Evropska unija je investirala 1,2 milijardi, i Japan 750 miliona dolara.[13]

Uvod u istoriju nanotehnologije[uredi]

Pionir nanotehnologije je Erik Dreksler. On je američki inženjer najbolje poznat po popularizaciji potencijala (za sada, uglavnom) hipotetičke molekularne nanotehnologije. Tokom kasnih 70-tih razvija ideju molekularne nanotehnologije. Godine 1979. se susreo sa provokativnim predavanjem fizičara i Nobelovca Ričarda Fajnmana, „Mnogo je prostora na dnu“ („There's Plenty of Room at the Bottom“).

Termin nanotehnologija je 1974. skovao profesor Norio Taniguči sa univerziteta u Tokiju, da bi opisao preciznu proizvodnju materijala sa nanometarskom preciznošću. Dreksler je upotrebio taj naziv u svojoj knjizi iz 1986.: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, kako bi opisao ono što je posle postalo poznato kao molekularna nanotehnologija. Tada je Dreksler po prvi put upotrebio izraz „siva sluz“ da opiše šta se može desiti ako hipotetičke samoreplikujuće mašine izmaknu kontroli.

Jedna od prepreka u razvoju nanotehnologije je nedostatak efikasnog načina da se naprave mašine na molekularnoj skali. Jedna od Drekslerovih ranih ideja je bila „asembler“, nanomašina koja bi imala „ruku“ vođenu računarom koja bi bila programirana da pravi naredne mašine. To do sada nije učinjeno.

Vođene su mnoge rasprave o budućem uticaju nanotehnlogije. Nanotehnologija ima potencijal da napravi mnoge nove materijale i uređaje sa širokim spektrom primene, u medicini, elektronici, biomaterijalima i proizvodnji energije. Sa druge strane, sa nanotehnologijom se postavljaju ista pitanja kao kod svakog uvođenja nove tehnologije, uključujući brigu o toksičnosti i uticaju nanomaterijala na okolinu, kao i njihovog potencijalnog uticaja na ekonomiju. Postoje i spekulacije oko različitih scenarija totalnog uništenja. Ove zabrinutosti su vodile do debata između zagovorničkih grupa i vlada, o tome da se na neki način osigura posebna regulacija za nanotehnologiju.

Područja u fizici kao što su nanoelektronika, nanomehanika i nanooptika su evoluirale tokom nekoliko zadnjih decenija toliko da sada osiguravaju naučni temelj nanotehnlogije.

Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji[uredi]

Mihail Roko, jedan od arhitekata Nacionalne nanotehnološke inicijative Sjedinjenih Američkih Država, je predložio četiri faze nanotehnologije koje imaju svoju paralelu u tehničkom progresu tokom Industrijske revolucije.

  1. Pasivne nanostrukture - nanodelići i nanocevi koji osiguravaju dodatnu snagu, električnu i toplotnu provodljivost, otpornost, hidrofiliju/hidrofobiju i/ili druge osobine koje se pojavljuju iz njihovih struktura na nano skali mera.[14][15]
  2. Aktivni nanouređaji - to su nanostrukture koje menjaju stanje u cilju transformacije energije, informacije i/ili da izvode korisne funkcije. Postoji izvesna debata da li na neki način vrhunska integrisana kola spadaju u ovu grupu, s obzirom da ona funkcionišu uprkos osobinama koje se javljaju na nanoskali, a ne zahvaljujući njima. Štaviše, argument se razvija, ona se ne kvalifikuju kao „nove“ osobine na nanoskali, čak iako su sami uređaji između jednog i stotinu nanometara.
  3. Kompleksne nanomašine - sklapanje različitih nanouređaja u nanosistem da bi se ostvarile složene funkcije. Ima tvrdnji da Zettl mašine ulaze u ovu grupu; drugi tvrde da moderni mikroprocesori i FPGA takođe odgovaraju.
  4. Sistem sačinjeni od nanosistema/Produktivni nanosistemi - oni će biti kompleksni nanosistemi koji proizvode atomski precizne delove drugih nanosistema, ne sa nužno novim pojavama nanodimenzionalnih osobina, nego sa odlično shvaćenim osnovama proizvodnje. Zbog atomske prirode materije i mogućnosti eksponencijalnog rasta, ova faza u razvoju nanotehnologije se vidi kao temelj sledeće industrijske revolucije. Trenutno ima mnogo različitih pristupa za izgradnju prozvodnih nanosistema: uključujući pristupe „odozgo prema dole“, i to: „Patterned Atomic Layer Epitaxy“ (epitaksija: rast kristala jednog minerala na faceti drugog minerala)[16] i „diamondoidna mehanosinteza“[17]. Tu su takođe i pristupi „odozdo prema gore“, kao što su „DNK Origami“ i „Bis-peptide sinteza“.
  5. Info/bio/nano konvergencija - s obzirom da je svaki živi organizam sačinjen od atoma i informacija, Roko je dodao peti korak, koji je konvergencija tri najrevolucionarnije tehnologije.

Trenutna istraživanja[uredi]

Nanomaterijali

Polje istraživanja nanomaterijala uključuje potpolja koja razvijaju ili proučavaju materijale koji imaju jedinstvene osobine nastale iz njihovih nanostepenskih dimenzija.[18]

Grafički prikaz rotaksanaa, iskoristivog kao molekularni prekidač.
Funkcionalni pristupi

Oni zahtevaju razvoj komponenti koji će imati željenu funkcionalnost, nezavisno od toga, kako će moći biti sastavljeni.

  • Molekularna elektronika se bavi razvojom molekula sa korisnim elektronskim osobinama. One se mogu koristiti kao jedno-molekulske komponente u nanoeletronskom uređaju. Kao primje se navodi „rotaksan“.
  • Sintetičke hemijske metode takođe mogu biti korištene za izradu sintetičkih molekularnim motora, kao u tzv. „nanoauto“.
Biomimetički pristupi
  • Bionika ili biomimikrija želi da primeni biloške metode i sisteme nađene u prirodi, za proučavanje i dizajn inženjerskih sistema i moderne tehnologije. Biomineralizacija je jedan primer proučavanih sistema.
  • Bionanotehnologija je korištenje biomolekula za primenu u nanotehnologiji.

Molekularna nanotehnologija: dugoročno gledište[uredi]

Molekularna nanotehnologija, ponekad nazivana molekularna proizvodnja, opisuje konstruisane nanosisteme (mašine na nanoskali) koji rade na veličinama molekula. Molekularna nanotehnologija je posebno povezana sa molekularnim sastavljačem, mašinom koja može da proizvodi željene strukture ili uređaje atom-po-atom koristeći principe mehanosinteze. Proizvodnja u kontekstu produktivnih nanosistema nije vezana sa prethodnim, i treba biti jasno razlikovana od konvencionalnih tehnologija korištenih u proizvodnji nanomaterijala kao što su ugljenične nanocevi i nanodelići.

Kada je termin nanotehnologija bio nezavisno skovan i popularizovan od strane Erika Drekslera (koji u to vreme nije znao za raniju upotrebu od strane Norio Tanigučija) odnosio se na buduće proizvođačke tehnologije bazirane na sistemima molekularnih mašina. Pretpostavka je bila da analogije sa biološkim molekularnim veličinama tradicionalnih delova mašina, pokazuju, da su molekularne mašine moguće: s obzirom na bezbroj primera nađenih u biologiji, poznato je da sofistikovane, stohastički optimizovane biološke mašine, mogu biti napravljene.

Nada postoji da će razvoj nanotehnologije omogućiti njihovo konstruisanje na neki drugi način, možda koristeći biomimetičke principe. Kako god, Dreksler i drugi istraživači su pretpostavili da napredna nanotehnologija, iako možda na početku sa primenom biomimetike, na kraju može biti bazirana na principima mašinskog inženjerstva, proizvodne tehnologija bazirane na upotrebljivosti komponenti kao što su: zupčanici, ležajevi, motori, i konstruktivnih elemenata, te da će omogućiti programabilno, poziciono sklapanje do detaljnih opisa na atomskom nivou.

Fizičke i inžinjerske performanse primeraka dizajna su analizirane u Drekslerovoj knjizi „Nanosistemi“. Uopšteno, veoma je teško sklopiti uređaje na atomskom nivou, pošto se pri tome moraju pojedinačni atomi pozicionirati prema drugim atomima uporedive veličine i unutrašnjeg trenja.

Drugi pogled koji zastupa Karlo Montemagno, jeste da će budući nanosistemi biti hibridi silicijumske tehnologije i bioloških molekularnih mašina. Još jedan predlog, koji je dao Ričard Smajli, jeste da je mehanosinteza nemoguća zbog teškoća u mehaničkom manipuliranju pojedinačnim molekulama. Ovo je vodilo do razmjene pisama iz ACS publikacije Chemical & Engineering News iz 2003. Dok biologija jasno pokazuje da su sistemi molekularnih mašina mogući, nebiološke molekularne mašine su u povoju. Vodeći istraživači nebioloških molekularnih mašina su Aleks Zetl i njegove kolege na Lovrence Berkli laboratorijama i UC Berkli. Oni su napravili najmanje tri različita molekularna uređaja čije je kretanje kontrolisano sa desktopa, promenom napona: nanocevni nanomotor, molekularni aktuator (aktuator je naprava kojom se stavlja u pogon neki mehanizam), i nanoelektromehanički relaksacioni oscilator.

Eksperimenti koji pokazuju da je poziciono molekularno sklapanje moguće, su izvedeni od strane naučnika Ho i Li na Kornel univerzitetu, 1999. Oni su koristili skenirajući tunelski mikroskop da pokrenu pojedinačne molekule ugljen monoksida (CO) na pojedinačni molekul gvožđa (Fe), smešten na ravnom kristalu srebra, i hemijski povezali CO sa Fe, koristeći napon struje.

Mogućnosti nanotehnologije[uredi]

Nanoskop

Progres u nanotehnologiji se može posmatrati preko mnogih parametara, uključujući preciznost, složenost, isplativost i izbor proizvoda. Dugoročni ciljevi nanotehnologije su atomska preciznost, arbitrarna složenost nanostruktura, ušteda u proizvodnji i masovna proizvodnja. Kombinacija ovih ciljeva izgleda izvodljiva, ali samo kroz višeslojni proces koji počinje sa razumijevanjem da trenutno stanje razvoja nanotehnologije ima ograničene sposobnosti.

Tehnologije koje se koriste u nanotehnologiji su vrlo različite, brzo se mijenjaju, a često nisu međusobno povezane. Tipični proizvodi nanotehnologije su nanočestice, fibre i filmovi različitih materijala i struktura. Tu su takođe litografske nanostrukture za elektronska integralna kola, strukture nastale spontanim dodavanjem molekula, odnosno autosklapanjem, kao i čvrsti hrapavi, ili porozni nanomaterijali. Mediji i materijali koji se koriste za proizvodnju nanostruktura i nanotekstura, često međusobno nemaju mnogo zajedničkog, a nalaze praktičnu primjenu počev od proizvodnje odjeće otporne na fleke pa sve do naprednih elektronskih komponenti. Mnogi tipovi nanotehnologija su nasljednici naučnih istraživanja iz već postojećih nauka, ali sada pod novim imenom.

U budućnosti se pretpostavlja da će nanotehnologija u velikoj meri olakšati život ljudima i rešiti značajne probleme današnjice. Po izboru sajta My life scoop među šest najboljih izuma nanotehnologije su se našli kesica za čaj koja pročišćava vodu, veštački mišići koji prepoznaju bolest i leče je iznutra, putevi koji se greju iznutra i sprečavaju klizanje vozila tokom zime, dobijanje energije iz izmeta, odeća na solarni pogon, kao i odeća koja pročišćava vazduh.[19] Ali pored toga može postati veoma destruktivna ako se bude koristila u ratovima.[20]

Vidi još[uredi]

Reference[uredi]

  1. Drexler, K. Eric (1986). Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Doubleday. ISBN 0-385-19973-2. 
  2. Drexler, K. Eric (1992). Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-57547-X. 
  3. Allhoff, Fritz; Lin, Patrick; Moore, Daniel (2010). What is nanotechnology and why does it matter?: from science to ethics. John Wiley and Sons. str. 3—5. ISBN 1-4051-7545-1. 
  4. Prasad, S. K. (2008). Modern Concepts in Nanotechnology. Discovery Publishing House. str. 31—32. ISBN 81-8356-296-5. 
  5. „Nanotehnologija“, Dragana Pavlović, draganapavlovic07.wordpress.com, 29. decembar 2012. Pristupljeno 7. decembra 2013.
  6. „Nanotehnologija u službi zdravlja“, val-znanje.com. Pristupljeno 7. decembra 2013.
  7. „Nanotehnologija - pojam nanotehnologije“. Pristupljeno 2. decembra 2013.
  8. Buzea, Cristina; Pacheco, Ivan; Robbie, Kevin (2007). „Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity”. Biointerphases. 2 (4): MR17—MR71. PMID 20419892. doi:10.1116/1.2815690. 
  9. Desai, Tejal; Ferrari, Mauro; Hansford, Derek (1999). „Nanopore Technology for Biomedical Applications”. Biomedical Microdevices. 2 (1). doi:10.1023/A:1009903215959. 
  10. L. R. Hirsch; R. J. Stafford; J. L. West (2003). „Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100. doi:10.1073/pnas.2232479100. 
  11. Kroto, H. W.; Heath, J. R.; O'Brien, S. C.; Curl, R. F.; Smalley, R. E. (1985). „C60: Buckminsterfullerene”. Nature. 318 (6042): 162—163. Bibcode:1985Natur.318..162K. doi:10.1038/318162a0. 
  12. Adams, W. W.; Baughman, R. H. (2005). „RETROSPECTIVE: Richard E. Smalley (1943-2005)”. Science. 310 (5756): 1916. PMID 16373566. doi:10.1126/science.1122120. 
  13. „Apply nanotech to up industrial, agri output”. 2012-04-17. Pristupljeno 2016-10-01. 
  14. „Nanotechnology Information Center: Properties, Applications, Research, and Safety Guidelines”. American Elements. Pristupljeno 13. 5. 2011. 
  15. „Analysis: This is the first publicly available on-line inventory of nanotechnology-based consumer products”. The Project on Emerging Nanotechnologies. 2008. Pristupljeno 13. 5. 2011. 
  16. Uvod Osnove tehnologije Dioda u planarnoj tehnologiji
  17. Introduction to Diamond Mechanosynthesis (DMS)
  18. SAO/NASA ADS Physics Abstract Service
  19. „Šta nam omogućava nanotehnologija“, Željko +, ekologija.rs, 28. mart 2012. Pristupljeno 7. decembra 2013.
  20. „Kako ćemo izumreti?“, Dario Salić, nauka.rs, 1. maj 2013. Pristupljeno 7. decembra 2013.

Spoljašnje veze[uredi]