Razgovor:Nanotehnologija

Dtom, zašto je skinut članak kolegice Inesv? Slavuj (razgovor) 17:12, 7. listopada 2009. (CEST)

kolega Slavuj, ovdje je članak koji je kolegica napisala, bilo bi dobro kada bi ga malo bolje wikipedizirala, te ostavila iw i kategoriju. Također, molio biih naslove ne pisati velikim štampanim slovima, a izbaciti ovo Uvod, također, obratiti pažnju na č i ć. Pozdrav --Lasta 17:35, 7. listopada 2009. (CEST)

tekst je uklonjen jer su dijelovi prepisani s: http://www.pfst.hr/~ivujovic/stare_stranice/znanost.htm i www.pfst.hr/~ivujovic/stare_stranice/ppt/pred06.ppt. Nakon brisanja teksta suradnik je obaviješten na stranici za razgovor. --D tom 17:51, 7. listopada 2009. (CEST)

UVOD

---

Danas je opčenito prihvaćena sljedeća definicija nanotehnologije: „Istraživanje i tehnološki razvoj na atomskoj, molekularnoj ili makromolekularnoj razini , na dužinskoj skali 1-100nm, s ciljem da se dosegne fundimentalno razumjevanje fenomena i materijala na nanoskali i da se kreiraju i koriste strukture, uređaji i sistemi koji imaju nova svojstva i funkcije koje su posljedica njihove veličine“. Nova i specifična svojstva i funkcije se razvijaju na tipičnoj skali manjoj o 100nm. Nanotehnološko istraživanje i razvoj uključuje kontroliranu manipulaciju nanostruktura i njihovu integraciju u veće materijalne komponente, sisteme i arhitekture. Unutar tih velikih slagalina, kontrola i konstrukcija njihovih struktura i komponenta ostaje na nanometarskoj skali.

Suština nanotehnologije nalazi se u kvantnoj fizici. Male čestice nanometarskih dimenzija se ponašaju drugačije od njihoih večih analoga: smanjenje dimenzija u nano područje dovodi do novih fizikalnih, kemijskih i elektronskih svojstava pri čemu su dominantni kvantni fenomeni. Tako npr. možemo kocku nekog materijala koja je mikrometarskih dimenzija pretvoriti u kvantnu točku redukcijom njezinih dimenzija duž svih triju osi.

Otkrića važna za razvoj nanotehnologije:

STM

1. STM

1981. godine pronađena je naprava skenirajući tunelirajući mikroskop (STM- Scaning Tunneling Microscope), koji detektira slabašne struje koje teku između šiljaka mikroskopa i uzorka koji se proučava. Tamo se mogu vidjeti čestice koje se proučavaju do veličine pojedinačnoga atoma. STM je jedinstvena tehnika koja daje sliku rasporeda atoma na kristalnoj površini, u realnom prostoru.

ATM

2. ATM

Princip rada AFM-a je: sičušna sonda (nit ili šiljak piramidnog oblika širine od 2 do 30 nm) dovodi se u izravan kontakt s uzorkom. Nakon toga se pomiče prema kraju poluge, koja se savija kako se šiljak kreče po reljefnoj površini uzorka. Pomak u okomitom smjeru mjeri se refleksijom laserske zrake od vrha poluge. Osim promatranja, skenirajuće naprave mogu se koristiti za izgradnju nanostruktura. Šiljak AFM-a može se upotrijebiti za fizičko pomicanje nanočestica po površini i njihovo slaganje u cjeline. Može se upotrijebiti za pravljenje nanoureza u površini. STM može biti izvor elektronskog mlaza kada se poveča struja šiljka i tada se mogu pisati tragovi nanometarske veličine. Uz elektronski mikroskop, AFM i STM su glavne naprave za istraživanje i izgradnju nanostruktura.

Glavne vrste nanomaterijala su: nanocijevi, fullereni, nanopore i molekularni elementi zasnovani na organskim spojevima.

NANOCIJEVI

---

Ugljikova nanocijev (carbon nanotube, buckytube) jedan je od najzaslužnijih materijala za veliki interes koji vlada za nanotehnologiju. Nanocijevi su izgrađene od samo atoma ugljika koji su raspoređeni u šesterokutnu ravnu mrežu koja u čvorovima ima atome. Mreža je savijena u sičušnu cijev. Cijevi mogu imati jednu ili više stijenki, mogu biti usukane ili ravne, mogu biti odlični vodiči ili poluvodiči.

NANOCIJEVIC

Takva struktura ima sljedeća svojstva:

Veličina:

promjer 0,6 do 1,8 nm

duljina 1 do 10 μm)mikrometri

Gustoća:

1,33 do 1,40 g/cm³.

Čvrstoća na istezanje:

najmanje 10 puta veća od čvrstoće legiranog čelika

Čvrstoća na pritisak:

dva reda veličine veća nego kod dosad najčvršćih vlakana kevlara

Tvrdoća:

prosječno oko 2000 Gpa, što je dva puta više od dijamanta

Elastičnost:

mnogo veća nego kod metala ili ugljičnih vlakana

Toplinska vodljivost:

predviđa se da je veća od 6000W/m·K (dijamant 3320W/m· K)

Temperaturna stabilnost:

u vakuumu do 2800°C, a u zraku do 750°C (metalni vodovi u čipovima tale se izmedu 600 i 1000 °C)

Vodljivost struje:

procjenjuje se na 1 mrd A/cm² (bakrena žica izgori pri 1 mln A/cm²

(mln-milijun, mrd - milijarda)

Emisija elektrona:

aktivira se pri 1 do 3 V uz razmak elektroda 1 μm (molibdenovi šiljci zahtjevaju polje 50-100 V/μm)

Cijena:

1500 USD po gramu u 2000.g. (zlato u isto vrijeme 10 USD/g)

Ugljikove nanocijevi otkrio je 1991.godine industrijski istraživač Sumio Ilijima u japanskoj elektrotehničkoj tvrtki NEC.

Na električno vodljivu foliju uspjeli su fizičari složit šumu od desetina tisuća okomitih nanocijevi debljine po 10 nm. Priključili se između folije i nasuprotne metalne elektrode napon, skaču elektroni iz vrhova nanocijevi. Fizičari govore o hladnom pražnjenju iz šiljka, što je suprotno od katodnih cijevi, gdje se katode griju da bi se “izvukli” elektroni. Tako bi se mogli proizvesti superplosnati monitori. Razrađena su tri načina dobijanja čađe, koja sadrži zamjetan dio nanocijevi. Svi ti postupci proizvode smjesu nanocijevi s velikim rasponom duljina, s više ili manje defekata i s varijantama usukanosti, što predstavlja ograničenja.

FULLERENI

---

Također se ubrajaju u nanostrukture, ali su malo manje interesantni. Otkrili su ih 1985. Rober Curl, Harold Kroto i Richard Smalley. To su šuplje kavezne kuglaste molekule, a sastoje se od najmanje 60 atoma ugljika. Izolirani su i veći fullereni kao C₇₆, C₇₈, C₈₂, C₈₄... C₆₀ sadrži 12 peterokutnih i 20 šesterokutnih ploha (sl. nogometnoh lopti) s promjerom kugle 0,71 nm. Fullereni pored grafita i dijamanta čine treću modifikaciju elementa ugljika, a gustoća im je 1,678 g/cm³. Proizvode se naparivanjem grafitne elektrode u električnom luku uz helij kao zaštitni plin. Nakon toga se iz čađe na stijeni reaktora izoliraju nastali fullereni.

C₆₀

NANOPORE

---

Nanopora je metal nano-veličine sa heterostrukturom koja se sama spaja u monosloj. Nanopore su stabilne i mogu se unijeti u kriogene sustave na različitim temperaturama.

Proizvodnja nanopora počinje s dvostranom silicijskom pločicom pokrivenom silicijskim nitridom. Debljina pločice je obično 250μm. Upotrebom fotolitografije, otvaraju se prozori od 400x400 μm na prednjoj strani. Potom se upotrebom elektronskog snopa, litografijom i sušenjem stvara malena pora kroz membranu silicijskog nitrata. Ove pore mogu biti veličine 30 nm u dijametru.

POLIFENILENSKI LANCI

---

Značajan nedostatak nanocijevi je kemijska inertnost. To nije slučaj s molekulama zasnovanim na polifenilenskim lancima. Danas se eksperimentira sa složenijim logičkim strukturama zasnovanim baš na tim lancima. Ti lanci su zasnovani na modifikaciji ugljikovodika benzena.

Molekularni vodiči na bazi polifenilena

Spajanjem fenilen grupa međusobno nastaju lančaste strukture - polfenilenske molekule. U lanac polfenilena mogu se umetati i druge vrste molekula. Molekule koje sadrže benzenove prstenaste strukture nazivaju se aromatskim. Otkriveno je da polifenilne molekule provode elektricitet ako su spojene s acetilenskim “razmaknicama”. Iako polifenilenski vodiči ne nose toliko struje kao ugljične nanocijevi, oni i njihovi derivati su mnogo manje molekule. Zbog manjeg poprečnog presjeka, imaju veču gustoću struje.

BUDUĆI PROIZVODI NANOTEHNOLOGIJE

---

Istraživači su već kreirali nanometarske tranzistore, diode, releje, logička vrata, spojne vodove - od organskih molekula, ugljikovih nanocijevi i poluvodičkih nanocijevi. Čini se da će izbijanje elektrona iz nanocijevi biti važno područje. Već su proizvedeni prvi svijetleći uređaji i displeji. S obzirom na svojstva, nanocijevi će biti upotrijebljene za vođenje velikih struja i kao vodiči topline. Memorije s velikim gustoćama pohrane podataka rješavat će se nanotehnologijom. IBM već ima glavu za čitanje vrlo gusto spremljenih podataka do nanometarskih slojeva. Posebno je zanimljiva medicina:

- objekti nanometarske veličine od anorganskih materijala moći će poslužiti u biomedicinskim istraživanjima, dijagnozama i terapiji;

- biološki testovi koji mjere ponašanje ili aktivnosti odabranih supstancija postaju brži, osjetljiviji i fleksibilniji ako se određeni djelići nanometarske veličine uključe da funkcioniraju kao oznake ili etikete;

- nanostrukture bi mogle biti upotrijebljene za dostavu lijeka (drug carrier) upravo tamo gdje je potreban, izbjegavajući štetne popratne efekte koji su često rezultat jakih lijekova, kao kod kemoterapije;

- umjetne nanometarske građevine mogle bi jednog dana biti upotrijebljene u repariranju tkiva, kao kože, hrskavice ili kosti, pa čak i organa;

-također je moguća primjena nanocijevi kod armatura za kompozite velike čvrstoće i žilavosti, za specijalne filtere svjetla, kao katalizatora, kod plastičnih solarnih ćelija, kod laserskih pisača s većom gustoćom točkica.

PRIMJENE NANOTEHNOLOGIJE

---

Primjena nanotehnologije u energetici ne očituje se samo u štednji energije, nego i u proizvodnji aditiva koji povećavaju učinkovitost motora, čvrščim bušilicama može se doseći do dubljih zaliha, nanotehnološkim primjesama može se iskoristiti i nečista sirovina muna blata i mulja i sl. Fotočelije temeljene na nanomaterijalu već se koriste. Istraživači u američkom Nacionalnom laboratoriju za obnovljive izvore energije su dokazali kako su solarne ćelije bazirane na nanotehnologiji značajno bolje od konvencionalnih. Tim stručnjaka predovđen profesorom Arthurom Nozikom je pronašao kako nanokristali, nazivani i kvantne točke, proizvode tri elektrona od jednog visokoenergetskog fotona svjetlosti. U dosad dostupnim ćelijama stvarao se jedan elektron dok se ostatak pretvarao u toplinu. Solarne ćelije bazirane na nanotehnologiji mogle bi tako teoretski prevesti više od 65% sunčeve energije u električnu energiju. Najefikasnije danas dostupne ćelije pretvaraju oko 33% sunčeve energije u električnu energiju. Profesor Nozik je projekt započeo 2000. godine kada je predvidio kako bi kvantne točke mogle povećati efikasnost. Otkriven je i način kako se može poboljšati učinkovitost vodika utjerivanjem u nanopore, gdje se može pospremiti pod manjim tlakom. Takvi rezervari mogu poslužiti da automobil pređe do 8000 km. Međutim, najznačajniji doprinos se očekuje u vodikovim čelijama. Naime, jedini ekonomski isplativ način dobijanja vodika danas je iz ugljikovodika, tj. fosilnih goriva, jer je elektroliza iz vode jako skupa. Ako bi nanotehnologijom bila poboljšana učinkovitost na zadovoljavajuću mjeru, to bi bio najznačajniji doprinos energetici.

NANOTEHNOLOGIJA U MEDICINI

U medicini postoji više mogućih primjena. Medicinska dijagnostika već osjeća dobrobiti nanotehnologije. Sljede napretci na području tretmana rana i bolesti, od raka i očnih infekcija do slomljenih udova. Doktori već neko vrijeme koriste markere (dyes) za označavanje virusa i bakterija koje treba identificirati ili nadzirati. Ideja je jednostavna. Antitijela koja će se vezati na ciljanu čeliju se markiraju tako da fluoroscentno zrače pod svjetlošću određene valne duljine. Mjerenjem fluoroscencije mjeri se razina infekcije. Problem je ako su markeri toksični. NASA nanofosfate želi koristiti za mjerenje ozračenosti astronauta. Quantum Dot Corporation razvija tehnologiju spektralnog bar koda koji bi se utiskivao na gene koji su aktivni u nekoj čeliji. Nadzor na razini čelija omogućio bi vrlo ranu dijagnozu. Posebno je važna primjena nanoznanosti u donošenju ljekova na određeno mjesto u tijelu. Naime, kod vrlo agresivnih lijekova, poput kemoterapije, uništavaju se i zdrave i bolesne stanice. Nanočestice bi omogućile dopremu lijeka na samo bolesne stanice neoštećujući zdrave.

U informacijskoj tehnologiji stalno smanjenje dimenzija čipova i povećanje gustoće pakiranja došlo je već do nanotehnoloških granica. Hewlett Packard je 2002. stvorio krug sa 64-bitnom memorijom sastavljenom od molekularnih prekidača. Daljnji razvoj će dovesti do samih fizičkih granica. Kad tranzistor postane premalen, kvantni učinci curenja (engl. leaking) elektrona neće se moći zanemariti, nego će pretstavljati problem, jer se neće moći odrediti je li tranzistor u uključenom ili isključenom stanju. Ekspolatacija spina elektrona omogućila bi da se računala mogu samo uključiti i isključiti bez potrebe za boot up-om.Osim prvog Moorovog zakona, koji se zasada održava istinitim (u 2007 milijarda tranzistora po čipu), postoji i drugi zakon, koji je manje poznat. On kaže da se cijena izradnje postrojenja za izradu čipova poduplava svake 3 godine. Mnogi eksperti predviđaju da će se postići ravnoteža između prvog i drugog Moorovog zakona prije 2015. godine kad će postrojenje koštati 200 milijardi dolara.

Posebna boljka svake nove tehnologije je njena primjena u naoružanju. Pentagon izdvaja 300 milijuna dolara godišnje za nanotehnološka istraživanja. NASA za te namjene izdvaja 42 milijuna USD godišnje. Na West Michigan University stvoren je rani sustav za uzbunjivanje za RBK oružja. Na University of Texas razvijeni su mišići od nanocjevčica koji su brži i jači od prirodnih te se mogu koristiti za umjetne udove vezane za projekt super-vojnika. U suradnji s NATO-om, razvijaju se svemirska oružja uglavnom temeljena na nanotehnologiji i tzv. neubojita oružja. Također se razvijaju minijaturni, pokretni, nezavisni senzori koji mogu prodrjeti u zaštićene i udaljene objekte neprijatelja. DynCorp je 2000. obavila testiranje senzora temeljenih na MEMS (micro-elektro-mechanical systems) senzorima ispaljenih iz puške. DoD (Department of Defence) razvija pametne oblake, koji su mali roboti veličine insekata. Milijuni takvih naprava mogu se ispustiti na neprijateljski teritorij i iskoristiti za izviđanje ili uništavanje ciljeva. Nanočestice u sličinim oblacima mogu omesti elektroničke i komunikacijske sustave, utjecati na nevidljivost i dr. Cilj DuPont-a je stvoriti borbeno odjelo koje će biti neprobojno, lagano, udobno, opremljeno s komunikacijskim sustavima, nadzorom zdravstvenog stanja i možda pojaćavanjem sposobnosti vojnika. Samo-sastavljajuće kemikalije koje imaju memoriju mogu biti opasne i za okoliš. Teorijski se može pustiti nanoagens koji će razgraditi neprijateljsko oružje. Ako nanotehnologija dođe u krive ruke, mogu se razviti i genosidni-nanoroboti koji bi mogli biti opasni i za svoje stvoritelje. U Kini se u nanotehnologiju godišnje ulaže preko 3 milijarde USD, Južna Koreja 2 milijarde, itd. Prva svjetska sila bit će ona koja prva ovlada nano-oružjem.

PREDNOSTI I NEDOSTACI NANOTEHNOLOGIJE

Ono što je najveća prednost i glavna i fascinantna odlika nanotehnologije, ujedno je i njena najveća mana tj. opasnost, a to je veličina čestica kojima se bavi..Svijet nanotehnologije golom je oku nevidljiv, ali je njegov potencijalni učinak na naš svijet zapravo ogroman.

O opasnostima nanotehnologije za zdravlje, sigurnost i okoliš, malo se zna, a rizik je velik i prilično zabrinjava mnoge znanstvenike, jer strah od nepoznatog jedan je od najneugodnijih. Zato predstavnici industrija i prvenstveno organizacija za zaštitu okoliša traže od vlasti u visokorazvijenim zemljama veća ulaganja u istraživanja sigurnosti primjene nanotehnologije, uz poseban naglasak na utvrđivanje jedinstvenih smjernica o procjeni potencijalnih opasnosti.

Problem je u tome što se velike svote ulažu u razvoj nanotehnologije, a iznosi namijenjeni za istraživanje na području sigurnosti su višestruko manji. Tako je na primjer američka vlada u proračunu za 2006. namijenila 1,1 milijardu dolara za istraživanja na području nanotehnologije, od čega je samo 37 milijuna dolara predviđeno za istraživanje sigurnosti.