Nanotechnologija
Nanotechnologijos - tai mokslo ir technologijų dalis, susijusi su materijos valdymu atominiu ir molekuliniu masteliu, t. y. maždaug 100 nanometrų skersmens daiktais.
Nanotechnologijos apima produktų, kuriuose naudojamos tokios mažos dalys, kaip antai elektroniniai prietaisai, katalizatoriai, jutikliai ir kt., gamybą. Kad įsivaizduotumėte, koks tai mažas dydis, galima pasakyti, kad viename colyje yra daugiau nanometrų nei 400 mylių.
Kad tarptautiniu mastu įsivaizduotumėte, koks tai mažas dydis, galima pasakyti, kad centimetre yra tiek pat nanometrų, kiek centimetruose - 100 kilometrų.
Nanotechnologijos jungia įvairių sričių mokslininkus ir inžinierius, pavyzdžiui, taikomosios fizikos, medžiagų mokslo, sąsajų ir koloidų mokslo, prietaisų fizikos, chemijos, viršmolekulinės chemijos (tai chemijos sritis, kurioje daugiausia dėmesio skiriama molekulių nekovalentinių jungčių sąveikai), savaime atsikuriančių mašinų ir robotikos, chemijos inžinerijos, mechanikos inžinerijos, biologijos, biologijos inžinerijos ir elektros inžinerijos.
Paprastai, kai kalbama apie nanotechnologijas, turima omenyje 100 nanometrų dydžio ar mažesnės struktūros. Milimetre yra milijonas nanometrų. Nanotechnologijomis stengiamasi sukurti tokio dydžio medžiagas ar mašinas.
Žmonės nanotechnologijų srityje atlieka daug įvairių darbų. Daugiausia šiuo metu dirbama kuriant nanodaleles (nanometrinio dydžio daleles), kurios pasižymi ypatingomis savybėmis, pavyzdžiui, sklaido šviesą, sugeria rentgeno spindulius, perneša elektros srovę ar šilumą ir pan. Labiau "mokslinės fantastikos" srityje bandoma sukurti mažas didesnių mašinų kopijas arba tikrai naujų idėjų, kaip sukurti struktūras, kurios gaminasi pačios. Naujos medžiagos gali būti sukurtos naudojant nano dydžio struktūras. Galima dirbti net su pavieniais atomais.
Daug diskutuojama apie nanotechnologijų ateitį ir jų keliamus pavojus. Nanotechnologijos gali padėti išrasti naujų medžiagų ir priemonių, kurios būtų labai naudingos, pavyzdžiui, medicinoje, kompiuteriuose ir gaminant švarią elektros energiją (nanoelektromechaninės sistemos), padeda kurti naujos kartos saulės baterijas ir efektyvų mažai energijos vartojantį apšvietimą). Kita vertus, nanotechnologijos yra naujos, todėl gali kilti nežinomų problemų. Pavyzdžiui, jei medžiagos kenkia žmonių sveikatai ar gamtai. Jos gali turėti blogą poveikį ekonomikai ar net didelėms gamtos sistemoms, pavyzdžiui, pačiai Žemei. Kai kurios grupės teigia, kad turėtų būti nustatytos nanotechnologijų naudojimo taisyklės.
Tipinės nanostruktūrų geometrijos.
Nanotechnologijų pradžia
Pirmą kartą nanotechnologijų idėjos buvo panaudotos 1959 m. gruodžio 29 d. mokslininko Richardo Feynmano kalboje "There's Plenty of Room at the Bottom" ("Apačioje yra daug vietos"), kurią jis skaitė Amerikos fizikų draugijos susitikime Kaltecho universitete. R. Feynmanas aprašė būdą, kaip perkelti atskirus atomus, kad būtų galima sukurti mažesnius prietaisus ir veikti tokiu masteliu. Tokios savybės, kaip paviršiaus įtempimas ir Van der Sienos jėga, taptų labai svarbios.
Paprasta Feynmano idėja atrodė įmanoma. Žodį "nanotechnologija" 1974 m. straipsnyje paaiškino Tokijo mokslo universiteto profesorius Norio Taniguči (Norio Taniguchi). Jis teigė, kad nanotechnologija - tai darbas, kurio metu medžiagos pakeičiamos vienu atomu arba viena molekule. Aštuntajame dešimtmetyje šią idėją nagrinėjo daktaras K. Erikas Dreksleris (K. Eric Drexler), kuris kalbėjo ir rašė apie nano masto įvykių svarbą. "Kūrybos varikliai: D. Dreksleris (Drexler): "The Coming Era of Nanotechnology" (1986 m.) yra laikoma viltinga knyga apie nanotechnologijas. Nanotechnologijos ir nanomokslas prasidėjo nuo dviejų esminių įvykių: klasterių mokslo pradžios ir skenuojančio tunelinio mikroskopo (STM) išradimo. Netrukus po to buvo atrastos naujos molekulės su anglimi - pirmieji fulerenai 1986 m. ir anglies nanovamzdeliai po kelerių metų. Dar viena naujovė - žmonės tyrinėjo, kaip pagaminti puslaidininkinius nanokristalus. Daugelis metalų oksidų nanodalelių dabar naudojamos kaip kvantiniai taškai (nanodalelės, kuriose svarbus tampa pavienių elektronų elgesys). 2000 m. Jungtinių Valstijų nacionalinė nanotechnologijų iniciatyva pradėjo plėtoti šios srities mokslą.
Nano medžiagų klasifikacija
Nanotechnologijose naudojamos nanomedžiagos, kurias galima suskirstyti į vieno, dviejų ir trijų matmenų nanodaleles. Ši klasifikacija pagrįsta skirtingomis savybėmis, pavyzdžiui, šviesos sklaida, rentgeno spindulių sugėrimu, elektros srovės ar šilumos perdavimu. Nanotechnologijos yra daugiadisciplininio pobūdžio ir daro įtaką daugeliui tradicinių technologijų ir įvairių mokslo sričių. Galima gaminti naujas medžiagas, kurios gali būti sumažintos net iki atominio dydžio.
Faktai
- Vienas nanometras (nm) yra 10-9 arba 0,000 000 000 001 metras.
- Kai du anglies atomai susijungia į molekulę, atstumas tarp jų yra 0,12-0,15 nm.
- DNR dviguba spiralė iš vienos pusės į kitą yra apie 2 nm. Ji tampa nauja DNR nanotechnologijų sritimi. Ateityje DNR bus galima manipuliuoti, o tai gali sukelti naują revoliuciją. Žmogaus genomą galima manipuliuoti pagal reikalavimus.
- Nanometras ir metras gali būti suprantami kaip toks pat dydžio skirtumas kaip tarp golfo kamuoliuko ir Žemės.
- Vienas nanometras yra maždaug dvidešimt penkios tūkstantosios žmogaus plauko skersmens.
- Pirštų nagai per sekundę užauga vienu nanometru.
Fizinės nanomedžiagos savybės
Nano masteliu iš esmės pasikeičia sistemos ar dalelių fizikinės savybės. Fizikinės savybės, pavyzdžiui, kvantinio dydžio efektai, kai elektronai juda skirtingai labai mažų dalelių dydžiuose. Tokios savybės, kaip mechaninės, elektrinės ir optinės, keičiasi, kai makroskopinė sistema virsta mikroskopine, o tai labai svarbu.
Nanomedžiagos ir dalelės gali veikti kaip katalizatorius, kuris padidina reakcijos greitį ir, palyginti su kitais katalizatoriais, padidina išeigą. Kai kurios iš įdomiausių savybių, kai dalelės virsta nano masteliu, yra tokios: medžiagos, kurios paprastai sulaiko šviesą, tampa skaidrios (varis); kai kurias medžiagas galima deginti (aliuminis); kietosios medžiagos kambario temperatūroje virsta skysčiais (auksas); izoliatoriai tampa laidininkais (silicis). Tokia medžiaga kaip auksas, kuri įprastu mastu nereaguoja su kitomis cheminėmis medžiagomis, gali būti galingas cheminis katalizatorius nanomastelyje. Šios ypatingos savybės, kurias galime pastebėti tik nano masteliu, yra vienas iš įdomiausių nanotechnologijų aspektų.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra nanotechnologijos?
A: Nanotechnologija - tai mokslo ir technologijų dalis, susijusi su materijos valdymu atomų ir molekulių masteliu, apimanti produktų, kuriuose naudojamos tokios mažos dalys, pavyzdžiui, elektroninių prietaisų, katalizatorių, jutiklių ir kt.
K: Kokie maži yra nanometrai?
A: Nanometrai yra neįtikėtinai maži - viename colyje yra daugiau nanometrų nei 400 mylių. Kad tarptautiniu mastu įsivaizduotumėte, koks tai mažas dydis, centimetre yra tiek nanometrų, kiek centimetrų yra 100 kilometrų.
K: Kokio pobūdžio darbus žmonės dirba nanotechnologijų srityje?
A: Nanotechnologijų srityje dirbantys žmonės siekia sukurti nanodaleles (nanometrinio dydžio daleles), kurios pasižymi ypatingomis savybėmis, pavyzdžiui, sklaido šviesą arba sugeria rentgeno spindulius. Jie taip pat bando sukurti mažas didesnių mašinų kopijas arba iš tiesų naujas idėjas dėl struktūrų, kurios pačios save sukuria. Naujos medžiagos gali būti gaminamos iš nano dydžio struktūrų ir netgi galima dirbti su pavieniais atomais.
Klausimas: Kokios galimos nanotechnologijų taikymo sritys?
A: Nanotechnologijos gali būti taikomos daugelyje įvairių sričių, įskaitant mediciną, kompiuterius ir švarios elektros energijos gamybą (nanoelektromechaninės sistemos). Ji taip pat galėtų padėti kurti naujos kartos saulės baterijas ir efektyvų mažai energijos vartojantį apšvietimą.
K: Ar yra kokių nors pavojų, susijusių su nanotechnologijų naudojimu?
A.: Gali kilti nežinomų problemų, susijusių su nanotechnologijų naudojimu, pavyzdžiui, jei naudojamos medžiagos būtų kenksmingos žmonių sveikatai ar gamtai. Jos gali turėti blogą poveikį ekonomikai ar net didelėms gamtos sistemoms, pavyzdžiui, pačiai Žemei, todėl kai kurios grupės teigia, kad reikėtų nustatyti taisykles dėl jų naudojimo.
Klausimas: Kokie mokslininkai tiria nanotechnologijas?
A.: Nano technologijas tyrinėja įvairių sričių mokslininkai, įskaitant taikomąją fiziką, medžiagų mokslą, sąsajų ir koloidų mokslą, prietaisų fiziką, chemiją, supramolekulinę chemiją, savikūros mašinas ir robotiką, chemijos inžineriją, mechanikos inžineriją, biologiją, biologijos inžineriją, elektros inžineriją ir kt.
