Nanotechnologijos: apibrėžimas, taikymai ir pavojai
Sužinokite, kas yra nanotechnologijos, jų taikymai medicinoje, pramonėje ir galimi pavojai — naujos medžiagos, nanodalelės ir ateities iššūkiai.
Nanotechnologijos - tai mokslo ir technologijų sritis, kuri nagrinėja ir taiko materijos valdymą atominiu ir molekuliniu masteliu. Kai kalbama apie nanotechnologijas, dažniausiai omenyje turimos struktūros, kurių dydis yra maždaug 100 nanometrų arba mažesnės (1 nm = 10−9 m).
Mastelis ir ką tai reiškia
Nanometro mastelis yra labai mažas: 1 milimetre yra 1 000 000 (vienas milijonas) nanometrų, 1 centimetre – 10 000 000 (dešimt milijonų) nanometrų, o viename colyje (2,54 cm) yra apie 25 400 000 nanometrų. Dėl tokio mažo dydžio medžiagų savybės dažnai skiriasi nuo tų pačių medžiagų makroskopiniu mastu – keičiasi optinės, elektrinės, cheminės ir mechaninės savybės.
Kokiais principais remiasi nanotechnologijos
Nanotechnologijų tyrimai ir pritaikymas paprastai grindžiami dviem pagrindiniais požiūriais:
- Top-down (iš aukštesnio mastelio į mažesnį): medžiagos formavimas apdirbant ar litografijos būdu mažinant struktūrų dydį.
- Bottom-up (iš apačios į viršų): atomų ir molekulių surinkimas į norimas nanoformacijas (savęs surenkantys procesai, cheminės sintezės metodai).
Kas dirba nanotechnologijų srityje
Nanotechnologijos sujungia daug disciplinų: mokslininkus ir inžinierius, dirbančius taikomosios fizikos, medžiagų mokslo, prietaisų fizikos, viršmolekulinės chemijos, savaime atsikuriančių sistemų ir robotikos, chemijos inžinerijos, mechanikos inžinerijos, biologijos, biologijos inžinerijos ir elektros inžinerijos srityse. Tokioje tarpdisciplininėje aplinkoje kuriamos naujos medžiagos, prietaisai ir technologijos.
Dažniausi nanostruktūrų tipai ir gamybos būdai
- Nanodalelės (pvz., metalinės arba oksidinės dalelės) – dažnai naudojamos katalizėje, diagnostikoje ar medžiagų modifikavime.
- Nanoplėvelės ir nanosluoksniai – taikomi elektronikoje ir apsauginėse dangose.
- Nano vamzdeliai ir plėvelės (pvz., anglies nanovamzdeliai) – pasižymi dideliu stiprumu ir laidumu.
- Kvantinės dėžutės (quantum dots) – optoelektronikoje ir biodiagnostikoje dėl jų specifinių šviesos emisijos savybių.
Gamyboje naudojami tokie metodai kaip cheminė garų nusėdimo (CVD), atomų sluoksnių nusėdimas (ALD), litografija, kolloidinė sintezė ir savitarpio savęs surenkantys procesai.
Taikymai
Nanotechnologijos jau dabar plačiai taikomos ir turi didelį potencialą daugelyje sričių:
- Medicina: tikslinė vaistų pristatymo sistema, diagnostinės nanoplėvelės, kontrastinės medžiagos vaizdavimui, regeneracinė medicina ir biosensoriai.
- Elektronika ir skaičiavimas: mažesni ir galingesni tranzistoriai, naujos atminties technologijos, kompiuteriuose naudojamos nanoelektronikos dalys.
- Energija: efektyvesnės saulės baterijos, geresni katalizatoriai kuro elementams ir ilgiau tarnaujantys akumuliatoriai; taip pat projektai, susiję su elektros energiją taupančiomis technologijomis ir nanoelektromechaninėmis sistemomis.
- Medžiagų mokslas: lengvesnės, tvirtesnės ir funkcionalesnės medžiagos – nuo apsauginių dangų iki saviremontuojančių medžiagų.
- Aplinkosauga: jutikliai teršalų aptikimui, nanofiltrai vandens valymui ir medžiagos, skirtos taršos mažinimui.
- Pramonė ir gamyba: pažangesni katalizatoriai, didesnis procesų efektyvumas, naujos tekstilės ir kompozitų savybės.
Pavojai ir rizikos
Nors nanotechnologijos turi daug privalumų, joms priskiriami ir potencialūs pavojai:
- Sveikatai pavojingos medžiagos: kai kurios nanodalelės gali įsiskverbti į plaučius ar kraują ir sukelti uždegimą, oksidacinį stresą ar kitas toksines reakcijas. Ilgalaikių poveikių dar pilnai nesuprantame.
- Aplinkos rizika: nanomedžiagų išsiskyrimas į dirvožemį ir vandenį gali pakeisti ekosistemų funkcijas, paveikti mikroorganizmus ir maisto grandines.
- Ekonominės ir socialinės pasekmės: technologijų diegimas gali pakeisti darbo rinką, sukelti konkurencijos disbalansą, o taip pat kelti etinius klausimus dėl privatumo (pvz., nanosensoriai).
- Dvigubo panaudojimo (dual-use) problemos: dalis nanoformacijų gali būti panaudotos tiek taikiai, tiek karinei veiklai ar žalos darymui.
- Reguliavimo iššūkiai: daugelio nanoformacijų savybės yra naujos, todėl tradiciniai saugos vertinimo metodai gali būti netinkami arba nepakankami.
Dėl šių rizikų mokslininkai, visuomenės sveikatos specialistai ir reguliuotojai ragina vykdyti išsamius saugos tyrimus, stebėti poveikį aplinkai ir kurti taisykles bei gaires nanomedžiagų naudojimui.
Reguliavimas, standartizavimas ir sauga
Tarptautiniu ir nacionaliniu lygiu kuriami standartai, gairės ir teisės aktai, skirti nanotechnologijų saugiam vystymui. Tai apima:
- risikų vertinimo protokolus ir toksikologinius tyrimus;
- darbuotojų apsaugos priemones (pvz., ventiliaciją, apsauginius drabužius ir tinkamas procedūras);
- žymėjimo ir informacijos apie nanoformacijas reikalavimus;
- monitoringo ir ataskaitų teikimo mechanizmus aplinkos poveikiui stebėti.
Tyrimų metodai ir charakterizacija
Norint suprasti nanomediagų savybes ir saugumą, naudojami pažangūs charakterizavimo metodai:
- atominių jėgų mikroskopija (AFM) ir elektronų mikroskopija (TEM, SEM) – struktūros vizualizavimui;
- rentgeno difrakcija (XRD) ir spektroskopijos metodai – cheminėms ir kristalinėms savybėms tirti;
- dalgų izoliavimo ir paviršiaus analizės metodai – adsorbcijos, paviršiaus cheminės sudėties nustatymui.
Išvados
Nanotechnologijos yra tarpdisciplininė ir sparčiai besivystanti sritis, suteikianti didžiulį potencialą kurti naujas medžiagas ir sprendimus medicinoje, energetikoje, elektronikoje bei aplinkos apsaugoje. Kartu tai kelia naujų iššūkių dėl saugos, reguliavimo ir etikos. Todėl svarbu skatinti atsakingą tyrimų ir pritaikymo praktiką, įtraukiant mokslininkus, pramonę, politikos formuotojus ir visuomenę.
Šiame tekste minėti pavyzdžiai ir sritys rodo tik pagrindines nanotechnologijų kryptis; technologijų ir žinių apie galimus pavojus kaupimas tęsis, todėl nuolatinis stebėjimas ir moksliniai tyrimai yra būtini.
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.
Ieškoti