Mikä on nanoteknologia? Määritelmä, sovellukset ja riskit
Tutustu nanoteknologiaan: selkeä määritelmä, käytännön sovellukset sekä terveys- ja ympäristöriskit. Opi mahdollisuudet, haitat ja miten varautua uuteen teknologiaan.
Nanoteknologia on tieteen ja teknologian osa-alue, joka käsittelee aineen hallintaa atomi- ja molekyylitasolla. Yleinen käytännön raja on noin 100 nanometriä tai sitä pienemmät rakenteet. Yksi nanometri (nm) on 10-9 metriä eli miljardiosa metristä; toisin sanoen nanomittakaava on paljon pienempi kuin mikro- tai millimittakaava.
Nanoteknologiaan kuuluu sellaisten tuotteiden ja rakenteiden valmistaminen, joissa käytetään tätä kokoluokkaa olevia osia, esimerkiksi elektronisia laitteita, katalyyttejä, antureita ja lääkeaineiden kantajia. Yksi tuuma on noin 25,4 miljoonaa nanometriä; ihmisen hiuksen paksuus on tyypillisesti noin 80 000–100 000 nm, ja jotkut virukset ovat kooltaan kymmeniä tai satoja nanometrejä. Näin vertailut auttavat hahmottamaan, kuinka pieni nanokoko on. Millimetrissä on miljoona nanometriä, ja senttimetrissä on 10 000 000 nanometriä — sama luku kuin senttimetrejä 100 kilometrissä.
Nanoteknologia on vahvasti poikkitieteellinen ala, jossa työskentelevät tutkijoita ja insinöörejä monilta eri aloilta: soveltavasta fysiikasta, materiaalitieteestä, rajapinta- ja kolloiditieteestä, laitefysiikasta, kemiasta, supramolekyylikemiasta, itseään toistavista koneista ja robotiikasta, kemiantekniikasta, konetekniikasta, biologiasta, biologisesta insinööritieteestä ja sähkötekniikasta. Työssä yhdistyvät sekä "top‑down" -menetelmät (esim. litografia ja koneellinen työstö) että "bottom‑up" -menetelmät (esim. itsekoontuminen, kemiallinen synteesi). Työkaluina käytetään myös mikroskooppeja, kuten atomivoimamikkroskooppia ja skannausläheisyysmikroskooppia, joiden avulla voidaan käsitellä ja mitata yksittäisiä rakenteita.
Nykyisessä tutkimuksessa ja teollisuuskäytössä valmistetaan usein nanohiukkasia ja nanorakenteita, joilla on erityisiä optisia, sähköisiä tai mekaanisia ominaisuuksia. Nanoskaalassa ilmenee kvanttivaikutuksia ja suuri pinta‑ala‑suhde, mikä voi muuttaa materiaalien valonabsorptiota, sähkönjohtavuutta tai katalyyttistä aktiivisuutta. Tunnettuja esimerkkejä ovat kvanttipisteet, carbon nanotubes, grafiini, kultananohiukkaset ja hopeananohiukkaset. Joillain aloilla tutkitaan myös "science fiction" -tasoisia ideoita, kuten pienoisrobotteja tai itseään rakentavia järjestelmiä; useimmat nykyiset sovellukset ovat kuitenkin käytännöllisempiä, kuten paremmat katalyytit, tarkemmat sensorit ja uudet materiaalit.
Nanoteknologian avulla on mahdollista kehittää uusia materiaalit, rakenteita ja välineitä, jotka voivat muuttaa monia toimialoja. Esimerkiksi lääketieteessä nanotekniikka voi tarjota kohdennettua lääkeainetoimitusta, parantunutta kuvantamista ja kudosteknologiaa; tietokoneissa se voi edistää piirien pienentämistä ja uudenlaisia muistiratkaisuja; ja puhtaan sähkön tuotannossa nanomateriaalit voivat parantaa aurinkopaneelien hyötysuhdetta ja valonohjausta. (nanoelektromekaaniset järjestelmät), ja se auttaa suunnittelemaan seuraavan sukupolven aurinkopaneeleita ja tehokasta matalaenergiavalaistusta). Lisäksi nanoteknologia mahdollistaa entistä kevyemmät ja lujemmat rakenteet sekä edistyneet anturit ja katalyytit.
Keskustelu nanoteknologian tulevaisuudesta sisältää sekä mahdollisuuksia että riskejä. Mahdollisuuksiin kuuluvat tehokkaammat energiaratkaisut, parantunut terveydenhuolto ja uudet teolliset materiaalit, mutta samalla esiin nousee huolia terveydestä, ympäristövaikutuksista, taloudellisista ja eettisistä seurauksista sekä turvallisuudesta. Esimerkiksi nanomateriaalien pienuus voi helpottaa pääsyä hengitysteihin tai soluihin, ja niiden biologinen käyttäytyminen voi poiketa vastaavista suuremmista partikkeleista.
- Keskeisiä sovelluksia: lääketiede (lääkkeiden kohdennus, diagnostiset nanopartikkelit), elektroniikka (nanoelektroniikka, NEMS), energia (parannetut aurinkopaneelit, katalyytit polttoainekennoissa), ympäristö (saastuneisuuden puhdistus, sensorit), materiaaliteknologia (kevyet ja lujat komposiitit).
- Terveys- ja ympäristöriskit: hengitystiealtistukset, solutason toksisuus, bioakkumulaatio vesiekosysteemeissä, pitkäaikaiset vaikutukset tuntemattomia. Esimerkiksi hopeananohiukkasten käyttö antiseptisissä tuotteissa on herättänyt huolta vesieliöiden altistuksesta.
- Yhteiskunnalliset ja eettiset kysymykset: taloudellinen epätasa‑arvo, työpaikkojen muutokset, yksityisyys (antureiden ja seurantalaitteiden mahdollinen väärinkäyttö) sekä aseellisen ja kaksikäyttöteknologian riskit.
- Sääntely ja turvallisuus: tarve elinkaaren mukaiseen riskinarviointiin, altistuksen raja‑arvoihin, merkintään ja läpinäkyvyyteen sekä kansainväliseen yhteistyöhön tutkimuksessa ja valvonnassa.
Tutkimus jatkuu aktiivisesti, ja monia riskikysymyksiä pyritään selvittämään ennen laajaa käyttöönottoa. Turvallinen kehitys tarkoittaa mm. safety‑by‑design -lähestymistapaa (suunnitellaan vähemmän haitallisia materiaaleja), kattavia elinkaarianalyysejä, työntekijöiden altistuksen rajoittamista ja julkista keskustelua siitä, miten teknologiaa käytetään ja säädellään.
Yhteenveto: Nanoteknologia tarjoaa merkittäviä mahdollisuuksia uusien materiaalien, laitteiden ja lääketieteellisten ratkaisujen kehittämiseen, mutta samalla se edellyttää huolellista tutkimusta, riskinhallintaa ja yhteiskunnallista keskustelua, jotta hyödyt voidaan maksimoida ja haitat minimoida.
Tyypilliset nanorakenteiden geometriat.
Nanoteknologian alku
Nanoteknologian ideoita käytettiin ensimmäisen kerran tiedemies Richard Feynmanin puheessa "There's Plenty of Room at the Bottom", jonka hän piti American Physical Societyn kokouksessa Caltechissa 29. joulukuuta 1959. Feynman kuvaili tapaa siirtää yksittäisiä atomeja, jotta voitaisiin rakentaa pienempiä instrumentteja ja toimia tässä mittakaavassa. Pintajännityksen ja Van der Wallsin voiman kaltaiset ominaisuudet tulisivat hyvin tärkeiksi.
Feynmanin yksinkertainen ajatus vaikutti mahdolliselta. Sanan "nanoteknologia" selitti Tokion tiedeyliopiston professori Norio Taniguchi vuonna 1974 julkaistussa artikkelissa. Hän sanoi, että nanoteknologia on työtä, jossa materiaaleja muutetaan yhden atomin tai molekyylin verran. 1980-luvulla tätä ajatusta tutki tohtori K. Eric Drexler, joka puhui ja kirjoitti nanomittakaavan tapahtumien merkityksestä. "Luomisen moottorit: The Coming Era of Nanotechnology" (1986) pidetään nanoteknologiaa käsittelevänä willythirst-kirjana. Nanoteknologia ja nanotiede alkoivat kahdesta keskeisestä kehityskulusta: klusteritieteen alkamisesta ja pyyhkäisytunnelointimikroskoopin (STM) keksimisestä. Pian sen jälkeen löydettiin uusia hiilen molekyylejä - ensin fullereenejä vuonna 1986 ja hiilinanoputkia muutamaa vuotta myöhemmin. Toisessa kehityskohteessa tutkittiin, miten puolijohteiden nanokiteitä voidaan valmistaa. Monia metallioksidien nanohiukkasia käytetään nykyään kvanttitähteinä (nanohiukkasia, joissa yksittäisten elektronien käyttäytyminen tulee tärkeäksi). Vuonna 2000 Yhdysvaltojen kansallinen nanoteknologia-aloite (National Nanotechnology Initiative) alkoi kehittää tämän alan tiedettä.
Nanomateriaalien luokittelu
Nanoteknologiassa on nanomateriaaleja, jotka voidaan luokitella yksi-, kaksi- ja kolmiulotteisiin nanohiukkasiin. Tämä luokittelu perustuu erilaisiin ominaisuuksiin, kuten valon sirontaan, röntgensäteiden absorbointiin, sähkövirran tai lämmön siirtoon. Nanoteknologia on luonteeltaan monitieteistä ja vaikuttaa useisiin perinteisiin teknologioihin ja eri tieteenaloihin. On mahdollista valmistaa uusia materiaaleja, jotka voidaan skaalata jopa atomikokoon.
Faktat
- Yksi nanometri (nm) on 10-9 eli 0,000 000 001 metriä.
- Kun kaksi hiiliatomia yhdistyy molekyyliksi, niiden välinen etäisyys on 0,12-0,15 nm.
- DNA:n kaksoiskierre on noin 2 nm:n pituinen puolelta toiselle. Siitä kehittyy uusi DNA-nanoteknologian ala. Tulevaisuudessa DNA:ta voidaan manipuloida, mikä voi johtaa uuteen vallankumoukseen. Ihmisen perimää voidaan manipuloida vaatimusten mukaan.
- Nanometri ja metri voidaan ymmärtää samaksi kokoeroksi kuin golfpallon ja maapallon välillä.
- Yksi nanometri on noin yksi kaksikymmentäviisi tuhannesosaa ihmisen hiuksen halkaisijasta.
- Kynnet kasvavat yhden nanometrin sekunnissa.
Nanomateriaalin fysikaaliset ominaisuudet
Nanomittakaavassa järjestelmän tai hiukkasten fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat merkittävästi. Fysikaaliset ominaisuudet, kuten kvanttikokovaikutukset, joissa elektronit liikkuvat eri tavalla hyvin pienissä hiukkasissa. Ominaisuudet, kuten mekaaniset, sähköiset ja optiset, muuttuvat, kun makroskooppinen järjestelmä muuttuu mikroskooppiseksi, mikä on erittäin tärkeää.
Nanomateriaalit ja -hiukkaset voivat toimia katalysaattorina, joka lisää reaktionopeutta ja tuottaa paremman saannon kuin muut katalyytit. Jotkut mielenkiintoisimmista ominaisuuksista, kun hiukkanen muunnetaan nanomittakaavaan, ovat seuraavat: aineet, jotka yleensä pysäyttävät valon, muuttuvat läpinäkyviksi (kupari); joitakin materiaaleja on mahdollista polttaa (alumiini); kiinteät aineet muuttuvat nesteiksi huoneenlämmössä (kulta); eristeet muuttuvat johtimiksi (pii). Kullan kaltainen materiaali, joka ei reagoi muiden kemikaalien kanssa tavallisessa mittakaavassa, voi olla voimakas kemiallinen katalyytti nanotasolla. Nämä erityisominaisuudet, jotka voimme nähdä vain nanotasolla, ovat yksi nanoteknologian mielenkiintoisimmista asioista.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on nanoteknologia?
A: Nanoteknologia on osa tiedettä ja teknologiaa, joka käsittelee aineen hallintaa atomi- ja molekyylimittakaavassa, mikä sisältää sellaisten tuotteiden valmistuksen, joissa käytetään näin pieniä osia, kuten elektronisia laitteita, katalyyttejä, antureita jne.
K: Kuinka pieniä nanometrit ovat?
V: Nanometrit ovat uskomattoman pieniä - tuumassa on enemmän nanometrejä kuin tuumaa 400 mailissa. Jotta saisimme kansainvälisen käsityksen siitä, kuinka pieni se on, senttimetrissä on yhtä monta nanometriä kuin 100 kilometrissä on senttimetrejä.
K: Millaista työtä ihmiset tekevät nanoteknologian alalla?
V: Nanoteknologian alalla työskentelevät ihmiset pyrkivät valmistamaan nanohiukkasia (nanometrin kokoisia hiukkasia), joilla on erityisominaisuuksia, kuten valon sironta tai röntgensäteilyn absorptio. He yrittävät myös tehdä pieniä kopioita suuremmista koneista tai todella uusia ideoita rakenteista, jotka tekevät itse itseään. Uusia materiaaleja voidaan valmistaa nanokokoisten rakenteiden avulla, ja on jopa mahdollista työskennellä yksittäisten atomien kanssa.
K: Mitä mahdollisia sovelluksia nanoteknologialla on?
V: Nanoteknologialla on potentiaalisia sovelluksia monilla eri aloilla, kuten lääketieteessä, tietokoneissa ja puhtaassa sähköntuotannossa (nanoelektromekaaniset järjestelmät). Sen avulla voitaisiin myös suunnitella seuraavan sukupolven aurinkopaneeleita ja tehokasta matalaenergiavalaistusta.
K: Liittyykö nanoteknologian käyttöön riskejä?
V: Nanoteknologian käyttöön voi liittyä tuntemattomia ongelmia, esimerkiksi jos käytetyt materiaalit ovat haitallisia ihmisten terveydelle tai luonnolle. Niillä voi olla huonoja vaikutuksia talouteen tai jopa suuriin luonnonjärjestelmiin, kuten maapalloon, joten joidenkin ryhmien mielestä nanoteknologian käyttöä olisi säänneltävä.
Kysymys: Millaiset tutkijat tutkivat nanoteknologiaa?
V: Nanoteknologiaa tutkivat tutkijat tulevat monilta eri tieteenaloilta, kuten soveltavasta fysiikasta, materiaalitieteestä, rajapinta- ja kolloiditieteestä, laitefysiikasta, kemiasta, supramolekyylikemiasta, itsereplikoivista koneista ja robotiikasta, kemiantekniikasta, konetekniikasta, biologiasta, biologiasta, biologiasta, sähkötekniikasta jne.
Etsiä