Nanoteknologia

Nanoteknologia on tieteen ja teknologian osa-alue, joka käsittelee aineen hallintaa atomi- ja molekyylitasolla - tämä tarkoittaa asioita, joiden läpimitta on noin 100 nanometriä.

Nanoteknologiaan kuuluu sellaisten tuotteiden valmistaminen, joissa käytetään näin pieniä osia, kuten elektronisia laitteita, katalyyttejä, antureita jne. Jotta saisit käsityksen siitä, kuinka pieni tämä on, tuumassa on enemmän nanometrejä kuin 400 mailissa on tuumaa.

Jotta saisimme kansainvälisen käsityksen siitä, kuinka pieni tämä on, senttimetrissä on yhtä monta nanometriä kuin 100 kilometrissä on senttimetrejä.

Nanoteknologia tuo yhteen tutkijoita ja insinöörejä monilta eri aloilta, kuten soveltavasta fysiikasta, materiaalitieteestä, rajapinta- ja kolloiditieteestä, laitefysiikasta, kemiasta, supramolekyylikemiasta (jolla tarkoitetaan kemian aluetta, jossa keskitytään molekyylien ei-kovalentteihin sidoksiin perustuviin vuorovaikutussuhteisiin), itseään toistavista koneista ja robotiikasta, kemiantekniikasta, konetekniikasta, biologiasta, biologisesta insinööritieteestä ja sähkötekniikasta.

Kun puhutaan nanoteknologiasta, tarkoitetaan yleensä 100 nanometrin tai sitä pienempiä rakenteita. Millimetrissä on miljoona nanometriä. Nanoteknologiassa yritetään valmistaa tämän kokoisia materiaaleja tai koneita.

Nanoteknologian alalla tehdään monenlaista työtä. Useimmissa nykyisissä töissä pyritään valmistamaan nanohiukkasia (nanometrin kokoisia hiukkasia), joilla on erityisominaisuuksia, kuten tapa, jolla ne hajottavat valoa, absorboivat röntgensäteitä, siirtävät sähkövirtaa tai lämpöä jne. Alan "science fiction" -päässä yritetään tehdä pieniä kopioita suuremmista koneista tai todella uusia ideoita rakenteista, jotka tekevät itse itsensä. Uudet materiaalit ovat mahdollisia nanokokoisten rakenteiden avulla. On jopa mahdollista työskennellä yksittäisten atomien kanssa.

Nanoteknologian tulevaisuudesta ja sen vaaroista on keskusteltu paljon. Nanoteknologialla voidaan ehkä keksiä uusia materiaaleja ja välineitä, jotka olisivat erittäin hyödyllisiä esimerkiksi lääketieteessä, tietokoneissa ja puhtaan sähkön tuottamisessa (nanoelektromekaaniset järjestelmät), ja se auttaa suunnittelemaan seuraavan sukupolven aurinkopaneeleita ja tehokasta matalaenergiavalaistusta). Toisaalta nanoteknologia on uutta, ja siihen voi liittyä tuntemattomia ongelmia. Esimerkiksi jos materiaalit ovat haitallisia ihmisten terveydelle tai luonnolle. Niillä voi olla huono vaikutus talouteen tai jopa suuriin luonnonjärjestelmiin, kuten itse maapalloon. Joidenkin ryhmien mielestä nanoteknologian käytöstä pitäisi olla sääntöjä.

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.