Nanotechnológia
Nanotechnológia je časť vedy a techniky, ktorá sa zaoberá riadením hmoty na atómovej a molekulárnej úrovni - to znamená veci s priemerom približne 100 nanometrov.
Nanotechnológia zahŕňa výrobu produktov, ktoré využívajú takto malé súčiastky, ako sú elektronické zariadenia, katalyzátory, senzory atď. Aby ste si vedeli predstaviť, aké je to malé, v jednom palci je viac nanometrov ako v 400 míľach.
Pre medzinárodnú predstavu o tom, aké je to malé množstvo, je v jednom centimetri toľko nanometrov, koľko je centimetrov v 100 kilometroch.
Nanotechnológie spájajú vedcov a inžinierov z mnohých rôznych odborov, ako sú aplikovaná fyzika, materiálová veda, veda o rozhraniach a koloidoch, fyzika zariadení, chémia, supramolekulárna chémia (čo je oblasť chémie, ktorá sa zameriava na nekovalentné väzby medzi molekulami), samoreplikujúce sa stroje a robotika, chemické inžinierstvo, strojárstvo, biológia, biologické inžinierstvo a elektrotechnika.
Keď sa hovorí o nanotechnológiách, myslia sa tým zvyčajne štruktúry s veľkosťou 100 nanometrov alebo menšou. V jednom milimetri je milión nanometrov. Nanotechnológie sa snažia vytvoriť materiály alebo stroje tejto veľkosti.
V oblasti nanotechnológií sa ľudia venujú rôznym druhom práce. Väčšina súčasných prác sa zaoberá výrobou nanočastíc (častíc s veľkosťou nanometrov), ktoré majú špeciálne vlastnosti, ako napríklad spôsob, akým rozptyľujú svetlo, absorbujú röntgenové žiarenie, prenášajú elektrický prúd alebo teplo atď. Na "vedecko-fantastickejšom" konci tejto oblasti sú pokusy o výrobu malých kópií väčších strojov alebo skutočne nové nápady na štruktúry, ktoré sa vytvárajú samy. Nové materiály sú možné s nanorozmernými štruktúrami. Dokonca je možné pracovať s jednotlivými atómami.
O budúcnosti nanotechnológií a ich nebezpečenstvách sa veľa diskutuje. Nanotechnológia môže byť schopná vynájsť nové materiály a nástroje, ktoré by boli veľmi užitočné, napríklad v medicíne, počítačoch a pri výrobe čistej elektrickej energie (nanoelektromechanické systémy), pomáha navrhnúť novú generáciu solárnych panelov a efektívne osvetlenie s nízkou spotrebou energie). Na druhej strane je nanotechnológia nová a môžu sa vyskytnúť neznáme problémy. Napríklad, ak materiály škodia zdraviu ľudí alebo prírode. Môžu mať zlý vplyv na hospodárstvo alebo dokonca na veľké prírodné systémy, ako je samotná Zem. Niektoré skupiny tvrdia, že by mali existovať pravidlá týkajúce sa používania nanotechnológií.
Typické geometrie nanoštruktúr.
Začiatok nanotechnológií
Myšlienky nanotechnológie boli prvýkrát použité v prednáške "There's Plenty of Room at the Bottom", ktorú predniesol vedec Richard Feynman na stretnutí Americkej fyzikálnej spoločnosti na Caltechu 29. decembra 1959. Feynman opísal spôsob, ako premiestňovať jednotlivé atómy, aby bolo možné vytvoriť menšie prístroje a pracovať v takejto mierke. Vlastnosti ako povrchové napätie a Van der Wallova sila by sa stali veľmi dôležitými.
Feynmanova jednoduchá myšlienka sa zdala byť možná. Slovo "nanotechnológia" vysvetlil profesor Tokijskej vedeckej univerzity Norio Taniguči v článku z roku 1974. Povedal, že nanotechnológia je práca, ktorá mení materiály o jeden atóm alebo o jednu molekulu. V 80. rokoch 20. storočia túto myšlienku skúmal Dr. K. Eric Drexler, ktorý hovoril a písal o význame nanorozmerov . "Motory stvorenia: (1986) sa považuje za knihu o nanotechnológiách. Nanotechnológie a nanoveda sa začali dvoma kľúčovými udalosťami: začiatkom klastrovej vedy a vynálezom skenovacieho tunelového mikroskopu (STM). Čoskoro potom boli objavené nové molekuly s uhlíkom - najprv fullerény v roku 1986 a uhlíkové nanorúrky o niekoľko rokov neskôr. V ďalšom vývoji sa skúmalo, ako vyrobiť polovodičové nanokryštály. Mnohé nanočastice oxidov kovov sa teraz používajú ako kvantové bodky (nanočastice, pri ktorých sa stáva dôležitým správanie jednotlivých elektrónov). V roku 2000 začala Národná nanotechnologická iniciatíva Spojených štátov rozvíjať vedu v tejto oblasti.
Klasifikácia nanomateriálov
Nanotechnológia má nanomateriály, ktoré možno rozdeliť na jednorozmerné, dvojrozmerné a trojrozmerné nanočastice. Táto klasifikácia je založená na rôznych vlastnostiach, ktoré majú, ako je rozptyl svetla, absorpcia röntgenového žiarenia, prenos elektrického prúdu alebo tepla. Nanotechnológia má multidisciplinárny charakter, ktorý ovplyvňuje viaceré tradičné technológie a rôzne vedné disciplíny. Dajú sa vyrábať nové materiály, ktoré sa dajú zmenšiť aj na veľkosť atómov.
Fakty
- Jeden nanometer (nm) je 10-9 alebo 0,000 000 001 metra.
- Keď sa dva atómy uhlíka spoja do molekuly, vzdialenosť medzi nimi je v rozmedzí 0,12-0,15 nm.
- Dvojitá špirála DNA má od jednej strany k druhej približne 2 nm. Rozvíja sa do novej oblasti nanotechnológií DNA. V budúcnosti bude možné manipulovať s DNA, čo môže viesť k novej revolúcii. Ľudský genóm sa dá manipulovať podľa požiadaviek.
- Nanometer a meter možno chápať ako rovnaký rozdiel vo veľkosti ako medzi golfovou loptičkou a Zemou.
- Jeden nanometer je približne dvadsaťpäťtisícina priemeru ľudského vlasu.
- Nechty rastú jeden nanometer za sekundu.
Fyzikálne vlastnosti nanomateriálu
V nanorozmeroch sa fyzikálne vlastnosti systému alebo častíc podstatne menia. Fyzikálne vlastnosti, ako napríklad kvantový efekt veľkosti, pri ktorom sa elektróny pohybujú odlišne pre veľmi malé veľkosti častíc. Vlastnosti ako mechanické, elektrické a optické sa menia, keď sa makroskopický systém mení na mikroskopický, čo je mimoriadne dôležité.
Nano materiály a častice môžu pôsobiť ako katalyzátor, ktorý zvyšuje rýchlosť reakcie a zároveň poskytuje lepší výťažok v porovnaní s inými katalyzátormi. Niektoré z najzaujímavejších vlastností, keď sa častice premenia na nanorozmery, sú tieto: látky, ktoré zvyčajne zastavujú svetlo, sa stanú priehľadnými (meď); niektoré materiály je možné spáliť (hliník); pevné látky sa pri izbovej teplote zmenia na kvapaliny (zlato); izolanty sa stanú vodičmi (kremík). Materiál ako zlato, ktorý v bežnom meradle nereaguje s inými chemikáliami, môže byť v nanorozmeroch silným chemickým katalyzátorom. Tieto špeciálne vlastnosti, ktoré môžeme pozorovať len v nanorozmeroch, sú jednou z najzaujímavejších vecí na nanotechnológiách.
Otázky a odpovede
Otázka: Čo je to nanotechnológia?
Odpoveď: Nanotechnológia je časť vedy a techniky o riadení hmoty v atómovom a molekulárnom meradle, ktorá zahŕňa výrobu výrobkov využívajúcich takto malé časti, ako sú elektronické zariadenia, katalyzátory, senzory atď.
Otázka: Aké malé sú nanometre?
Odpoveď: Nanometre sú neuveriteľne malé - v jednom palci je viac nanometrov ako v 400 míľach. Pre medzinárodnú predstavu o tom, aké je to malé, je v jednom centimetri toľko nanometrov, koľko je centimetrov v 100 kilometroch.
Otázka: Aké druhy práce vykonávajú ľudia v oblasti nanotechnológií?
Odpoveď: Ľudia pracujúci v oblasti nanotechnológií sa zaoberajú výrobou nanočastíc (častíc s veľkosťou nanometrov), ktoré majú špeciálne vlastnosti, napríklad rozptyľujú svetlo alebo absorbujú röntgenové žiarenie. Pokúšajú sa tiež vytvoriť malé kópie väčších strojov alebo skutočne nové nápady na štruktúry, ktoré sa vytvárajú samy. Nové materiály sa dajú vyrábať pomocou nanoštruktúr a dokonca je možné pracovať s jednotlivými atómami.
Otázka: Aké potenciálne aplikácie má nanotechnológia?
Odpoveď: Nanotechnológia má potenciálne využitie v mnohých rôznych oblastiach vrátane medicíny, počítačov a výroby čistej elektrickej energie (nanoelektromechanické systémy). Mohla by tiež pomôcť pri navrhovaní novej generácie solárnych panelov a účinného osvetlenia s nízkou spotrebou energie.
Otázka: Sú s používaním nanotechnológií spojené nejaké riziká?
Odpoveď: S používaním nanotechnológií by mohli byť spojené neznáme problémy, napríklad ak by použité materiály boli škodlivé pre zdravie ľudí alebo pre prírodu. Môžu mať zlý vplyv na hospodárstvo alebo dokonca na veľké prírodné systémy, ako je samotná Zem, preto niektoré skupiny tvrdia, že by sa mali zaviesť pravidlá týkajúce sa ich používania.
Otázka: Aký typ vedcov študuje nanotechnológie?
Odpoveď: Vedci, ktorí študujú nanotechnológie, pochádzajú z mnohých rôznych odborov vrátane aplikovanej fyziky, materiálovej vedy, vedy o rozhraniach a koloidoch, fyziky zariadení, chémie supramolekulárnej chémie samoreplikujúcich sa strojov a robotiky chemického inžinierstva strojného inžinierstva biológie biologického inžinierstva elektrotechniky atď.
