Nanotehnologija

Ugljična nanocijev, animirani prikaz.

Nanotehnologija je bilo koja tehnologija čije su polje djelovanja veličine reda milijarditog dijela metra. To su tehnologije koje manipulišu sa pojedinačnim atomima. To je primijenjena nauka i odnosi se na proizvodnju uređaja čije su dimenzije 100 nanometara ili manje.

Pregled

Nanotehnologija je vještina pravljenja ili rada sa stvarima tako malim da ih je moguće posmatrati samo pomoću najjačih mikroskopa. To je također i sposobnost pravljenja veoma malih mašina uz pomoć računarske tehnologije, atom po atom. Da se naglasi ovaj smisao, često se nanotehnologija naziva i molekularna nanotehnologija.

Može se reći da je nanotehnologija polje primijenjene nauke bazirana na dizajnu, sintezi i primjeni materijala i uređaja reda veličine nano.

Temeljni koncepti, poređenje

Jedan nanometar je milijarditi dio metra. Za usporedbu, tipična dužina veze dva atoma ugljika je 0,12-0,15 nm, i prečnik dvostruke spirale DNK je oko 2 nm. Najmanje ćelijske životne forme, bakterija iz roda Mycoplasma, su oko 200 nm dužine. Nano-sastavljanje ili pristup 'odozdo prema gore', je sinteza nanostrukturiranog materijala sastavljanjem njegovih prethodno pripremljenih nanometarskih sastavnih elemenata koje čine nanometarske čestice ili čak i pojedinačni atomi ili molekule.

Od velikog, prema malom: pogled na materijale

Glavni članak: Nanomaterijali

Poređenje veličina nanomaterijala

Brojni fizički fenomeni počinju da se ističu, kako se veličina sistema smanjuje. Ovo uključuje statističke mehaničke efekte, kao i kvantne mehaničke efekte, naprimjer "efekt kvantne veličine", gdje su elektroničke osobine čvrstih tijela drugačije u slučaju znatnog smanjenja veličine djelića. Ovi efekti se ne primjećuju kod smanjenja sa makro, na mikro dimenzije.

Štaviše, kvantni efekti počinju dominirati kada se dostignu nanometarske veličine, tipično na rastojanjima od 100 nanometara i manje, u takozvanom kvantnom carstvu. Dodatno, mnoge fizičke (mehaničke, električne, optičke, i druge) osobine se mijenjaju u poređenju sa makroskopskim sistemima. Jedan primjer je povećanje odnosa između površine i zapremine, mijenjajući termičke i katalitičke osobine materijala.

Pojmovi u nanotehnologiji

Alotrop ugljika "buckminsterfullerene" C60

Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetaka hiljada atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu.

Nanobot je imaginarna mašina (robot) na skali od nekoliko do nekoliko desetaka nanometara, dizajniran da obavlja specifične poslove.

Buckminsterfullerene C60, također poznat i kao buckylopta "buckyball", je reprezentativni član ugljikovih struktura, poznatih kao fulereni. Članovi porodice fulerena su glavni subjekti istraživanja pod nanotehnološkim kišobranom.

Do 2012. godine, kroz svoju Državnu nanotehnološku inicijativu, SAD su investirale 3,7 milijardi dolara, Evropska unija je investirala 1,2 milijardi, i Japan 750 miliona dolara.

Uvod u historiju nanotehnologije

Pionir nanotehnologije je K. Eric Drexler. Kim Eric Drexler (rođen 25 aprila, 1955.) je američki inženjer najbolje poznat po popularizaciji potencijala (za sada, uglavnom) hipotetičke molekularne nanotehnologije. Tokom kasnih 70-tih razvija ideju molekularne nanotehnologije. 1979. godine se susreo sa provokativnim predavanjem fizičara i Nobelovca Richarda Feynmana, "There's Plenty of Room at the Bottom" (bosanski: Mnogo je prostora na dnu).

Termin "nanotehnologija" je 1974. skovao profesor Norio Taniguchi sa Tokyo Science University, da bi opisao preciznu proizvodnju materijala sa nanometarskom preciznošću. Drexler je nehtijući, bez pitanja, upotrijebio taj naziv u svojoj knjizi iz 1986.: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, kako bi opisao ono što je poslije postalo poznato kao molekularna nanotehnologija. Tada je Drexler po prvi put upotrijebio izraz "gray goo" da opiše šta se može desiti ako hipotetičke samoreplicirajuće mašine izmaknu kontroli.

Dr. Drexler je diplomirao interdisciplinarne nauke, magistrirao astro/aeronautičko inženjerstvo i ima dva doktorata sa instituta MIT, jedan iz arhitekture, a drugi iz MIT Media Lab. Njegov doktorat iz 1991. pod patronatom MIT Media Lab-a je prvi doktorat na temu molekularne nanotehnologije.

Jedna od prepreka dostizanja nanotehnologije je nedostatak efikasnog načina da se naprave mašine na molekularnoj skali. Jedna od Drexlerovih ranih ideja je bila "assembler", nanomašina koja bi imala "ruku" vođenu računarom koja bi bila programirana da pravi naredne mašine. To do sada nije učinjeno.

Vođene su mnoge rasprave o budućem uticaju nanotehnlogije. Nanotehnologija ima potencijal da napravi mnoge nove materijale i uređaje sa širokim spektrom primjene, u medicini, elektronici, biomaterijalima i proizvodnji energije. Sa druge strane, sa nanotehnologijom se postavljaju ista pitanja kao kod svakog uvođenja nove tehnologije, uključujući brigu o toksičnosti i uticaju nanomaterijala na okolinu, kao i njihovog potencijalnog uticaja na ekonomiju. Postoje i spekulacije oko različitih scenarija totalnog uništenja. Ove zabrinutosti su vodile do debata između zagovorničkih grupa i vlada, o tome da se na neki način osigura posebna regulacija za nanotehnologiju.

Područja u fizici kao što su nanoelektronika, nanomehanika i nanooptika su evoluirale tokom nekoliko zadnjih decenija toliko da sada osiguravaju naučni temelj nanotehnlogije.

Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji

Mihail Roco, jedan od arhitekata Nacionalne nanotehnološke inicijative Sjedinjenih Američkih Država, je predložio četiri faze nanotehnologije koje imaju svoju paralelu u tehničkom progresu tokom Industrijske revolucije.

1. Pasivne nanostrukture - nanodjelići i nanocijevi koji osiguravaju dodatnu snagu, električnu i toplotnu provodljivost, otpornost, hidrofiliju/hidrofobiju i/ili druge osobine koje se pojavljuju iz njihovih struktura na nano skali mjera.
2. Aktivni nanouređaji - to su nanostrukture koje mijenjaju stanje u cilju transformacije energije, informacije i/ili da izvode korisne funkcije. Postoji izvjesna debata da li na neki način vrhunska integrisana kola spadaju u ovu grupu, s obzirom da ona funkcionišu uprkos osobinama koje se javljaju na nanoskali, a ne zahvaljujući njima. Štaviše, argument se razvija, ona se ne kvalifikuju kao "nove" osobine na nanoskali, čak iako su sami uređaji između jednog i stotinu nanometara.
3. Kompleksne nanomašine - sklapanje različitih nanouređaja u nanosistem da bi se ostvarile složene funkcije. Ima tvrdnji da Zettl mašine ulaze u ovu skupinu; drugi tvrde da moderni mikroprocesori i FPGA također odgovaraju.
4. Sistem sačinjeni od nanosistema/Produktivni nanosistemi - oni će biti kompleksni nanosistemi koji proizvode atomski precizne dijelove drugih nanosistema, ne sa nužno novim pojavama nanodimenzionalnih osobina, nego sa odlično shvaćenim osnovama proizvodnje. Zbog atomske prirode materije i mogućnosti eksponencijalnog rasta, ova faza u razvoju nanotehnologije se vidi kao temelj slijedeće industrijske revolucije. Trenutno ima mnogo različitih pristupa za izgradnju prozvodnih nanosistema: uključujući pristupe "odozgo prema dole", i to: "Patterned Atomic Layer Epitaxy" (epitaksija: rast kristala jednog minerala na faceti drugog minerala) i "diamondoidna mehanosinteza" ("Diamondoid Mechanosynthesis"). Tu su također i pristupi "odozdo prema gore", kao što su "DNA Origami" i "Bis-peptide sinteza".
5. Info/bio/nano konvergencija - S obzirom da je svaki živi organizam sačinjen od atoma i informacija, Roco je dodao peti korak, koji je konvergencija tri najrevolucionarnije tehnologije.

Trenutna istraživanja

Nanomaterijali

Polje istraživanja nanomaterijala uključuje potpolja koja razvijaju ili proučavaju materijale koji imaju jedinstvene osobine nastale iz njihovih nanostepenskih dimenzija.

Grafički prikaz "rotaxane"-a, iskoristivog kao molekularni prekidač.

Funkcionalni pristupi

Oni zahtijevaju razvoj komponenti koji će imati željenu funkcionalnost, neovisno od toga, kako će moći biti sastavljeni.

• Molekularna elektronika hoće da razvije molekule sa korisnim elektroničkim osobinama. One se mogu koristiti kao jedno-molekulske komponente u nanoeletronskom uređaju. Kao primjer se navodi "rotaxane".
• Sintetičke hemijske metode također mogu biti korištene za izradu sintetičkih molekularnim motora, kao u tzv. "nanoautu".

Biomimetički pristupi

• Bionika ili biomimikrija želi da primjeni biloške metode i sisteme nađene u prirodi, za proučavanje i dizajn inženjerskih sistema i moderne tehnologije. Biomineralizacija je jedan primjer proučavanih sistema.
• Bionanotehnologija je korištenje biomolekula za primjenu u nanotehnologiji.

Molekularna nanotehnologija: dugoročno gledište

Molekularna nanotehnologija, ponekad nazivana molekularna proizvodnja, opisuje konstruisane nanosisteme (mašine na nanoskali) koji rade na veličinama molekula. Molekularna nanotehnologija je posebno povezana sa molekularnim sastavljačem, mašinom koja može da proizvodi željene strukture ili uređaje atom-po-atom koristeći principe mehanosinteze. Proizvodnja u kontekstu produktivnih nanosistema nije vezana sa prethodnim, i treba biti jasno razlikovana od konvencionalnih tehnologija korištenih u proizvodnji nanomaterijala kao što su ugljične nanocijevi i nanodjelići.

Kada je termin "nanotehnologija" bio neovisno skovan i popularizovan od strane Eric Drexlera (koji u to vrijeme nije znao za raniju upotrebu od strane Norio Taniguchi-ja) odnosio se na buduće proizvođačke tehnologije bazirane na sistemima molekularnih mašina. Pretpostavka je bila da analogije sa biološkim molekularnim veličinama tradicionalnih dijelova mašina, pokazuju, da su molekularne mašine moguće: s obzirom na bezbroj primjera nađenih u biologiji, poznato je da sofisticirane, stohastički optimizirane biološke mašine, mogu biti napravljene. Nada postoji da će razvoj nanotehnologije omogućiti njihovo konstruisanje na neki drugi način, možda koristeći biomimetičke principe. Kako god, Drexler i drugi istraživači su pretpostavili da napredna nanotehnologija, iako možda na početku sa primjenom biomimetike, u konačnici može biti bazirana na principima mašinskog inženjerstva, poimenično, proizvodna tehnologija bazirana na upotrebljivosti ovih komponenti (kao što su: zupčanici, ležajevi, motori, i konstruktivnih elemenata) da će omogućiti programabilno, poziciono sklapanje do detaljnih opisa na atomskom nivou.

Fizičke i inžinjerske performanse primjeraka dizajna su analizirane u Drexler-ovoj knjizi Nanosystems. Općenito, veoma je teško sklopiti uređaje na atomskom nivou, pošto se pri tome moraju pojedinačni atomi pozicionirati prema drugim atomima uporedive veličine i unutrašnjeg trenja.

Drugi pogled kojeg zastupa Carlo Montemagno, jeste da će budući nanosistemi biti hibridi silicijske tehnologije i bioloških molekularnih mašina. Još jedan prijedlog, dat kasnije od strane Richard Smalley-a, jeste da je mehanosinteza nemoguća zbog teškoća u mehaničkom manipuliranju pojedinačnim molekulama. Ovo je vodilo do razmjene pisama iz ACS publikacije Chemical & Engineering News iz 2003. Dok biologija jasno pokazuje da su sistemi molekularnih mašina mogući, ne-biološke molekularne mašine su u povoju. Vodeći istraživači ne-bioloških molekularnih mašina su Dr. Alex Zettl i njegove kolege na Lawrence Berkeley Laboratorijama i UC Berkeley. Oni su napravili najmanje tri različita molekularna uređaja čije je kretanje kontrolirano sa desktopa, promjenom napona: nanocijevni nanomotor, molekularni aktuator (aktuator je naprava kojom se stavlja u pogon neki mehanizam), i nanoelektromehanički relaksacioni oscilator.

Eksperimenti koji pokazuju da je poziciono molekularno sklapanje moguće, su izvedeni od strane naučnika Ho i Lee na Cornell Univerzitetu, 1999. Oni su koristili skenirajući tunelski mikroskop da pokrenu pojedinačne molekule ugljen monoksida (CO) na pojedinačni molekul željeza (Fe), smješten na ravnom kristalu srebra, i hemijski povezali CO sa Fe, koristeći napon struje.

Vanjski linkovi

• http://www.feynmanonline.com/
• http://www.nanotech-now.com/
• http://www.crnano.org/whatis.htm
• http://www.nano.gov/
• https://web.archive.org/web/20090226045931/http://www.nanotechnology.com/
• http://science.howstuffworks.com/nanotechnology.htm
• http://www.foresight.org/