Nanotechnologia

Nanotechnologia– nazwa całego zestawutechniki sposobów kontrolowanego tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarachnanometrycznych,czyli na poziomie pojedynczychatomówicząsteczek.Rozmiary nanometryczne nie są jednoznacznie zdefiniowane. Jako najszerzej przyjętą definicję uznaje się zalecenieKomisji Europejskiej,w której nanomateriałami określa się materiały, które przynajmniej w jednym wymiarze mają rozmiar 1–100 nm lub też w rozkładzie wielkości cząstek przynajmniej 50% cząstek jest w skali nanometrycznej, co stosuje się np. dokompozytów.Taka definicja, mimo iż jest stosunkowo ścisła, nie jest całkowicie poprawna.Nanomateriałróżni się od klasycznego materiału faktem, że poniżej pewnych rozmiarówefekty kwantoweistotnie wpływają na właściwości oraz zachowanie danej cząstki. Przejście między tymi stanami stanowi prawdziwą granicę rozmiaru nanomateriału. Dla różnych substancji ten rozmiar się zmienia, także pod wpływem otoczenia czy geometrii cząstki, zatem ze względów praktycznych stosuje się wcześniej wspomnianą definicję.

Historia nanotechnologii

Historia nanotechnologii sięga lat 50. XX w., gdyRichard P. Feynmanwygłosił wykładThere's Plenty of Room at the Bottom(w wolnym tłumaczeniu „Dużo zmieści się u podstaw “lub „Tam na dole jest jeszcze dużo miejsca “). Rozpoczynając od wyobrażenia sobie, co trzeba zrobić, by zmieścić 24-tomowąEncyklopedię Britannicęna łebku od szpilki, Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii mogącej operować na poziomie nanometrowym. Na koniec ustanowił dwie nagrody (zwaneNagrodami Feynmana) po tysiąc dolarów każda:

• Za wykonanie silnika mieszczącego się w sześcianie o boku nie większym niż 1/64cala.Wypłacenie pierwszej nagrody było dla Feynmana rozczarowaniem, ponieważ wyobrażał sobie, że osiągnięcie postawionych przez niego celów będzie wymagało dokonania się przełomu technologicznego.Nie docenił jednak możliwości współczesnej mikroelektroniki, bo nagroda została zdobyta przez 35-letniego inżynieraWilliama H. McLellanajuż w roku 1960. Jego silnik ważył 250 mikrogramów i miał moc 1 mW.
• Za zmniejszenie strony z książki do rozmiaru w skali 1/25 000.Strona taka mogłaby być przeczytana tylko mikroskopem elektronowym. W 1985 na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman odtworzył pierwszy akapitOpowieści o dwóch miastachKarola Dickensaw zadanej przez Feynmana skali, wykorzystując w tym celu wiązki elektronowe.

Lata 80. i 90. XX w. to okres gwałtownego rozwoju techniklitograficznychoraz produkcji ultracienkich warstw kryształów (technologie MOCVD, MBE). Do ważnych osiągnięć technologicznych zaliczyć można:

• wykonanie napisu IBM przez dwóch fizykówDonalda M. EigleraiErharda Schweizeraza pomocąskaningowego mikroskopu tunelowego,używając do tego celu 35 atomów;
• odkryciefulerenów;
• metody wiązek molekularnych i wykorzystanie do tworzeniastudni kwantowych,drutów kwantowychikropek kwantowych;
• odkrycie i badanie właściwościnanorurek.

W 2007 roku nanotechnolodzy zTechnionuumieścili całyhebrajskitekstStarego Testamentuna obszarze zaledwie 0,5 milimetra kwadratowego na pokrytejzłotemkrzemowejpłytce. Tekst został wryty przez skierowanie na płytkę skupionego strumieniajonówgalu.

Nanotechnologia a organizmy żywe

Warto zwrócić też uwagę, że „nanotechnologię “uprawiają już od dawna wszystkieorganizmyżywe. Wiele struktur występujących wewnątrz komórek to rodzaje mikromaszyn, struktura takich naturalnych materiałów, jak drewno, łodygi roślin, kości czy skóra to tworzywa, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek. Zagadnienia te badananobiotechnologia.

Nanotechnologia obecnie

Nanotechnologia jest obecnie bardzo modnym i obiecującym działemnaukio materiałach, bardzo często jest też jednak "słowem wytrychem", przy pomocy którego próbuje opisać niemal każde badania w dziedzinietechnologii materiałowej.

Do struktur nanometrycznych można zaliczyć:

• studnie,drutyikropki kwantowe;
• nanodruty(np. srebra lub miedzi);
• tworzywa sztuczne– których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek – można w ten sposób uzyskiwać np. materiały o niespotykanych właściwościach mechanicznych;
• nanowłókna polimerowe– o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, które również posiadają niespotykane właściwości mechaniczne;
• nanorurki– czyli bardzo długie i puste w środku cząsteczki, oparte nawęgluw wiązaniach ohybrydyzacjisp²;
• materiały rozdrobnione do postaci pyłu o ziarnach będących np.klasteramiatomów metalu. Na masową skalę wykorzystywane jest srebro w tej postaci, które ma silne właściwości antybakteryjne;
• elementy urządzeńnanoelektronicznych;
• fulereny;
• grafenoraz pozostałe materiały dwuwymiarowe (borofen,grafan,heksagonalny azotek boru,silicen,germanen,siarczek molibdenu);
• materiały kompozytowe wzmacnianenanocząstkami.

Nanotechnologia – futurologia

Terminem nanotechnologia określany jest także nurt zapoczątkowany przezK. Erika Drexlera.Podstawową różnicą między nanotechnologicznymi trendami w nauce końca XX w. i początku XXI wieku a tym nurtem jest mechanistyczne podejście do przedmiotu. Wyznawcy nurtu rozpatrują nanotechnologię w kontekście budowania świata cząsteczka po cząsteczce, atom po atomie. Podstawę stanowiąnanorobotymogące działać na poziomie nanometrów (a więc prawie atomowym).

Początki nanotechnologii sięgają połowy lat 70. Idea nanotechnologii w tym wydaniu sprowadza się do manipulowania pojedynczymi atomami i strukturami atomowymi (cząsteczkami), przy czym istotne tutaj jest klasyczne podejście do tej manipulacji. Nanorobot (ang.assembler) miałby wyglądać podobnie do klasycznego (wielkości rzędu metrów) robota, posiadać manipulatory, a podstawową różnicą byłby jego rozmiar. Podstawą do konstrukcji tychże robotów miałyby byćsupercząsteczkioparte na węglu i pierścieniach węglowych. Zaprogramowany robot byłby w stanie tworzyć nowe roboty, a te z kolei następne. W ten sposób armia nanometrowych robotów mogłaby wykonywać pożyteczne czynności.

W swoich licznych publikacjach (w tym kilku książkach) K. Eric Drexler wykłada podstawy swojej wizji przyszłej nanotechnologii. W książkach zaprezentowane jest wiele hipotetycznych cząsteczek wieloatomowych mających tworzyć nanotechnologiczne fragmenty urządzeń (np. przekładnia planarna). Wśród pomysłów nanotechnologów znajdują miejsce takie jak np.:

• Inteligentna mgła zastępująca pasy bezpieczeństwa w samochodzie. Składać się na nią ma mnóstwo małych nanorobotów z haczykami, które w razie niebezpieczeństwa na drodze chwytają się ze sobą haczykami tworząc gęstą substancję łagodzącą skutki kolizji.
• Mechaniczny nanokomputer. Komputer oparty na prętach wielkości nanometrów, w którym operacje i stany logiczne są uzyskiwane przez zmianę położeń tychże prętów.
• Maszyna do robienia dowolnej rzeczy. Skoro możemy zamieniać miejscami atomy i tworzyć nowe cząsteczki, to możemy kazać nanorobotom wykonać np. kawałek upieczonego steku wołowego, wystarczy dostarczyć odpowiednio dużo atomów odpowiednich pierwiastków.

Nanotechnologia w tej postaci nie doczekała się jak na razie realizacji i mimo że w obecnej chwili jest technologicznie możliwe np. sztuczne syntetyzowanie białek, to trudno powiedzieć, że odbywa się to na gruncie tzw. mechanochemii, w której robot dokleja kolejne aminokwasy do powstającej cząsteczki białka. Wynika to głównie stąd, że zachowanie materii na poziomie nanometrów kontrolowane jest przez mechanikę kwantową. Nanotechnolodzy-futurolodzy powołują się na odkrycia technologiczne dokonane w ostatnich latach (np. jednoelektronowy tranzystor, sztuczne atomy – kropki kwantowe,fulereny,nanorurki) jednak sposób ich otrzymywania i zastosowania daleko różnią się od tego, co wyobrażają sobie ortodoksyjni przedstawiciele tego nurtu.

Nanotechnologia a przemysł spożywczy

Nanotechnologia jest również używana do produkcji i pakowania żywności. Zmiany na poziomie molekularnym dokonywane są w celu uzyskania konkretnych smaków, kolorów czy wartości odżywczych, a tzw. inteligentne opakowania pozwalają zachować świeżość produktów spożywczych przez dłuższy okres. Brak dokładnych badań na temat wpływunanocząstekna zdrowie konsumentów wywołał międzynarodową dyskusję i spowodował, iżParlament Europejskizdecydował się znowelizować rozporządzenie regulujące rynek nowej żywności.

Nanotechnologia w medycynie

Prowadzone są badania nad wykorzystaniem nanotechnologii wonkologii.Jednym z zastosowań jest diagnostyka -nanocząstkimogą być stosowane jako znaczniki, które pozwolą na wykrycie komórek nowotworowych już we wczesnym etapie rozwojuraka.Ponadto, nanotechnologia może znaleźć zastosowanie w leczeniu nowotworów, jako nośnik leków. Dzięki zastosowaniunanocząstekmożliwe jest ograniczenie negatywnego wpływu leków na zdrowe komórki organizmu.

Wielkie nadzieje wiąże się również znanocząstkamiw kontekścieteranostyków,jako środków wykorzystywanych jednocześnie wdiagnostycejak i leczeniuchorób nowotworowych.Przykładem takiego materiału są superparamagnetyczne nanocząstkitlenku żelaza(ang.superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPIONs), które umożliwiają wywołanie hipertermii indukowanej magnetycznie, będącą metodą terapeutyczną, jak również obrazowanie metodąMRI,działając jako środek kontrastowy.

Bibliografia

• Nanotechnologia, narodziny nowej nauki, czyli świat cząsteczka po cząsteczce,Ed Regis,Prószyński i S-ka,2001
• Steven H. Voldman "Piorunochrony dla nanoukładów", "Świat Nauki",12/2002, s. 68–76
• Engines of Creation. The Coming Era of Nanotechnology, K. Eric Drexler,Doubleday,1990

Linki zewnętrzne

• NanoNet.pl – portal o nanotechnologii(pol.)
• Jakub Prauzner-Bechcicki,Bliżej Nauki: Nanotechnologia, czyli co?,kanałFAIS UJnaYouTube,13 listopada 2023 [dostęp 2023-11-27].