Kas ir nanotehnoloģija? Definīcija, pielietojumi un riski
Nanotehnoloģija ir zinātnes un tehnoloģijas daļa, kas saistīta ar vielas kontroli atomu un molekulu mērogā - tas nozīmē, ka tās ir aptuveni 100 nanometru lielas lietas.
Nanotehnoloģijas ietver produktu, kuros izmanto tik mazas detaļas, piemēram, elektroniskās ierīces, katalizatorus, sensorus utt., izgatavošanu. Lai gūtu priekšstatu par to, cik tas ir mazs izmērs, var minēt, ka vienā collā ir vairāk nanometru nekā 400 jūdžu attālumā.
Lai radītu starptautisku priekšstatu par to, cik mazs tas ir, var minēt, ka centimetrā ir tikpat daudz nanometru, cik centimetru ir 100 kilometros.
Nanotehnoloģijas apvieno zinātniekus un inženierus no dažādām nozarēm, piemēram, lietišķās fizikas, materiālzinātnes, saskarņu un koloīdu zinātnes, ierīču fizikas, ķīmijas, supramolekulārās ķīmijas (kas attiecas uz ķīmijas jomu, kurā galvenā uzmanība tiek pievērsta molekulu ne-kovalento saišu mijiedarbībai), pašatjaunojošu mašīnu un robotikas, ķīmijas inženierijas, mašīnbūves, bioloģijas, bioloģijas inženierijas un elektrotehnikas.
Parasti, runājot par nanotehnoloģiju, ar to saprot struktūras, kuru izmērs ir 100 nanometri vai mazāks. Milimetrā ir viens miljons nanometru. Nanotehnoloģijā tiek mēģināts radīt šāda izmēra materiālus vai mašīnas.
Nanotehnoloģiju jomā cilvēki veic dažādus darbus. Lielākā daļa pašreizējo darbu ir saistīti ar nanodaļiņu (nanometru lieluma daļiņu) izgatavošanu, kurām piemīt īpašas īpašības, piemēram, veids, kā tās izkliedē gaismu, absorbē rentgena starus, pārvada elektrisko strāvu vai siltumu utt. Zinātniskās fantastikas jomā ir mēģinājumi izgatavot lielāku mašīnu mazas kopijas vai patiešām jaunas idejas par struktūrām, kas ražo pašas sevi. Ar nanoizmēra struktūrām ir iespējami jauni materiāli. Ir iespējams strādāt pat ar atsevišķiem atomiem.
Ir daudz diskutēts par nanotehnoloģiju nākotni un to radītajām briesmām. Ar nanotehnoloģiju varētu izgudrot jaunus materiālus un instrumentus, kas būtu ļoti noderīgi, piemēram, medicīnā, datoros un tīras elektrības ražošanā (nanoelektromehāniskās sistēmas), tā palīdz izstrādāt nākamās paaudzes saules paneļus un efektīvu zema enerģijas patēriņa apgaismojumu). No otras puses, nanotehnoloģija ir jauna, un var rasties nezināmas problēmas. Piemēram, ja materiāli ir kaitīgi cilvēku veselībai vai dabai. Tiem var būt slikta ietekme uz ekonomiku vai pat lielām dabas sistēmām, piemēram, uz pašu Zemi. Dažas grupas apgalvo, ka nanotehnoloģiju izmantošanai ir vajadzīgi noteikumi.
Kāds ir mērogs un kas ir nanomateriāli?
Nanometrs (nm) ir miljarda daļa no metra (10-9 m). Lai vieglāk saprastu mērogu: atomu izmēri parasti ir aptuveni 0.1–0.5 nm, DNS pavedienam ir apmēram 2 nm diametrā, tipisks vīruss — 20–300 nm, sarkanais asinsķermenītis apmēram 7 000 nm (7 μm), bet cilvēka mata diametrs ir aptuveni 80 000–100 000 nm. Ar nanomateriāliem saprot vielas formas un struktūras, kuru izmēri ir nanometru skalā (parasti līdz 100 nm), piemēram, nanodaļiņas, nanovadi, oglekļa nanocaurules, kvantu punkti un nanokompozīti.
Pielietojumi
Nanotehnoloģiju šobrīd izmanto daudzās jomās. Galvenie pielietojumi:
- Medicina: mērķterapija ar zālēm, nanoizsekošana, diagnostikas testu uzlabošana, biokompatibli materiāli implantiem.
- Elektronika: miniaturizētas ķēdes, ātrāki tranzistori, kvantu punkti ekrāniem un atmiņās.
- Enerģētika: efektīvāki saules paneļi, labāki katalizatori kurināšanas elementiem, ilgnoturīgi bateriju materiāli.
- Materiāli: viegli un ļoti izturīgi kompozīti, pretkorozijas pārklājumi, virsmas ar īpašām hidrofobām vai antibakteriālām īpašībām.
- Vides tehnoloģijas: piesārņotāju adsorbcija, ūdens attīrīšana, gaisa filtrēšana.
- Sensori un detektori: ļoti jutīgi ķīmiskie un bioloģiskie sensori.
- Katalīze: nanostrukturēti katalizatori, kas palielina reakciju ātrumu un selektivitāti.
- Pārtikas un kosmētika: tekstūras uzlabošana, aktīvo vielu ilgāka stabilitāte (šajās jomās nepieciešama piesardzība un regulējums).
Ražošanas metodes un instrumenti
Nanotehnoloģijā izmanto divus pamatprincipus:
- Top‑down — materiālu apstrāde un noņemšana, lai izveidotu ļoti smalkas struktūras (piemēram, litogrāfija mikroelektronikā).
- Bottom‑up — atomu vai molekulu pašsapulcināšanās un ķīmiskas reakcijas, kas veido nanostruktūras (piemēram, ķīmiskas sintēzes nanodaļiņas, pašorganizējošas virsmas).
Galvenie instrumenti, kas ļauj redzēt un manipulēt nanomērogā, ietver skenējošā tunelēšanas mikroskopu (STM), atoma spēka mikroskopu (AFM) un augstas izšķirtspējas elektronmikroskopus (TEM, SEM).
Riski un drošība
Nanotehnoloģijām ir liels potenciāls, taču tās rada arī konkrētus riskus. Galvenie riski:
- Veselības riski: daļiņu ieelpošana, ādai vai gremošanas traktam nonākušas nanodaļiņas var izraisīt iekaisumu, toksicitāti vai citas nelabvēlīgas sekas; dažas daļiņas var penetrēt šūnās vai šķērsot hematoencefalisko barjeru.
- Vides ietekme: nanodaļiņas var uzkrāties ūdenī, augsnē vai bioloģiskos ķēdēs, to uzvedība vides sistēmās nav pilnībā izpētīta.
- Ekonomiski un sociāli aspekti: darba tirgus izmaiņas, nevienlīdzība piekļuvē jaunajām tehnoloģijām, uzņēmumu konkurences un monopolu jautājumi.
- Drošības un ētikas jautājumi: potenciālais militārs pielietojums, privātuma problēmas saistībā ar ļoti jutīgiem sensoriem, kā arī nepieciešamība kontroli regulēt tehnoloģiju izplatību.
Lai riski būtu mazāki, svarīgi ievērot principus kā safe‑by‑design (drošība veidošanas procesā), rūpīgu toksicitātes testēšanu, darba vidi aizsargājošas procedūras, atbilstošu marķēšanu un dzīves cikla novērtēšanu (LCA).
Regulācija un sabiedrības loma
Tā kā nanomateriālu īpašības var atšķirties no to makroskopiskajiem analogiem, daudzās valstīs un starptautiskos līmeņos tiek izstrādātas vadlīnijas, standarti un testi drošībai. Sabiedrības izpratne, caurspīdīgums un zinātniska diskusija ir svarīgas, lai tehnoloģiju attīstītu atbildīgi un sabiedrības interesēs.
Nākotne
Nanotehnoloģija solās turpināt mainīt medicīnu, enerģētiku, elektroniku un materiālu zinātni. Lai tehnoloģiju potenciāls tiktu izmantots droši un taisnīgi, nepieciešama starpdisciplināra sadarbība starp zinātniekiem, inženieriem, regulatoriem un sabiedrību. Atbildīga pieeja ietver pētījumus par ietekmi uz veselību un vidi, standartizāciju un regulējumu, kā arī izglītību par nanomateriāliem un to drošu izmantošanu.
Ja vēlaties, varu pievienot piemērus no konkrētām nozarēm, skaidrot mērījumu mērvienības vai aprakstīt konkrētu nanomateriālu īpašības.
Tipiskas nanostruktūru ģeometrijas.
Nanotehnoloģijas sākums
Idejas par nanotehnoloģiju pirmo reizi tika izmantotas 1959. gada 29. decembrī zinātnieka Ričarda Feinmena (Richard Feynman) priekšlasījumā "There's Plenty of Room at the Bottom" ("Apakšā ir daudz vietas") Amerikas Fizikas biedrības sanāksmē Kaltehā. Feinmans aprakstīja veidu, kā pārvietot atsevišķus atomus, lai izveidotu mazākus instrumentus un darbotos šādā mērogā. Tādas īpašības kā virsmas spraigums un Van der Vena spēks kļūtu ļoti svarīgas.
Feinmana vienkāršā ideja šķita iespējama. Vārdu "nanotehnoloģija" savā 1974. gada rakstā paskaidroja Tokijas Zinātnes universitātes profesors Norio Taniguči. Viņš teica, ka nanotehnoloģija ir darbs, kurā materiālus izmaina par vienu atomu vai vienu molekulu. Astoņdesmitajos gados šo ideju pētīja Dr. K. Ēriks Drekslers, kurš runāja un rakstīja par nano mēroga notikumu nozīmi. "Radīšanas dzinēji: D. Dreksleris: "Nanotehnoloģiju nākamā ēra" (The Coming Era of Nanotechnology, 1986) tiek uzskatīta par viltus grāmatu par nanotehnoloģijām. Nanotehnoloģijas un nanozinātnes aizsākās ar diviem būtiskiem notikumiem: klasteru zinātnes sākumu un skenējošā tuneļmikroskopa (STM) izgudrošanu. Drīz pēc tam tika atklātas jaunas molekulas ar oglekli - pirmie fullerēni 1986. gadā un dažus gadus vēlāk oglekļa nanocaurules. Vēl viens notikums bija pusvadītāju nanokristālu izgatavošana. Daudzas metālu oksīdu nanodaļiņas tagad tiek izmantotas kā kvantu punkti (nanodaļiņas, kurās svarīga kļūst atsevišķu elektronu uzvedība). 2000. gadā Amerikas Savienoto Valstu Nacionālā nanotehnoloģiju iniciatīva sāka attīstīt zinātni šajā jomā.
Nano materiālu klasifikācija
Nanotehnoloģijā ir nanomateriāli, kurus var iedalīt vienas, divu un trīs dimensiju nanodaļiņās. Šīs klasifikācijas pamatā ir dažādas īpašības, piemēram, gaismas izkliedēšana, rentgena staru absorbēšana, elektriskās strāvas vai siltuma pārvadīšana. Nanotehnoloģijai ir daudznozaru raksturs, kas ietekmē vairākas tradicionālās tehnoloģijas un dažādas zinātnes disciplīnas. Var ražot jaunus materiālus, kurus var mērogot pat atomu izmērā.
Fakti
- Viens nanometrs (nm) ir 10-9 jeb 0,000 000 000 001 metrs.
- Kad divi oglekļa atomi savienojas, veidojot molekulu, attālums starp tiem ir 0,12-0,15 nm.
- DNS dubultā spirāle no vienas puses līdz otrai ir aptuveni 2 nm gara. Tā kļūst par jaunu DNS nanotehnoloģiju jomu. Nākotnē ar DNS varēs manipulēt, kas var radīt jaunu revolūciju. Cilvēka genomu var manipulēt atbilstoši prasībām.
- Nanometru un metru var saprast kā tādu pašu izmēru atšķirību kā starp golfa bumbiņu un Zemi.
- Viens nanometrs ir aptuveni viena divdesmit piektā tūkstošdaļa no cilvēka matu diametra.
- Pirkstu nagi aug par vienu nanometru sekundē.
Nanomateriālu fizikālās īpašības
Nano mērogā sistēmas vai daļiņu fizikālās īpašības būtiski mainās. Fizikālās īpašības, piemēram, kvantu lieluma efekts, kad ļoti maza izmēra daļiņu gadījumā elektroni pārvietojas atšķirīgi. Mainot makroskopisko sistēmu uz mikroskopisko, mainās tādas īpašības kā mehāniskās, elektriskās un optiskās īpašības, kas ir ārkārtīgi svarīgas.
Nanomateriāli un daļiņas var darboties kā katalizators, lai palielinātu reakcijas ātrumu, kā arī iegūtu labāku iznākumu, salīdzinot ar citiem katalizatoriem. Dažas no interesantākajām īpašībām, kad daļiņas pārvēršas nanomērogā, ir šādas: vielas, kas parasti aiztur gaismu, kļūst caurspīdīgas (varš); dažus materiālus iespējams sadedzināt (alumīnijs); cietvielas istabas temperatūrā pārvēršas par šķidrumiem (zelts); izolatori kļūst par vadītājiem (silīcijs). Tāds materiāls kā zelts, kas parastos mērogos nereaģē ar citām ķīmiskām vielām, nanomērogos var kļūt par spēcīgu ķīmisku katalizatoru. Šīs īpašās īpašības, ko mēs varam novērot tikai nanomērogā, ir viena no interesantākajām lietām nanotehnoloģijā.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir nanotehnoloģija?
A: Nanotehnoloģija ir zinātnes un tehnoloģijas daļa par vielas kontroli atomu un molekulu mērogā, kas ietver produktu izgatavošanu, kuros izmanto tik mazas detaļas, piemēram, elektroniskās ierīces, katalizatorus, sensorus utt.
J: Cik mazi ir nanometri?
A: Nanometri ir neticami mazi - vienā collā ir vairāk nanometru nekā 400 jūdzēs. Lai radītu starptautisku priekšstatu par to, cik mazs tas ir, jāsaka, ka centimetrā ir tikpat daudz nanometru, cik centimetru ir 100 kilometros.
J: Kādus darbus cilvēki veic nanotehnoloģiju jomā?
A: Cilvēki, kas strādā nanotehnoloģiju jomā, cenšas radīt nanodaļiņas (nanometru lieluma daļiņas), kurām piemīt īpašas īpašības, piemēram, tās izkliedē gaismu vai absorbē rentgena starus. Viņi arī mēģina izgatavot lielāku mašīnu mazas kopijas vai patiešām jaunas idejas par struktūrām, kas veidojas pašas. Ar nanoizmēra struktūrām var izgatavot jaunus materiālus, un ir pat iespējams strādāt ar atsevišķiem atomiem.
J: Kādi ir nanotehnoloģiju potenciālie pielietojumi?
A: Nanotehnoloģijai ir potenciāli pielietojumi daudzās dažādās jomās, tostarp medicīnā, datoros un tīras elektroenerģijas ražošanā (nanoelektromehāniskās sistēmas). Tā varētu arī palīdzēt izstrādāt nākamās paaudzes saules paneļus un efektīvu zemas enerģijas patēriņa apgaismojumu.
J: Vai nanotehnoloģiju izmantošana ir saistīta ar kādu risku?
A: Ar nanotehnoloģiju izmantošanu varētu būt saistītas nezināmas problēmas, piemēram, ja izmantotie materiāli kaitētu cilvēku veselībai vai dabai. Tiem var būt slikta ietekme uz ekonomiku vai pat uz lielām dabas sistēmām, piemēram, uz pašu Zemi, tāpēc dažas grupas apgalvo, ka attiecībā uz to izmantošanu ir jāievieš noteikumi.
Kādi zinātnieki pēta nanotehnoloģijas?
A: Zinātnieki, kas pēta nanotehnoloģijas, pārstāv dažādas disciplīnas, tostarp lietišķo fiziku, materiālzinātni, saskarnes un koloīdu zinātni, ierīču fiziku, ķīmiju, supramolekulāro ķīmiju, pašreplicējošās mašīnas un robotiku, ķīmijas inženieriju, mašīnbūvi, bioloģiju, bioloģiju, elektrotehniku utt.
