Nanotehnoloogia: määratlus, rakendused ja ohud
Nanotehnoloogia: selge ülevaade määratlusest, praktilistest rakendustest (meditsiin, elektroonika, energia) ja võimalikest ohtudest ning nende ohjamisest.
Nanotehnoloogia on teaduse ja tehnoloogia osa, mis käsitleb aine kontrollimist aatomi ja molekuli tasandil — tavapäraselt teiste sõnadega struktuure ja seadeid, mille mõõtmed on umbes 100 nanomeetrit või väiksemad. Nanomeeter (nm) on üks miljardik meetrist (1 nm = 10−9 m). Ühes millimeetris on miljon nanomeetrit; ühes sentimeetris on 10 miljonit nanomeetrit; ühes tollis (1") on umbes 25 400 000 nanomeetrit. Võrdluseks: inimese juuksekarva läbilõige on tavaliselt tensid kuni sadades tuhandetes nanomeetrites, punalible on umbes 7000 nm, DNA laiuseks on ~2 nm ja aatomid on tavaliselt 0,1–0,3 nm suurusjärgus.
Mis see täpsemalt tähendab
Nanotehnoloogia hõlmab nii nanosuuruses struktuuride kavandamist, valmistamist kui ka nende omaduste uurimist ja kasutamist. Paljud materjalid käituvad nanoskaalal teisiti kui makroskaalal — muutuvad näiteks tugevamaks, valgust hajutades või neelates teistmoodi, omavad teistsugust elektri- või soojusjuhtivust. Sellepärast on nanosuuruses loodud osakesed ja pinnad eriti huvitavad teaduse ja tööstuse jaoks.
Valdkondi ja distsipliine
Nanotehnoloogia on väga interdistsiplinaarne — selles osalevad teadlased ja insenere paljudest erialadest, nagu rakendusfüüsika, materjaliteadus, liidese- ja kolloiditeadus, seadmete füüsika, keemia, supramolekulaarne keemia, isekopeeruvad masinad ja robootika, keemiatehnika, masinaehitus, bioloogia, biotehnika ja elektrotehnika.
Kuidas nanotehnoloogiat tehakse
- Top‑down (aljaehitus): suuremate struktuuride või materjalide töötlemine, näiteks litograafia, keemiline lihvimine või mehaaniline lõikamine, kuni saavutatakse nanoskaal.
- Bottom‑up (ülesehitus): molekulide või aatomite organiseerimine enesekokkupaneku, keemilise sünteesi või epitaksiaalse kasvu abil.
- Nanomaterjalide süntees: nanoosakesed, nanotorud, kihilised (nt grafiin) ja komposiitmaterjalid valmistatakse keemiliste, füüsikaliste ja bioloogiliste meetoditega.
- Instrumentatsioon: aatomforce‑mikroskoobid (AFM), scanning tunnelling microscope (STM) ja edasised meetodid võimaldavad pindade kuvamist ja mõnikord üksikute aatomite liigutamist.
Peamised rakendused
Nanotehnoloogia kasutusvaldkonnad on laiad; siin on mõned olulised suunad:
- Meditsiin: ravimite siht‑transport (nanokapslid), diagnostika (nanodiagnostika), regeneratiivne meditsiin ja pinnakattetehnoloogiad implantaatidele.
- Elektroonika: tihedamad integraallülitused, uued andmesalvestuse lahendused ja sensorid; nanoelektromehaanilised süsteemid (NEMS) pakuvad väikseid sensoreid ja toimureid.
- Materjaliteadus: tugevamad ja kergemad komposiidid, kulumiskindlad pinnad, soojusjuhtivust reguleerivad materjalid — vt ka materjalid.
- Energiatehnoloogiad: efektiivsemad päikesepaneelid, katalüsaatorid, uued akutehnoloogiad ja energiasalvestuse materjalid.
- Keskkonnakaitse: reostuse puhastamine, veefiltrid ja katalüütilised meetodid saaste eemaldamiseks.
- Tööstus ja katalüüs: nanoosakesed kui katalüsaatorid keemilistes protsessides, andurid protsessijuhtimiseks.
Spetsiifilised omadused ja saavutused
Praegune praktika keskendub sageli nanoosakeste (nanomõõtmetega osakesed) valmistamisele, mis omavad erilisi optilisi, mehaanilisi või elektrilisi omadusi — näiteks valguse hajumine, röntgenkiirguse neeldumine või elektrijuhtivus. Uute materjalide ja funktsioonide loomine nanoskaalal on viinud täiustatud päikesepaneelide, tõhusama valgustuse ning meditsiiniliste tööriistade arendamiseni. Samuti uuritakse päriselus töövõimelisi enesekopeeruvaid struktuure ja võimalust manipuleerida üksikute aatomitega.
Ohud, riskid ja eetikaküsimused
Nanotehnoloogia pakub suuri võimalusi, kuid sellega kaasnevad ka olulised riskid ja teadmatused:
- Tervis: mõned nanoosakesed võivad läbida kudesid, jõuda verre või kopse ja omada toksilist mõju; puuduvad veel täielikud andmed pikaajalise kokkupuute kohta.
- Keskkond: nanoosakeste käitumine keskkonnas (stabiilsus, bioakumuleerumine, mõju ökosüsteemidele) ei ole täielikult teada ja võib põhjustada ootamatuid tagajärgi.
- Majanduslikud ja sotsiaalsed tagajärjed: tehnoloogia kiire levik võib mõjutada tööturgu, konkurentsi ja tarneahelaid.
- Turvalisus ja kuritarvitamine: tehnoloogia topelt‑kasutuse võimalus — sõjalised rakendused või uued relvakonseptid — tekitab julgeolekualaseid küsimusi.
- Regulatsioonide puudumine: paljudes valdkondades ei ole veel laiaulatuslikke standardeid, märgistamist ega järelvalvet.
Kuidas riske maandada
- Teaduspõhine toksikoloogia‑ ja keskkonnauuringute laiendamine ning andmete avalik jagamine.
- Elutsükli hindamine (LCA) ja ohutus‑by‑design lähenemine, mis arvestab ohutust juba arendusetapis.
- Standardiseeritud mõõtmismeetodid, märgistussüsteemid ja regulatiivsed raamistikud.
- Avalik diskussioon, huvigruppide kaasamine ja eetilised hinnangud tehnoloogia kasutusele võtmisel.
Kokkuvõte
Nanotehnoloogia on võimas ja kiiresti arenev teadus‑ja tehnoloogiaalane valdkond, mis ühendab palju eri distsipliine ning lubab luua uusi materjale ja seadmeid. Selle rakendused võivad oluliselt parandada meditsiini, energiatõhusust, elektroonikat ja keskkonnatehnoloogiaid. Samas nõuab nanotehnoloogia ohutu ja vastutustundlik kasutuselevõtt teadlikku regulatsiooni, põhjalikke uuringuid ja ühiskondlikku arutelu, et minimeerida tervise-, keskkonna‑ ja sotsiaalseid riske ning tagada tehnoloogia positiivne mõju tulevikus.
Tüüpilised nanostruktuuride geomeetriad.
Nanotehnoloogia algus
Nanotehnoloogia ideid kasutati esmakordselt 29. detsembril 1959 Ameerika Füüsikaühingu koosolekul Caltechis peetud teadlase Richard Feynmani loengus "There's Plenty of Room at the Bottom". Feynman kirjeldas viisi, kuidas liigutada üksikuid aatomeid, et ehitada väiksemaid instrumente ja töötada selles skaalas. Sellised omadused nagu pindpinevus ja Van der Wallide jõud muutuksid väga oluliseks.
Feynmani lihtne idee tundus võimalik. Sõna "nanotehnoloogia" seletas Tokyo teadusülikooli professor Norio Taniguchi 1974. aastal avaldatud artiklis. Ta ütles, et nanotehnoloogia on töö, mille käigus muudetakse materjale ühe aatomi või ühe molekuli võrra. 1980. aastatel uuris seda ideed dr K. Eric Drexler, kes rääkis ja kirjutas nanoskaala sündmuste tähtsusest . "Loomise mootorid: The Coming Era of Nanotechnology" (1986) on arvatavasti kõige vingem raamat nanotehnoloogiast. Nanotehnoloogia ja nanoteadus said alguse kahe olulise arenguga: klastriteaduse algus ja skaneeriva tunnelmikroskoobi (STM) leiutamine. Varsti pärast seda avastati uued süsiniku molekulid - kõigepealt fullereenid 1986. aastal ja mõned aastad hiljem süsiniknanotorud. Teise arenguna uuriti, kuidas teha pooljuhtide nano-kristalle. Paljud metalloksiidide nanoosakesed on nüüd kasutusel kvantpunktidena (nanoosakesed, kus üksikute elektronide käitumine muutub oluliseks). 2000. aastal hakkas Ameerika Ühendriikide riiklik nanotehnoloogia algatus arendama teadust selles valdkonnas.
Nanomaterjalide klassifikatsioon
Nanotehnoloogias on olemas nanomaterjalid, mida võib liigitada ühe-, kahe- ja kolmemõõtmelisteks nanoosakesteks. See liigitus põhineb erinevatel omadustel, nagu valguse hajutamine, röntgenkiirguse neeldumine, elektrivoolu või soojuse transport. Nanotehnoloogial on multidistsiplinaarne iseloom, mis mõjutab mitmeid traditsioonilisi tehnoloogiaid ja erinevaid teadusharusid. Võimalik on valmistada uusi materjale, mida saab skaleerida isegi aatomi suuruses.
Faktid
- Üks nanomeeter (nm) on 10-9 või 0,000,000,001 meetrit.
- Kui kaks süsinikuaatomit ühinevad molekuli moodustamiseks, on nende vaheline kaugus vahemikus 0,12-0,15 nm.
- DNA kaksikspiraal on umbes 2 nm pikkune ühelt küljelt teisele. See areneb uueks DNA nanotehnoloogia valdkonnaks. Tulevikus saab DNA-d manipuleerida, mis võib viia uue revolutsioonini. Inimese genoomi saab manipuleerida vastavalt nõuetele.
- Nanomeetrit ja meetrit võib mõista kui sama suurust erinevust golfpalli ja Maa vahel.
- Üks nanometer on umbes kahekümne viiekümnendik inimjuuste läbimõõdust.
- Küüned kasvavad ühe nanomeetri võrra sekundis.
Nanomaterjali füüsikalised omadused
Nanotasandil muutuvad süsteemi või osakeste füüsikalised omadused oluliselt. Füüsikalised omadused, näiteks kvantmõõtmete efektid, mille puhul elektronid liiguvad väga väikeste osakeste puhul erinevalt. Sellised omadused nagu mehaanilised, elektrilised ja optilised muutuvad, kui makroskoopiline süsteem muutub mikroskoopiliseks, mis on äärmiselt oluline.
Nanomaterjalid ja -osakeste toimimine katalüsaatorina võib suurendada reaktsioonikiirust ja anda parema saagise võrreldes teiste katalüsaatoritega. Mõned kõige huvitavamad omadused, kui osakesed muutuvad nanomõõtmeliseks, on järgmised: ained, mis tavaliselt peatavad valgust, muutuvad läbipaistvaks (vask); mõningaid materjale on võimalik põletada (alumiinium); tahked ained muutuvad toatemperatuuril vedelaks (kuld); isolaatorid muutuvad juhtideks (räni). Selline materjal nagu kuld, mis tavalises mastaabis ei reageeri teiste kemikaalidega, võib olla võimas keemiline katalüsaator nanoskaalal. Need eriomadused, mida me näeme ainult nanotasandil, on üks huvitavamaid asju nanotehnoloogia juures.
Küsimused ja vastused
K: Mis on nanotehnoloogia?
V: Nanotehnoloogia on teaduse ja tehnoloogia osa, mis käsitleb aine kontrollimist aatomi- ja molekulaarsel skaalal, mis hõlmab selliste väikeste osade abil valmistatud tooteid, nagu elektroonikaseadmed, katalüsaatorid, andurid jne.
K: Kui väikesed on nanomeetrid?
V: Nanomeetrid on uskumatult väikesed - ühes tollile on rohkem nanomeetreid kui 400 miilile tolli. Et anda rahvusvaheline ettekujutus sellest, kui väike see on, on ühes sentimeetris sama palju nanomeetreid kui 100 kilomeetris on sentimeetreid.
K: Millist tööd teevad inimesed nanotehnoloogia valdkonnas?
V: Nanotehnoloogia valdkonnas töötavad inimesed tegelevad nanoosakeste (nanomõõtmetega osakesed) valmistamisega, millel on erilised omadused, näiteks valguse hajutamine või röntgenikiirguse neeldumine. Samuti püüavad nad teha suuremate masinate väikseid koopiaid või tõeliselt uusi ideid iseennast valmistavate struktuuride jaoks. Uusi materjale saab valmistada nanosuuruses struktuuridega ja isegi üksikute aatomitega on võimalik töötada.
K: Millised on nanotehnoloogia võimalikud rakendused?
V: Nanotehnoloogial on potentsiaalseid rakendusi paljudes erinevates valdkondades, sealhulgas meditsiinis, arvutites ja puhta elektrienergia tootmises (nanoelektromehaanilised süsteemid). Samuti võib see aidata kavandada järgmise põlvkonna päikesepaneele ja tõhusat madala energiakuluga valgustust.
K: Kas nanotehnoloogia kasutamisega kaasnevad riskid?
V: Nanotehnoloogia kasutamisega võivad kaasneda teadmata probleemid, näiteks kui kasutatavad materjalid on kahjulikud inimeste tervisele või loodusele. Neil võib olla halb mõju majandusele või isegi suurtele looduslikele süsteemidele, nagu Maa ise, mistõttu mõned rühmad väidavad, et selle kasutamise suhtes tuleks kehtestada eeskirjad.
K: Millised teadlased uurivad nanotehnoloogiat?
V: Nanotehnoloogiat uurivad teadlased on pärit paljudelt erinevatelt erialadelt, sealhulgas rakendusfüüsika, materjaliteadus, liidese- ja kolloiditeadus, seadmete füüsika, keemia, supramolekulaarne keemia, isekopeeruvad masinad ja robootika, keemiatehnika, masinaehitus, bioloogia, biotehnika, elektrotehnika jne.
Otsige