Nanotehnoloogia

Nanotehnoloogia on teaduse ja tehnoloogia osa, mis käsitleb aine kontrollimist aatomi ja molekuli tasandil - see tähendab asju, mille läbimõõt on umbes 100 nanomeetrit.

Nanotehnoloogia hõlmab toodete valmistamist, milles kasutatakse nii väikeseid osi, näiteks elektroonikaseadmeid, katalüsaatoreid, andureid jne. Et anda teile ettekujutus sellest, kui väike see on, on ühes tollis rohkem nanomeetreid kui 400 miilis on tolli.

Et anda rahvusvaheline ettekujutus sellest, kui väike see on, on ühes sentimeetris sama palju nanomeetreid kui 100 kilomeetris on sentimeetreid.

Nanotehnoloogia ühendab teadlasi ja insenere paljudest erinevatest valdkondadest, nagu rakendusfüüsika, materjaliteadus, liidese- ja kolloiditeadus, seadmete füüsika, keemia, supramolekulaarne keemia (mis viitab keemia valdkonnale, mis keskendub molekulide mittekovalentsetele sidemetele), isekopeeruvad masinad ja robootika, keemiatehnika, masinaehitus, bioloogia, biotehnika ja elektrotehnika.

Kui räägitakse nanotehnoloogiast, siis peetakse üldiselt silmas struktuure, mille suurus on 100 nanomeetrit või väiksem. Ühes millimeetris on miljon nanomeetrit. Nanotehnoloogias püütakse teha sellise suurusega materjale või masinaid.

Nanotehnoloogia valdkonnas tehakse palju erinevaid töid. Enamik praegustest töödest tegeleb nanoosakeste (nanomõõtmetega osakesed) valmistamisega, millel on erilised omadused, näiteks viis, kuidas nad hajutavad valgust, neelavad röntgenkiirgust, kannavad elektrivoolu või soojust jne. Valdkonna "ulme" otsas on katsed teha suuremate masinate väikeseid koopiaid või tõesti uusi ideid iseennast valmistavate struktuuride jaoks. Uued materjalid on võimalikud nanosuuruses struktuuride abil. Võimalik on isegi töötada üksikute aatomitega.

Nanotehnoloogia tuleviku ja selle ohtude üle on palju arutletud. Nanotehnoloogia võib olla võimeline leiutama uusi materjale ja vahendeid, mis oleksid väga kasulikud, näiteks meditsiinis, arvutites ja puhta elektri valmistamisel (nanoelektromehaanilised süsteemid) aitab kavandada järgmise põlvkonna päikesepaneele ja tõhusat madala energiakuluga valgustust). Teisest küljest on nanotehnoloogia uus ja sellega võivad kaasneda tundmatud probleemid. Näiteks kui materjalid on kahjulikud inimeste tervisele või loodusele. Neil võib olla halb mõju majandusele või isegi suurtele looduslikele süsteemidele, nagu Maa ise. Mõned rühmad väidavad, et nanotehnoloogia kasutamise kohta peaksid olema eeskirjad.

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.