Eduscience

Eduscience

Nanotechnologia obejmuje projektowanie, tworzenie oraz użytkowanie materiałów, które mają co najmniej jeden wymiar mierzony w nanometrach. W jakim celu produkuje się takie materiały?

Nanotechnologia pozwala zrozumieć i kontrolować materiały oraz urządzenia, których  co najmniej jeden wymiar nie przekracza 100 nm. Celem tworzenia nanomateriałów jest otrzymanie nowych bądź ulepszonych własności fizycznych, chemicznych i biologicznych znanych już materiałów. W rzeczywistości powstają nowe, lepsze produkty. W związku z tym nanotechnologia jest dziedziną, która bardzo szybko się rozwija, a jej ogromny potencjał wpływa na rozwój wielu dziedzin nauki – od produkcji półprzewodników i biotechnologii zaczynając, a na energii, transporcie, czy rolnictwie kończąc. Wpływ nanomateriałów jest wyraźnie widoczny w produkcji materiałów skierowanych bezpośrednio do konsumentów. Nanomateriały aktualnie używane są do wyrobu kosmetyków, odzieżowy, czy produkcji sprzętu sportowego. Już w 1959 roku Richard Feynman jako pierwszy wprowadził termin nanotechnologia, mikroskopijne urządzenia nazywał nanorobotami lub nanobotami. Sądził, że rozwój tej nauki pozwoli manewrować pojedynczym atomem, a w konsekwencji będzie syntetyzować prawie wszystko. W latach 90. XX wieku firma IBM wykorzystała skaningowy mikroskop tunelowy (SMT) do kontroli ułożenia 35 atomów ksenonu tak, by utworzyły one logo IBM.

Dzięki temu doświadczeniu inni naukowcy zdali sobie sprawę, że możliwe stało się tworzenie nowych struktur na poziomie atomowym.

Obecnie termin nanotechnologia obejmuje projektowanie, tworzenie oraz użytkowanie materiałów, które mają co najmniej jeden wymiar mierzony w nanometrach. Produkcja takich materiałów ma spowodować zmianę ich właściwości (biologicznych, chemicznych, fizycznych) na pożądane, co jest możliwe dzięki temu, że jeden z wymiarów mieści się w przedziałach: typowym dla pojedynczych atomów (10(-9) m), jak i charakteryzującym ciała stałe (10(-7) m – odległości atomów w ciałach stałych). Naturalna klasyfikacja nanocząstek odbywa się na podstawie liczby wymiarów podawanych w nanoskali (jeden, dwa lub trzy wymiary) – Tab.1. Nanocząstki mogą mieć losowe rozmieszczenie budujących je atomów czy molekuł lub być uporządkowane analogicznie do ich makrostruktur.


Tab. 1. Przykłady układów o zmniejszonej wymiarowości

 

Do wytworzenia nanostruktur wykorzystuje się syntezę mechaniczną, chemiczną lub biologiczną. Syntezę można przeprowadzić, stosując tzw. podejście bottom-up, czyli z wykorzystaniem samoorganizacji atomów i cząstek lub podejście top-down, czyli miniaturyzując większe struktury (Rys. 1).


Rys. 1. Schematyczne przedstawienie metod top-down i bottom-up

 

Nanotechnologia stwarza ogromne możliwości, ale także nowe wyzwania i zagrożenia, co niesie za sobą potrzebę zmian przepisów i metod kontrolowania coraz drobniejszych substancji zanieczyszczających, które pojawiają się w miejscach pracy oraz w środowisku naturalnym. Właściwości, dla których nowe materiały są zaprojektowane w nanoskali mogą generować nowe ryzyko do pracowników, konsumentów, a nawet całego społeczeństwa i środowiska naturalnego. Niektóre negatywne właściwości zostały zaobserwowane podczas doświadczeń z chemikaliami syntetycznymi, ale wiele z nich pozostało jeszcze nieodkrytych. Niedostateczna ilość informacji dotycząca ryzyka związanego z nowymi nanomateriałami stwarza nowe możliwości nauce.


Tekst i rysunek: K. Wójciuk

Fotografia: Mikroskopowe powiększenie nanostruktury, wykorzystywanej do paneli słonecznych. Fot.  ZEISS Microscopy, źródło: www.flickr.com


Więcej o nanotechnologii na Portalu EDUSCIENCE można znaleźć w następujących atrykułach:

Grafenowa gąbka do oczyszczania wody

Nanorurkowe włókno z... długopisu





Co ma tundra do dwutlenku węgla?

Tundra to przykład biomu, czyli obszaru o określonym świecie roślinnym i zwierzęcym w danej strefie klimatycznej. Występuje głównie na półkuli północnej na obszarze Arktyki i pokrywa ok. 20% powierzchni Ziemi.

Czytaj więcej