Nanotechnologie
Nanotechnologie je část vědy a techniky, která se zabývá řízením hmoty v atomovém a molekulárním měřítku - to znamená věcí o velikosti přibližně 100 nanometrů.
Nanotechnologie zahrnuje výrobu produktů, které využívají takto malé součástky, jako jsou elektronická zařízení, katalyzátory, senzory atd. Pro představu, jak malé to je, v jednom palci je více nanometrů než ve 400 mílích.
Pro mezinárodní představu, jak je to málo, je v jednom centimetru tolik nanometrů, kolik je centimetrů ve 100 kilometrech.
Nanotechnologie spojují vědce a inženýry z mnoha různých oborů, jako je aplikovaná fyzika, materiálová věda, věda o rozhraních a koloidech, fyzika zařízení, chemie, supramolekulární chemie (což je oblast chemie, která se zaměřuje na nekovalentní vazebné interakce molekul), samoreplikující se stroje a robotika, chemické inženýrství, strojírenství, biologie, biologické inženýrství a elektrotechnika.
Když se mluví o nanotechnologiích, mají se na mysli struktury o velikosti 100 nanometrů nebo menší. V jednom milimetru je milion nanometrů. Nanotechnologie se snaží vytvářet materiály nebo stroje této velikosti.
V oblasti nanotechnologií se lidé věnují mnoha různým typům práce. Většina současných prací se zabývá výrobou nanočástic (částic o velikosti nanometrů), které mají zvláštní vlastnosti, například způsob, jakým rozptylují světlo, pohlcují rentgenové záření, přenášejí elektrický proud nebo teplo atd. Na více "sci-fi" konci oboru jsou pokusy o výrobu malých kopií větších strojů nebo skutečně nové nápady na struktury, které se vyrábějí samy. Nové materiály jsou možné díky strukturám o velikosti nano. Dokonce je možné pracovat s jednotlivými atomy.
V poslední době se hodně diskutuje o budoucnosti nanotechnologií a jejich nebezpečí. Nanotechnologie může být schopna vynalézt nové materiály a nástroje, které by byly velmi užitečné, například v medicíně, počítačích a při výrobě čisté elektřiny (nanoelektromechanické systémy), pomáhá navrhnout novou generaci solárních panelů a účinné osvětlení s nízkou spotřebou energie). Na druhou stranu je nanotechnologie nová a mohou se vyskytnout neznámé problémy. Například pokud budou materiály škodlivé pro zdraví lidí nebo pro přírodu. Mohou mít špatný vliv na ekonomiku nebo dokonce na velké přírodní systémy, jako je samotná Země. Některé skupiny tvrdí, že by měla existovat pravidla pro používání nanotechnologií.
Typické geometrie nanostruktur.
Počátek nanotechnologie
Myšlenky nanotechnologie byly poprvé použity v přednášce "There's Plenty of Room at the Bottom", kterou přednesl vědec Richard Feynman na zasedání Americké fyzikální společnosti na Caltechu 29. prosince 1959. Feynman popisoval způsob, jak přesouvat jednotlivé atomy, aby bylo možné sestavit menší přístroje a pracovat v tomto měřítku. Vlastnosti jako povrchové napětí a Van der Wallova síla by se staly velmi důležitými.
Feynmanův jednoduchý nápad se zdál být možný. Slovo "nanotechnologie" vysvětlil profesor Tokijské vědecké univerzity Norio Taniguči v článku z roku 1974. Řekl, že nanotechnologie je práce, která mění materiály o jeden atom nebo o jednu molekulu. V 80. letech 20. století se touto myšlenkou zabýval Dr. K. Eric Drexler, který hovořil a psal o významu nanorozměrů . "Motory stvoření: (1986) je považována za knihu o nanotechnologiích. Nanotechnologie a nanověda začaly dvěma klíčovými událostmi: počátkem klastrové vědy a vynálezem skenovacího tunelového mikroskopu (STM). Brzy poté byly objeveny nové molekuly s uhlíkem - nejprve fullereny v roce 1986 a o několik let později uhlíkové nanotrubičky. V dalším vývoji se studovalo, jak vyrobit polovodičové nanokrystaly. Mnohé nanočástice oxidů kovů se nyní používají jako kvantové tečky (nanočástice, u nichž začíná být důležité chování jednotlivých elektronů). V roce 2000 začala Národní nanotechnologická iniciativa Spojených států rozvíjet vědu v této oblasti.
Klasifikace nanomateriálů
V nanotechnologiích se nanomateriály dělí na jednorozměrné, dvourozměrné a třírozměrné nanočástice. Tato klasifikace je založena na různých vlastnostech, jako je rozptyl světla, absorpce rentgenového záření, přenos elektrického proudu nebo tepla. Nanotechnologie má multidisciplinární charakter, který ovlivňuje více tradičních technologií a různých vědních oborů. Lze vyrábět nové materiály, které lze škálovat i na atomární velikost.
Fakta
- Jeden nanometr (nm) je 10-9 neboli 0,000 000 001 metru.
- Když se dva atomy uhlíku spojí do molekuly, vzdálenost mezi nimi je v rozmezí 0,12-0,15 nm.
- Dvojitá šroubovice DNA má od jedné strany k druhé asi 2 nm. Rozvíjí se tak nový obor DNA nanotechnologie. V budoucnu bude možné s DNA manipulovat, což může vést k nové revoluci. S lidským genomem lze manipulovat podle požadavků.
- Nanometr a metr lze chápat jako stejný rozdíl ve velikosti jako mezi golfovým míčkem a Zemí.
- Jeden nanometr je přibližně pětadvacetitisícina průměru lidského vlasu.
- Nehty rostou o jeden nanometr za sekundu.
Fyzikální vlastnosti nanomateriálu
V nano měřítku se fyzikální vlastnosti systému nebo částic podstatně mění. Fyzikální vlastnosti, jako je kvantový efekt velikosti, kdy se elektrony pohybují jinak pro velmi malé velikosti částic. Při změně makroskopického systému na mikroskopický se mění vlastnosti, jako jsou mechanické, elektrické a optické, což je nesmírně důležité.
Nano materiály a částice mohou působit jako katalyzátor, který zvyšuje rychlost reakce a zároveň poskytuje lepší výtěžek ve srovnání s jinými katalyzátory. Některé z nejzajímavějších vlastností, když se částice přemění na nanoměřítko, jsou tyto: látky, které obvykle zastavují světlo, se stanou průhlednými (měď); některé materiály je možné spalovat (hliník); pevné látky se při pokojové teplotě mění na kapaliny (zlato); izolanty se stávají vodiči (křemík). Materiál, jako je zlato, který v běžném měřítku nereaguje s jinými chemickými látkami, může být v nanoměřítku silným chemickým katalyzátorem. Tyto zvláštní vlastnosti, které můžeme pozorovat pouze v nanoměřítku, jsou jednou z nejzajímavějších věcí na nanotechnologiích.
Otázky a odpovědi
Otázka: Co je to nanotechnologie?
Odpověď: Nanotechnologie je část vědy a techniky o řízení hmoty v atomárním a molekulárním měřítku, která zahrnuje výrobu výrobků využívajících takto malé součástky, jako jsou elektronická zařízení, katalyzátory, senzory atd.
Otázka: Jak malé jsou nanometry?
Odpověď: Nanometry jsou neuvěřitelně malé - v jednom palci je více nanometrů než ve 400 mílích. Pro mezinárodní představu, jak je to málo, je v centimetru tolik nanometrů, kolik je centimetrů ve 100 kilometrech.
Otázka: Jaké druhy práce dělají lidé v oblasti nanotechnologií?
Odpověď: Lidé pracující v oblasti nanotechnologií se zabývají výrobou nanočástic (částic o velikosti nanometrů), které mají zvláštní vlastnosti, jako je rozptyl světla nebo pohlcování rentgenového záření. Pokoušejí se také vyrobit malé kopie větších strojů nebo skutečně nové nápady na struktury, které se vytvářejí samy. Pomocí struktur o velikosti nano lze vyrábět nové materiály a je možné pracovat i s jednotlivými atomy.
Otázka: Jaké jsou potenciální možnosti využití nanotechnologií?
Odpověď: Nanotechnologie má potenciální využití v mnoha různých oblastech včetně medicíny, počítačů a výroby čisté elektřiny (nanoelektromechanické systémy). Mohla by také pomoci navrhnout novou generaci solárních panelů a účinné osvětlení s nízkou spotřebou energie.
Otázka: Existují nějaká rizika spojená s používáním nanotechnologií?
Odpověď: S používáním nanotechnologií by mohly být spojeny neznámé problémy, například kdyby použité materiály škodily zdraví lidí nebo přírodě. Mohou mít špatný vliv na ekonomiku nebo dokonce na velké přírodní systémy, jako je samotná Země, takže některé skupiny tvrdí, že by měla být zavedena pravidla týkající se jejich používání.
Otázka: Jaký typ vědců se zabývá nanotechnologiemi?
Odpověď: Vědci studující nanotechnologie pocházejí z mnoha různých oborů, včetně aplikované fyziky, materiálové vědy, vědy o rozhraních a koloidech, fyziky zařízení, chemie, supramolekulární chemie, samoreplikujících se strojů a robotiky, chemického inženýrství, strojního inženýrství, biologie, biologického inženýrství, elektrotechniky atd.
