Sveučilište u Splitu Pomorski fakultet Split
Jure Bašić Nanotehnologija Seminarski rad
Split, 2011.
Sveučilište u Splitu Pomorski fakultet Split
Jure Bašić Nanotehnologija Seminarski rad
Kolegij: Procesna mjerenja i instrumentacija Mentor: prof. mr. sc. Ivica Kuzmanić Student: Jure Bašić Broj indeksa: 9102002
Split, 2011.
ADRŽAJ ADRŽAJ........................................................................................................................3 Sadržaj..........................................................................................................................19 Pregled [uredi]..............................................................................................................19 Temeljni koncepti, poređenje [uredi]...........................................................................19 Pojmovi u nanotehnologiji [uredi].......................................................................19 Uvod u historiju nanotehnologije [uredi].....................................................................20 Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji [uredi]..................................................20 Trenutna istraživanja [uredi]........................................................................................21 Molekularna nanotehnologija: dugoročno gledište [uredi]..........................................22 Vanjski linkovi [uredi].................................................................................................22 3.2. Tranzistorsko-tranzistorska logika..................................................................13 4. Poluzbrajalo...........................................................................................................17 5. Potpuno zbrajalo...................................................................................................18 6. Potpuno i poluzbrajalo u napravljenom sklopu.................................................20 6.1. Logički sklop-ILI.................................................................................................22 6.2. Logički sklop-I.....................................................................................................22 6.3. Logički sklop-NE................................................................................................23 7. Literatura................................................................................................................25
UVOD
Riječ nanotehnologija upotrebljava se sve češće u raznim značenjima. S jedne strane označava sve što se odigrava na nanoljestvici veličina u slijedu opće minijaturizacije makroskopskih objekata k sve manjima i manjima, a s druge strane podrazumijeva striktno stvaranje strojeva, naprava, i to atom po atom odnosno molekula po molekula. Da se naznači taj drugi smisao, često se kaže molekularna nanotehnologija. Nova i razlikovna svojstva i funkcije primjećuju se na kritičnoj skali dužine ispod 100 nanometara. Istraživanje i razvoj nanotehnologije uključuje kontroliranu manipulaciju nanoskopskim strukturama i njihovu
integraciju
u
veće
komponente
materijala,
sisteme
i
arhitekture.
Mogućnost djelovanja - mjerenja, uvida, predviđanja i stvaranja - na skali atoma i molekula te iskorištavanje novih svojstava na toj skali može se reći da je nanotehnologija polje primijenjene znanosti bazirane na dizajnu, sintezi i primjeni materijala i uređaja reda veličine jednog nanometra. Nanotehnologija se bavi materijalima i procesima veličine milijarditog dijela metra, na kojoj i poznati materijali mogu iskazivati potpuno drukčija ponašanja nego na makroskopskoj razini. Eksploatacija svojstava na nano-razini, kao što su iznimna čvrstoća, katalizatorska svojstva, reakcija na svjetlo, električna vodljivost i dr. ima potencijalnu primjenu u svim područjima života od medicinske do vojne, od proizvodnje do podjele resursa. Iako toga još nismo svjesni, već danas na tržištu postoje proizvodi koji koriste nanotehnološke komponente, poput pasti za zube koje smanjuju osjetljivost zubi, raznih krema za sunčanje i drugih kozmetičkih proizvoda te neke boje i lakovi. General Motors uvodi kompozite od nanomaterijala u visokoprodavani automobil Impalu, GE proizvodi svjetleći materijal debljine papira, Bayer proučava primjenu nanotehnologije za široko područje od poboljšanje pakiranja hrane pa sve do dijagnostičkih svrha u medicini. To znači da se nanotehgnologija u širokom smislu pojma primjenjuje u svim ljudskim djelatnostima. Znanosti je maštu po prvi puta zagolicao James Clerk Maxwell sa svojim eksperimentom, kasnije nazvanim „Mexwellov demon“, prije nekih 150 godina, u kojem je zamislio uređaj na atomskoj razini. O tom eksperimentu Albert Einstein je rekao da je to izazov konceptu stvarnosti, a mnogi suvremeni znanstvenici vjeruju kako će napredak nano tehnologije označiti novu industrijsku revoluciju, jer će ta tehnologija prodrijeti u apsolutno sve segmente industrije i društva te značajno izmijeniti način na koji živimo i razmišljamo.
U nano tehnologiju se u svijetu ulažu milijarde dolara, a u tome vodi SAD. Od nano tehnologije se najviše očekuje u segmentu medicine, gdje bi „nano roboti“, primjerice, uništavali stanice raka, dok bi zdrave stanice ostale neoštećene. U elektronici nano tehnologija već omogućuje stvaranje iznimno malenih i efikasnih uređaja, a trebala bi unaprijediti i sustave za proizvodnju energije, poput solarnih ploča koje su već komercijalizirane, čiji su paneli efikasniji, lakši i otporniji na oštećenja. Ugrubo, nanotehnologija se dijeli u četiri osnovne grupe, počevši od jednostavnih pasivnih nanostruktura, do molekularnih nanosistema, koji su još uvijek u fazi istraživanja i možemo ih očekivati u budućnosti. Proizvodi namijenjeni zaštiti raznih površina, metali, polimeri i keramika pojačana nano strukturama pripadaju pasivnim nano strukturama, znači riječ je o materijalima koji su namijenjeni obavljanju samo jednog zadatka. Zahvaljujući sve intenzivnijem razvoju, danas svatko može svoj život pojednostaviti korištenjem jednostavnih proizvoda baziranih na nanotehnologiji, koji prije svega omogućuju uštedu novca i slobodnog vremena.
1. POVIJEST NANOTEHNOLOGIJE
Evolucija shvaćanja strukture materije traje od oko 400. godine prije Krista i pojave atomizma, a dvadesetih godina ovog stoljeća postalo jasno da smo mi sami i sve oko nas sazdani od svega 92 različita atoma. Kroz sve to vrijeme, a i dandanas, ljudi stvaraju svoje alate i pomagala za život "grubom" obradom različitih sirovina - rezanjem, bušenjem, poliranjem,varenjem,tokarenjem... Naravno, to je pravi način za pravljenje npr. rovokopača, ali ima niz uređaja koji su puno manji i dapače trebaju biti minijaturni. Tu se razvijaju skupe tehnologije koje se svojom logikom ne razlikuju puno od gore navedenih primarnih postupaka, jer kreće se uvijek od velikog
prema
manjem.
No, zašto tako? Kad je sve na koncu sastavljeno od atoma i molekula, je li moguće naprosto uzeti odgovarajuće atome i molekule i složiti što nam treba? Npr. sve što je potrebno za dijamante nalazi se u ugljenu, samo atome treba "malo" presložiti! Potreban je samo asembler - slagač koji će to znati napraviti. Prije dvadesetak godina K. Eric Drexler, sada pri Sveučilištu u Stanfordu, potaknuo je razvoj molekularne nanotehnologije koja se temelji na konceptu kontrole pozicioniranja atoma i ostvarenja samoumnožavanja molekularnih strojeva. Cilj je stvaranja bilo koje željene strukture u skladu sa zakonima fizike i kemije postavljanjem svakog pojedinačnog atoma na odgovarajuće mjesto a da pri tom sve bude i ekonomično. Stvaranje nanostrojeva još je daleko, no puno toga ukazuje na to da su tako sićušni strojevi mogući. Ako se ostvare, mogli bi jednog dana imati superkompjutere džepne veličine ili u medicini sićušne molekularne mehanizme koji bi mogli popravljati bolesne stanice (vidi K. Eric Drexler i dr. "Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution" - kompletna knjiga od nedavno
na
internetu).
U travnju 1997. formirana je u Texasu prva kompanija ( Zyvex) kojoj je isključivi cilj razvoj uređaja koji će omogućiti gradnju pojedinačnim atomima (asembleri). Korijeni tih futurističkih
stremljenja
nalaze
se
u
postignućima
"konvencionalne"
znanosti.
Richard P. Feynman u svojem predavanju 29. prosinca1959. na godišnjem sastanku Američkog fizikalnog društva raspravlja o osnovnim problemima manipuliranja i kontrole na maloj skali veličina primjerom zapisivanja i čitanja podataka na što manjim površinama. On već tada ne vidi zapreke da se npr. britanska enciklopedija cijela zapiše na površini glave
pribadače. Mnogi istaknuti znanstvenici smatraju da je nanotehnologija (u širem smislu) pravi odgovor na ključne probleme današnjice koji ujedno određuju budućnost čovječanstva. Tako prof. Richard Smalley sa Sveučilišta Rice, dobitnik Nobelove nagrade za kemiju 1996. godine ( otkriće molekule C60), u svom obraćanju financijerima smatra da se posljedice populacijskog buma (npr. energetska i ekološka kriza) mogu razriješiti prvenstveno razvojem nanotehnologije
(npr.
solarne
nanotehnologije).
U međuvremenu, dok skeptici molekularnu nanotehnologiju još doživljavaju kao znanstvenu fantastiku, nanotehnologija se u širem smislu te riječi kreće malim koracima, ali nezaustavljivo. Razvoj skenirajućih mikroskopa STM-a, AFM-a (*) omogućuje ne samo promatranje pojedinačnih atoma na površinama, nego i manipulaciju ili npr. praćenje kretanja pojedinih atoma. Pogledajte kako izgledaju nanoosovine dobivene kompjuterskom simulacijom
ili
ugljikov
nanocijevni
tranzistor.
Postupci kao nanofokusiranje postaju stvarnost . Minijaturizacija poluvodičkih lasera već je blizu postizavanja uvjeta za rad bez energetskog praga čime će se ostvariti ultrabrzi uređaji (Nanolasers, Scientific American, March 1998. 40-45). Razvoj atomske litografije, zapisivanje periodičnih struktura pomoću atomskih snopova, omogućit će stvaranje dvodimenzionalnih
periodičnih
uzoraka
rezolucije
manje
od
100
nm.
Niz je institucija koje se sve više uključuju u utrku, tako Scientific American redovito prati trendove u nanotehnologiji. Financira se sve više projekata , npr. Svjetski centar za procjenu tehnologija proučava stanje u Americi i u svijetu financira istraživanje i razvoj nano čestica, nanostrukturnih materijala i nanouređaja.
LASER Minijaturizacija poluvodičkih lasera već je blizu postizavanja uvjeta za rad bez energetskog praga
Primjena u Medicini Američki znanstvenici sa Sveučilišta u Stanfordu uz pomoć nanotehnologije razvili su novi tretman protiv raka koji ne oštećuje zdravo tkivo. Tretman se sastoji od umetanja sintetičkih nano cjevčica u stanice raka i njihovog zagrijavanja uz pomoć lasera. Te nanocjevčice imaju polovinu promjera molekule DNK te ih u prosječnu stanicu može stati nekoliko tisuća. Nakon što se cjevčice proizvedene od ugljika izlože laserskom svjetlu bliskom infracrvenom dijelu spektra u roku od 2 minute, dolazi do njihova zagrijavanja na 70 °C i smrti stanica u kojima se nalaze. Znanstvenici dodaju da je pričvršćivanjem antitijela za nanocjevčice moguće precizno naciljati točno određeni tip stanica raka. Standardna kemoterapija uzrokuje smrt i stanica tumora i zdravih stanica. Nano čestice u liječenju raka pluća Kanadski znanstvenici sa Sveučilišta Alberta razvili su nanočestice koje su u laboratorijskim uvjetima uspješno uništavale stanice raka pluća. Iako tek predstoje istraživanja na životinjama, čestice bi se u ljudski organizam mogle uvesti uz pomoć inhalatora sličnog onom kakav koriste astmatičari. Za rak pluća je karakterističan nekontrolirani rast abnormalnih stanica u jednom ili oba plućna krila. Inhaliranje nano čestica moglo bi funkcionirati bolje od tradicionalnih načina liječenja zbog toga što te čestice napadaju samo stanice raka i ne utječu na zdravo tkivo. Slično lijekovima koje koriste astmatičari novi lijek je u obliku praha, no za razliku od njih, on se razlaže u nanočestice kad dođe do kontakta. Znanstvenici očekuju da bi se ovaj način primjene lijekova mogao primijeniti i u liječenju drugih bolesti. Autoindustrija Nanotehnologija sprječava ogrebotine novom tehnologijom nanoboja, koje sadrže anorganske
silikonske čestice povezane organskim polimerom. Znatno se povećava površinska tvrdoća boje i omogućuje veće individualiziranje automobila. Za razliku od obične boje, koja se sastoji od organskih molekula s dugačkim lancima ugljika, nanoboja sadrži anorganske čestice povezane organskim polimerom. Te je anorganske čestice nanotehnologijom moguće tako gusto povezati da površina laka postaje vrlo tvrda i otporna na ogrebotine. Jasno, to se ne odnosni na situacije kad netko namjerno želi zagrepsti boju, no i tada je brazdanje boje vrlo otežano. Nanoboje su i višestruko otpornije na koroziju od klasičnih boja. One na površini formiraju mrežu ćelija čija pigmentacija ovisi o naponu koji vlada u sustavu te se lako može mijenjati nijansa boje. Nova će boja biti znatno otpornija na prljanje za što postoji logično objašnjenje – površina klasičnog laka je, kako god izgledala glatko, vrlo hrapava. Na te neravnine hvata se nečistoća, a to je kod nanotehnologije nekoliko puta manje.
SIĆUŠNI ROBOT Nanobot je imaginarni stroj (robot) na skali dizajniran da obavlja specifične poslove
Elektronika Najmanja je širina žica u elektronskim uređajima iz masovne proizvodnje otprilike 50 nm, odnosno oko 500 atoma u promjeru. Najtanja moguća žica bila bi široka samo jedan atom. Takve je žice danas moguće proizvesti, iako ne za neki upotrebljivi elektronski uređaj, no spoznaje o njihovim svojstvima korisne su za njihovo planiranje. Paul Snijders i Sven Rogge sa Kavli Institute of Nanoscience pri nizozemskom Tehničkom sveučilištu Delft i Hanno Weitering sa Sveučilišta u Tennesseeju uspjeli su izraditi najmanju zlatnu ogrlicu na svijetu isparavajući dašak zlatnih atoma na slikionsku podlogu iz koje su prethodno uklonjene nečistoće pečenjem na 1200 Kelvina. Kristalna je struktura izrezana tako da čini stepenaste nabore. Prepušteni sami sebi atomi su se sami posložili u žice po 150 atoma poravnate naborima duljine. Nano sastavljanje
Nano sastavljanje ili pristup „odozdo prema gore“, slično molekularnom inženjeringu, sinteza je nano strukturiranog materijala sastavljanjem njegovih prethodno pripremljenih nanometarskih granevnih elemenata (nanometarske čestice ili čak i atomi i molekule). Mnogo se tehnologija za nano sastavljanje istražuje. Na primjer, nanoskopske čestice mogu se stvoriti u plinskoj fazi (isparavanjem materijala i okupljanjem atoma i molekula u plinskoj fazi u nakupine), a onda „sastaviti“ procesom kondenzacije/nukleacije, koristeći mogući drugi materijal (surfaktant) zbog sprječavanja spajanja (aglomeracije) nanometarskih nakupina. Pažljivo nadgledanje termodinamičkih parametara tijekom ovakvog procesa može rezultirati nanostrukturiranim materijalima različitih svojstava. Neki futuristi (Drexler) predlažu nanoskopsku česticu ili drugog nanorobota slažući molekulu po molekulu. Ovo je naravno samo spekulativna fikcija s obzirom na trenutačno stanje znanosti i tehnologije. Također je upitno dozvoljava li znanost koju poznajemo takve nanostrojeve (Maxwellove demone). Ipak, djelovanje mikroskopa atomske sile u slaganju umjetnih struktura, kao što su atomski korali, možemo smatrati primitivnim primjerom ovakve fikcije.
INŽENJERING Nano sastavljanje ili pristup „odozdo prema gore“, slično molekularnom inženjeringu
Odozgo prema dolje Odozgo prema dolje (top-down approach) sinteza je nanostrukturiranog materijala ili nanoskopske čestice, nanokristala iz makroskopskog komada nestrukturiranog materijala. Uobičajene tehnike koje se koriste u ovu svrhu su litografija, nagrizanje materijala (etching), mehaničko drobljenje materijala, inženjering uz pomoć mikroskopa atomske sile (koji se
može koristiti tako da 'grebe' površinu proizvodeći nanoskopske kanale i druge strukture). Nanokristal Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetaka tisuća atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu. Kako kristalni poredak mora završiti na površini nanokristala, površinski atomi imaju manje susjeda od onih blizu centra nanokristala. Oblik nanokristala je takav da minimizira slobodnu energiju ili „površinsku napetost“. Upravo su zbog toga nanokristali kompaktne strukture koje sliče kuglama i što je više moguće dozvoljeno kristalnim poretkom nanokristala i ukupnim brojem atoma u nanokristalu. Zbog velike izložene površine nanokristali mogu biti vrlo kemijski aktivni i nestabilni. Na primjer, za nanokristale srebra poznato je da su vrlo učinkoviti protiv mikroba. Nanokristali su često granevni elementi nanostrukturiranih materijala (pristup „odozdo prema gore“). Pojam je vezan uz nanonakupinu (nanoklaster), često sinonim za nanočesticu. Nanobot Nanobot je imaginarni stroj (robot) na skali od nekoliko do nekoliko desetaka nanometara dizajniran da obavlja specifične poslove. Pojedinci (npr. E. Drexler) zamišljaju nanorobote koji uništavaju stanice raka, „prikupljaju“ određene molekule (npr. slobodne radikale), popravljaju oštećenja na stanici i slično. Prototipni modeli za većinu ovakvih futurističkih koncepata su specijalizirane stanice (npr. fagociti koji uništavaju stranu tvar) i stanični molekularni mehanizmi (npr. samoreplikacija DNA molekula). Kao zanimljivost, „nanosonde“ dio su tehnologije Borga u serijalu Zvjezdane staze ('We are The Borg. Resistance is futile.') Vrlo „popularna“ vrsta nanorobota (pogotovo u SF literaturi) su oni koji imaju mogućnost da se samorepliciraju (replikatori, asembleri...). Skoro da je nepotrebno reći da danas ne znamo niti za jedan stroj koji je stvorio čovjek, nanoskopski ili makroskopski, a koji se može autonomno „samoreplicirati“ (pojedinci ukazuju na robote koji sklapaju robote u tvornicama robota, ali ovo teško možemo nazvati samoreplikacijom). Nano litografija Nano litografija je proces proizvodnje uzoraka na površinama nanometarskom točnošću. Osnovna ideja litografije vrlo je stara. Međutim, kad se atomi ili molekule žele točno pozicionirati na površinama pojavljuju se mnogi problemi od kojih su neki vezani uz kvantnu prirodu atoma. Trenutno postoje mnoge, međusobno različite tehnologije koje se nazivaju litografijama. Na primjer, vrh mikroskopa atomske sile može se koristiti kao „pero“. Vrh se obloži tankim filmom npr. tiolnih molekula (ove molekule čine samo-složene monoslojeve). Pri pokretanju vrha molekule prelaze s vrha prema površini stvarajući nanometarske uzorke na površini. Ova vrsta litografije naziva se dip-pen litografija (prema dip - umočiti i pen - pero). Druga vrsta litografija bazira se na utiskujućim (emboss) tehnikama. Ideja ovih litografija je u stvaranju otiska na površinama koristeći prije pripremljene dijelove nanostrukturiranog materijala (žig) koji se pritisne uz površinu ostavljajući karakterističan uzorak. Ove tehnike
koriste se ponekad u kombinaciji s izlaganjem materijala UV svjetlu koje stabilizira otisak. U tom slučaju tanki polimerni film koristi se kao materijal koji se strukturira. Litografija elektronskim snopom koristi skenirajući elektronski mikroskop za „pisanje“ po površinama. Zbog ozračenja elektronima materijal lokalno mijenja svojstva što se može iskoristiti da se ozračeni materijal selektivno 'jetka' (etch). Litografija X-zrakama funkcionira na sličnom principu, a X-zrake se koriste umjesto elektrona. Vrlo interesantan tip litografije je laserom fokusirana litografija ili interferentna litografija. U ovoj se tehnici uz pomoć lasera iznad površine kreira stajaći svjetlosni val koji preuzima ulogu fotolitografske maske. Atomi se isparavaju iz nekog izvora iznad površine i na svom putu prema površini međudjeluju sa svjetlosnim stajaćim valom koji ih navodi na određena mjesta. Prema tome, svjetlosni val funkcionira poput leće za atome vodeći ih na određene položaje i time stvarajući uzorke na površini. Ova se tehnika može kombinirati i s mehaničkom maskom ispred polja svjetlosne sile koja dodatno usmjerava atome. Za najbolje rezultate, atomski snop koji se „naparava“ na površinu treba bi biti monokromatski (tj. svi atomi morali bi imati istu brzinu, energiju). Ovo predstavlja bitnu tehnološku poteškoću i povećava troškove ove vrste litografije. Uporaba nanolitografije vjerojatno će dominirati u proizvodnji elektroničkih komponenti (čipova) strukturiranih na nanometarskoj skali. Ovo bi mogao biti način da se valjanost Mooreovog zakona produži i u budućnost. Nano ratovanje Nano ratovanje futuristički je koncept ratovanja u kojem se proizvodi nanotehnologije koriste kao toksička ili smrtonosna sredstva. Pojedini vizionari predviđaju uporabu samoreplicirajućih nanorobota dizajniranih da nanesu oštećenja neprijateljskim vojnicima ili da razgrade materijal od kojeg su izgrađena neprijateljska oružja (vidi Siva ljiga). Postoji i mogućnost uporabe nanostrukturiranih materijala u obrambene svrhe. Na primjer, vrlo osjetljivi detektori smrtonosnih kemijskih i bioloških tvari bazirani na nanostrukturiranim materijalima predmet su vrlo aktivnog istraživanja. Takvi detektori mogli bi se koristiti i za zaštitu vojnika. Nano zagađenje Nano zagađenje je zagađenje okoliša proizvodima nanotehnologije. Danas je to uglavnom futuristički koncept posebno s obzirom na količine nanostrukturiranih materijala koji se proizvode, premda postoje studije koje ukazuju na toksičnost nekih od materijala strukturiranih na nanoskali (npr. ugljikovih nanocijevi kad se udahnu, što uopće nije neočekivano). U nekim krugovima postoji zabrinutost da bi nanoskopske čestice mogle biti posebno opasne po ljudsko zdravlje jer je njihova veličina u rasponu tipičnom za biološke strukture (virusi, proteinski kompleksi i slično). Spekulativni koncepti vezani uz nano zagađenje varijante su scenarija Sive ljige (Gray Goo). Nano nakupina
Ikosaedarske i kuboktaedarske nakupine koje sadrže 55,147 i 309. Nano nakupina je nakupina (klaster) atoma ili molekula čije su karakteristične dimenzije nekoliko nanometara. Ovaj pojam se s jedne strane preklapa s pojmom nanokristala, a s druge s pojmom (makro)molekule. Nanokristali su veće strukture od nano nakupina. Izvor: ]www.masmedia.hr Riječ nanotehnologija (*) upotrebljava se sve češće u raznim značenjima, s jedne strane označava sve što se odigrava na nano ljestvici veličina u slijedu opće minijaturizacije makroskopskih objekata ka sve manjima i manjima, a s druge strane podrazumijeva striktno stvaranje strojeva, naprava, atom po atom odnosno molekulu po molekulu. Da se naznači taj drugi smisao često se kaže molekularna nanotehnologija. Evolucija shvaćanja strukture materije traje od oko 400. godine prije Krista i pojave atomizma (*) da bi dvadesetih godina ovog stoljeća postalo jasno da smo mi sami i sve oko nas sazdani od svega 92 različita atoma. Kroz svo to vrijeme, a i dan danas, ljudi stvaraju svoje alate i pomagala za život "grubom" obradom različitih sirovina, rezanjem, bušenjem, poliranjem, varenjem, tokarenjem itd. Naravno, to je pravi način za pravljenje, npr. rovokopača, ali ima niz uređaja koji su puno manji i dapače trebaju biti minijaturni. Tu se razvijaju skupe tehnologije koje se svojom logikom ne razlikuju puno od gore navedenih primarnih postupaka, kreće se uvijek od velikog prema manjem. No, zašto tako? Kad je sve na koncu sastavljeno od atoma i molekula, da li je moguće naprosto uzeti odgovarajuće atome i molekule i složiti što nam treba? Npr. sve što je potrebno za dijamante nalazi se u ugljenu, samo atome treba "malo" presložiti! Potreban je samo asembler - slagač koji će to znati napraviti. Prije dvadesetak godina K. Eric Drexler sada pri Sveučilištu u Stanfordu potaknuo je razvoj molekularne nanotehnologije koja se temelji na konceptu kontrole pozicioniranja atoma i ostvarenja samoumožavanja molekularnih strojeva. Cilj je stvaranje bilo koje željene strukture u skladu s zakonima fizike i kemije postavljanjem svakog pojedinačnog atoma na odgovarajuće mjesto a da pri tom sve bude i ekonomično. Stvaranje nanostrojeva još je daleko, no puno toga ukazuje da su tako sićušni strojevi mogući. Ako se ostvare mogli bi jednog dana imati superkompjutere džepne veličine ili, u medicini, sićušne molekularne mehanizme koji bi mogli popravljati bolesne stanice (vidi K. Eric Drexler i dr. "Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution" - kompletna knjiga od nedavno na internetu). U travnju 1997. formirana je u Texasu prva kompanija ( Zyvex) kojoj je isključivi cilj razvoj uređaja koji će omogućiti gradnju pojedinačnim atomima. (asembleri) Korijeni tih futurističkih stremljenja nalaze se postignućima "konvencionalne" znanosti. Richard P. Feynman u svojem predavanju 29.12.1959. na godišnjem sastanku Američkog fizikalnog društva raspravlja o osnovnim problemima manipuliranja i kontrole na maloj skali veličina na primjeru zapisivanja i čitanja podataka na što manjim površinama. On već tada ne vidi zapreke da se npr. Britanska Enciklopedija cijela zapiše na površinu glave pribadače. Mnogi istaknuti znanstvenici smatraju da je nanotehnologija (u širem smislu) pravi odgovor na ključne probleme današnjice koji ujedno određuju budućnost čovječanstva. Tako prof. Richard Smalley sa Sveučilišta Rice, dobitnik Nobelove nagrade za kemiju 1996. godine ( otkriće molekule C60) u svom obraćanju financijerima smatra da se posljedice populacijskog buma (npr. energetska i ekološka kriza) mogu razriješiti prvenstveno razvojem nanotehnologije (npr. solarne nanotehnologije). U međuvremenu, dok skeptici molekularnu nanotehnologiju još doživljavaju kao znanstvenu fantastiku, nanotehnologija u širem smislu te riječi kreće se malim koracima ali nezaustavljivo. Razvoj skenirajućih mikroskopa STM-a, AFM-a (*) omogućuje ne samo promatranje pojedinačnih atoma na površinama, nego i manipulaciju ili npr. praćenje kretanja pojedinih atoma. Pogledajte kako izgledaju
nanoosovine dobijene kompjuterskom simulacijom ili ugljikov nanocijevni tranzistor . Postupci kao nanofokusiranje postaju stvarnost . Minijaturizacija poluvodičkih lasera već je blizu postizavanja uvjeta za rad bez energetskog praga čime će se ostvariti ultrabrzi uređaji (Nanolasers, Scientific American, March 1998 40-45) Razvoj atomske litografije, zapisivanje periodičnih struktura pomoću atomskih snopova, omogućit će stvaranje dvodimenzionalnih periodičnih uzoraka s rezolucijom manjom od 100 nm. Niz je institucija koje se sve više uključuju u utrku, tako Scientific American redovito prati trendove u nanotehnologiji, financira se sve više projekata , npr. Svjetski centar za procijenu tehnologija proučava stanje u Americi i svijetu Istraživanje i razvoj nanočestica, nanostrukturnih materijala i nanouređaja...
1 Uvod Suvremeni razvoj različitih industrijskih grana u posljednjem je desetljeću donio brojne nove materijale. Oni se upotrebljavaju na različitim područjima, između ostaloga i graditeljskom oblikovanju. Jedna od najnaprednijih skupina materijala, koja će u budućnosti imati velik utjecaj na graditeljsko planiranje, jest skupina pametnih materijala. Pametni materijali imaju specijalne karakteristike – na različite načine spoznaju događaje u okolini, procesiraju te senzorske informacije i na njih reagiraju [9]. Drugim riječima – pametni materijali primaju energiju iz okoliša i na nju reagiraju na dva načina. Jedan je da unesena energija može promijeniti molekularnu strukturu ili mikrostrukturu materijala, čime se mijenjaju i karakteristike materijala (tj. to su materijali koji mijenjaju karakteristike). Drugi je način kad unesena energija promijeni energijsko stanje sastava materijala, a ne mijenja sam materijal, rezultat je pretvorba energije (tj. to su materijali koji pretvaraju energiju) [15]. Pametni materijali razlikuju se od tradicijskih po tome što je njihov odaziv na vanjsku okolinu brz, lako reagiraju na više različitih stanja okoliša, a njihova reakcija na unos vanjske energije unaprijed je određena. Pametni su materijali osnova za pametne proizvode koji predstavljaju veliki izazov za graditelje, što su dosada dokazala brojna graditeljska dostignuća. 2 Sistematizacija pametnih proizvoda Pametne proizvode moguće je, s obzirom na uporabu u graditeljstvu, razvrstati u različite skupine. U nastavku opisujemo nekoliko skupina koje su u primjeni. 2.1 Polimerni premazi Pametna gradiva pojavljuju se u kombinaciji s različitim novodobnim polimerima. Poznati su različiti polimerni premazi i procesi nanosa takvih slojeva na različita gradiva. S prevlakama, bojama i premazima iz pametnih materijala jednostavnom se obradom površine osnovnom materijalu mogu promijeniti optičke karakteristike, toplinska izolacija i čak čvrstoća [11]. Proces tankoslojnih nanosa razvio se nanošenjem više tankih slojeva na osnovni materijal (kemijskim ili fizikalnim procesom). Klasične boje i obloge mnogo su deblje od mikroslojeva. Tankoslojni nanosi, npr. nanosi različitih oksida, pogodni su za različite podloge: staklo, metal, polimerne prevlake itd. Razvoj na području prevlaka teži uvijek tanjim i otpornijim prevlakama koje djeluju na različite načine. Među njima je mnogo kvalitetnih prevlaka s pametnim karakteristikama [1].
Zrcalna prevlaka žarkih boja [1]
2.1.1 Prevlaka žarkih boja i zrcalna prevlaka Prevlaka žarkih boja sastoji se od različitih slojeva prevlaka s različitim refleksijskim karakteristikama, iako je prozirna. Boja prevlake ovisi o kutu gledanja na površinu prevlake. Stoga jer je prevlaka sastavljena od više slojeva, različitim je kombinacijama moguće ostvariti različite tipove s različitim optičkim karakteristikama. Zrcalna prevlaka djeluje kao reflektirajuća prevlaka koja odbija 98 posto vidljive svjetlosti. Neprozirna zrcalna prevlaka sastavljena je od više polimernih prevlaka, svaka s vlastitim odbojnim karakteristikama i s polimernom površinom. Prevlaka se može izbočiti, rezati, može biti otporna na ultraljubičasto zračenje, lijepljena ili nanesena na druge površine. Nema metalnih dodataka (niti korozije) i termički je stabilna. 2.1.2 Prevlaka s usmjerenim pogledom Ta se polimerna prevlaka naziva i prevlakom kontroliranja svjetlosti ili usmjerenom prevlakom. Prevlaka je reljefna (izbočena), s vrlo malim, specijalno oblikovanim utorima ili mikro - umecima. Kroz prevlaku se vidi samo u određenom smjeru, ovisno o usmjerenosti utora ili umetka. Ako se promjeni kut gledanja, prevlaka postaje manje prozirna.
Prevlaka s usmjerenim pogledom [1]
2.1.3 Fotokromne prevlake Fotokromni materijali mijenjaju boju kada su izloženi svjetlosti. Bezbojne fotokromne prevlake mogu se promijeniti u prozirne, čak obojene prevlake. One su u usporedbi sa staklom jeftinije, ali je njihovo djelovanje (promjena boja) sporije. 2.1.4 Termokromne prevlake Termokromni materijali mijenjaju boju kada im se promijeni temperatura. Posebnim
termokromnim prevlakama, koje djeluju na bazi tekućih kristala, moguće je kontrolirati reakcije pri temperaturnim promjenama. 2.1.5 Elektroluminiscentne prevlake Elektroluminiscentni materijali predaju (emitiraju) svjetlost kada je fosfor, koji sadrže, električki nabijen. Tako se fosforocentni materijal može nanijeti na podlogu u obliku prevlake. Ta je tehnologija usmjerena k elementima s niskom potrošnjom energije. Posljedičnu mogućnost njihova daljnjeg razvoja su, odmah nakon otkrića, u cijelosti nadglasale LED tehnologije. 2.1.6 Fotonaponske prevlake Cilj su tanke i fleksibilne sunčane ćelije koje bi se mogle nanositi na veće površine. Ako bi bile izrađene u različitim stupnjevima prozirnosti i različitim bojama, lako bi se mogle nanositi, na primjer, i na prozore. Problem je slaba iskoristivost (istraživanja pokazuju otprilike 5 posto). Isto tako ostaje problem (o)čuvanja energije. Primjena je bila uspješna na području industrijskoga oblikovanja (satovi, punjači baterija itd.). 2.1.7 Kemijski osjetljive bojene prevlake i prevlake koje mijenjaju oblik To su prevlake koje prepoznaju različite kemijske supstancije. Mijenja se njihov oblik, boja i druge karakteristike. S tim karakteristikama mogu djelovati kao jednostavni senzori koji prepoznaju prisutnost kemikalija u atmosferi ili tekućinama. 2.2 Pametne boje i premazi Boje i premazi standardni su način promjena i poboljšanja karakteristika materijala. Bojama i premazima mogu se dodavati obje vrste pametnih materijala: materijali koji mijenjaju karakteristike i materijali koji pretvaraju energiju. 2.2.1 Dodavanje materijala koji mijenjaju karakteristike Brojni se materijali koji mijenjaju karakteristike mogu dodavati u boju kao pigment u obliku finih čestica (djelića). Postoji mnogo termokromnih i fotokromnih boja i premaza. U njih se mogu dodavati i drugi materijali koji mijenjaju karakteristike (npr. gradiva s faznom preobrazbom), i to izravno ili u obliku mikrokapsula. 2.2.2 Dodavanje materijala koji pretvaraju energiju Mnogo je prirodnih i sintetičkih luminiscentnih materijala koji su prihvatljivi kao dodatak bojama i premazima. Oni apsorbiraju energiju iz svjetlosti, kemijskih ili termičkih izvora te je predaju u obliku fluoroscence ili fosforoscence [1]. Razvoj elektroprovodnih polimera pokrenuo je potpuno nov razvoj boja i premaza. Raste zanimanje za pametne boje koje označavaju pukotine u elektroprovodnim polimerima. 2.3 Pametna stakla Staklo danas, osim propuštanja svjetlosti, istodobno ispunjava i druge funkcije. Tako primjerice elektokromna prevlaka na staklu omogućava da se pod utjecajem električkoga toka
mijenja transmisija dnevne sobe. Sunčane ćelije, nanesene na staklo, proizvode električki tok. Nanos laserom omogućava stvaranje različitih uzoraka jer određena područja ostaju prozirna [8]. 2.3.1 Elektrooptičko staklo Elektrooptičko staklo dobar je primjer uporabe tehnologije tankoslojnih nanosa u graditeljstvu. Klasično staklo ne provodi struju i električki je izolator. Elektrooptičko se staklo sastoji od staklene osnove na koju je, kemijskim procesom, nanesen tanak i proziran sloj materijala koji provodi struju. U graditeljstvu se takva tehnologija može upotrebljavati kao ″zagrijano staklo koje se ne smrzava″ [1] (npr. automobilska stakla). 2.3.2 Dikromična stakla Dikromično staklo (dikromija, različita obojenost istovrsnih organizama) omogućava promjenu boja. Promjene boja mogu biti nepredvidive i brze. Slični se vizualni učinci mogu vidjeti u perju nekih ptica ili na vodi u uljnoj mrlji. Kod takvoga se stakla neke valne dužine svjetlosti reflektiraju, dok se druge apsorbiraju i vidljive su kao transmisijska svjetlost. U dikromičnom je staklu podloga (staklo) obložena s više slojeva vrlo tankih prozirnih nanosa metalnih oksida. Kad svjetlost padne na njih, ili putuje kroz te slojeve, javljaju se različiti vizualni učinci. Boje se mijenjaju s obzirom na upadni kut svjetlosti i vidni kut gledanja [1].
Dikromična stakla na pročelju stambenoga bloka u Londonu
2.4 Sunčane (fotovoltaične) ćelije Pod pojmom fotonaponska pretvorba podrazumijeva se pretvaranje svjetlosne (sunčeve) energije u električnu energiju. Pretvorba se vrši u sunčanim ćelijama koje mogu biti različite. Mogu biti prozirne ili neprozirne, različitih boja, najčešće su tamnoplave. Najčešće se upotrebljavaju [18]: • polikristalne sunčane ćelije (iskoristivost do 15 posto) • monokristalne sunčane ćelije (iskoristivost do 18 posto) • amorfne sunčane ćelije (iskoristivost od 5 do 8 posto) • ćelije na tankim prevlakama, Thin-film cells, nova su tehnologija sunčanih ćelija (copper-indiumdiselenid (CIS) i cadmiumtelluride (CdTe) ćelije). Primjerene su za gotovo sve vrste podloga, do sada im je najveća iskoristivost do 9,5 posto [13]. 2.5 Diode LED Diode LED (LED = Light Emitting Diode) su poluvodiči koji zasvijetle kad kroz njih poteče električni (strujni) tok. Njihovo je djelovanje suprotno djelovanju sunčanih ćelija jer dioda LED pri prolasku električne energije svijetli. Diode LED pripadaju kategoriji najinovativnijih pametnih tehnologija [1]. Trenutačno se odvija prodor bijelih svjetlećih dioda na svjetsko tržište. Svjetlosna tijela LED nisu žarulje već čipovi koji imitiraju svjetlost kada kroz njih poteče strujni tok [17]. Boja svjetlosti ovisi o materijalu koji je upotrijebljen u čipu. Poluvodiči najčešće daju crveno, žuto ili zeleno svjetlo. Poluvodiču od galijeva nitrida, koji daje plavo svjetlo, dodaje se indij i fosfor te tako preko zelene i žute boje nastaje bijela svjetlost. Osvjetljenje s diodama LED je energetski štedljivo jer se ne zagrijava kao obična žarulja sa žarnom niti. Uvođenjem dioda LED na šire područje uporabe, prema savjetima stručnjaka, energetska bi se potrošnja industrijskih zemalja mogla sniziti čak za jednu trećinu [14]. U Australiji će npr. uporaba uobičajenih žarulja biti dopuštena do kraja 2010.[17]. LED se upotrebljava za osvjetljenje pročelja, za osvjetljenje vanjskoga prostora, za velike panelne zaslone. Spektarne karakteristike svjetlosti u usporedbi s tradicijskim osvjetljenjem mogu se precizno kontrolirati. Više o ovoj temi >>>>>>>>>
Nanotehnologija je bilo koja tehnologija čije su polje djelovanja veličine reda milijarditog dijela metra. To su tehnologije koje manipulišu sa pojedinačnim atomima. To je primijenjena nauka i odnosi se na proizvodnju uređaja čije su dimenzije 100 nanometara ili manje.
Sadržaj [sakrij]
• • • •
1 Pregled 2 Temeljni koncepti, poređenje o 2.1 Pojmovi u nanotehnologiji 3 Uvod u historiju nanotehnologije 4 Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji 5 Trenutna istraživanja 6 Molekularna nanotehnologija: dugoročno gledište
•
7 Vanjski linkovi
• •
Pregled [uredi] Nanotehnologija je vještina pravljenja ili rada sa stvarima tako malim da ih je moguće posmatrati samo pomoću najjačih mikroskopa. To je također i sposobnost pravljenja veoma malih mašina uz pomoć računarske tehnologije, atom po atom. Da se naglasi ovaj smisao, često se nanotehnologija naziva i molekularna nanotehnologija. Može se reći da je nanotehnologija polje primijenjene nauke bazirana na dizajnu, sintezi i primjeni materijala i uređaja reda veličine nano.
Temeljni koncepti, poređenje [uredi] Jedan nanometar je milijarditi dio metra. Za usporedbu, tipična dužina veze dva atoma ugljika je 0,12-0,15 nm, i prečnik dvostruke spirale DNK je oko 2nm. Najmanje ćelijske životne forme, bakterija iz roda Mycoplasma, su oko 200 nm dužine. Nano-sastavljanje ili pristup 'odozdo prema gore', je sinteza nanostrukturiranog materijala sastavljanjem njegovih prethodno pripremljenih nanometarskih sastavnih elemenata koje čine nanometarske čestice ili čak i pojedinačni atomi ili molekule.
Pojmovi u nanotehnologiji [uredi]
Alotrop ugljika "buckminsterfullerene" C60 Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetaka hiljada atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu.
Nanobot je imaginarna mašina (robot) na skali od nekoliko do nekoliko desetaka nanometara, dizajniran da obavlja specifične poslove. Buckminsterfullerene C60, takođe poznat i kao buckylopta "buckyball", je reprezentativni član ugljikovih struktura, poznatih kao fulereni. Članovi porodice fulerena su glavni subjekti istraživanja pod nanotehnološkim kišobranom.
Uvod u historiju nanotehnologije [uredi] Pionir nanotehnologije je K. Eric Drexler. Kim Eric Drexler (rođen 25 aprila, 1955.) je američki inženjer najbolje poznat po popularizaciji potencijala (za sada, uglavnom) hipotetičke molekularne nanotehnologije. Tokom kasnih 70-tih razvija ideju molekularne nanotehnologije. 1979. godine se susreo sa provokativnim predavanjem fizičara i Nobelovca Richard Feynman-a, "There's Plenty of Room at the Bottom" (Mnogo je prostora na dnu). Termin "nanotehnologija" je 1974. skovao profesor Norio Taniguchi sa Tokyo Science University, da bi opisao preciznu proizvodnju materijala sa nanometarskom preciznošću. Drexler je nehtijući, bez pitanja, upotrijebio taj naziv u svojoj knjizi iz 1986.: Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, kako bi opisao ono što je poslije postalo poznato kao molekularna nanotehnologija. Tada je Drexler po prvi put upotrijebio izraz "gray goo" da opiše šta se može desiti ako hipotetičke samoreplicirajuće mašine izmaknu kontroli. Dr. Drexler je diplomirao interdisciplinarne nauke, magistrirao astro/aeronautički inženjering i ima dva doktorata sa instituta MIT, jedan iz arhitekture, a drugi iz MIT Media Lab. Njegov doktorat iz 1991. pod patronatom MIT Media Lab-a je prvi doktorat na temu molekularne nanotehnologije. Jedna od prepreka dostizanja nanotehnologije je nedostatak efikasnog načina da se naprave mašine na molekularnoj skali. Jedna od Drexlerovih ranih ideja je bila "assembler", nanomašina koja bi imala "ruku" vođenu kompjuterom koja bi bila programirana da pravi naredne mašine. To do sada nije učinjeno. Vođene su mnoge rasprave o budućem uticaju nanotehnlogije. Nanotehnologija ima potencijal da napravi mnoge nove materijale i uređaje sa širokim spektrom primjene, u medicini, elektronici, biomaterijalima i proizvodnji energije. Sa druge strane, sa nanotehnologijom se postavljaju ista pitanja kao kod svakog uvođenja nove tehnologije, uključujući brigu o toksičnosti i uticaju nanomaterijala na okolinu, kao i njihovog potencijalnog uticaja na ekonomiju, kao i spekulacije oko različitih scenarija totalnog uništenja. Ove zabrinutosti su vodile do debata između zagovorničkih grupa i vlada, o tome da se na neki način osigura posebna regulacija za nanotehnologiju. Područja u fizici kao što su nanoelektronika, nanomehanika i nanooptika su evoluirale tokom nekoliko zadnjih decenija toliko da sada osiguravaju naučni temelj nanotehnlogije.
Četiri glavne faze progresa u nanotehnologiji [uredi] Mihail Roco, jedan od arhitekata Nacionalne nanotehnološke inicijative Sjedinjenih Američkih Država, je predložio četiri faze nanotehnologije koje imaju svoju paralelu u tehničkom progresu tokom Industrijske revolucije.
1. Pasivne nanostrukture - nanodjelići i nanocijevi koji osiguravaju dodatnu snagu, električnu i toplotnu provodljivost, otpornost, hidrofiliju/hidrofobiju i/ili druge osobine koje se pojavljuju iz njihovih struktura na nano skali mjera. 2. Aktivni nanouređaji - to su nanostrukture koje mijenjaju stanje u cilju transformacije energije, informacije i/ili da izvode korisne funkcije. Postoji izvjesna debata da li na neki način vrhunska integrisana kola spadaju u ovu grupu, s obzirom da ona funkcionišu uprkos osobinama koje se javljaju na nanoskali, a ne zahvaljujući njima. Štaviše, argument se razvija, ona se ne kvalifikuju kao "nove" osobine na nanoskali, čak iako su sami uređaji između jednog i stotinu nanometara. 3. Kompleksne nanomašine - sklapanje različitih nanouređaja u nanosistem da bi se ostvarile složene funkcije. Ima tvrdnji da Zettl mašine ulaze u ovu skupinu; drugi tvrde da moderni mikroprocesori i FPGA takođe odgovaraju. 4. Sistem sačinjeni od nanosistema/Produktivni nanosistemi - oni će biti kompleksni nanosistemi koji proizvode atomski precizne dijelove drugih nanosistema, ne sa nužno novim pojavama nanodimenzionalnih osobin, nego sa odlično shvaćenim osnovama proizvodnje. Zbog atomske prirode materije i mogućnosti eksponencijalnog rasta, ova faza u razvoju nanotehnologije se vidi kao temelj slijedeće industrijske revolucije. Trenutno ima mnogo različitih pristupa za igradnbju prozvodnih nanosistema: uključujući pristupe "odozgo prema dole", i to: "Patterned Atomic Layer Epitaxy" (epitaxy; rast kristala jednog minerala na faceti drugog minerala) i "Diamondoid Mechanosynthesis". Tu su takođe i pristupi "odozdo prema gore", kao što su "DNA Origami" i "Bis-peptide Synthesis". 5. Info/bio/nano konvergencija - S obzirom da je svaki živi organizam sačinjen od atoma i informacija, Roco je dodao peti korak, koji je konvergencija tri najrevolucionarnije tehnologije.
Trenutna istraživanja [uredi] Grafički prikaz "rotaxane"-a, iskoristivog kao molekularni prekidač. Funkcionalni pristupi Oni zahtijevaju razvoj komponenti koji će imati željenu funkcionalnost, neovisno od toga, kako će moći biti sastavljeni. •
•
Molekularna elektronika hoće da razvije molekule sa korisnim elektroničkim osobinama. One se mogu koristiti kao jedno-molekulske komponente u nanoeletronskom uređaju. Kao primjer se navodi "rotaxane". Sintetičke hemijske metode takođe mogu biti korištene za izradu sintetičkih molekularnim motora, kao u tzv. "nanoautu".
Biomimetički pristupi •
Bionika ili biomimikrija želi da primjeni biloške metode i sisteme nađene u prirodi, za proučavanje i dizajn inženjerskih sistema i moderne tehnologije. Biomineralizacija je jedan primjer proučavanih sistema.
•
Bionanotehnologija je korištenje biomolekula za primjenu u nanotehnologiji.
Molekularna nanotehnologija: dugoročno gledište [uredi] Molekularna nanotehnologija, ponekad nazivana molekularna proizvodnja, opisuje konstruisane nanosisteme (mašine na nanoskali) koji rade na veličinama molekula. Molekularna nanotehnologija je posebno povezana sa molekularnim sastavljačem, mašinom koja može da proizvodi željene strukture ili uređaje atom-po-atom koristeći principe mehanosinteze. Proizvodnja u kontekstu produktivnih nanosistema nije vezana sa prethodnim, i treba biti jasno razlikovana od konvencionalnih tehnologija korištenih u proizvodnji nanomaterijala kao što su ugljične nanocijevi i nanodjelići. Kada je termin "nanotehnologija" bio neovisno skovan i popularizovan od strane Eric Drexlera (koji u to vrijeme nije znao za raniju upotrebu od strane Norio Taniguchi-ja) odnosio se na buduće proizvođačke tehnologije bazirane na sistemima molekularnih mašina. Pretpostavka je bila da analogije sa biološkim molekularnim veličinama tradicionalnih dijelova mašina, pokazuju, da su molekularne mašine moguće: s obzirom na bezbroj primjera nađenih u biologiji, poznato je da sofisticirane, stohastički optimizirane biološke mašine, mogu biti napravljene. Nada postoji da će razvoj nanotehnologije omogućiti njihovo konstruisanje na neki drugi način, možda koristeći biomimetičke principe. Kako god, Drexler i drugi istraživači su pretpostavili da napredna nanotehnologija, iako možda na početku sa primjenom biomimetike, u konačnici može biti bazirana na principima mašinskog inženjerstva, poimenično, proizvodna tehnologija bazirana na upotrebljivosti ovih komponenti (kao što su: zupčanici, ležajevi, motori, i konstruktivnih elemenata) da će omogućiti programabilno, poziciono sklapanje do detaljnih opisa na atomskom nivou. Fizičke i inžinjerske performanse primjeraka dizajna su analizirane u Drexler-ovoj knjizi Nanosystems. Općenito, veoma je teško sklopiti uređaje na atomskom nivou, pošto se pri tome moraju pojedinačni atomi pozicionirati prema drugim atomima uporedive veličine i unutrašnjeg trenja. Drugi pogled kojeg zastupa Carlo Montemagno, jeste da će budući nanosistemi biti hibridi silicijske tehnologije i bioloških molekularnih mašina. Još jedan prijedlog, dat kasnije od strane Richard Smalley-a, jeste da je mehanosinteza nemoguća zbog teškoća u mehaničkom manipuliranju pojedinačnim molekulama. Ovo je vodilo do razmjene pisama iz ACS publikacije Chemical & Engineering News iz 2003. Dok biologija jasno pokazuje da su sistemi molekularnih mašina mogući, ne-biološke molekularne mašine su u povoju. Vodeći istraživači ne-bioloških molekularnih mašina su Dr. Alex Zettl i njegove kolege na Lawrence Berkeley Laboratorijama i UC Berkeley. Oni su napravili najmanje tri različita molekularna uređaja čije je kretanje kontrolirano sa desktopa, promjenom napona: nanocijevni nanomotor, molekularni aktuator (aktuator je naprava kojom se stavlja u pogon neki mehanizam), i nanoelektromehanički relaksacioni oscilator. Eksperimenti koji pokazuju da je poziciono molekularno sklapanje moguće, su izvedeni od strane naučnika Ho i Lee na Cornell Univerzitetu, 1999. Oni su koristili skenirajući tunelski mikroskop da pokrenu pojedinačne molekule ugljen monoksida (CO) na pojedinačni molekul željeza (Fe), smješten na ravnom kristalu srebra, i hemijski povezali CO sa Fe, koristeći napon struje.
Vanjski linkovi [uredi]
• • • • • • •
http://www.feynmanonline.com/ http://www.nanotech-now.com/ http://www.crnano.org/whatis.htm http://www.nano.gov/ http://www.nanotechnology.com/ http://science.howstuffworks.com/nanotechnology.htm http://www.foresight.org/
Uvod u nano tehnologiju: mala tehnologija za veliki učinak! Prefiks „nano“, u riječi nano tehnologija, dolazi iz grčke riječi „nanos“, koja znači patuljak, patuljast. Dakle, riječ je o vrlo malim veličinama, točnije o milijarditom dijelu metra. Slikovitije rečeno, sto nanometara je tisućiti dio promjera vlati kose. Doduše, pojam „nanotehnologija“ odnosi se uglavnom na veličine do 100 nanometara. No, čemu do te mjere smanjivati određenu tvar? Na primjer, kada se kristali nekog materijala znatno smanje, on tada potpuno mijenja svoja svojstva, boju i može poslužiti za mnoge namjene za koje inače ne bi bio primjeren. Isto tako, otrovne tvari mogu postati potpuno bezopasne, ali i obrnuto. U prirodi nalazimo na mnogo primjera nano tehnologije. Pri opisu proizvoda sličnih našima, često se spominje „lotus efekt“, tj. svojstvo biljke lotusa (ali i mnogih drugih biljaka), da ne upijaju vodu preko svojih listova ili latica. Znači, oni su hidrofobni, točnije superhidrofobni, jer njihove molekule vrlo intenzivno odbijaju vodu. Pored biljaka, prirodnom vrstom nano tehnologije koriste se i bakterije, u kojima nalazimo prave male nanomehanizme, sa zupčanicima, osovinama, prijenosima… Znanosti je maštu po prvi puta zagolicao James Clerk Maxwell sa svojim eksperimentom, kasnije nazvanim „Mexwellov demon“, prije nekih 150 godina, u kojem je zamislio uređaj na atomskoj razini. O tom eksperimentu Albert Einstein je rekao da je to izazov konceptu stvarnosti, a mnogi suvremeni znanstvenici vjeruju kako će napredak nano tehnologije označiti novu industrijsku revoluciju, jer će ta tehnologija prodrijeti u apsolutno sve segmente industrije i društva te značajno izmijeniti način na koji živimo i razmišljamo. U nano tehnologiju se u svijetu ulažu milijarde dolara, a u tome vodi SAD. Od nano tehnologije se najviše očekuje u segmentu medicine, gdje bi „nano roboti“, primjerice, uništavali stanice raka, dok bi zdrave stanice ostale neoštećene. U elektronici nano tehnologija već omogućuje stvaranje iznimno malenih i efikasnih uređaja, a trebala bi unaprijediti i sustave za proizvodnju energije, poput solarnih ploča koje su već komercijalizirane, čiji su paneli efikasniji, lakši i otporniji na oštećenja. Ugrubo, nanotehnologija se dijeli u četiri osnovne grupe, počevši od jednostavnih pasivnih nanostruktura, do molekularnih nanosistema, koji su još uvijek u fazi istraživanja i možemo ih očekivati u budućnosti. Proizvodi namijenjeni zaštiti raznih površina, metali, polimeri i keramika pojačana nano strukturama pripadaju pasivnim nano strukturama, znači riječ je o materijalima koji su namijenjeni obavljanju samo jednog zadatka. Zahvaljujući sve intenzivnijem razvoju, danas svatko može svoj život pojednostaviti korištenjem jednostavnih proizvoda baziranih na nanotehnologiji, koji prije svega omogućuju uštedu novca i slobodnog vremena.
Riječ nanotehnologija (*) upotrebljava se sve češće u raznim značenjima, s jedne strane označava sve što se odigrava na nano ljestvici veličina u slijedu opće minijaturizacije makroskopskih objekata ka sve manjima i manjima, a s druge strane podrazumijeva striktno stvaranje strojeva, naprava, atom po atom odnosno molekulu po molekulu. Da se naznači taj drugi smisao često se kaže molekularna nanotehnologija. Evolucija shvaćanja strukture materije traje od oko 400. godine prije Krista i pojave atomizma (*) da bi dvadesetih godina ovog stoljeća postalo jasno da smo mi sami i sve oko nas sazdani od svega 92 različita atoma. Kroz svo to vrijeme, a i dan danas, ljudi stvaraju svoje alate i pomagala za život "grubom" obradom različitih sirovina, rezanjem, bušenjem, poliranjem, varenjem, tokarenjem itd. Naravno, to je pravi način za pravljenje, npr. rovokopača, ali ima niz uređaja koji su puno manji i dapače trebaju biti minijaturni. Tu se razvijaju skupe tehnologije koje se svojom logikom ne razlikuju
puno od gore navedenih primarnih postupaka, kreće se uvijek od velikog prema manjem. No, zašto tako? Kad je sve na koncu sastavljeno od atoma i molekula, da li je moguće naprosto uzeti odgovarajuće atome i molekule i složiti što nam treba? Npr. sve što je potrebno za dijamante nalazi se u ugljenu, samo atome treba "malo" presložiti! Potreban je samo asembler - slagač koji će to znati napraviti. Prije dvadesetak godina K. Eric Drexler sada pri Sveučilištu u Stanfordu potaknuo je razvoj molekularne nanotehnologije koja se temelji na konceptu kontrole pozicioniranja atoma i ostvarenja samoumožavanja molekularnih strojeva. Cilj je stvaranje bilo koje željene strukture u skladu s zakonima fizike i kemije postavljanjem svakog pojedinačnog atoma na odgovarajuće mjesto a da pri tom sve bude i ekonomično.
Stvaranje nanostrojeva još je daleko, no puno toga ukazuje da su tako sićušni strojevi mogući. Ako se ostvare mogli bi jednog dana imati superkompjutere džepne veličine ili, u medicini, sićušne molekularne mehanizme koji bi mogli popravljati bolesne stanice (vidi K. Eric Drexler i dr. "Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution" - kompletna knjiga od nedavno na internetu). U travnju 1997. formirana je u Texasu prva kompanija ( Zyvex) kojoj je isključivi cilj razvoj uređaja koji će omogućiti gradnju pojedinačnim atomima. (asembleri) Korijeni tih futurističkih stremljenja nalaze se postignućima "konvencionalne" znanosti. Richard P. Feynman u svojem predavanju 29.12.1959. na godišnjem sastanku Američkog fizikalnog društva raspravlja o osnovnim problemima manipuliranja i kontrole na maloj skali veličina na primjeru zapisivanja i čitanja podataka na što manjim površinama. On već tada ne vidi zapreke da se npr. Britanska Enciklopedija cijela zapiše na površinu glave pribadače. Mnogi istaknuti znanstvenici smatraju da je nanotehnologija (u širem smislu) pravi odgovor na ključne probleme današnjice koji ujedno određuju budućnost čovječanstva. Tako prof. Richard Smalley sa Sveučilišta Rice, dobitnik Nobelove nagrade za kemiju 1996. godine ( otkriće molekule C60) u svom obraćanju financijerima smatra da se posljedice populacijskog buma (npr. energetska i ekološka kriza) mogu razriješiti prvenstveno razvojem nanotehnologije (npr. solarne nanotehnologije). U međuvremenu, dok skeptici molekularnu nanotehnologiju još doživljavaju kao znanstvenu fantastiku, nanotehnologija u širem smislu te riječi kreće se malim koracima ali nezaustavljivo. Razvoj skenirajućih mikroskopa STM-a, AFM-a (*) omogućuje ne samo promatranje pojedinačnih atoma na površinama, nego i manipulaciju ili npr. praćenje kretanja pojedinih atoma. Pogledajte kako izgledaju nanoosovine dobijene kompjuterskom simulacijom ili ugljikov nanocijevni tranzistor . Postupci kao nanofokusiranje postaju stvarnost . Minijaturizacija poluvodičkih lasera već je blizu postizavanja uvjeta za rad bez energetskog praga čime će se ostvariti ultrabrzi uređaji (Nanolasers, Scientific American, March 1998 40-45) Razvoj atomske litografije, zapisivanje periodičnih struktura pomoću atomskih snopova, omogućit će stvaranje dvodimenzionalnih periodičnih uzoraka s rezolucijom manjom od 100 nm. Niz je institucija koje se sve više uključuju u utrku, tako Scientific American redovito prati trendove u nanotehnologiji, financira se sve više projekata , npr. Svjetski centar za procijenu tehnologija proučava stanje u Americi i svijetu Istraživanje i razvoj nanočestica, nanostrukturnih materijala i nanouređaja...
Citirani članci i dodatni linkovi: Richard P. Feynman, There's Plenty of Room at the Bottom - predavanje iz 1959. Ralph C. Merkle, It's a small, small, small world - opći uvod u molekularnu nanotehnologiju ili najnovije predavanje ovdje R. E. Smalley, Nanotechnology and the next 50 years - predavanje iz 1995. D. Haubrich et al. Atom Litography , Phys. Bl. 53 Nr. 6 523-528 (1997). knjige: K. Eric Drexler :Nanosystems (djelomično on-line), K. Eric Drexler , Chris Peterson i Gayle Pergamit: Unbounding the Future: the nanotechnology Revolution ( on-line ),
Foresight Institute, Palo Alto, CA - neprofitna organizacija za edukaciju u području molekluarne nanotehnologije Dodaci: A. Šiber, Rječnik i atlas nanoznanosti i nanotehnologije, 2006.
