projekty, materiały dla studentów informatyki, pomoce naukowe i dydaktyczne, informatyka, opracowania, ściągi




Wstęp  •   Historia nanotechnologii  •   Nanotechnologia obecnie  •   Nanotechnologia w różnych krajach

Nanotechnologia w Polsce  •   Elementarne komponenty nanotechnologii  •   Produkty codziennego użytku

Nanotechnologia a organizmy żywe  •   DNA  •   Kropki kwantowe  •   Ultradrobne proszki

Nanotechnologia w mechanice precyzyjnej i obróbce materiałów  •   Przykłady zastosowania nanotechnologii w technice

Nanoprzełączniki  •   Nano TV  •   Nanomuzyka  •   Nanotechnologia - futurologia  •   Zagrożenia wypływające z nanotechnologii


Wstęp

Nanotechnologia to ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych (od 0,1 do 100 nanometrów), czyli na poziomie pojedynczych cząsteczek. Nanotechnologia jest określeniem, które zagościło w słownikach na początku minionej dekady. Ogólnie oznacza inżynierię w bardzo małej skali. Bardziej konkretnie, nanotechnologia wiąże się z opanowaniem technologii manipulowania i przekształcania materii w skali pojedynczych atomów, czyli odległości rzędu nanometrów. Biorąc pod uwagę fakt, iż nanometr jest jedną milionową milimetra lub szerokością trzech, czterech atomów, zdolność do przekształcania materii w tej skali jest faktycznie zdumiewająca. A jednak już teraz jest możliwe i wykonywalne.



Historia nanotechnologii

Historia nanotechnologii sięga lat 50. XX w. gdy Richard P. Feynman wygłosił wykład There's Plenty Room at the Bottom (w wolnym tłumaczeniu Dużo zmieści się u podstaw). Rozpoczynając od wyobrażenia sobie, co trzeba zrobić by zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannikę na łepku od szpilki, Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii mogącej operować na poziomie nanometrowym. Na koniec ustanowił dwie nagrody (zwane Nagrody Feynmana) po tysiąc dolarów każda:

Lata osiemdziesiąte i dziewięćdziesiąte to okres gwałtownego rozwoju technik litograficznych oraz produkcji ultracienkich warstw kryształów (technologie MOCVD, MBE). Do ważnych osiągnięć technologicznych zaliczyć można:



Nanotechnologia obecnie

Nanotechnologia jest obecnie bardzo modnym i obiecującym działem nauki o materiałach, bardzo często jest też jednak słowem-wytrychem, przy pomocy którego próbuje opisać niemal każde badania w dziedzinie technologii materiałowej.

Do struktur nanotechnologicznych można obecnie zaliczyć:



Nanotechnologia w różnych krajach







Nanotechnologia w Polsce

W Polsce, pomimo niewielkich nakładów na naukę oraz badania laboratoryjne, prowadzone są badania z zakresu ogólnie pojętej nanotechnologii. Istnieją trzy główne ośrodki badań nad nanotechnologią (łącznie jest 25 placówek): Instytuty działające przy PAN, Poltechnika Warszawska oraz Politechnika Wrocławska. Ośrodki, które w mniejszym stopniu zajmują się tymi zagadnieniami, to Politechnika Poznańska i Politechnika Śląska. W ośrodkach tych prowadzi się badania nad następującymi zagadnieniami:



Elementarne komponenty nanotechnologii

W 1959 roku dr Richarda Feynman w opracowaniu o nazwie "Room at the Bottom" czyli "Pokój na dnie" przedstawia wizję świata, w którym naukowcy potrafią budować dowolne strukturę łącząc pojedyncze atomy wybranych pierwiastków. Później wizja ta stała się wyzwaniem dla naukowców przyciągniętych wizją możliwości budowania dowolnych form z elementarnych cegiełek materii. Niestety stanął przed nimi poważny problem do rozwiązania. W celu budowania urządzeń w nanoskali potrzebują oni narzędzi również w tej, lub mniejszej skali. Aby jednak zbudować tak małe narzędzia, konieczne jest posiadanie maszyn itd. Na szczęście wymyślono kilka, różnych sposobów na sprytne obejście tego ograniczenia. Aby przemieścić atom, nie jest konieczne wejście z nim w fizyczny kontakt. Każdy zna sztuczki opiłkami żelaza ustawiające się wzdłuż pola magnetycznego. Na podobnej zasadzie atomy mogą być przemieszczane na drodze reakcji chemicznych oraz innych metod nie wymagających fizycznego kontaktu z atomem. Naukowcy, w chwili obecnej, pracują nad stworzeniem zestawu narzędzi budowanego w skali nano. Stworzono na przykład nano pincety o długości zaledwie kilku milionowych milimetra, służących do odmierzania substratu o wadze bilionowych części grama.

Do rozwoju nanotechnologii znacznie przyczyniło się wynalezienie nanocylindrów zbudowanych z czystego węgla. Te z kolei powstały dzięki odkryciu nowego typu materiału zwanego fulerenami. Fulereny są bardzo stabilnymi molekułami składającymi się z atomów węgla. Zbudowane są z kolejnych, sferycznych powłok a pod mikroskopem elektronowym do złudzenia przypominają piłkę footbalową. W rzeczywistości fulereny tak bardzo są podobne do piłki, iż jeden z badaczy - profesor Andreas Hirsch z Uniwersytetu Erlagen-Nuremburg wykorzystał je do zmontowania miniaturowej wersji pucharu świata. Osiągnął to umieszczając fulerenową kulkę na piedestale wykonanym z molekuły o nazwie calixerene. W wyniku tej nanooperacji otrzymał puchar świata o wysokości trzech milionowych milimetra. Choć, w zasadzie projekt miał na celu wypróbowanie nowych technologii, Profesor Hirsch wierzy, iż wypróbowany przez niego, nowy kompozytowy materiał może być wykorzystany do wytwarzania energii foto-elektrycznej.

Węglowe nanorurki zostały odkryte w 1992 roku. Ich struktura jest podobna do opisywanych wcześniej wielowarstwowych kulek fulerenowych, aczkolwiek ich forma to otwarta z obu stron rurka. Materiał o którym mowa jest co najmniej tak twardy jak diament, a jednocześnie elastyczny i sprężysty. Najmniejsze z rurek węglowych mają wewnętrzną średnicę około jednego nanometra, ale jest możliwe wykonanie rurki o długości nawet jednego milimetra. Takie przedsięwzięcie jest dość kosztowne, gdyż wyprodukowanie jednego kilograma rurek pochłania około jednego miliona dolarów. Jednak pomimo wysokiej ceny półproduktu, posiada on na tyle interesujące właściwości dla nanotechnologii, iż jego praktyczna aplikacja opłaca się. Dla przykładu, naukowcy z Instytutu Maxa Planca w Niemczech odkryli, że przyłożenie napięcia do nanorurki powoduje jej skurczenie się. W praktyce umożliwia to wykonanie elektromechanicznego układu sterującego na przykład motoryką nanorobota lub stworzenie prądnicy generującej słaby prąd. Dr Siegmar Roth sugeruje nawet możliwość odzyskiwania energii wprost z oceanu przy użyciu mat złożonych z milionów takich rurek.



Produkty codziennego użytku

Istnieje ogromna liczba zastosowań produktów wytwarzanych dzięki nanotechnologii. Wśród tych zauważyć możemy produkty codziennego użytku. Rozdrobnione preparaty srebrowe już przy śladowej obecności działają dezynfekująco, bakteriobójczo, odkażająco czy nawet kosmetycznie i leczniczo.

Nano preparaty miedziowe z kolei wykazują silną grzybobójczość osiąganą przy stężeniach tysiąckrotnie mniejszych od preparatów stosowanych w ochronie roślin, drewna, czy w budownictwie. Z uwagi na całkowity brak działań toksycznych, ujemnie dermatologicznych, czy uczuleniowych, uczuleniowych a więc alergicznych, nano koloidalne preparaty miedzi zasługują w pełni na nazwę ekologicznych.

Wodne koloidy nano srebrowe i nano miedziane stosowane w odkażaniu i uzdatnianiu wody, przeciwbakteryjnemu zabezpieczaniu odzieży, konserwacji oraz przedłużaniu czasu przechowywania żywności, kosmetyce osobistej ciała ludzkiego, dezynfekcji urządzeń pracujących w kontakcie z żywnością do zastosowań w zakładach mleczarskich, mięsnych, przetwórstwa owoców i warzyw, ochronie inwentarza żywego od farm zwierzęcych po stawy rybne.

Te same lub też podobne koloidy wytwarzane z pojedynczych pierwiastków bądź ich stopów, służą także do zabezpieczania materiałów budowlanych, narażonych na rozwój bakterii i grzybów. Do grupy tej zaliczamy także preparaty do zastosowań ochronnych muzealnych, zabezpieczające przed atakiem grzybów: mumie, kości, artefakty, wykonane z drewna, skóry czy tkanin, brązy, rzeźby. Dodatki do paliw płynnych, działają na zasadzie katalitycznego rozkładu paliwa, zmniejszające zanieczyszczenie środowiska. Dodatki usprawniające działanie olejów i smarów silnikowych, przedłużają żywotność silników spalinowych, łożysk tocznych, kulkowych i ślizgowych. Specjalistyczne koloidy służą szerokiej gamie wytwarzania produktów przemysłu chemicznego, farmaceutycznego, produkcji materiałów obiektów użytkowych wytwarzanych z polimerów. Specjalistyczne koloidy służą technologii obronności od środków sanitarnych po farby pochłaniające promieniowanie mikrofalowe i czyniące samoloty niewidzialnymi dla radarów.







Nanotechnologia a organizmy żywe

"Nanotechnologię" uprawiają już od dawna wszystkie organizmy żywe. Wiele struktur występujących wewnątrz komórek to rodzaje mikromaszyn, struktura takich naturalnych materiałów, jak drewno, łodygi roślin, kości czy skóra to tworzywa, których struktura jest kontrolowane na poziomie pojedynczych cząsteczek.

Chcąc stworzyć nanomaszyny, niektórzy naukowcy podpatrują odwieczne funkcjonowanie natury. Już Leonardo da Vinci pokazał, budując swoje prototypy maszyn latających i pływających, że faktycznie jest to dobra metoda rozwiązywania trudnych problemów konstrukcyjnych. Natura rozwija istniejące struktury poprzez ewolucyjną adaptację i duplikację molekuł w mikro i makro skalach całego wszechświat. Naśladując ewolucję naukowcy planują rozwiązać problem nanomaszynerii. Zespołowi z Cornwell University udało się połączyć naturalny nośnik energii ATP produkowany przez kolonie bakterii E.Coli ze sztucznie stworzoną molekułą. Oba komponenty tworzą razem maszynę, którą teoretycznie można wpuścić do krwioobiegu człowieka. Syntetyczny element molekuły przypomina swoim zachowaniem śrubę napędową. Wstępne testy pokazały, że śruba kręci się z prędkością trzech, czterech obrotów na minutę, a całość działa przez około 40 minut.

Badacze z Boston College również zastosowali cząsteczki ATP jako podstawę swojego nanosilnika, ponieważ enzym ten dostarcza energii zasilającej cały układ. Zbudowany przez nich silnik działa z "zawrotną" prędkością jednego obrotu na trzy godziny. Ze względu na to, że silnik ten obraca turbiną tylko w jedną stronę, oferuje on nowe możliwości, których nie posiada wcześniej omawiany układ. Lider zespołu Dr T Ross Kelly twierdzi, że jest to kolejny krok w kierunku osiągnięcia wyższych prędkości obrotowych, np. poprzez zbudowanie połączonego układu turbin.

Już w latach czterdziestych Von Neumann był pierwszym, który na poważnie zastanawiał się nad możliwością stworzenia samo-replikujących się maszyn, "rozmnażających" się poprzez budowanie swoich duplikatów. Jest to konieczność, gdyż większość zadań w tak małej skali wymaga współdziałania bilionów nanomaszyn, a konstruowanie każdej z nich z osobna byłoby zadaniem zbyt kosztownych i czasochłonnym.

Zdolność do samoreplikacji jest jednocześnie największym zagrożeniem ale i największą potencjalną korzyścią nanotechnologii. Ponieważ, w przyszłości nanomaszyny będą w stanie manipulować pojedynczymi atomami w celu tworzenia nowych struktur oraz budowania swoich współziomków, technologia ta wyposaży człowieka w tanie narzędzie do przetwarzania materii w pożądane struktury. Koszt przedsięwzięcia będzie dotyczył wyłącznie etapu projektowania nanomaszyn, gdyż na etapie produkcji nanofabryki będą całkowicie samowystarczalne. Choć w tej chwili jest to co najwyżej futurystyka, być może kiedyś nanomaszyny będą potrafiły przerobić kupkę śmieci w chleb lub inne pożywienie.

Z drugiej jednak strony, jeśli coś pójdzie nie tak, np. miniroboty uzyskają cechy wirusów wówczas nanotechnologia może stać się źródłem nowego zagrożenia. Jak zatrzymać minirobota, który z łatwością penetruje komórki naszego organizmu? Co, jeśli źle zinterpretuje on program lub programista popełni błąd? Czy naprawdę chcemy ryzykować życie i zdrowie wpuszczając do swojego organizmy nanoroboty? Wychodząc od tych pytań, prawnik T.S. Twibell sugeruje konieczność wprowadzenia nowych zapisów prawnych, regulujących kwestie produkcji i projektowania takich samo-replikujących się miniorganizmów.





DNA

Co najmniej kilka zespołów naukowców odkryło sposób na zastosowanie krótkich odcinków DNA (kwas dezoksyrybonukleinowy) jako pincety w wersji nano. DNA posiada wiele zalet przydatnych w pracy nanoinżynierów. Pod mikroskopem elektronowym, rozplątane DNA przypomina spiralne schody ale faktycznie składa się z dwóch, komplementarnych względem siebie łańcuchów. Kolejne szczeble tej drabiny zbudowane są z permutacji czterech elementarnych molekuł. Trudno w to uwierzyć, ale ich kombinacje kodują całą różnorodność życia na Ziemi. Każda z nici DNA wyposażona jest we własny zestaw nukleotydów pasujących do cząstek genetycznych umieszczonych na przeciwnej nici, łączącej się w podwójną spiralę dzięki komplementarności wiązań chemicznych. Naukowcy z Uniwersytetu w Ruhr pracują nad tym by w dowolny sposób móc sterować przyłączeniem DNA do kształtów takich jak piramidy czy sześciany, a dzięki temu następnie łączyć ze sobą owe kształty.

Stworzenie takich mikroskopowych obiektów stanowi następne wyzwanie nanotechnologii. Wiele różnych substancji i związków tworzy krystaliczne, regularne kształty, które po potraktowaniu chemią, światłem lub elektrycznością można swobodnie transformować. Problem elementarnych cegiełek jest więc, przynajmniej częściowo rozwiązany.

Badacze z Uniwersytetu Uppsala w Szwecji odkryli pewien szczep bakterii potrafiący syntetyzować kryształy czystego srebra. Powszechnie wiadomo, że srebro jest bardzo toksyczne dla większości mikrobów, co tłumaczy ich ograniczone występowanie na terenach kopalni srebra. Dr Tanja Klaus stwierdziła jednak, że ten konkretny szczep bakterii bez przeszkód egzystuje na terenach niedostępnych innym bakteriom. Dalsze badania ujawniły zagadkę bakterii. Otóż radzą sobie one w ten sposób, że magazynują cząsteczki toksycznego srebra w postaci granulków na powierzchni ich komórek. Te mikroskopowych rozmiarów granulki mogą być następnie odzyskane w warunkach laboratoryjnych i po odpowiednim spreparowaniu wykorzystane do budowy nanostruktur.

Możliwość kontroli i manipulacji łańcuchami DNA może być zastosowana do utajniania ważnych informacji. W szkole medycyny w Mount Sinai, badaczom udało się przypisać poszczególne litery alfabetu do różnych kombinacji czterech nukleotydów DNA. Następnie łącząc odpowiednie kombinacje w łańcuchu syntetycznego DNA zakodowali konkretną informację. Ponadto na początku i końcu łańcucha umieścili specjalne markery oznaczające kierunek odczytywania oraz ID łańcucha. Jeśli przyjrzeć się z bliska takiemu łańcuchowi, wygląda on jak typowy odcinek ludzkiego DNA, po wyizolowaniu syntetycznej części przekaz można z łatwością odczytać.

To co sprawia, że technologia ta może zrewolucjonizować kryptografię jest możliwość ukrycia pojedynczego łańcucha w milionach podobnych, nie zawierających żadnej informacji. Informację mogą ujawnić tylko wtajemniczone osoby, wyposażone w odpowiedni marker genetyczny. Jeśli łamacze kodów z drugiej wojny światowej klęli Enigmę za nieprzespane noce, powinni być wdzięczni, że nie istniała tego typu technologia. A stała się ona możliwa od czasu dokonania najnowszych odkryć na polu rekombinacji DNA, na przykład opatentowania techniki o nazwie PCR, która przyniosła jej odkrywcy, Karlowi Mullisowi Nagrodę Nobla w 1993 roku. Technika PCR służy do kopiowania i duplikowania pojedynczego łańcucha DNA, a jest ona na tyle efektywna, iż w ciągu zaledwie kilku godzin wytwarza miliony duplikatów. PCR jest również bazą najnowszego krzyku mody kryminalistyki, czyli genetycznych "odcisków palców". Pozwala ona w szybki sposób odnaleźć przestępcę po znalezionym fragmencie jego DNA. W roku 1995 Paul Lizard, pracujący na Uniwersytecie Yale wynalazł alternatywną metodę generowania DNA nazwaną przez niego RCA (Rolling Circle Amplification). Imituje ona molekularne procesy wirusów i produkuje kilkakrotnie więcej duplikatów niż PCR w jeszcze krótszym czasie.



Kropki kwantowe

Odkrycie kropek kwantowych otwiera ogromne możliwości badawcze i zapowiada bardzo interesujące wyniki naukowe. Nowe właściwości otrzymanych struktur znajdą zastosowanie w elektronice i optyce. Kropki kwantowe mogą być również stosowane jako materiały absorbujące lub emitujące światło o dowolnej długości fali. Dzięki nim będzie można skonstruować bardziej wydajne i precyzyjniej strojone lasery półprzewodnikowe. W typowym półprzewodniku, charakterystyczną odległością jest tak zwana droga swobodna (odległość między kolejnymi rozproszeniami) elektronu. Typowa droga swobodna elektronu w paśmie przewodnictwa wynosi około 10 nm. Tak więc elektron w kostce półprzewodnika o boku długości 10 nm pozostaje w zasadzie uwięziony w punkcie, będąc zdelokalizowany wokół niego, zgodnie z zasadą nieoznaczoności.

Naukowcy z IBM uzyskali "kurczące się" kropki kwantowe, gdy w procesie produkcji umieścili bramkę elektryczną wokół kropki. Zwiększanie potencjału elektrycznego na bramce zmniejsza wymiary kropki (powoduje jej "kurczenie się"), co prowadzi do wzrostu energii stanów elektronowych w kropce. Jedną z korzyści osiąganych przy tego typu rozwiązaniach jest bardzo łatwa lokalizacja dowolnej liczby (dużej lub małej) elektronów w kropce, wskutek zmiany napięcia bramki. W rezultacie otrzymujemy coś, co można by nazwać atomem dającym się modyfikować: lokalizujący potencjał działa jak przyciągające jądro, a walencyjność (liczba elektronów) jest ustalana z zewnątrz przez potencjał bramki.

W atomach elektrony lokalizowane są przez przyciągający potencjał elektrostatyczny jądra, a rozkład gęstości elektronów jest sferycznie symetryczny. W kropkach kwantowych kształt elektrodbramek decyduje o wielkości, kształcie i symetrii potencjału lokalizującego.

Naukowcy z IBM i AT&T wykonali duże, periodyczne sieci kropek kwantowych, konstruując bramkę w postaci elektrody siatkowej - jest to mikrostruktura równoważna tzw. window screen. Napięcie przyłożone do elektrody siatkowej tworzy regularną sieć potencjałów, lokalizujących elektrony w warstwie materiału studni. Rozmiary każdej kropki i liczba znajdujących się w niej elektronów mogą być łatwo sterowane, podobnie jak wysokość i szerokość bariery pomiędzy kropkami. W widmach absorpcyjnych takich struktur pojawiają się wyraźne piki. Podobnie jak pojedyncza kropka kwantowa posiada poziomy energetyczne, będące odpowiednikiem poziomów elektronowych, tak sieć kropek kwantowych ma energetyczną strukturę pasmową, analogiczną do struktury pasmowej kryształu półprzewodnikowego. Takie struktury kropek mogą być stosowane do wytwarzania oscylatorów elektronicznych, pracujących na niezwykle dużych częstotliwościach.

Najistotniejsza przeszkodą w masowej produkcji, to brak możliwości kontroli wymiarów i czystości mikrostruktur. Obecne sposoby ich wytwarzania są niewystarczająco precyzyjne, a ulepszenie ich wymaga przełomu w dziedzinie materiałów i technologii. Dzisiejsze prototypowe urządzenia działają tylko w niskich temperaturach i są względnie duże (aktywne elementy urządzeń mają rozmiary kwantowe, jednak elektrody i kontakty zajmują ogromną przestrzeń). Ponadto urządzenia te są wytwarzane przy użyciu litografii elektronowej, czyli technologii, która nie nadaje się do masowej produkcji skomplikowanych układów, a tylko masowa produkcja może zapewnić im sukces ekonomiczny. Potrzebne są nowe technologie litografii (np. strukturalny wzrost epitaksjalny), które umożliwiłyby trójwymiarową kontrolę w skali atomowej. Prawdopodobnie trzeba będzie także sięgnąć do nowych materiałów i technik syntezy, które połączą tradycyjne technologie półprzewodnikowe z alternatywnymi. Przykładowo naukowcy z Fujitsu Laboratories w Japonii otrzymali druty i kropki kwantowe z organicznych polimerów.



Ultradrobne proszki

Właściwości mechaniczne, termiczne, elektryczne i magnetyczne ceramik, spieków metali oraz kompozytów znacząco polepszają się wraz ze zmniejszeniem rozmiarów cząstek lub włókien, użytych do ich wytwarzania. Parametry materiałów, takie jak wytrzymałość, ciągliwość, kruchość, przepuszczalność światła, czy przenikalność dielektryczna mogą być modyfikowane poprzez ingerencję w mikrostrukturę materiału, na drodze zmiany rozmiarów cząstek lub poprzez dodatek ultradrobnych proszków.

Ważną zaletą bardzo drobnych proszków jest to, że w przypadku produkcji ceramik i spieków metali ich spoistość może być znacznie zwiększona. W konsekwencji, zarówno defekty w produkcie finalnym jak i skurcz przy chłodzeniu są ograniczane, co zmniejsza zakres dalszej obróbki.

Lokalizacja kwantowa jest między innymi przyczyną różnego zabarwienia krystalicznych ziaren selenku kadmu, o rozmiarach kilku nanometrów Elektrony znajdujące się w ziarnach półprzewodnika rozpraszają fotony, których energia jest mniejsza od pewnej minimalnej energii określonej przez rozmiary ziarna. Z kolei fotony, których energia jest większa od minimalnej, są absorbowane. Ziarna krystaliczne o największych rozmiarach mogą absorbować fotony niskoenergetyczne i w związku z tym mają barwę czerwoną. Ziarna o najmniejszej średnicy absorbują fotony wysokoenergetyczne i z tego powodu mają barwę żółtą.

Metody trzymywania ultradrobnych proszków:

Zastosowanie ultradrobnych proszków:



Kropki kwantowe

Odkrycie kropek kwantowych otwiera ogromne możliwości badawcze i zapowiada bardzo interesujące wyniki naukowe. Nowe właściwości otrzymanych struktur znajdą zastosowanie w elektronice i optyce. Kropki kwantowe mogą być również stosowane jako materiały absorbujące lub emitujące światło o dowolnej długości fali. Dzięki nim będzie można skonstruować bardziej wydajne i precyzyjniej strojone lasery półprzewodnikowe. W typowym półprzewodniku, charakterystyczną odległością jest tak zwana droga swobodna (odległość między kolejnymi rozproszeniami) elektronu. Typowa droga swobodna elektronu w paśmie przewodnictwa wynosi około 10 nm. Tak więc elektron w kostce półprzewodnika o boku długości 10 nm pozostaje w zasadzie uwięziony w punkcie, będąc zdelokalizowany wokół niego, zgodnie z zasadą nieoznaczoności.

Naukowcy z IBM uzyskali "kurczące się" kropki kwantowe, gdy w procesie produkcji umieścili bramkę elektryczną wokół kropki. Zwiększanie potencjału elektrycznego na bramce zmniejsza wymiary kropki (powoduje jej "kurczenie się"), co prowadzi do wzrostu energii stanów elektronowych w kropce. Jedną z korzyści osiąganych przy tego typu rozwiązaniach jest bardzo łatwa lokalizacja dowolnej liczby (dużej lub małej) elektronów w kropce, wskutek zmiany napięcia bramki. W rezultacie otrzymujemy coś, co można by nazwać atomem dającym się modyfikować: lokalizujący potencjał działa jak przyciągające jądro, a walencyjność (liczba elektronów) jest ustalana z zewnątrz przez potencjał bramki.

W atomach elektrony lokalizowane są przez przyciągający potencjał elektrostatyczny jądra, a rozkład gęstości elektronów jest sferycznie symetryczny. W kropkach kwantowych kształt elektrodbramek decyduje o wielkości, kształcie i symetrii potencjału lokalizującego.

Naukowcy z IBM i AT&T wykonali duże, periodyczne sieci kropek kwantowych, konstruując bramkę w postaci elektrody siatkowej - jest to mikrostruktura równoważna tzw. window screen. Napięcie przyłożone do elektrody siatkowej tworzy regularną sieć potencjałów, lokalizujących elektrony w warstwie materiału studni. Rozmiary każdej kropki i liczba znajdujących się w niej elektronów mogą być łatwo sterowane, podobnie jak wysokość i szerokość bariery pomiędzy kropkami. W widmach absorpcyjnych takich struktur pojawiają się wyraźne piki. Podobnie jak pojedyncza kropka kwantowa posiada poziomy energetyczne, będące odpowiednikiem poziomów elektronowych, tak sieć kropek kwantowych ma energetyczną strukturę pasmową, analogiczną do struktury pasmowej kryształu półprzewodnikowego. Takie struktury kropek mogą być stosowane do wytwarzania oscylatorów elektronicznych, pracujących na niezwykle dużych częstotliwościach.

Najistotniejsza przeszkodą w masowej produkcji, to brak możliwości kontroli wymiarów i czystości mikrostruktur. Obecne sposoby ich wytwarzania są niewystarczająco precyzyjne, a ulepszenie ich wymaga przełomu w dziedzinie materiałów i technologii. Dzisiejsze prototypowe urządzenia działają tylko w niskich temperaturach i są względnie duże (aktywne elementy urządzeń mają rozmiary kwantowe, jednak elektrody i kontakty zajmują ogromną przestrzeń). Ponadto urządzenia te są wytwarzane przy użyciu litografii elektronowej, czyli technologii, która nie nadaje się do masowej produkcji skomplikowanych układów, a tylko masowa produkcja może zapewnić im sukces ekonomiczny. Potrzebne są nowe technologie litografii (np. strukturalny wzrost epitaksjalny), które umożliwiłyby trójwymiarową kontrolę w skali atomowej. Prawdopodobnie trzeba będzie także sięgnąć do nowych materiałów i technik syntezy, które połączą tradycyjne technologie półprzewodnikowe z alternatywnymi. Przykładowo naukowcy z Fujitsu Laboratories w Japonii otrzymali druty i kropki kwantowe z organicznych polimerów.



Nanotechnologia w mechanice precyzyjnej i obróbce materiałów

Metody obróbki stosowane w mechanice precyzyjnej, optyce i elektronice wykazują wiele cech wspólnych. Precyzyjna obróbka w tych dziedzinach wykracza poza mechaniczne skrawanie, szlifowanie, trawienie i polerowanie z nanometrową precyzją. Są tu również stosowane strumienie takich cząstek jak jony, elektrony czy też fotony promieniowania X. Wiązki jonowe umożliwiają obróbkę dowolnego materiału, a wiązki elektronowe czy promieniowanie X jest często stosowaną metodą obróbki lub modyfikacji warstw polimerowych w technikach litograficznych. Oddziaływanie wiązki z materiałem maski indukuje w niej zmiany strukturalne, w wyniku czego rozpuszczalność polimeru w miejscach naświetlonych maleje.

Techniki obróbki:



Przykłady zastosowania nanotechnologii w technice

We współczesnej technice nietrudno jest dostrzec wszechogarniające dążenie do coraz wyższej precyzji i miniaturyzacji. Wykazać to można najłatwiej na przykładzie mechaniki precyzyjnej, optyki i elektroniki.



Nanoprzełączniki

Holenderscy inżynierowie zademonstrowali nowy rodzaj pamięci opartej na miniaturowych mechanicznych przełącznikach. W porównaniu z obecnymi technologiami, wynalazek Holendrów zużywa mniej energii oraz oferuje większą niezawodność. Taka pamięć nanomechaniczna wykorzystuje setki tysięcy elektromechanicznych przełączników, których położenie reprezentuje odpowiednio binarne zero i jedynkę. Długość każdego z przełączników to kilka mikronów, a szerokość nie przekracza jednego mikrona.

Jak podają wynalazcy, w porównaniu do pamięci wykorzystujących ładunek elektryczny lub magnetyczny, nanomechaniczne pamięci oferują ponad 1000-krotnie szybszy zapis i odczyt danych oraz - co równie ważne - 100-krotnie mniejsze zużycie energii. Ponadto pamięci przełącznikowe są dużo bardziej odporne na zmiany temperatury i wpływ promieniowania.

Wyprodukowano już kostkę zdolną przechowywać 256 KB danych, ilością odpowiednią do zastosowania np. w prostych układach sterowania. Prowadzone są prace nad połączeniem jeszcze większej ilości nanoprzełączników, co umożliwiło by stworzenie "układów" pamięci sięgających gigabajtów.

W przyszłości pamięć nanomechaniczna może znaleźć zastosowanie w przenośnych odtwarzaczach multimedialnych, cyfrowych aparatach i innych urządzeniach elektronicznych.



Nano TV

Eksplorując możliwość potencjalnych aplikacji nanorurek, naukowcy wpadli na pomysł wykorzystania ich do zbudowania supercieńkich monitorów. Ze względu na ich budowę, rurki mogą pełnić funkcję światłowodów, dostarczających do powierzchni ekranu fotony światła. Skala w której są wykonane pozwala uzyskać rozdzielczość obrazu tysiące razy lepszą od najlepszych na rynku paneli LCD.

Drugą ważną zaletą nanorurek jest ich odpowiedź na przepływ prądu elektrycznego, pozwalająca stworzyć mikroskopijne mięśnie. Połączenie rurek w większą strukturę motoryczną umożliwi kontrolowanie ruchu większych obiektów mikroświata. Naukowcy od zawsze poszukiwali alternatywnego materiału pełniącego podobną rolę jak mięśnie, ale bardziej wydajnego, wytrzymałego i elastycznego. Wydaje się że węglowe nanorurki spełniają wszystkie te wymagania (oprócz tego, że są niezwykle kosztowne). Mogą one stanowić doskonałą bazę dla układów mechanicznych robotów, wykonujących prace w przestrzeni kosmicznej, warunkach wysokiego napromieniowania, pod wodą czyli wszędzie tam gdzie warunki wykluczają możliwość pracy człowieka.

Warstwowe i puste wnętrze zarówno fulerenów jak i nanorurek oznacza, że mogą być one wykorzystane do transportowania atomów innych materiałów, dokładnego przemieszczania ich na zasadzie zassawki i upuszczania w odpowiednie miejsce. Po połączeniu nanorurek z innymi komponentami otrzymujemy bardziej złożone struktury imitujący na przykład pincetę.



Nanomuzyka

Wiele nieznanych zasad funkcjonowania urządzeń w tej skali zostało odkryte przez naukowców traktujących swoją pracę trochę jako zabawę. Na przykład zespół z Uniwersytetu Cornell stworzył najmniejszą na świecie harfę. Została ona wycięta z pojedynczego kryształu krzemu, zaś jej struny wykonano z krzemowych prętów o długościach od 1000 do 8000 nanometrów i szerokości 50 nanometrów. Najlepsze jest to, że harfa funkcjonuje jako instrument muzyczny. Na strunach można pogrywać przykładając prąd elektryczny do kryształu podstawy instrumentu. Niestety żadna istota żywa nie usłyszy powstałej w ten sposób muzyki, gdyż składa się ona z wibracji w zakresie 380Mhz. Wcześniejszym wyzwaniem dla zespołu było stworzenie, w 1997 roku najmniejszej gitary.



Nanotechnologia - futurologia

Terminem nanotechnologia określany jest także nurt zapoczątkowany przez K. Erika Drexlera. Podstawową różnicą między nanotechnologicznymi prądami w nauce końca XX w. i początku XXI wieku a tym nutem jest mechanistyczne podejście do przedmiotu. Wyznawcy nurtu rozpatrują nanotechnologię w kontekście budowania świata cząsteczka po cząsteczce, atom po atomie. Podstawę stanowią nanoroboty mogące działać na poziomie nanometrów (a więc prawie atomowym).

Początki nanotechnologii sięgają połowy lat 70. Idea nanotechnologii w tym wydaniu sprowadza się do manipulowania pojedynczymi atomami i strukturami atomowymi (cząsteczkami), przy czym istotne tutaj jest klasyczne podejście do tej manipulacji. Nanorobot miałby wyglądać podobnie do klasycznego (wielkości rzędu metrów) robota, posiadać manipulatory, a podstawową różnicą byłby jego rozmiar. Podstawą do konstrukcji tychże robotów miałyby być supercząsteczki oparte na węglu i pierścieniach węglowych. Zaprogramowany robot byłby w stanie tworzyć nowe roboty, a te z kolei następne. W ten sposób armia nanometrowych robotów mogłaby wykonywać pożyteczne czynności.

W swoich licznych publikacjach (w tym kilku książkach) K. Eric Drexler wykłada podstawy swojej wizji przyszłej nanotechnologii. W książkach zaprezentowane jest wiele hipotetycznych cząsteczek wieloatomowych mających tworzyć nanotechnologiczne fragmenty urządzeń (np. przekładnia planarna). Wśród pomysłów nanotechnologów znajdują miejsce takie jak:

Nanotechnologia w tej postaci nie doczekała się jak na razie realizacji i mimo, że w obecnej chwili jest technologicznie możliwe np. sztuczne syntetyzowanie białek, to trudno powiedzieć, że odbywa się to na gruncie tzw. mechanochemii, w której robot dokleja kolejne aminokwasy do powstającej cząsteczki białka. Wynika to głównie stąd, że zachowanie materii na poziomie nanometrów kontrolowane jest przez mechanikę kwantową, a nie klasyczną i o ile być może niektóre z idei nanotechnologów zostaną zrealizowane, to jednak sposób, w jaki to się stanie w znacznym stopniu będzie odbiegał od tego, jak wyobrażał to sobie K. Eric Drexler w swoich książkach.

Nanotechnolodzy-futurolodzy powołują się na odkrycia technologiczne dokonane w ostatnich latach (np. jednoelektrodowy tranzystor, sztuczne atomy - kropki kwantowe, fullereny, nanorurki) jednak sposób ich otrzymywania i zastosowania daleko różnią się od tego, co wyobrażają sobie ortodoksyjni przedstawiciele tego nurtu.

Nanotechnologia przyczyni się do przemiany naszego świata bardziej niż odkrycie elektryczności. Kwestie, które uznaliśmy za nieuniknione, takie jak starzenie się czy śmierć przejdą do historii, podobnie jak choroby i ubóstwo. Handel i gospodarka również ulegną przemianie gdyż znikną koszty materiałów i robocizny. Miejmy nadzieję, że wyzwolona w ten sposób energia przyczyni się do polepszenia świata.



Zagrożenia wypływające z nanotechnologii

Nanotechnologia jest dziedziną wiedzy stosunkowo młodą, dlatego sporo z jej rozwiązań wciąż pozostaje w sferze rozważań lub jest na etapie badań i testów laboratoryjnych. Tym niemniej nie można pozwolić, by jakiekolwiek wyniki tychże badań wymknęły się spod ludzkiej kontroli, gdyż skutki takiego niedopatrzenia mogłyby być bardzo groźne dla środowiska i człowieka. Dlatego też należy już teraz zastanowić się nad ewentualnymi zagrożeniami i starać się znaleźć dla nich jak najlepsze rozwiązania.

Pierwszą grupą zagrożeń jest wpływ samej nanotechnologii, tzn. nanorobotów, nanocząstek, nanoproduktów, nanomateriałów, na człowieka i środowisko naturalne. Trudno mówić jak będą zachowywały się nanoroboty umieszczone w ludzkim organizmie, jednak korzystając z doświadczeń pochodzących z biologii (komórki rakowe) można wysnuć przypuszczenie, iż podobnie mogą postępować nanoprodukty. Niebezpieczeństwem jest zepsucie się nanomaszyny i jej złe funkcjonowanie, które może objawiać się: nadmiernym samoreplikowaniem (wewnątrz i/lub na zewnątrz człowieka, powodując liczne szkody), zmianą wykonywanej funkcji (zamiast regenerowania - uszkadzanie, niepoprawne lokalizowanie niebezpieczeństw), nagromadzanie się w jednym miejscu (działanie na kształt biologicznych komórek nowotworowych). Rozwiązaniem wydaje się być umieszczenie "bezpieczników" (biologicznych lub technicznych) wewnątrz nanomaszyny, za pomocą których będzie można wyeliminować pojawiające się problemy oraz na bieżąco śledzić ich działanie z wykorzystaniem nanosensorów.

Głównym problemem w powszechnym używaniu wielu technik i wykorzystaniu zastosowań nanoproduktów jest toksyczność nanomateriałów (i nanocząstek). Wciąż nie jest do końca pewne jaki wpływ na środowisko mają istniejące nanocząstki (drobinki węgla, zanieczyszczenia; wyjątkiem są molekuly żelaza, które mogą podróżować wodami głębinowymi ok. 20 m oraz pozostawać aktywne od 4 do 8 tygodni). Obecnie trwają liczne badania nad zmniejszeniem toksyczności nanomateriałów. Jedynym rozwiązaniem jest ciągłe eksperymentowanie mające na celu zmniejszenie toksyczności nanomateriałów. Ponadto tylko stuprocentowa wiedza na temat toksyczności nanocząstek umożliwia ich wykorzystanie w przemyśle (w przeciwnym razie nie wolno z nich korzystać, gdyż nadal nie będzie znany ich wpływ na środowisko).

Drugą grupą zagrożeń są zagadnienia związane z niewłaściwym wykorzystaniem nanotechnologii przez człowieka oraz wpływ, jaki wywiera na społeczeństwo wprowadzenie i wykorzystywanie technik z zakresu nanotechnologii. Istotnym zagadnieniem dla społeczności międzynarodowej jest zaawansowanie technik zbrojeniowych. Posiadanie skutecznych narzędzi do eliminacji i zastraszania przez osoby oraz grupy niepowołane rodzi olbrzymie niebezpieczeństwo dla funkcjonowania społeczeństw.

Wielkim niebezpieczeństwem jest wykorzystanie nanotechnologii przez organizacje terrorystyczne, których celem są głównie miejsca publiczne. Już teraz należy przygotować się na broń zbudowaną z nanomateriałów (np. nanorurek węglowych), która nie będzie możliwa do wykrycia przez urządzenia do wykrywania metali lub środków chemicznych (np. wprowadzenie i sterroryzowanie załogi samolotu za pomocą takiej broni). Ponadto dużym ryzykiem byłoby stworzenie od zera (tzn. na poziomie molekularnym) wirusów. Takie organizmy mogłyby być o wiele groźniejsze od istniejących obecnie (np. wąglik). Innym zagrożeniem mogą być nanosensory, które w znaczny sposób ułatwiałyby dotarcie do tajnych informacji oraz zbierania informacji, które byłyby użyteczne do podejmowania działań terrorystycznych (np. określanie średniej liczby osób w danym miejscu, określanie położenia jednostek, identyfikacja broni, jednostki, itd.). Przeciwdziałanie terroryzmowi jest niesłychanie trudnym problemem, ale jeszcze trudniejsza może się okazać walka z nanoterroryzmem. W celu niwelowania zagrożenia można postępować w następujący sposób: ściśle chronić i kontrolować badania nad nanotechnologią, inwigilować środowiska terrorystyczne, stworzyć nanomaszyny ochronne.

Kolejnym zagrożeniem jest wykorzystanie nanotechnologii w regularnych działaniach wojennych. Niebezpieczne są: tworzenie nowych broni masowego rażenia (np. przenoszenie broni chemicznej i/lub biologicznej w ciele człowieka, zwierzęcia lub w roślinie za pomocą nanokapsułek, nowe rodzaje broni), czy też innego rodzaju produktów (np. mniejsze komponenty komputerowe, nanosensory, zmniejszenie kosztów produkcji sprzętów wojskowych, nowa broń wywiadowcza, sprzęt do rekonesansu). Co więcej ogólne zastosowania wojskowe (np. wydajniejsze i szybsze generowanie i przechowywanie energii, systemy do walki informacyjnej, logistyka, napęd, samonaprawianie, inteligentne materiały, nanoimplanty w ciele żołnierza (lub maszynie) spowodują znaczącą przewagę jednej armii, a to może doprowadzić do zachwiania ładu w światowym porządku. Przeciwdziałaniem takim zagrożeniom może okazać się: zakazanie stworzenia "robotów do zabijania", zajęcie się obecnymi problemami i znalezienie dla nich rozwiązań, połączenie sektora cywilnego i wojskowego w celu kontrolowania badań, współpraca międzynarodowa państw (wypracowanie wspólnych zasad i określenie ogólnych kierunków działań).

Źródło: wikipedia.org    nanotechnologia.republika.pl    open-mind.pl    NanoNet.pl - portal o nanotechnologii

Reklama

Język angielski fajerwerki chirurgia plastyczna implanty Kurs HTML chesterfield