Нанотехнологија

мини|280п|Фулеренски нанозапченици Нанотехнологија или нанотехника — научна дисциплина која се занимава со контролирањето на материјата на атомска или молекулска скала. Нанотехнологијата обично се занимава со конструирање на структури кои имаат големина до околу 100 нанометри во една насока, и со развојот на материјали и уреди на таа големина. Нанотехнологијата оперира на многу различни начини, почнувајќи со конвенционалните физички пристапи на контролирање на димензијата (мелење, употреба на ласери) па сè до нови хемиски методи врз основа на молекуларна самоуправа.

Во моментов има голема дебата за иднината на нанотехнологијата. Нанотехнологијата има потенцијал да создаде нови материјали и уреди со широк спектар на примена, како на пример во медицината, електрониката и производството на енергија. Од друга страна, нанотехнологијата покренува голем број на прашања, што обично се случува скоро секогаш со воведувањето на една нова технологија. Едно од тие прашања кое поткренува голема загриженост се однесува на токсичноста на секоја наночестичка и нивното влијание врз човекот и животната средина.

Потекло

мини|десно|Букминстерфулерен C60, е една од помалку сложените алотропски модификации на јаглеродот од семејството на фулерените. Фулерените се семејство молекули кои се еден од главните предмети на истражување во нанотехнологијата.

Концептите за нанотехнологијата датираат уште пред самата употреба на името нанотехнологија. Во 1959 година на Калифорнискиот технолошки институт професорот Ричард Фејман ја предал познатата лекција „Има премногу простор на дното“ мислејќи на дното како синоним за атомската и молекулската скала. Фејман во својата лекција предал дел од своите видувања за процеси при кои би можело да се манипулира со поединечни атоми и молекули со помош на нови инструменти. Во текот на својата лекција тој исто така напоменува за влијанието на големината врз различни физички појави. Тука тој сугерира дека на оваа скала силата на гравитација би станала помалку важна за сметка на површинската тензија и Ван дер Валсовите сили кои би станале повлијателни, итн.

Терминот „нанотехнологијата“ е дефиниран за првпат на хартија во Токио од универзитетскиот професор Норио Танигучи во 1974 година. Тој дефинирал дека нанотехнологијата претежно се состои од обработка, разделување, срочување и изобличување на материјали од еден атом или молекула. Во 1980-тите години основната идеја на оваа дефиниција е истражувана во поголема длабочина од страна на д-р К. Ерик Дрекслер, кој прв го промовираше технолошкото значење на различните нанопојави и уреди преку своите публикувани книги: „Машини на создавањето, ерата на нанотехнологија што доаѓа“ (1986) и „Наносистеми: Молекуарна машинерија, производство и сметање“ (1992)

Нанотехнологија и нанонауката започнаа во раните 1980-ти со два големи настани: раѓањето на науката за кластери и пронаоѓањето на скенирачкиот тунелски микроскоп (СКМ). Овој развој доведе до откривање на фулерените во 1985 година и јаглеродните наноцевки на неколку години подоцна. Подоцна од ова се изучувале и синтезата и својства на полуспроводничните нанокристали и квантни точки. Атомскиот силов микроскоп (АСМ) е изработен неколку години после СКМ. Во 2000 година, во САД е формирана инцијативата за Национална нанотехнологија за да го координира федералното истражување за нанотехнологија, кое е евалуирано од страна на претседателските советници за наука и технологија.

Фундаментални концепти Еден нанометар (nm) е милијардити дел од метарот, или 10^-9 од метарот. За споредба, типична врска помеѓу јаглеродни атоми во молекула се во опсегот 0,12-0,15 nm и ДНК двојна спирала има пречник од околу 2 nm. Од друга страна, најмалата форма на живот, бактериите од видот Mycoplasma се долги околу 200 nm. Ако се стави таа скала во друг контекст, да се спореди нанометар со метар, исто e како да се спореди џамлија со површината на Земјата. Или, на друг начин, брадата на просечен човек расте за 1 нанометар додека тој го подига бричот за да се избричи. Во нанотехнологијата се користат два главни приода. Во големонасочениот приод, материјалите и помагалата се градат од молекуларни компоненти кои се соединуваат на хемиски начин по принципот на молекуларно препознавање. Во малонасочениот нанопредметите се градат од поголеми објекти без контрола на атомско ниво. Областите на физиката, како што се наноелектрониката, наномеханиката, нанофотониката еволуирале во последните неколку децении за да се обезбеди научна основа на нанотехнологијата.

Поголемо до помало: материјална перспектива

Голем број на физички појави се истакнуваат како што големината на системот се намалува. Ова вклучува статистичко механички дејства како и квантно механички дејства, на пример quantum size effect каде што електронските својства на цврстите тела се менуваат со намалувањето на системот. Овој ефект не е изразен во преминувањето од макро во микро димензија. Сепак, квантните ефекти се изразени кога ќе се достигне нанодимензија, во опсег на 100 нанометри или помалку, таканаречен квантен простор. Покрај тоа, голем број на физички (механички, електрични, оптички итн) својства се менуваат во споредба со макроскопските системи. Еден пример е зголемувањето на соодносот на површната и волуменот, менувајќи ги механичките топлинските и каталитичките својства на материјалите. Дифузија и други реакции во нанодимензија, материјали со наноструктура и алатки со брз трансфер на јони се наведени како нанојоника. Механичките својства на материјалите се во интерес на гранката на наномеханички истражувања. Каталитичката активност на наноматеријалите исто отвора потенцијални ризици во нивната интеракција со биоматеријали.

Материјалите коишто се редуцирани до нанодимензија можат да покажат различни својства во однос на тоа што го покажуваат во макро димензијата, овозможувајќи уникатни примени. На пример, нетранспарентни супстанции стануваат транспарентни (бакар), стабилни материјали се претвораат во запаливи (алуминиум), нерастворливи се претвораат во растворливи (злато). Материјал како што е златото, кој е хемиски интертен во нормални размери може да послужи како моќен хемиски катализатор во нанодимензија. Голем дел од фасцинантноста на нанотехнологијата произлегува од овие квантни и површински појави коишто материјата ги покажува во нанодимензијата.

Едноставно до комплексно: молекуларна перспектива Модерната синтетичка хемија стигна до точката каде што е можно да се произведат мали молекули на речиси секоја структура. Овие методи денес се користат за производство на широк спектар на корисни хемикалии како што се лекови или комерцијални полимери. Оваа способност го покренува прашањето за проширување на овој вид контрола на следното и пошироко ниво, наоѓање начин да се соберат овие молекули во таканаречени супермолекуларни соединенија, кои се состојат од многу молекули наредени во добро дефиниран начин.

Овие пристапи ги користат принципите на молекуларно автособирање и супрамолекуларна хемија за да се организираат во некои корисни конформации преку големонасочениот пристап. Концептот на молекуларно препознавање е посебно важен: молекулите можат да бидат дизајнирани така што одредена конфигурација се претпочита поради не ковалентната меѓумолекулска сила. Правилата на Вотсон-Крик за соединување се директен резултат на ова исто како што е посебноста на ензимот да се насочи кон една единствена подлога или специфичното извртување на белковината. Така, две или повеќе компоненти можат да бидат дизајнирани за да бидат комплементарни и меѓусебно да се компатибилни и да сочинуваат покомплексно и покорисно соединение.

Таквите големонасочени пристапи треба да бидат способни за производство на уреди во паралела и да бидат многу поевтини од методот на малонасоченост но може потенцијално да бидат совладани со зголемувањето на големината и сложеноста на саканото соединение. Најкорисните структури бараат сложени комплексни и термодинамички неверојатни атомски распоред. Сепак, постојат многу примери за автособирање врз основа на молекуларно препознавање во биологијата, особено Вотсон Кирк соединување и ензим супстрат интеракции. Предизвик за нанотехнологијата е да се најде начин дали овие принципи може да се користат за конструирање на нови конструкции како додаток на природните.

Молекуларна нанотехнологија: долгорочен поглед

Молекуларната нанотехнологија, или молекуларно производство, ги објаснува наносистемите (машини со нанодимензии) кои работат на молекуларни димензии. Молекуларната нанотехнологија е поврзана со молекуларен асемблер, машина која го произведува посакуваниот дизајн или дизајнира атом по атом користејќи ги принципите на механосинтезата. Производството во контекст на продуктивни наносистеми, не е поврзано и треба да биде одделено од конвенционалните технологии кои се користат за производство на наноматеријали, на пример јаглеродни наноцевки и наночестички.

Во времето кога поимот нанотехнологија бил популаризиран од страна на Ерик Дрекслер (кој бил незапознаен со фактот дека Норио Танигучи веќе го користел), тој поим се однесувал на идни производствени технологии засновани на молекуларни машински системи. Добивката е дека биолошката аналогија на традиционалните машини на молекуларно ниво покажа дека молекуларни машини можат да постојат, од безбројните примери кои се наоѓаат во биологијата се знае дека комплексни и софистицирани биолошки машини можат да се произведат.

Научниците се надеваат дека развојот на настаните во нанотехнологијата ќе овозможат нивна изградба поинаков начин, можеби користејќи биомимички принципи. Сепак, Дрекслер и другите истражувачи предложиле напредна нанотехнологија, иако на почетокот имплементирана од биомиметика, во крајна линија би можела да се заснова на принципите на машинското инженерство, имено, технологија на производство врз основа на механичката функционалност на овие компоненти (запченици, лежишта, мотори и конструктивни елементи) кој ќе овозможи положбено препознавање на атомската спецификација кое може да се програмира. Физичките принципи и инженерската изведба се анализирани во Декслеровата книга „Наносистеми“.

Во принцип, многу е тешко да се создадат алатки во атомски размери, затоа што атомите треба да се позиционираат врз други атоми од слична големина. Друго гледиште од страна на Карло Монтемагно, е дека идните наноситеми ќе бидат хибриди на силициумската технологија и биолошки молекуларни машини. Уште еден поглед од страна на покојниот Ричард Смали, е дека наносинтезата е невозможна со оглед на тешкотијата во манипулирањето на одделни молекули.

Тоа доведе до размена на писма во публикацијата „Хемиски и инженерски вести“ во 2003 година. Иако биологијата јасно покажува дека молекуларно машински системи се можни, небиолошките молекуларни машини се во нивната сенка. Водачи во истражувањето на небиолошки молекуларни машини се д-р Алекс Зетл и неговите колеги во лабораториите Лоренс Беркли и Беркли. Тие изградиле најмалку три различни молекуларни апарати чие движење е контролирано од десктоп со менување на напон, наномотор, молекуларен иницијатор и наноелектромеханички релаксаторски осцилатор.

Експеримент кој покажува дека положбено молекуларно собирање е можно, беше изведен од страна на Хо и Ли на универзитетот Корнел во 1999 година. Тие користеле скенирачки тунелски микроскоп за стационирање на поединечна јаглерод моноксид молекула (CO) врз атом на железо (Fe) кој е сместен на рамен сребрен кристал, произведувајќи хемиска врска на CO со Fe со примена на напон.

Тековно истражување

Наноматеријали Полето на наноматеријали вклучува гранки кои развиваат и проучуваат материјали кои имаат уникатни особини што произлегуваат од нивните нанодимензии. Науката за интерфејс и колоиди произведе многу материјали кои можат да бидат корисни за нанотехнологијата како јаглеродни наноцевки, фулерени, и разни наночестички. Наноматеријали со брз јонски транспорт се поврзуваат со нанојонска I наноелетктроника.