Nanotechnologia
Nanotechnologia jest częścią nauki i technologii w zakresie kontroli materii w skali atomowej i molekularnej - oznacza to rzeczy o średnicy około 100 nanometrów.
Nanotechnologia obejmuje wytwarzanie produktów wykorzystujących tak małe części, takich jak urządzenia elektroniczne, katalizatory, czujniki itp. Aby dać Ci wyobrażenie o tym, jak małe to jest, jest więcej nanometrów w calu niż cali w 400 milach.
Aby dać międzynarodowe wyobrażenie o tym, jak małe to jest, jest tyle nanometrów w centymetrze, ile centymetrów w 100 kilometrach.
Nanotechnologia łączy naukowców i inżynierów z wielu różnych dziedzin, takich jak fizyka stosowana, materiałoznawstwo, nauka o interfejsach i koloidach, fizyka urządzeń, chemia, chemia supramolekularna (która odnosi się do dziedziny chemii, która skupia się na nie-kowalencyjnych oddziaływaniach wiążących cząsteczek), samoreplikujące się maszyny i robotyka, inżynieria chemiczna, inżynieria mechaniczna, biologiczna i elektryczna.
Generalnie, kiedy ludzie mówią o nanotechnologii, mają na myśli struktury o wielkości 100 nanometrów lub mniejszej. Jest milion nanometrów w milimetrze. Nanotechnologia stara się wytwarzać materiały lub maszyny tej wielkości.
Ludzie wykonują wiele różnych rodzajów pracy w dziedzinie nanotechnologii. Większość obecnych prac dotyczy wytwarzania nanocząstek (cząstek o rozmiarach nanometrów), które mają specjalne właściwości, takie jak sposób rozpraszania światła, pochłaniania promieniowania rentgenowskiego, transportowania prądów elektrycznych lub ciepła, itp. Na bardziej "science fiction" kończą się próby wykonania małych kopii większych maszyn lub naprawdę nowych pomysłów na struktury, które same się tworzą. Nowe materiały są możliwe dzięki strukturom o rozmiarze nano. Możliwa jest nawet praca z pojedynczymi atomami.
Odbyło się wiele dyskusji na temat przyszłości nanotechnologii i związanych z nią zagrożeń. Nanotechnologia może być w stanie wynaleźć nowe materiały i instrumenty, które byłyby bardzo przydatne, np. w medycynie, komputerach, a wytwarzanie czystej energii elektrycznej (systemy nanoelektromechaniczne) pomaga w projektowaniu nowej generacji paneli słonecznych i wydajnego oświetlenia niskoenergetycznego). Z drugiej strony, nanotechnologia jest nowa i mogą pojawić się nieznane problemy. Na przykład, jeśli materiały te są szkodliwe dla zdrowia ludzi lub dla przyrody. Mogą one mieć zły wpływ na gospodarkę lub nawet na duże systemy naturalne, takie jak sama Ziemia. Niektóre grupy argumentują, że powinny istnieć przepisy dotyczące wykorzystania nanotechnologii.
Typowa geometria nanostruktury.
Początek nanotechnologii
Idee nanotechnologii zostały po raz pierwszy wykorzystane w przemówieniu "There's Plenty of Room at the Bottom", wygłoszonym przez naukowca Richarda Feynmana na spotkaniu American Physical Society w Caltech 29 grudnia 1959 roku. Feynman opisał sposób przemieszczania poszczególnych atomów w celu zbudowania mniejszych instrumentów i operowania na taką skalę. Właściwości takie jak napięcie powierzchniowe i siła ścian Van der stałyby się bardzo ważne.
Prosty pomysł Feynmana wydawał się możliwy. Słowo "nanotechnologia" zostało wyjaśnione przez profesora Tokijskiego Uniwersytetu Naukowego Norio Taniguchi w artykule z 1974 roku. Powiedział on, że nanotechnologia to praca polegająca na zmianie materiałów o jeden atom lub jedną molekułę. W latach osiemdziesiątych XX wieku ideę tę studiował dr K. Eric Drexler, który mówił i pisał o znaczeniu wydarzeń w nanoskali. "Silniki Stworzenia": The Coming Era of Nanotechnology" (1986) jest uważana za najśmielszą książkę o nanotechnologii. Nanotechnologia i nanonauka rozpoczęły się od dwóch kluczowych wydarzeń: rozpoczęcia nauki o klastrach i wynalezienia skaningowego mikroskopu tunelowego (STM). Wkrótce potem odkryto nowe molekuły z węglem - pierwsze fulereny w 1986 r. i węglowe nanorurki kilka lat później. W innym opracowaniu ludzie badali, jak tworzyć półprzewodnikowe nanokryształy. Wiele nanocząsteczek tlenku metalu jest obecnie stosowanych jako kropki kwantowe (nanocząsteczki, w których zachowanie pojedynczych elektronów staje się ważne). W 2000 r. Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna Stanów Zjednoczonych zaczęła rozwijać naukę w tej dziedzinie.
Klasyfikacja nanomateriałów
Nanotechnologia posiada nanomateriały, które można podzielić na jedno-, dwu- i trójwymiarowe nanocząstki. Klasyfikacja ta opiera się na różnych właściwościach, które posiada, takich jak rozpraszanie światła, pochłanianie promieni rentgenowskich, transport prądu elektrycznego lub ciepła. Nanotechnologia ma charakter multidyscyplinarny, wpływając na wiele tradycyjnych technologii i różnych dyscyplin naukowych. Można wytwarzać nowe materiały, które mogą być skalowane nawet przy wielkości atomowej.
Fakty
- Jeden nanometr (nm) to 10-9 lub 0,000,000,001 metra.
- Kiedy dwa atomy węgla łączą się, tworząc molekułę, odległość między nimi mieści się w zakresie 0,12-0,15 nm.
- Podwójna helisa DNA jest około 2 nm z jednej strony na drugą. Rozwija się ona w nową dziedzinę nanotechnologii DNA. W przyszłości DNA może być manipulowane, co może doprowadzić do nowej rewolucji. Ludzki genom może być manipulowany zgodnie z wymaganiami.
- Nanometr i miernik mogą być rozumiane jako taka sama różnica wielkości jak między piłką golfową a ziemią.
- Jeden nanometr to około jednej dwudziestu pięciu tysięcznej średnicy ludzkiego włosa.
- Paznokcie rosną z prędkością jednego nanometra na sekundę.
Właściwości fizyczne nanomateriału
W skali nano właściwości fizyczne układu lub cząstek znacznie się zmieniają. Właściwości fizyczne, takie jak efekty wielkości kwantowej, gdzie elektrony poruszają się inaczej dla bardzo małych rozmiarów cząsteczek. Właściwości takie jak zmiany mechaniczne, elektryczne i optyczne, gdy układ makroskopijny zmienia się na mikroskopijny, co jest niezwykle istotne.
Nanomateriały i cząstki stałe mogą działać jako katalizator zwiększający szybkość reakcji, wraz z tym dając lepszą wydajność w porównaniu z innymi katalizatorami. Niektóre z najciekawszych właściwości, gdy cząstka zostaje przekształcona w nanoskalę, to substancje, które zazwyczaj zatrzymują światło, stają się przezroczyste (miedź); możliwe staje się spalanie niektórych materiałów (aluminium); ciała stałe zmieniają się w ciecze w temperaturze pokojowej (złoto); izolatory stają się przewodnikami (krzem). Materiał taki jak złoto, który nie reaguje z innymi chemikaliami w normalnych skalach, może być silnym katalizatorem chemicznym w nanoskalach. Te szczególne właściwości, które widzimy tylko w nanoskali, są jedną z najbardziej interesujących rzeczy w nanotechnologii.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest nanotechnologia?
O: Nanotechnologia to część nauki i techniki zajmująca się kontrolą materii w skali atomowej i molekularnej, która obejmuje wytwarzanie produktów wykorzystujących tak małe części, jak urządzenia elektroniczne, katalizatory, czujniki itp.
P: Jak małe są nanometry?
O: Nanometry są niewiarygodnie małe - w jednym calu jest więcej nanometrów niż cali w 400 milach. Aby dać międzynarodowe wyobrażenie o tym, jak małe to jest, w centymetrze jest tyle nanometrów, ile centymetrów w 100 kilometrach.
P: Jakie rodzaje pracy wykonują ludzie w dziedzinie nanotechnologii?
O: Ludzie pracujący w dziedzinie nanotechnologii starają się stworzyć nanocząstki (cząstki o rozmiarach nanometrowych), które mają specjalne właściwości, takie jak rozpraszanie światła lub pochłanianie promieniowania rentgenowskiego. Próbują również tworzyć małe kopie większych maszyn lub naprawdę nowe pomysły na struktury, które same się tworzą. Za pomocą struktur o rozmiarach nano można tworzyć nowe materiały, a nawet można pracować z pojedynczymi atomami.
P: Jakie potencjalne zastosowania ma nanotechnologia?
O: Nanotechnologia ma potencjalne zastosowania w wielu różnych dziedzinach, w tym w medycynie, komputerach i produkcji czystej energii elektrycznej (systemy nanoelektromechaniczne). Może również pomóc w projektowaniu paneli słonecznych nowej generacji i wydajnego oświetlenia o niskim zużyciu energii.
P: Czy istnieją jakieś zagrożenia związane z wykorzystaniem nanotechnologii?
O: Ze stosowaniem nanotechnologii mogą wiązać się nieznane problemy, np. gdyby zastosowane materiały były szkodliwe dla zdrowia ludzi lub dla przyrody. Mogą one mieć zły wpływ na gospodarkę lub nawet na duże systemy naturalne, takie jak sama Ziemia, dlatego niektóre grupy twierdzą, że należy wprowadzić przepisy dotyczące ich stosowania.
P: Jakiego rodzaju naukowcy badają nanotechnologię?
O: Naukowcy zajmujący się nanotechnologią pochodzą z wielu różnych dziedzin, takich jak fizyka stosowana, materiałoznawstwo, nauka o interfejsach i koloidach, fizyka urządzeń, chemia supramolekularna, samoreplikujące się maszyny i robotyka inżynieria chemiczna inżynieria mechaniczna biologia inżynieria biologiczna inżynieria elektryczna itp.
