Nanotechnologie

Z Cyber Wiki

Nanotechnologie

Využívání struktury a vlastností nanočástic je převratnou a vysoce moderní technologií, využitelnou ve veliké škále oborů a odvětví lidské činnosti.

Jako nanotechnologie se obecně označuje technický obor, který se zabývá tvorbou a využíváním technologií v měřítku řádově nanometrů (obvykle cca 1-100 nm), tzn. 10-9 m (biliontiny metru), což je přibližně tisícina tloušťky lidského vlasu.

Definice pojmu "nanotechnologie" se poněkud v jednotlivých programech a u různých autorů liší. Nanotechnologie je studium a použití materiálů, zařízení a systémů o rozměrech řádově nanometrů. Nanotechnologie je populární termín pro vytváření a využití funkčních struktur s minimálně jedním charakteristickým rozměrem měřeným v nanometrech . Nanotechnologie si lze představit jako všezahrnující popis aktivit na úrovni atomů a molekul, které mají uplatnění v reálném světě . Nanotechnologie je rozvíjející se obor výzkumu a vývoje zaměřený na řízení struktury materiálů v nanorozměrech (0,1 - 100 nm, alespoň v jednom rozměru).

Nanotechnologie je rovněž skupina rozvíjejících se technologií (technologie v pevném stavu, biotechnologie, chemické technologie aj.), které metodami shora dolů (top-bottom) a zdola nahoru (bottom-up) konvergují k nanorozměrům. V současné době sestává nanotechnologie ze čtyř hlavních oblastí: nanoelektroniky, nanomateriálů, molekulární nanotechnologie a mikroskopů pracujících s rozlišitelností v nanometrech. Nanotechnologie je v podstatě nauka o materiálech o rozměrech nanometrů.

Nanomateriály

Nanomateriály se vyznačují následujícími společnými znaky:

a) stavebními jednotkami jsou nanočástice s definovanými vlastnostmi: rozměry, tvarem, atomovou strukturou, krystalinitou, mezifázovým rozhraním, homogenním/heterogenním složením a chemickým složením. Rozměry jsou limitovány v oblasti od molekul k pevným částicím menším než 100 nm. Vlivem malých rozměrů v některých případech počet povrchových atomů převyšuje počet atomů ve vnitřním objemu.

b) tyto stavební jednotky jsou uspořádané v makroskopických multi-klastrových materiálech s velmi různorodým topologickým pořádkem. Chemicky identické částice mohou být těsně uspořádány a kompaktovány za vzniku hranic zrn. Částice mohou být oddělené nebo spojené koalescencí nebo podložkou a mohou vytvářet nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity, keramické nebo jiné tenké filmy nebo vrstvy.

c) stavební jednotky a jejich topologie mohou sloužit pro vytváření rozměrnějších materiálů vhodných pro technické aplikace.

Nanomateriály (nanostrukturní materiály) jsou ty, jejichž nové vlastnosti jsou určeny charakteristickými znaky (částice, klastry, dutiny) o rozměrech mezi 1-100 nm, přinejmenším ve dvou rozměrech.

Stručná historie nanotechnologie

1959 - Richard Feynman předkládá první vizi nanotechnologie

1960 - ve sborníku Caltech vychází Feynmanova hypotéza o možnosti budování nanosystémů

1973 - teorie uspořádání molekul

1980 - snímací tunelový mikroskop (STM) je schopen zhotovovat snímky jednotlivých atomů na povrchu materiálu 1981 - první článek o nanotech ve vědeckém časopise

1983 - řetězová reakce v polymeru - vytvořen první umělý chromozóm

1985 - objev buckminsterfullerenu - rezonanční tunelový prvek s kvantovým efektem

1986 - poprvé zaznamenány jednotlivé kvantové skoky v atomech - založen Foresight Institute (www.foresight.org)

1986 - Eric Drexler vydal knihu Stroje stvoření

1988 - vypracována metoda identifikace osob podle DNA z jediného vlasu

1989 - první přenos lidského genu s pomocí virového vektoru

1990 - pomocí tunelového skenovacího mikroskopu napsal tým vědců na niklový plát 35 xenonovými atomy písmena IBM - metoda sériové výroby buckminsterfullerenu

1991 - pomocí ohybu rentgenových paprsků vznikl první snímek molekul fullerenu - Arthur Hebard demonstroval, že molekuly fullerenu spolu s draslíkem nebo rubidiem jsou supravodivé

1991 - založen Institute for Molecular Manufacturing (www.imm.com)

1992 - Drexlerova kniha Nanosystémy - první úplné mapy struktury dvou lidských chromozomů - prototyp kvantového hradla

1993 - výpočty na superpočítači potvrdily Feynmanovu a Gell-Manovu teorii kvantové chromodynamiky - první nanodráty - řetízky silné pouze několik nanometrů

1995 - demonstrováno vedení elektrického proudu jednou molekulou - založena společnost Nanocor, zabývající se vývojem nanokompozitních materiálů (http://www.nanocor.com/) - Ed Regis vydal knihu Nano

1997 - založena společnost Zyvex - první firma zabývající se konstrukcí nanomechanismů (www.zyvex.com)

2000 - rozluštění lidského genomu - první nanomotorek na bázi DNA (Bell Labs)

2000 - americký prezident Bill Clinton vyhlašuje program National Nanotechnology Initiative (www.nano.org)

2001 - tranzistor z nanotrubiček (IBM) - první nanolaser, zaklad pro optický přenos dat v inteligentních nanosystémech - logický obvod v jedné molekule, tvořený dvěma tranzistory

2002 - začínají se prosazovat inteligentní kompozitní materiály

2003 - překročena hranice 50 nm - první klon člověka

2004 - první komerčně vyráběný nanotechnologický produkt

2008 - vývoj hybridního nanopočítače

2010 - položeny základy nanovýroby

2011 - první molekulární nanosystém s vlastní inteligencí (assembler)

2015 - OSN schvaluje celosvětový Protokol, zabraňující zneužití nanotechnologie

2020 - nástup nanopočítačů, nanomedicíny a ekonanotechnologie - umělá inteligence dosahuje úrovně lidské

2030 - kvantové počítače

2040 - počítače splývají s programem

Potenciální využití nanotechnologií v blízké budoucnosti

  1. Displeje z organických světlo emitujících diod (OLED)
  2. Fotovoltaické tenké vrstvy přeměňující světelné záření v elektrický proud
  3. Povlaky odolné vůči poškrabání mající samočisticí schopnost
  4. Textilie odolné vůči zašpinění mající schopnost regulovat teplotu
  5. Inteligentní oděvy schopné monitorovat puls a dýchání
  6. Lehké a pevné trubkové rámy
  7. Kyčelní náhrady z biokompatibilních materiálů
  8. Nátěry chránící před korozí obsahující nanočástice
  9. Termochromní skla regulující intenzitu procházejícího světla
 10. Magnetické vrstvy pro paměťová média
 11. Palivové články využívající uhlíkové nanotrubice
 12. Kochleární implantáty
 13. Polovodičové čipy a mikroelektronické aplikace
 14. Katalýza chemických procesů (analýza pomocí Au)
 15. Keramika, lehké slitiny, oxidy kovů a jiné kovové sloučeniny, ferity, magnety
 16. Pokrytí, barvy, pigmenty, plasty, plniva, obaly pro potraviny, nesmáčivá úprava povrchů
 17. Polymerní kompozitní materiály s vylepšenými mechanickými vlastnostmi (antibakteriální plasty,           
     antibakteriální boty)
 18. Transparentní kompozitní materiály, UV filtry s TiO2, ZnO
 19. Spalovací komory, plynové senzory, bateriové elektrody
 20. Nanočárový kód
 21. Hroty pro mikroskopy se skenující sondou
 22. Čištění enzymů a farmaceutik
 23. Medicínské aplikace, kontrastní látky, hypertermie, cílená likvidace tumorů, detoxikace krve
 24. Enviromentální aplikace- oblast čištění vod
 25. Senzorika a bezpečnostní problematika - tlakové a tepelné senzory ve stavebních materiálech
 26. Elektronika - vysokokapacitní záznamová média
 27. Fotomateriály, fotočlánky, palivové články, vysokokapacitní baterie
 28. Automobilový průmysl - palivo pro airbagy, super tvrdé nepoškrabatelné laky
 29. Stavebnictví - izolační materiály nové generace, samočisticí fasádní nátěry
 30. Kosmický průmysl - katalyzátory, odolné povrchy satelitů