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.
(zdroj: http://www.nanosilver.cz/nanotechnologie/)
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
(zdroj: http://home.tiscali.cz:8080/vianpage/informatika/nanotechnologie.htm)
Rok 2005 ve znamení nanotechnologií
V lednu 2005 vydala renomovaná poradenská společnost Deloitte Touche Tohmatsu prognózu vývoje technologií, médií a telekomunikací pro tento rok, ve které zmiňuje deset základních trendů, které budou mít v tomto roce klíčový význam pro rozvoj globálního průmyslu. Patří mezi ně Internet, sítě, nanotechnologie, palivové články, zajištění elektronické bezpečnosti, roboti a kvantové počítače.
Prognóza předpokládá, že nanotechnologie se během roku prosadí do povědomí širší veřejnosti a jejich rozvoj bude stále častěji financován velkými průmyslovými společnostmi. Upozorňuje také na skutečnost, že využívání poznatků nanotechnologií již vedlo k tiché revoluci v řadě odvětví, počínaje pevnými disky počítačů a opalovacími krémy, a konče výrobou automobilových pneumatik. Prognóza také poukazuje na skutečnost, že nanotechnologie se již brzy stanou úhelným kamenem každého výrobního procesu. V dlouhodobější perspektivě jejich využití pak povede ke vzniku zcela nových výrobků, jejichž výroba se dnes zdá nemožná.
Pojmem nanotechnologie je v současné době označována oblast vědy, která se zabývá cílenou a přesnou manipulací s jednotlivými atomy a molekulami tak, aby vznikl nový objekt. Takovým objektem může být například integrovaný obvod, který je však tisíckrát menší, než obvod vyráběný konvenční technologií. Nanotechnologie obvykle bývá spojována se třemi základními tématy. Prvním je myšlenka samo(sebe)replikace a samo(sebe)replikujících se výrobních systémů. Tyto systémy by měly být schopny jak výroby užitečných produktů, tak replikace sama sebe. Druhé téma se týká materiálového inženýrství, tedy výroby materiálů požadovaných vlastností prostřednictvím ovlivňování jejich molekulární struktury. Na rozdíl od samo(sebe)replikujících se automatů jsou nanotechnologicky připravené materiály již delší dobu realitou. Třetím tématem je pak molekulární nanotechnologie, která spočívá v kombinaci poznatků chemie a mechaniky s cílem vytvořit molekulární stroje. I v této oblasti již bylo dosaženo jistého pokroku, zejména pak při spojení nanotechnologie a biotechnologie.
(zdroj: T+T Technika a trh, 10.2.2005)
Potenciální využití nanotechnologií v blízké budoucnosti
- Displeje z organických světlo emitujících diod (OLED)
- Fotovoltaické tenké vrstvy přeměňující světelné záření v elektrický proud
- Povlaky odolné vůči poškrabání mající samočisticí schopnost
- Textilie odolné vůči zašpinění mající schopnost regulovat teplotu
- Inteligentní oděvy schopné monitorovat puls a dýchání
- Lehké a pevné trubkové rámy
- Kyčelní náhrady z biokompatibilních materiálů
- Nátěry chránící před korozí obsahující nanočástice
- Termochromní skla regulující intenzitu procházejícího světla
- Magnetické vrstvy pro paměťová média
- Palivové články využívající uhlíkové nanotrubice
- Kochleární implantáty
- Polovodičové čipy a mikroelektronické aplikace
- Katalýza chemických procesů (analýza pomocí Au)
- Keramika, lehké slitiny, oxidy kovů a jiné kovové sloučeniny, ferity, magnety
- Pokrytí, barvy, pigmenty, plasty, plniva, obaly pro potraviny, nesmáčivá úprava povrchů
- Polymerní kompozitní materiály s vylepšenými mechanickými vlastnostmi (antibakteriální plasty, antibakteriální boty)
- Transparentní kompozitní materiály, UV filtry s TiO2, ZnO
- Spalovací komory, plynové senzory, bateriové elektrody
- Nanočárový kód
- Hroty pro mikroskopy se skenující sondou
- Čištění enzymů a farmaceutik
- Medicínské aplikace, kontrastní látky, hypertermie, cílená likvidace tumorů, detoxikace krve
- Enviromentální aplikace- oblast čištění vod
- Senzorika a bezpečnostní problematika - tlakové a tepelné senzory ve stavebních materiálech
- Elektronika - vysokokapacitní záznamová média
- Fotomateriály, fotočlánky, palivové články, vysokokapacitní baterie
- Automobilový průmysl - palivo pro airbagy, super tvrdé nepoškrabatelné laky
- Stavebnictví - izolační materiály nové generace, samočisticí fasádní nátěry
- Kosmický průmysl - katalyzátory, odolné povrchy satelitů