Nanotehnika

Rotirajoča kristalna struktura C60 "nanotehnologija"

Nánotéhnika je izraz, s katerim označujemo tehnični razvoj v nanometrskem merilu, navadno v velikostih od 0,1 do 100 nm (en nanometer je enak tisočinki mikrometra ali milijoninki milimetra). Industrijsko uporabo nanotehnike imenujemo nánotéhnologija.

Izraz nanotehnika pogosto uporabljajo kot sinonim za molekularno nanotehniko, hipotetično napredno obliko nanotehnike, za katero se verjame, da se bo razvila v prihodnosti, čeprav se ocene o tem, kdaj natančno, razlikujejo. Izraz nanoznanost se uporablja za opis interdisciplinarnega polja znanosti, posvečenega razvoju nanotehnike.

V nanometrskem merilu postanejo pomembni kvantnomehanski pojavi, ki imajo včasih neintuitivne posledice. Pri nanotehnološki obdelavi površin je moč doseči veliko povečanje razmerja med površino in prostornino telesa, kar je uporabno pri površinskih pojavih, kot je kataliza.

Uporaba

Nanotehnologija se pojavlja na vseh področjih industrije, od kemijske in tekstilne industrije, računalništva, informatike, energetike, do transporta in avtomobilske industrije, še posebej na področju farmacevtske in obrambne dejavnosti. Omogoča izdelavo naprav (strojev) ali materialov, ki so lažji, hitrejši, močnejši, ki imajo popolnoma nove ali dodatne specifične lastnosti. Nanoznanost pojasnjuje nove pojave in lastnosti (fizikalne, kemijske in biološke) na nanometrskem dimenzijskem nivoju.

Računalništvo

Gostota elementov v čipih sodobnih računalniških komponent (npr. število tranzistorjev na enoto površine) še vedno narašča eksponentno, fundamentalne omejitve elektronike pa ne dopuščajo v nedogled takšne rasti, ki jo opisuje Moorov zakon. Po zdajšnjih ocenah bo ta meja dosežena v 10-15 letih, ko bodo naraščajoči stroški izdelave preprečili nadaljnjo miniaturizacijo. Nanotehnologijo v tem kontekstu vidijo kot naslednji logični korak v razvoju računalniške arhitekture.

Nanomateriali

Nanomaterial je snov, ki vsebuje nanostrukture dimenzij med 1 nm in 100 nm, ali natančneje velikost vsaj ene izmed dimenzij nanostrukture mora biti manjša od 100 nm. To je dimenzijska meja (100 nm), pri katerih se lastnosti nanomateriala bistveno razlikujejo od lastnosti masivnega materiala. Zaradi svojih izredno majhnih dimenzij imajo namreč nanomateriali drugačne lastnosti od običajnih materialov. Nanostrukture so lahko plastovitih oblik, v obliki nanocevk in nanovlaken ter kot tridimenzionalni nanodelci.

• Nanocevke so drobne, votle cevaste strukture, katerih premer ima dimenzijo reda velikosti 1 nm. Nanocevke bi lahko smatrali kot v svitke zvite nanoplasti, ki so zgrajene iz atomov. Najbolj znane so nanocevke, ki so zgrajene iz ogljikovih atomov.
• Za plastovite nanostrukture je značilno, da je debelina plasti manjša od 100 nm. V to skupino sodijo npr. nanofilmi ali nano površinski premazi »nano premazi«, ki to niso glede na debelino plasti temveč jih tako imenujemo zaradi vsebnosti nanodelcev v filmu premaza.

Lastnosti:

Materiali, ki so zgrajeni iz cevastih nanostruktur se odlikujejo po svoji nizki gostoti, ki je šest krat nižja od gostote jekla ter po izjemni trdnosti, ki je v primerjavi s trdnostjo jekla kar 200 krat višja. Tako bodo nanocevke verjetno nadomestile polprevodniške materiale na osnovi silicija. Nanofilmi ali nano površinski premazi pa predstavljajo materiali s visoko hidrofilnostjo, vodoodbojnostjo, samočistilne lastnosti in odpornost proti navzemanju prahu (lotosov efekt), ter dobro odpornost proti različnim tekočinam, tudi optični fenomeni (fotokromni, elektrokromni, termokromni, mehanokromni in kemokromni premazi).

Vplivi na zdravje

Nekatere raziskave kažejo, da imajo določeni nanomateriali povečano toksičnost. Predvsem je problematična velika površina nanodelcev in s tem zvezno povečana reaktivnost nanosnovi. Nanodelci lahko prodrejo v telo preko kože, pljuč in prebavnega trakta ter v notranjih organih povzročajo vnetja in različne poškodbe. Podobno kot mala azbestna vlakna, bi tudi nanodelci v telesu lahko sprožili razvoj rakastih obolenj.

Zakaj je velikost nanodelcev tako pomembna? 70 nm nanodelci lahko prodrejo v pljučne mešičke, 50 nm delci v celice ter 30 nm celo v celično jedro. Podatki o potovanju delcev, manjših od 20 nm pa še ni. Kadar delci pridejo v krvni obtok, jih raznese po vsem telesu, zaidejo lahko celo v možgane. Nanodelci, ki so kroglastih oblik, se v alveolnih področjih pljuč lažje izognejo celicam makrofagov, zato ne povzročajo toliko vnetnih procesov kot nitkasti delci. Vendar so po velikosti bližji receptorjem celične membrane, zato pljučna celica takšnega delca ne prepozna kot sovražnega tujka in ga s procesom endocitoze spusti vase in posledično tudi v krvni obtok. V nadaljevanju je navedenih nekaj primerov strupenosti inženirskih nanodelcev: FeOx so strupeni za živčne celice; Ag povzroča tim. oksidativni stres; lahki in hitro gibljivi delci silicijevega dioksida povzročajo srčna obolenja in bolezni dihal, zlasti pri starejših ljudeh.

Viri:

• "Basic Concepts of Nanotechnology" History of Nano-Technology, News, Materials, Potential Risks and Important People.
• Andrew Schneider, The Nanotech Gamble, Growing Health Risks from Nanomaterials in Food and Medicine, First in a Three-Part Series, AOL News Special Report, March 24, 2010.

Povezave:

• What is Nanotechnology? (A Vega/BBC/OU Video Discussion).
• "Nanotechnology Basics: For Students and Other Learners." Center for Responsible Nanotechnology. World Care. 11 Nov. 2008.
• Welcome to nanoworld
• Nanocenter Slovenia