Nanotechnologie

Jako prudce se rozvíjející mladá věda nanotechnologie nabízí výrobu materiálů strojů v nanoskopických

rozměrech. Tato věda vzájemně spojuje chemii, fyziku, molekulární biologii, počítačové vědy a strojírenství.

Nanotechnologii lze považovat jak za výrobu tak za vědecký počítačový výzkum, protože řada výrobků dosud

existuje jen v podobě matematických modelů a simulací.

Odborníci jsou přesvědčeni, že dopad nanotechnologie na náš každodenní

život bude v příštích desetiletích nedozírný. Očekává se vývoj nových čistých

zdrojů energie, levná a ekologicky čistá výroba pevných a bezvadných

materiálů, úplná obnova a vyčištění životního prostředí, bezpečná a dostupná

kosmická doprava na jiné planety a kolonizace těchto planet, zásadní pokrok v

medicíně, který povede k dokonalému zdraví a dlouhověkosti a mnoho dalšího,

co si dnes ani nedokážeme představit. V důsledku tohoto vývoje se také

očekává poměrně rychlé zastarávání a překonání téměř všech současných

průmyslových a ekonomických procesů již během první poloviny 21. století, které nutně povede k zásadním

změnám způsobů života, financí, práva a politiky.

Nanotechnologie je v podstatě molekulární technologie,

která se zabývá konstrukcí, modelováním, vyráběním a

manipulací s materiály a stroji v atomovém měřítku.

Prostorově ovládá hmotu na úrovni molekul a atomů, které

je schopna zpracovat a uspořádat do požadovaných

konstrukcí, jako jsou nanomotory. Od tradiční chemické

výroby se nanotechnologie liší tím, že chemické reakce

neprobíhají náhodným pohybem molekul v roztoku.

Molekuly jsou umístěny na požadované místo určitou

rychlostí a s určitou orientací tak, aby proběhly

požadované chemické reakce. Nanotechnologie se také

odlišuje od mikrolitografie křemíkových čipů, která

opakovaně opracovává hrubý materiál v mikroskopickém až nanoskopickém měřítku, avšak trpí defekty

původního substrátového materiálu. Naproti tomu nanotechnologie používá postupy "zdola nahoru" a vytváří

bezchybné struktury z atomů a molekul.

Údaje na následující straně obsahují přehled hlavních úspěchů nanotechnologie.

V roce 2001 americká vláda investovala 422 miliónů dolarů a v roce 2002 již 519

miliónů dolarů do rozvoje nanotechnologie. Nanotechnologický výzkum se rozšířil na

řadě univerzit ve světě a jsou již nabízeny vzdělávací programy na vysokoškolské a

dokonce středoškolské úrovni. Očekává se, že v nejbližších letech největší investice

budou proudit do biotechnologie, genomiky a nanotechnologie.

Hlavních úspěchů nanotechnologie

1959 Přednáška Richarda Feynmanna "Plenty of room at the bottom".

1974 První patent molekulárního elektronického zařízení.

1981 Vývoj rastrovacího tunelového mikroskopu (STM, Scanning tunneling microscope).

1985 Objev uhlíkových fullerenů (molekul C-60).

1986 Vývoj mikroskopu atomových sil (AFM, Atom Force Microscope).

1987 Pozorováno kvantování elektrické vodivosti. Vývoj prvního tranzistoru řízeného jediným elektronem.

1988 Vytvořen první "umělý" protein.

1991 Objev nanotrubiček.

1993 První nanotechnologická laboratoř ve Spojených státech amerických.

1997 Vyvinuto nanomechanické zařízení založené na molekule DNA.

1999 Vytvořen přepínač v molekulárním měřítku.

2000 Americká vláda zahájila Národní nanotechnologickou iniciativu (National Nanotechnology Initiative)

V současnosti lze v laboratoři vytvořit pouze jednoduché molekulární struktury. Modelování velkých

struktur však lze provádět s využitím současných výpočetních metod a počítačových technologií. Proto se v

nanotechnologii rozlišuje mezi výpočetními a konstrukčními postupy. Konstrukční postupy lze zhruba rozdělit

na výrobu materiálů a nástrojů. Velká část popularity nanotechnologie spočívá v jejím využití v jiných

oblastech vědy a techniky. Nanotechnologie již proniká do elektroniky, do technologií různých senzorů, do

kosmonautiky, do oblasti řešení čistoty životního prostředí, do oblasti zpracování odpadů a do lékařství.

Výrobní postupy:

Jedním z problémů vytváření nanoskopických molekulárních struktur je přesné

umístění a orientace molekul v prostoru. K tomu se používají mikroskopická ramena

robotů nebo podobných zařízení, která jsou schopna přesně umístit jednotlivé molekuly,

aby vznikly potřebné chemické vazby. Například se využívá rastrovací tunelový

mikroskop (STM), který je schopen při nízkých teplotách přemisťovat atomy a molekuly

pomocí hrotu své sondy. Nové metody, které překonají obtíže při manipulacích s nepatrnými molekulami

pomocí mnohonásobně větších nástrojů a vyřeší problémy adheze molekul, budou představovat zásadní

kroky směrem k výrobě nanostruktur. Proto budou klíčovým intelektuálním vlastnictvím, které bude mít

značnou ekonomickou hodnotu.

Jiným přístupem pro konstrukci nanoskopických struktur je využití jejich samovolného skládání, které

využívá schopnosti molekul se shlukovat do požadovaných struktur. Přestože samovolné skládání

(samoorganizace) se vyskytuje všude kolem nás a vytváří struktury od krystalů až po živé buňky, těmto

procesům dosud dostatečně nerozumíme.

Ekonomická výroba nanostruktur kromě technologické schůdnosti dále vyžaduje, aby náklady na výrobu

příliš nepřevyšovaly cenu použitého materiálu a energie. Proto intelektuálním vlastnictvím jsou také nové

výrobní metody, které snižují náklady. Jednou z levných metod výroby molekulárních struktur jsou sebe

replikující systémy, které používají "exponenciální skládání" jako konkrétní teoretický princip, podle něhož

nanoskopičtí roboti opakovaně vyrábějí své repliky. Jiným principem je "konvergentní skládání", při němž se

větší objekty dané velikosti rekursivně skládají z menších částí.

Výpočetní metody:

Zatímco současné technologie umožňují vyrábět pouze značně jednoduché

nanostruktury, současná výpočetní technika umožňuje modelovat a simulovat i poměrně

složité molekulární struktury. Pomocí softwaru pro chemické výpočty a skládání molekul

lze poměrně rychle modelovat a vyhodnocovat vlastnosti molekulárních materiálů,

nástrojů a strojů. Takto lze vyloučit všechny nevhodné a chybné návrhy, aniž dochází k

finančním ztrátám. Nanostruktury leží na hranici klasické fyziky a kvantové mechaniky. Proto se dostupné

softwarové balíky liší tím, jak podrobné jsou výsledné modely a jak rozsáhlé struktury lze modelovat na

dostupné výpočetní technice.

Například softwarové balíky molekulární mechaniky obvykle považují jednotlivé atomy za hmotné body a

jsou schopny modelovat struktury o velikosti několika tisíc atomů. Přesnější softwarové balíky, které uvažují

kvantovou mechaniku, mohou modelovat mnohem menší struktury, avšak popis vlastností a chování je

podrobnější a úplnější. Některé metody, které využívají jak klasickou tak kvantovou mechaniku, umožňují

modelovat molekulární struktury na rozhraní obou popisů. Různé metody, včetně algoritmů pro modelování

pole mezimolekulárních sil s rozumnou úrovní složitosti, databáze obsahující podstatné fyzikální a chemické

informace molekulárních komponent, metody komprese dat, grafické softwarové nástroje, softwarové nástroje

pro virtuální realitu, hardwarové uživatelské rozhraní a další speciální softwarové a hardwarové prostředky

jsou důležitým intelektuálním vlastnictvím, které je třeba chránit patenty, autorskými právy, obchodními

známkami, ochrannými prvky a pomocí obchodního tajemství.

Některé podoby uspořádání uhlíku v plošných či prostorových strukturách

plošná struktura

částečně válcová plocha

válcová plocha (trubička)

Aplikace nanotechnologie

Molekulární elektronika

Protože konvenční polovodičové mikroelektronické součástky se řídí Mooreovým zákonem, který

stanovuje fyzikální omezení, vývoj směřuje k hybridním obvodům obsahujícím konvenční a molekulární

komponenty. Pomocí struktur v pevné fázi se podařilo vyrobit nanoelektronické součástky, které využívají

některé kvantové jevy. Takovými součástkami jsou kvantové tečky, "schránky" nanoskopických rozměrů

obsahují určitý počet elektronů, které dohromady vytvářejí mřížky a celulární automaty zvláštních vlastností.

Dalšími součástkami jsou tranzistory, v nichž řízené tunelování elektronů zesiluje výstupní proud. Objev

schopnosti pružných uhlíkových nanotrubiček chovat se jako tranzistory a diody nabízí nové směry vývoje

mikroelektroniky. Zdokonalení těchto nových součástek a obvodů, jako je schéma časování pro celulární

automaty z kvantových teček nebo technologie výroby hybridních obvodů složených z polovodičů a

molekulárních obvodů, je důležitým intelektuálním vlastnictvím. Zatímco určité patentované molekuly a

zařízení lze poměrně snadno napodobit, mnohem obtížněji lze obejít patenty určitých struktur a postupů.

Paměťové čipy založené na nanotechnologii díky své jednodušší a snadněji opakovatelné struktuře

ve srovnání se složitými součástkami, jako jsou mikroprocesory, se zřejmě stanou prvními součástkami, které

se brzy objeví na trhu. Dále se očekává výroba plochých zobrazovacích jednotek, které budou využívat

uhlíkové nanotrubičky.

V budoucnosti se očekává, že elektronické součástky nebo celé analogové a digitální systémy budou

vyrobeny z molekulárních komponent. Takové elektronické součástky budou menší, budou mít vyšší hustotu

komponent (tranzistorů) a nižší spotřebu energie. Očekává se jejich levnější a přesnější výroba, vyšší

provozní teploty a další výhody, které rozšíří oblasti jejich využití. Proto nové metody účinné hromadné výroby

molekulární elektroniky jsou důležitým intelektuálním vlastnictvím.

Senzory

Senzory představují další oblast, o níž jsou výzkumníci a investoři přesvědčeni, že v ní

nanotechnologie nalezne brzy své uplatnění. Fyzikální vztahy mezi strukturními, chemickými a elektrickými

vlastnostmi uhlíkových nanotrubiček vedly k vývoji různých senzorů, které se brzy objeví na trhu. Příkladem je

senzor pro detekci oxidu uhličitého, který vyvinuli Keat G. Ong a Craig A. Grimes v roce 2001. Princip spočívá

ve sledování resonanční frekvence vícestěnné uhlíkové nanotrubičky, která odpovídá permitivitě příměsi. Tato

permitivita se mění lineárně s koncentrací oxidu uhličitého. Nanesení uhlíkových trubiček na zvláštní vazebná

místa v molekulách DNA by mohlo usnadnit sekvencování genomu. Důležitým intelektuálním vlastnictvím

budou nové metody levné hromadné výroby uhlíkových nanotrubiček nebo počítačové modely a simulace

mechanického chování nanotrubiček.

Vesmír

Značná pevnost a nízká hmotnost fullerenů by mohla posunout hranice pro cestování do vesmíru a

výrazně snížit náklady na vynesení kosmické sondy nebo lidské posádky na oběžnou dráhu. Ve vesmíru

působí velmi nízké až velmi vysoké teploty, značné tlaky, vysoké vakuum, silná radiace a podobně. Značný

význam proto má vývoj materiálů odolných vůči velkým změnám teplot, miniaturních počítačů, molekulárních

strojů a konstrukčních metod použitelných v kosmickém prostoru. Stejně významné jsou však počítačové

modely simulující činnost takových strojů.

Nanomedicína

Jakmile nanotechnologie bude schopna konstruovat nanoskopické stroje, lze očekávat, že první

aplikace se objeví v nanomedicíně. Jedním z návrhů jsou "respirocyty", miniaturní, diamantům podobné

buňky pro přenos kyslíku v krevních cévách, které by fungovaly jako umělé mechanické červené krvinky

(erythrocyty).

V boji proti syndromu získané ztráty imunity (AIDS, Acquired Immune Deficiency Syndrome) by se

mohly uplatnit tři vlastnosti uhlíkových fullerenů: jejich velikost, jejich schopnost přenášet chemické

sloučeniny na specifická místa v organismu a jejich jedinečný tvar, díky němuž se mohou navázat na buňky

infikované virem HIV (Humane Immunodeficiency Virus). Nové návrhy lékařských nanostrojů, metody

přepravy léčiv, komunikace, sledování takových nanostrojů, metody uvolňování léčiv do buněk (například

použitím nanotrubičkových injektorů) a nanoinženýrská protetika (jako jsou umělé kosti) jsou důležitým

intelektuálním vlastnictvím, které vyžaduje právní ochranu.

Životní prostředí a likvidace odpadů

Samosložitelné monovrstvy, tedy látky, které samovolně vytvářejí vrstvy o tloušťce jedné molekuly na

určitém povrchu, mohou posloužit pro likvidaci nebezpečných odpadů a čištění životního prostředí. Vrstva

funkčních molekulárních skupin, které se vážou na těžké kovy a vytvářejí propustný povrch, umožňuje

odstranit rtuť z anorganických a organických kapalin a plynů. Nové metody modelování, metody výroby a

aplikace pro aktivní a pasivní nanotechnické materiály, nanostroje pro čištění vody, odstraňování toxických

látek, detekce nečistot v prostředí, recyklace materiálů předtím, než z nich vznikne odpad, jsou některými

příklady intelektuálního vlastnictví, které vyžaduje právní ochranu.

Uhlíkové nanotrubičky (carbon nanotubes)

Carbon nanotubes (dále jen nanotubes) jsou trubkovité uhlíkové molekuly, které mají vlastnosti, které

z nich dělají potenciálně užitečné materiály v oblasti nanotechnologií. Tyto nanotrubičky vykazují neobvyklou

pevnost a jedinečné elektrické vlastnosti a jsou také extrémně účinnými vodiči tepla.

Nanotube je struktura podobná struktuře fullerenů, kde jsou atomy uhlíku utvářeny do kulové, eliptické či

prstencovité struktury. Nanotubes jsou však formovány do dutého válce, který vznikne stočením ploché

uhlíkové struktury. Nanotubes jsou 1-50nm široké v průměru a jejich délka je 10-100 mikrometrů (na délku

může být nanotube až miliónkrát větší než na šířku).

Tyto uhlíkové trubičky byly nově objeveny v roce 1991 Sumio Iijimatem. To zjistil jak můžou být nanotubes

produkovány ve velkém množství. Cena nanotubes je cca $100 dolarů na gram. Tato cena prozatím nejspíše

zamezí nějakému velkému měřítku jejich použití. Předpoklady hromadné výroby jsou takové, že by se cena

měla pohybovat okolo daleko nižších relací a to asi okolo pěti centům za gram.

Mohly by se stát základem příštích počítačových čipů, které by se už neskládaly z kovů jakožto vodičů,

nýbrž z velmi malých vodivých vláken karbonu. Umožnily by tak výrobu mnohem menších, rychlejších a

dokonce i levnějších čipů. Spolu s tím by se však samozřejmě musely změnit výrobní technologie, což by ve

svém důsledku znamenalo přestavování celých továren, respektive výstavbu nových a rušení starých. A to by

rozhodně tak levné nebylo.

Nanosvět však není pouze záležitostí počítačů. Využití takto malých zařízení je skutečně všestranné, a tak

se o podobné technologie zajímají i další zájmové skupiny.

Výzkumné centrum nanotechnologií amerického Národního ústavu pro letectví a kosmonautiku (NASA)

má s využitím pokročilé miniaturizace velkolepé plány. Na výzkumu, který má rozšířit obzory průzkumu

vesmíru pracuje v současné době na padesát špičkových vědců. Prvotním impulsem je vývoj nových,

ultralehkých materiálů a elektronických systému, druhotně je to pak aplikace nanobotů v roli samostatných

průzkumných sond. Své místo zde mají také již zmiňované uhlíkové nanotrubičky, které se mohou stát

základem pro extrémně pevné a odolné materiály. Odborníci předpokládají, že reálného využití se takovéto

technologie dočkají během následujících 10 až 15 let.

Miniaturní roboti o velikosti molekuly samozřejmě nemůže ujít pozornosti (americké) armády. A tak se její

experti rozhodli, že je využijí, samozřejmě po svém. Chtějí postavit malé "mechaniky", kteří by dokázali

detekovat a zacelovat oděrky a šrámy či dokonce korozi v tělech válečných vozidel. Zní vám to fantasticky?

To ještě zdaleka není všechno. Jiné plány počítají s využitím podobných "drobečků", kteří by sloužily jako

přizpůsobivá kamufláž vozidel. Vzhled vozidla by se pak měnil podle toho, v jakém terénu či prostředí by

operovalo. Podobné vymoženosti se mají v ostrém provozu objevit už mezi lety 2005 až 2009. Vize

spisovatelů science fiction se tedy jak vidno opět začínají naplňovat!.

http://wikipedia.infostar.cz/n/na/nanotechnology.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/g/gr/gram.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/d/do/dollar.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/1/19/1991.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/f/fu/fullerene.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/h/he/heat.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/e/el/electricity.htmlhttp://wikipedia.infostar.cz/c/ca/carbon.html

Výběr některých vlastností nanotrubiček a jejich porovnání s klasickými materiály

Materiál Youngův modul (GPa) Pevnost v tahu (GPa) Hustota (g/cm3)Single wall nanotube (SWNT) 1054 150 -Multi wall nanotube (MWNT) 1200 150 2.6

Ocel 208 0.4 7.8Pryskyřice 3.5 0.005 1.25

Dřevo 16 0.008 0.6

Mez elasticity:Younguv modul pro jednostěnné nanotrubičky ~ 1 TPa

Younguv modul pro vícestěnné nanotrubičky 1.28 TPa

Maximální pevnost v tahu ~30 GPa

Uhlíková nanotrubička: 1-50nm v průměru, 10-100 mikrometrů ne délku

Scann pomocí elektronového mikroskopu s vysokým rozlišením CVD (multiwall carbon nanotubes)

Pro zajímavost:

Benzín s nanotrubičkami zapálí pouhé světlo

Náhodné objevy jsou dnes stále vzácnější. Přesto se jeden takový podařil studentům v Rensselaer Polytechnic Institute v New Yorku. Právě se

fotografovali na památku v laboratoři, když blesk zapálil hromádku

uhlíkových nanotrubiček, která ležela volně na stole. Podle časopisu New

Scientist může náhodný objev zásadně ovlivnit konstrukci spalovacích

motorů.

Zdánlivě kuriózní nehoda v Rensselaer Polytechnic Institute iniciovala okamžitě seriózní výzkum.

Uhlíkové nanotrubičky totiž vzplanuly pouze na základě světelného impulsu. Tento jev umožňují právě jejich

nanorozměry. Trubičky pohltí velké množství světla a přemění je v teplo, které je dokáže zapálit. Podrobnější

zkoumání však ukázalo, že k jevu dochází pouze za přítomnosti kovových nebo jiných nečistot.

Ačkoli vědci ještě přesně nevědí, proč hromádka nanotrubiček vzplane jenom díky světelnému impulzu,

okamžitě začali s jevem experimentovat. Bruce Chehroudi a Stephen Danczyk z Výzkumných laboratoří

amerického vojenského letectva v Kalifornii experimentálně zjistili, že nanotrubičky osvícené intenzivním

světelným zábleskem dokáží zapálit methanol i raketové palivo. Podobně se dá zapalovat i střelný prach

nebo střelná bavlna.

Podle vědců by nanotrubičky uhlíku mohly sloužit i v klasických spalovacích motorech. Stačilo by přidat je

do benzínu. V hlavách válců zážehových motorů by se pak místo svíček nacházely LED (Light Emitting

Diode). Světlo emitované LED by zapálilo nanotrubičky rozptýlené ve výbušné směsi benzínu a vzduchu. Od

nich by pak chytilo samotné palivo. Zapalování pomocí nanotrubiček a světelného záblesku by zásadně

zvýšilo účinnost spalovacích motorů. Zlepšily by se také emise.

Dosavadní iniciace elektrickou jiskrou má totiž řadu nevýhod. Palivo hoří ve válci postupně, jak se šíří

energie zapalovací jiskry od jediného zapalovacího bodu - svíčky. Často tak nedojde k úplnému vyhoření

paliva, což pak snižuje výkon motoru a zvyšuje emise. Nanotrubičky by se po světelném záblesku vznítily

najednou téměř v celém objemu válce. Tím by bylo hoření paliva efektivnější, rychlejší a rovnoměrnější.

Unikátní reakce uhlíkových nanotrubiček na světelný záblesk najde své uplatnění i v kosmonautice

(například při separaci jednotlivých raketových stupňů) nebo ve vojenství. Vědci teď hledají optimální vlnové

délky světla, na které budou nanotrubičky reagovat co nejintenzivněji.

http://www.afrl.af.mil/http://www.afrl.af.mil/http://www.rpi.edu/

Benzín s nanotrubičkami zapálí pouhé světlo