Ještě v polovině minulého století byly nanotechnologie neznámým oborem. Technolo-gický rozvoj v posledních asi 30 letech umožnil rozšířit fyzikální výzkum do oblastí velmimalých rozměrů. Tím se stala vysoce aktuální oblast tzv. nanotechnologií, která pracujes nanostrukturami, tj. strukturami o rozměrech přibližně v intervalu od 1 nm do 100 nm. Ob-last nanosvěta leží právě mezi světem elementárních částic, atomů a molekul, popisovanýmkvantovou fyzikou a reálným světem, který popisuje klasická fyzika a který vnímáme bezpro-středně našimi smysly. Je velmi zajímavá tím, že se zde objevují nové, neobyčejné vlastnostihmoty.
Cílem tohoto příspěvku je, naučit se orientovat v celé řadě pojmů s předponou nano.Nahlédneme do historie, kde se s nanoobjekty pracovalo, aniž je kdo pojmenoval, ukážemejaká je příčina „jiných“ fyzikálních a chemických vlastností nanoobjektů a uvedeme praktickédopady nanotechnologií pro náš každodenní život.
K U P O
Obsah1. Počátky nanotechnologií 2
2. Pojem nanotechnologie a jejich členění 2
3. Nanostruktury z pohledu kvantové fyziky 3
4. Příklady nanostruktur a jejich aplikace v nanotechnologiích 5
Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republikyv rámci projektu Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky (CZ.1.07/2.2.00/07.0018).
1. Počátky nanotechnologiíJedním z prvních průkopníků této vědní disciplíny byl americký vědec a nositel Nobelovy ceny za
fyziku R P F. Ve své přednášce ere's Plenty of Room at the Bottom (volně přelo-ženo Tam dole je spousta místa) v roce 1959 položil řečnickou otázku: „Proč ještě neumíme zapsat všechdvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavičku?“ V přednášce zmínil i možnostmanipulace s molekulami a atomy. Tehdy nazýval tento obor mikrotechnologií. Tenkrát byl možná po-važován za snílka, dnes je na jeho počest každoročně udělována Feynmanova cena za přínos v oborunanotechnologií.
Termín nanotechnologie se objevil až v roce 1974. Japonský fyzik N. T jím označil novouměřicí metodu, která umožňovala výrobu součástek s přesností na nanometry. V 70. letech na tytomyšlenky navázal americký fyzik K. E. D. Ve svém článku o molekulárním inženýrství navrhlvyužít proteiny jako základní stavební kameny. Současně upozornil na pozitivní i negativní stránkymolekulárních nanotechnologií. Ve své knize Stroje stvoření – nástup éry nanotechnologie z roku 1986popisuje svět miniaturních systémů (nanorobotů), které by se chovaly podobně jako živé organizmy, mělyby schopnost reprodukce, vzájemné komunikace a sebezdokonalování.
V druhé polovině 20. století probíhaly výzkumy orientované na poznávání vlastností základních sta-vebních prvků hmoty a jevů projevujících se na atomové a molekulární úrovni. Hlavní zájem byl tedyorientován na poznání způsobů, jakými příroda vytváří rozmanité struktury. K tomu přispěl jeden z nej-významnějších objevů 80. let, a to které umožnily pozorování a manipulaci s atomy a molekulami –skenovací tunelovací mikroskop (STM – Scanning Tunneling Microscope) a mikroskop atomárních sil(AFM – Atomic Force Microscope). Pokrok šel stále více dopředu, od výroby čipů velké integrace s roz-měry 100 nm, přes obrábění povrchů s přesností na nanometry, až po využití nanostruktur v medicíně abiotechnologiích. A tak se zrodil nový interdisciplinární obor – nanotechnologie.
2. Pojem nanotechnologie a jejich členěníNanostruktury, tzn. oblast částic a struktur o rozměrech mezi 1 nm až 100 nm, považujeme za základní
stavební jednotky nanomateriálů. Zkoumáním jejich vlastností se pak zabývá nanověda. Její hranice sevšak nedá zcela přesně vymezit. Zahrnuje oblasti fyziky pevných látek, chemie, inženýrství i molekulárníbiologie. Nanotechnologie bychom potom mohli definovat jako interdisciplinární a průřezové technologie,zabývající se praktickým využitím nových a neobvyklých vlastností nanomateriálů pro konstrukci novýchstruktur, materiálů a zařízení.
Zatímco lidé objevili svět nanotechnologií zhruba v polovině 20. století, příroda toto tajemství zná apoužívá již celá tisíciletí při tvorbě živé i neživé přírody. Většina životních procesů probíhá v nanorozmě-rech. Celá řada biologických materiálů a objektů může být zařazena mezi nanočástice. Jsou to napříkladviry (10–200 nm) či bílkoviny (5–50 nm). Základními stavebními prvky proteinů je 20 aminokyselin s roz-měry 0,6 nm. Při vytváření proteinů jsou aminokyseliny vázány do dlouhých polypeptidických řetězců,tvořících jakési nanodrátky. Příkladem může být dvojitá šroubovice DNA, která tvoří genetický materiál,a která je stočena do chromozomu o velikosti cca 5 µm.
Příroda své struktury a funkční systémy konstruuje hierarchicky. Příkladem takové struktury můžebýt šlacha. Funkcí šlachy je přichytit sval ke kosti. Základním stavebním kamenem šlachy je seskupeníaminokyselin (0,6 nm), které tvoří kolagen (1 nm), jenž se stáčí do trojité šroubovice (2 nm). Pak následujesekvence fibrilárních (vláknitých) nanostruktur – mikrofibrila (3,5 nm), subfibrila (10–20 nm) a samotnáfibrila (50–500 nm). Poslední dvě konečné struktury představují svazek vláken zvaný fascikula (50–300 µm).Samotná šlacha může mít rozměr od 10 do 50 cm.
... Obrázek 1: Magnetotaktická bakterie na snímku z transmisního elektronového mikroskopu.
Další přírodou využívanou nanotechnologií je biomineralizace. Příkladem jsou tzv. biogenní magne-tické nanočástice. V roce 1975 objevil R B magnetotaktické bakterie, které si vytvářejísférické krystality magnetitu (Fe₃O₄) o rozměru asi 50 nm (obr. 1). Řetízky těchto krystalických částic,
2
zvané magnetosomy, slouží jako jednoduché střelky kompasu, které pasivně zkrucují buňky bakterie tak,aby byly vyrovnávány souběžně se zemským magnetickým polem, a bakterie tak mohla snáze najít jejínejpřirozenější prostředí – zónu na rozhraní kalu a vody. Tyto bakterie „plavou“ na severní polokoulivždy k severnímu magnetickému pólu a na jižní polokouli k jižnímu magnetickému pólu.
Z těchto několika příkladů vyplývá, že se příroda stává pro vědu nesmírně bohatým zdrojem inspirace,a ta proto soustřeďuje svůj zájem na vytváření struktur podobných vlastností, které se pak snaží uplatnitve všedním životě.
Nanotechnologie mají široké spektrum využití. Obecně se dá říci, že se týkají všeho, co je kolem nás.Nanotechnologie sice patří k novým vědním disciplínám, ale některé její metody uměl člověk používatuž mnohem dříve, aniž by si je uvědomoval. Již ve starém Egyptě se můžeme setkat s barvením vlasůnanočásticemi PbS, pomocí kterých bylo dosahováno dlouhodobě stálého černého zabarvení. Napříkladve středověku používali skláři jako přísady prášky různých kovů a látek pro dosažení zajímavého ba-revného efektu skla. Jednalo se především o zlato, stříbro, síru a selen. Bylo zjištěno, že tyto látky seve skle vyskytují ve formě nanokrystalů. Kovových nanokrystalů se též využívalo ve 13.–16. století provytvoření lesku glazované keramiky. V roce 1861 britský chemik T G popsal suspenzi ob-sahující částice o rozměrech 1–100 nm, kterou nazval koloidním systémem a položil tak základ oboru,nazývaného koloidní chemie. Dalším příkladem je použití sazí jako plniva při výrobě pneumatik. Jednáse o částice amorfního uhlíku o rozměrech 10–500 nm.
V současnosti se nejvíce nanotechnologie využívají v oblasti chemie, zdravotnictví, informačních akomunikačních technologií, energetiky a péče o životní prostředí.
3. Nanostruktury z pohledu kvantové fyzikyZákladní úroveň fyziky popisuje jevy kolem nás zejména pomocí klasické fyziky, ať už jsou to New-
tonovy pohybové zákony, elektromagnetické jevy, které popsal Faraday, nebo optické jevy z pohledupaprskové či vlnové optiky. Již na střední škole je nastíněno, že světlo je elektromagnetické vlnění akvantum jeho energie se nazývá foton. Zde již klasická fyzika (optika) přechází v kvantovou.
Představme si situaci, že házíme tenisový míček proti stěně. Samozřejmě se odrazí. Na základěklasické fyziky bychom byli schopni popsat kinetickou energii míčku, jeho deformační energii při odrazu,působící síly a využít další známé vztahy z klasické (newtonovské) fyziky, jako zákon zachování hybnostinebo energie. Klasická fyzika by však nepřipustila, že by tenisový míček mohl stěnou projít.
Kvantová fyzika, popisující svět na úrovni atomů a elementárních částic, přinesla pochopení řadyjevů, jejichž využití se stalo základem nanotechnologií. První příklad, který uvedeme, je tzv. tunelovánípotenciálovou bariérou, tj. možnost průchodu částice oblastí, vůči které má částice menší energii. Pravdě-podobnost P, že částice o hmotnosti m a energii E takovou potenciálovou bariérou projde, charakterizujefunkce, která pro bariéru o šířce L a výšce E0 má tvar
P ≈ e− 2Lh̄
√2m(E−E0) (1)
kde h̄ je redukovaná Planckova konstanta. Ze vztahu (1) vyplývá, že funkce je exponenciální, a pravdě-podobnost tak citlivě závisí na všech hodnotách proměnných – hmotnosti částice m, šířce bariéry L arozdílu energií (E0 − E).
Tunelování elektronů využívá unikátní mikroskopická metoda – skenovací tunelovací mikroskopie,která dokáže nejen zobrazit povrchy s atomárním rozlišením (obr. 2), ale umožňuje rovněž manipulovats jednotlivými atomy. Na obr. 3 je sestaveno logo firmy IBM z atomů xenonu na niklové podložce.
... Obrázek 2: Zobrazení povrchu vrstevnaté struktury s atomárním rozlišením pomocí skenovacího tunelovacího mikro-skopu.
3
... Obrázek 3: Logo firmy IBM sestavené z atomů Xe na Ni podložce.
V roce 1925 L B definoval vlnový charakter elektronů. Ten je na obr. 4 potvrzen stojatýmivlnami, vzniklými seřazením atomů železa do tvaru kruhové ohrádky na povrchu mědi, jak je zobrazilskenovací tunelovací mikroskop.
... Obrázek 4: Kvantová ohrádka složená z atomů Fe na Cu.
Prostorové omezení de Broglieho vlny, která je dané částici přiřazena, vede k tzv. kvantování energie.To znamená, že jen určité energie jsou povolené. Označujeme je jako diskrétní stavy s diskrétními hod-notami energie. Takové prostorové omezení představuje například atom, kde je elektron držen kladně na-bitým jádrem, a kvantování energie se projeví tím, že elektron se může vyskytovat v atomu jen v určitémkvantovém stavu.
K jednoduchému popisu chování elektronů, nacházejících se v omezeném prostoru, můžeme využítjednorozměrnou potenciálovou jámu, která představuje pro elektrony určitou past. Vyjádření diskrétníchenergií En pro elektrony o hmotnosti me je dáno vztahem
En = h2
8meL2 n2 (2)
kde L je šířka potenciálové jámy, h je Planckova konstanta a n = 1, 2, 3, . . . je hlavní kvantové číslo,charakterizující diskrétní energii částice a popisující kvantový stav elektronu v elektronovém obalu.
Potenciálovou jámu můžeme laboratorně připravit tak, že použijeme polovodičový materiál ve forměprášku, jehož zrna mají rozměry řádově jednotky nanometrů a mají stejnou velikost. Každé takové zrno,nanokrystal, potom působí jako potenciálová jáma pro elektrony, které jsou v ní uvězněny. Podle vztahu(2) je zřejmé, že nejnižší možnou energii elektronu, vázaného v potenciálové jámě, můžeme zvýšit zmenše-ním její šířky. Tento vztah platí i pro jámy tvořené jednotlivými nanokrystaly, tj. čím menší je nanokrystal,tím vyšší je prahová energie fotonu, který může být absorbován, případně emitován. Příkladem takovénanostruktury jsou tzv. kvantové tečky.
Kvantové tečky jsou ohraničené oblasti polovodiče o průměru 30 nm a výšce 8 nm (obr. 5), schopnév důsledku nižší energie ve srovnání s energií vodivostního pásu okolního polovodiče vázat elektrony.
Mohou nabývat pouze diskrétních hodnot energie, podobně jako je tomu u atomu. Každá tečka má
4
omezenou kapacitu, určenou jejími rozměry. Elektrony uvnitř teček vykazují kvantové vlastnosti. Jak siukážeme v dalších kapitolách, kvantové tečky se využívají ve speciálních součástkách, které jsou schopnypracovat s jednotlivými elektrony či fotony.
Závislost změny vlnové délky emitovaného světla na velikosti nanočástic (nanokrystalů) lze dokázattak, že vybudíme částice rozptýlené v roztoku ultrafialovým světlem, a čím je rozměr nanokrystalkůCdSe menší, tím více se fluorescence posouvá do modré části spektra. Fluorescence nanočástic CdSe jeuvedena na obr. 6. Vlevo je rozměr částic 2 nm a vpravo 6 nm.
4. Příklady nanostruktur a jejich aplikace v nanotechnologiíchNanočástice, nanovrstvy V oblasti nanomateriálů se využívají především částice ve formě nanoprášků.Jedná se např. o nanoprášky TiO₂ a ZrO₂ používané v kosmetických krémech, pleťových vodách a opa-lovacích krémech. S přísadou nanočástic TiO₂ se vyrábějí laky s reflexními vlastnostmi. Výrobci skelpoužili TiO₂ v podobě nanočástic pro optimální zatmavení. Sklo je dokonce schopné dobře odrážet slu-neční paprsky.
Nanočástice Fe₂O₃ se používají jako základní přísada do rtěnek a líčidel (UV filtr). Různé fáze oxiduželezitého Fe₂O₃ mají specifické vlastnosti. Používají se např. jako barevné pigmenty pro přípravu prů-myslových barviv či jako přísada do barevných skel, jako katalyzátory pro řadu chemických reakcí, promagnetická záznamová média či počítačové paměti. Katalytické vlastnosti nanoprášku Fe₂O₃ se dají vyu-žít v raketovém, vojenském a automobilovém průmyslu při konstrukci dokonalejších airbagů. Magnetickévlastnosti těchto nanočástic se využívají v lékařství v nových metodách filtrování, detoxikace tekutin akrve, nebo jako kontrastní činidla pro tělní orgány při zobrazování metodou magnetické rezonance (MRI).Nanoprášek Fe₂O₃ lze též použit pro detoxikaci kontaminovaného území.
Vědci pokryli nanočásticemi SiO₂ povrch skla. Přítomnost nanočástic zabraňuje srážení vody na skle,a tím zůstává stále suché a nerosí se. Speciální vlastnost takto upraveného skla se dá využít např. proskla automobilů, brýlí či u koupelnových zrcadel. Na trh byly uvedeny obkladačky s povrchovým filmemz nanočástic, na nichž se nedrží voda ani špína.
Na řezné nástroje či některé části strojů se nanášejí nanostrukturní povlaky. Nanovrstva chránínástroj před otěrem, opotřebením, povolením šroubu, apod. Pro tento účel se používají vrstvy z uhlíku,jež mají senzorické vlastnosti. Působí-li na ně tlak či síla, mění se jejich elektrický odpor. Toho lze využítpro diagnostiku a kontrolu strojů. Např. uvolní-li se šroub, vyšle uhlíková vrstva jeho podložky signál dořídícího elektronického systému.
Nanočástice jsou využívány pro leštění optických materiálů a elektronických substrátů (např. Si,GaAs). Nanočástice karbidu křemíku, diamantu a karbidu bóru se používají pro lapování součástek(velmi přesné leštění), s cílem omezit vlnitost povrchu na 1 až 2 nm. Výroba těchto součástek s vysocekvalitními povrchy má velký význam pro miniaturizaci elektronických zařízení a rozvoj optoelektronickýchsystémů.
Nejvýznamnější využití nanomateriálů najdeme v oblasti informačních technologií, a to při výroběkřemíkových tranzistorů, které používají řízené nanášení vrstvených struktur o tloušťce přibližně 1 nm(rozměr atomu je přibližně 0,1 nm). Příčné rozměry kritické délky hradla tranzistoru se některým výrob-cům podařilo snížit až na hodnoty pod 30 nm. Čím je délka hradla kratší, tím lze vytvořit menší, rychlejšía energeticky účinnější tranzistory. S tím souvisí také zlepšení výkonnosti digitálních zařízení a sníženíjejich ceny.
Další využití vrstvených struktur nalezneme u čtecích hlav standardních harddisků. Přítomnost na-nostruktur je příčinou vzniku velkého magnetického odporu, který významně zvyšuje jejich paměťovoukapacitu a snižuje jejich cenu.
5
Uhlíkové nanostruktury Začátkem 90. let byly objeveny kulovité uhlíkové molekuly, tzv. fullereny, kterénastartovaly koncepci nanotechnologií. Fullereny byly objeveny britským profesorem H Ka americkými fyziky R C a R S. Použili k tomu grafitový disk, kterýodpařovali laserem, páry chladili v proudu hélia, a pak měřili jejich spektra. V nich vyčetli přítomnoststabilních velkých molekul o složení C₆₀ a C₇₀. Za tento objev dostali v roce 1996 Nobelovou cenu zachemii.
V molekule C₆₀ je šedesát atomů uspořádáno pravidelně na povrchu jedné společné koule. Z obr. 7 jevidět, že vazby mezi atomy uhlíku vytváří na povrchu koule vzor jako u fotbalového míče. Název fullerenyodkazuje na amerického architekta R. B F, který podobný typ struktur používal přistavbě výstavních hal.
Postupně byla zvládnuta výroba těchto molekul, a zájem byl soustředěn na zkoumání jejich vlastností,a to supravodivost, tvrdost (někdy větší než u diamantu), magnetické chování a léčivé účinky chemickýchderivátů fullerenů.
V roce 1991 Japonci zjistili, že lze vyrobit i fullereny válcového tvaru. Jsou to velmi dlouhé a úzké čistěuhlíkaté nanotrubičky, které vykazují mechanickou pevnost 50 až 100krát vyšší, než má podstatně těžšíocel (obr. 8), a které vedou elektrický proud i teplo. Je to dosud nejperspektivnější materiál, jaký mají
... Obrázek 8: Model jednostěnné nanotrubičky.
nanotechnologie k dispozici. Ukázalo se, že některé nanotrubičky se mohou chovat jako polovodiče, cožvedlo k vytvoření molekulárního tranzistoru, který funguje za pokojové teploty. Tím byla otevřena cestamolekulové elektronice, miniaturizaci výpočetní techniky a zvýšení rychlosti počítačů. Snímek skutečnéuhlíkové nanotrubičky s více vrstvami je na obr. 9. Ve výrobě nanotrubiček v současnosti došlo k velkémupokroku, byla již vytvořena trubička s délkou 4 cm.
Z nanotrubiček se podařilo vyrobit superpevnou fólii, která má velmi dobré mechanické vlastnosti(zejména vysokou pevnost), je průhledná a vodivá. Dalo by se říct, že se jedná o rozvinutou nanotrubičku(tzv. grafen – dvourozměrný fulleren, NC za fyziku pro rok 2010). Uplatnění nachází při výrobě skel.Sklo potažené touto fólií je velmi pevné a díky vodivosti fólie ho lze vyhřívat. V elektrotechnice by sedala grafenová struktura použít na výrobu kondenzátorů s větší kapacitou (více namotaných závitů přistejném objemu díky velmi malé tloušťce) či supertenkých ohebných displejů (fólie umí zářit jako zářivka).
Fyzikům se podařilo vytvořit i další formu uhlíku, tzv. nanopěnu, působením laserových pulsů nauhlíkový terčík v argonové atmosféře, a zahřátím na teplotu 10⁴ °C. Struktura nanopěny je tvořena sítípospojovaných uhlíkových nanotrubiček dlouhých 5 nm (obr. 10). Tato forma uhlíku, vykazuje překvapivéferomagnetické vlastnosti, které za pokojové teploty po pár hodinách vymizí, ale při nižších teplotáchje lze dlouhodobě udržet. Uvedená vlastnost by se podle názoru některých fyziků dala v budoucnuvyužít například v medicíně při léčbě rakoviny. Vstříknutím látky do nádoru by bylo možné jej zničitlokálním zvýšením teploty nanopěny po pohlcení infračerveného záření, zatímco okolní zdravá tkáň byzůstala neporušena. Tyto a další představy aplikace o vlastnostech a aplikacích nanopěny jsou ve fáziintenzivních výzkumů.
5. NanoelektronikaPo stručném přehledu základních pojmů z oblasti nanotechnologií a představení základních nano-
struktur se věnujme nanoelektronice, kde se některé nanostruktury uplatňují především. Nanoelektronikaje věda, řešící dosavadní limity stávajících mikroelektronických součástek pomocí nových materiálů a no-vých technologií výroby. Na rozdíl od mikroelektroniky, založené na principu pohybu elektronů a děrv elektrickém poli, spočívá nanoelektronika ve spínacích efektech na úrovni molekul. Za hranici mezi mi-kroelektronikou a nanoelektronikou je považován rozměr asi 300 nm. Skutečné hranice však jsou mnohemdále, v důsledku uplatnění již zmíněného tunelového jevu právě při rozměrech okolo 2 nm.
Nanoelektronika se začala objevovat v 80. letech minulého století, v souvislosti s možností realizovatpolovodičové součástky o velikosti několika setin mikrometru. Přelomu bylo dosaženo o 20 let později,kdy firma IBM představila první tranzistor z nanotrubiček. Ve stejném období byl také sestaven prvníjednomolekulový logický obvod, tvořený dvěma tranzistory. Nanoelektronika se postupně dostávala dopopředí výzkumu. V průběhu několika let vzniklo velké množství nových objevů, a jejich použití se po-stupně rozšiřuje do všech oblastí elektroniky. Vzhledem k dynamickému charakteru vývoje této oblastibude uvedeno jen několik aplikací.
Jednofotonové detektory V úvodu byly zmíněny nanostruktury v podobě kvantových teček. K zaří-zením využívajícím kvantové tečky patří jednofotonový detektor (QDFET – Quantum Dots Field EffectTransistor), který vznikl modifikací tranzistoru FET (Field Effect Transistor – tranzistor řízený polem)přidáním vrstvy s kvantovými tečkami paralelně k proudovému kanálu. QDFET tranzistor slouží k de-tekci jednotlivých fotonů. Struktura tranzistoru je graficky znázorněna na obr. 11. Vrstva s kvantovýmitečkami musí být od proudového kanálu vzdálena jen několik nanometrů. Záporné náboje elektronů za-chycených v kvantových tečkách ovlivňují proud protékající kanálem tranzistoru. Citlivost tranzistoru lzeřídit uvolněním jediného elektronu z kvantové tečky. Pohltí-li tečka foton, vzniká pár elektron–díra aelektron je uvolněn. Tím se změní velikost protékajícího proudu o měřitelnou hodnotu.
Jednofotonové detektory mají na rozdíl od klasických detektorů, jako jsou fotonásobiče nebo lavinovéfotodiody, vyšší dynamický rozsah, vyšší kvantovou účinnost, menší šum, nevyžadují k provozu vysoké
7
... Obrázek 11: Struktura jednofotonového detektoru QDFET.
napětí a jsou méně náročné na konstrukci. Technika jednofotonové detekce poskytuje optimální metodyměření stálých optických signálů a umožňuje podstatně zlepšit různé druhy zobrazovacích zařízení prorentgenové záření, záření radioizotopů i jiných druhů záření. Tyto detektory přinášejí možnosti širokéhouplatnění v lékařské diagnostice, analytické chemii i jiných oborech. Nejvýznamnější použití jednofoto-nových součástek však spadá do oblasti přenosu dat, a to díky dokonalému bezpečnostnímu přenosušifrovacího klíče v kvantové kryptografii.
Tranzistor z nanotubiček Tranzistor z nanotrubiček CNFET (Carbon Nanotubes Field Effect Tran-sistor) je obdobou dnešního tranzistoru MOSFET (Metal Oxid Semiconductor Field Effect Transistor).U tohoto tranzistoru je vodivost kanálů mezi kolektorem a emitorem ovládaná elektrickým polem vestruktuře kov-oxid-polovodič. Odlišnost tranzistoru CNFET spočívá v tom, že kanál tvoří nanotrubička(obr. 12). Tranzistory CNFET rozdělujeme do dvou generací. V první generaci prochází nanotrubičkadvěma zlatými elektrodami, které tvoří emitor a kolektor. Hradlo je situováno pod tranzistorem nebona jeho boku a od nanotrubičky je odděleno izolační vrstvou oxidu křemíku. Díky této izolaci je elek-trické pole hradla schopno tranzistor sepnout a vypnout. Tato konstrukce má však několik nevýhod.První z nich je potřeba vysokého napětí k sepnutí, z důvodu větší šířky izolační vrstvy (více než 100 nm).Dalším problémem je, že je nanotrubička vystavena působení vzduchu. Řešení nevýhod přinesla druhágenerace. Její odlišnost spočívá především v umístění hradla, které je, oproti dřívějšímu provedení, po-loženo na nanotrubičku. To způsobí, že je nanotrubička dostatečně chráněna izolační vrstvou cca 15 nmtenkou, což umožňuje použít k sepnutí tranzistoru nižší napětí.
... Obrázek 12: Tranzistor CNFET první generace.
Existují i nanotranzistory, v nichž kanál namísto nanotrubičky tvoří molekula DNA. Tzv. DNA-FETbyl zkonstruován na univerzitě v Rochesteru, kde také vědci oznámili sestavení prvního balistickéhotranzistoru. Jeho základem je polovodič, v němž se nacházejí elektrony ve stavu dvourozměrného elek-tronového plynu (elektrony jsou „uzavřeny“ v extrémně úzkém prostoru heterostruktury). Zde se pohybujíbez srážek s nečistotami, které by zapříčinily jejich zpomalení. Princip činnosti tranzistoru je založenna odklonu elektronů elektrickým polem.
Jednomolekulová dioda S nápadem jednomolekulové diody přišel mezinárodní tým vědců v dubnu2006. Podle jejich předpokladů lze sestavit diodu o rozměrech pouhých několika desítek atomů, pracujícína následujícím principu (obr. 13). Elektronové hladiny v molekule představují jakési kanály, které mohouefektivně přenášet elektrony mezi elektrodami. Asymetrický tvar molekul pak způsobí, že elektronyreagují na napětí asymetricky. Tato asymetrie přispívá k tzv. molekulovému usměrňování, tj. jevu, kdykanály vedou elektrony pouze jedním směrem. Při změně polarity napětí proud díky asymetrii neprochází.
8
Uvedená vlastnost činí z jednomolekulových diod součástku, která bude v budoucnu schopna nahraditkřemíkové diody.
... Obrázek 13: Jednomolekulová dioda.
Nanogenerátor První nanogenerátor se podařilo sestrojit výzkumníkům z Georgia Institute of Tech-nology v dubnu 2006. Odstranili tak problém, jak získat spolehlivý zdroj pro nanozařízení, neboť dnespoužívané akumulátory a solární články jsou pro napájení nanostrojů nevhodné. Akumulátory nelze do-statečně miniaturizovat, navíc obsahují toxické látky. Solární články zase vyžadují přímou viditelnost mezizdrojem a příjemcem energie. Nanogenerátor pracuje na principu piezoelektrického jevu. Na podklad zesafíru jsou nejprve rozprášeny nanočástice zlata, které slouží jako katalyzátor pro růst nanodrátků oxiduzinečnatého. V místě, kam zlato dopadá, vznikají tyčinky ZnO, které vytvoří pole jednorozměrných hrotůpodobných kartáči. Přes pole přejíždí sběrač (vědci použili hrot mikroskopu atomárních sil – AFM), jenžklouže po jednotlivých nanodrátcích, ohýbá je a ty se díky polovodivým a piezoelektrickým vlastnostemnabíjejí (obr. 14). V okamžiku, kdy hrot z tyčinky sklouzne, dojde k uvolnění mechanického zatížení auvolnění elektrického náboje. Napětí naměřené na generátoru je v řádu mV, přesto se jedná o slibnýobjev, který by v budoucnu mohl nalézt široké uplatnění.
... Obrázek 14: Nanogenerátor: a) nanodrátky ZnO, b) průběh přejezdu hrotu mikroskopu atomárních sil přes nanodrá-tek, c) výsledné pole napětí.
Motor z nanotrubiček První rotační motor z nanotrubiček sestavili vědci kalifornské univerzity v čer-venci 2004 (obr. 15). Rotor motoru (R) se skládá ze zlatých plátků o délce 100–300 nm a hřídel tvořínanotrubička o průměru 10 nm. Nanotrubičku vědci umístili do vrstvy oxidu křemíku, pod níž se nacházíjeden ze statorů (S3). Přivedeme-li na statory stejnosměrné napětí 50 V, rotor se asi o 20 stupňů vychýlí.Nahradíme-li stejnosměrné napětí střídavým, začne se rotor chovat jako torzní oscilátor schopný kmitats frekvencí od stovek Hz do 1GHz. Silný stejnosměrný impulz přivedený do statoru způsobí, že se hřídelz nanotrubičky začne otáčet.
Velkou výhodou tohoto typu nanomotorku je především extrémně nízké tření a nízká spotřeba energie.Díky tomu může být točivý nanomotorek použit v počítačové technice, mobilních telefonech, rádiích čioptice.
9
... Obrázek 15: Rotační nanomotorek: a) schéma, b) skutečný nanomotorek na snímku z elektronového mikroskopu.
V současné době jsou známé nanomotory i jiné konstrukce, např. flagellární (bičíkový) nanomotor,který je napájen tokem iontů přes cytoplasmatickou membránu bakteriální buněčné stěny. Jiný biologickýnanomotorek je vytvořený z šesti ramen RNA obklopujících centrální osu z DNA a poháněný spotřebouATP (adenosin trifosfát – biologický přenašeč energie). Tento nanomotorek by se mohl uplatnit pro ničenínežádoucích mikroorganismů nebo pro zavádění genů a léčiv do molekul.
Počítačové paměti Cílem výzkumu počítačových pamětí je vytvořit paměť, která bude mít:• rychlost srovnatelnou s rychlostí současné RAM (Random Access Memory)• nízkou cenu srovnatelnou s cenou dnešních pevných disků• vysokou hustotu uložení dat (poměr kapacity k velikosti)• uchování dat i po odpojení energie• vysokou spolehlivost (žádné pohyblivé součásti)• a nízkou spotřebu energie.
Tyto požadavky by mohla splňovat paměť vytvořená s využitím nanotechnologií. Jednou z variant jepaměť NRAM, využívající nanotrubiček, kterou představila firma Nantero z Bostonu (USA). Jde o pamě-ťový čip s kapacitou 10Gbitů. Je tvořen miliardami nanotrubiček o délce 100 nm, umístěných mezi plátykřemíku. Princip jeho činnosti spočívá v přivedení malého elektrického náboje na jeden z křemíkovýchplátků a natažení několika nanotrubiček, které křemíkové vrstvy propojí. Díky přítomnosti molekulárníchsil zůstane propojení i po přerušení elektrického náboje. Použijeme-li napětí znovu, nanotrubičky seuvolní a vytvořené propojení se zruší. Skupina nanotrubiček se tedy dokáže chovat jako paměťový prvek.Propojení křemíkových vrstev má hodnotu logické jedničky, jestliže místo není propojeno, je hodnotabitu logická nula. Protože hustota dat v NRAM čipech je velmi vysoká a křemíkové vrstvy jsou v těsnéblízkosti u sebe, trvají operace čtení a zapisování do paměti z nanotrubiček jen půl nanosekundy (uRAM paměti je to 10 ns).
... Obrázek 16: Detail paměti Millipede.
Jiný typ paměti používá firma IBM. Jedná se o vysokokapacitní paměť RAM zvanou Millipede (obr. 16).Její princip je podobný jako záznam na děrné štítky. Vše se však odehrává v řádu nanometrů a oproti
10
děrným štítkům lze záznam i přepsat. Na takto vytvořené médium o velikosti poštovní známky lze umístitaž 1 Tbit dat.
Patent společnosti Iomega v oblasti nanotechnologie a optického záznamu dat nese název AO-DVD(Articulated Optical-Digital Versatile Disc), má 5krát až 30krát větší přenosovou rychlost a lze na nějuložit 40 až 100krát více informací, než dovolují současná média. AO-DVD může mít kapacitu až 1 000GB,přitom cena takového DVD by zůstala přibližně stejná jako mají současná média.
Počítačová společnost Hewlett-Packard otevřela cestu ke kvantovým počítačům, když se jejímu vědec-kému týmu podařilo vyrobit nanozařízení, které by v budoucnu mělo nahradit tranzistory v současnýchpočítačích. Základním krokem k výrobě čipů je technologie, jež i bez tranzistoru umožní obnovení signálua jeho inverzi. Jedná se v podstatě o překřížené platinové dráty s molekulami jako luminiscenčními zdroji.Funkci tranzistoru bude nahrazovat jeden vodič překřížený dvěma kontrolními, které budou sloužit i jakospínače. Vysláním elektrických impulsů může tato technologie provádět základní logické operace AND,NOT a OR. Velikost jednotlivých spojů se bude pohybovat okolo 2 nm. Výroba základních prvků přitombude jednoduchá a poměrně levná.
Na obr. 17 je vidět světlo jednotlivých emitujících molekul, z nichž každá tvoří miniaturní luminiscenčnízdroj. Sledováním výstupu emitovaného světla ze dvou korelovaných molekul lze pulsy sčítat a vytvářettak jednoduché základní sčítací operace.
... Obrázek 17: Svítící clustery.
Displeje V současné době se ve velké míře používají displeje LCD (Liquid Crystal Display), vyrobenéz kapalných krystalů. Jejich značnou nevýhodou je malý zorný úhel, pod kterým je možné se na monitordívat. Tuto nevýhodu by měly odstranit obrazovky NED (Nano Emissive Display), vyvinuté firmou Mo-torola Labs (obr. 18). Technologie jejich výroby je založena na speciální metodě, kdy přímo na skle jsouvertikálně umístěny nanotrubičky. Vybuzená nanotrubička emituje elektrony podobně jako u vakuovýchtelevizních obrazovek, ty narážejí na fosforový plát a vytvářejí světelnou stopu. Prototyp představenýMotorolou má tloušťku obrazové plochy 3,3mm a napětí potřebné k vybuzení trubičky je 5 až 10V.
... Obrázek 18: Displej NED.
Současně byly vyvinuty i displeje OLED (Organic Light Emitting Diode). Podobně jako u NED dis-plejů slibují výrobci OLED větší kontrast, ostrost a rychlejší odezvu. Základem organických displejů jeorganická luminiscenční dioda, která vyzařuje světlo určité barvy. Přivedeme-li na katodu a anodu stej-nosměrné napětí, začnou přes vodivou vrstvu procházet elektrony a z anody jsou přes speciální vrstvupřenášeny díry (obr. 19). V organické vrstvě dojde ke srážce páru elektron – díra, spojené s vyzářenímenergie o určité vlnové délce. Pokud na organický materiál žádné napětí nepřivedeme, nesvítí, což jerozdíl oproti LCD. Tam i přes absenci napětí malé množství světla prochází. Velkou výhodou OLED jejejich variabilita. Volbou vrstvy určené pro nanesení organického materiálu lze získat FOLED (FlexibleOrganic Light Emitting Diode) displeje, kde sklo je nahrazeno flexibilním materiálem (obr. 20).
Chladiče Účinné chlazení počítačů vyvinuli vědci na univerzitě v Purdue (USA) na bázi iontového vě-tru. Systém využívá pole záporných elektrod z nanotrubiček o průměru cca 5 nm, umístěných na čipu.
11
... Obrázek 19: Schéma jednoho pixelu OLED displeje.
... Obrázek 20: Pružný displej FOLED.
Přivedeme-li na tyto elektrody napětí (nižší než 100V), začnou od záporných ke kladným elektrodámproudit elektrony ionizující přítomný vzduch (podobně jako při bouřce). Vzniká proud částic hnaný vpředpravidelnými změnami napětí na třech různě nabitých elektrodách v tzv. „pumpovací oblasti“. Popohá-něný mrak navíc současně naráží na neutrální atomy, čímž vznikají další ionty. Další variantou chlazeníje náhrada nanotrubiček slabou vrstvou synteticky vyrobeného diamantu. Výhodou obou nových typůchladicích systémů je jejich umístění přímo na čipu, a také nehlučnost.
6. Bionanotechnologie – nanomedicínaK likvidaci nádorů se s úspěchem dají využít křemíkové kuličky o rozměru 100 nm, potažené 10 nm
vrstvičkou zlata. Tyto kuličky jsou vpraveny k nádoru, kde jejich přítomnost nepředstavuje sama o sobězdravotní riziko. Po ozáření jejich povrchu laserovým paprskem se kuličky prudce ohřejí a spálí ná-dorové buňky. K ničení zhoubných buněk stačí třeba ohřát nanočástice pouze na 55 °C, kdy docházík denaturaci bílkovin.
Vrstvička zlata na povrchu kuličky umožňuje přeměnit absorbované záření na teplo. Při dopadu zářenína zlatou slupku dochází k tzv. rezonanci. Díky této schopnosti lze nanokuličky „naladit“ na různé barvylaserového záření. Bylo zjištěno, že záření o vlnové délce 820 nm proniká dostatečně hluboko a nenarážína žádný odpor uvnitř tkání.
Vývoj těchto zlatých „nanostřel“ však pokračuje dál. Měly by být schopné se samy navádět na cíl.K tomu jim pomáhá protilátka navázaná na zlatém obalu, jejíž prostřednictvím se nanokuličky zachytína povrchu rakovinné buňky. Mikroskopické střely se po aplikaci do krve hromadí pouze v nádorovýchbuňkách, které jim poskytují nejvhodnější podmínky k uchycení. Lékaři plánují, že by tyto vylepšenénanostřely měly být schopné likvidovat i velmi malé metastázy, které nelze odhalit dosud používanýmizobrazovacími metodami. Na obr. 21 je znázorněna zlatá nanokulička, na jejímž povrchu je navázánaprotilátka.
Zlaté nanokuličky jsou zatím testovány laboratorně, ale vzhledem k pozitivním výsledkům se dáočekávat, že v dohledné době budou používány k likvidaci nádorových onemocnění u člověka.
Nanomedicína přinesla revoluční změnu i při aplikaci léků. Doposud byl nejrychlejší způsob aplikacelátky nitrožilně, což bylo spojeno s bolestivými vpichy a vysokými nároky na sterilitu. Nanotechnologic-
12
... Obrázek 21: Zlatá nanokulička s povrchem modifikovaným protilátkou.
kými postupy lze vyrobit koloidní roztoky vitamínů, minerálů, potravinových doplňků a léků ve sprejovéformě. Spreje umožní snadnou aplikaci na sliznici ústní dutiny, a přitom mají vysokou účinnost.
Magnetické nanočástice jsou využívány při analýze krve, moči a jiných tělních tekutin, pro urychleníseparace buněk a zlepšení jejich rozlišení. Byly vyvinuty fluorescenční částice, které tvoří základ novýchdetekčních technologií pro analýzu infekčních a genetických chorob a pro výzkum léčiv.
V současnosti probíhá výzkum využití pěny z nanotrubek, jako materiálu pro kostní implantáty. Pěnaby se vpravila přímo do kostí, čímž by získaly vysokou pevnost a zabránilo by se tak jejich zlomeninám.Podstatu tvoří náhrada kolagenu trubičkami, na nichž by se mineralizovala anorganická složka kostí(hydroxyapatit). Trubičky ale musí být obohaceny o sloučeniny fosforu a síry, aby se na ně sloučeninamohla navázat. Otázkou však nadále zůstávají možné toxické účinky trubiček v lidském těle, proto seprovádí testy a pokusy s upravenými trubičkami nebo obohacenými o vhodné látky tak, aby je tělopřijalo.
7. NanotextiliePříkladem dalšího využití nanočástic může být výroba nemačkavých a nešpinících se bavlněných
tkanin nebo rámů tenisových raket, které jsou zpevněny uhlíkovými nanotrubičkami.Česká republika má konkrétní zásluhy v oblasti nanotechnologií. Na Technické univerzitě v Liberci
vyvinuli odborníci jako jedni z prvních na světě vlákna tloušťky 200 nm. Na obr. 22 je porovnán s těmitovlákny lidský vlas. Univerzita ve spolupráci s libereckou firmou Elmarco vytvořila i prototyp stroje pro
... Obrázek 22: Porovnání nanovláken s lidským vlasem.
výrobu netkaných nanovláknových textilií. Výrobní technologie nazvaná Nanospider je založena na prin-cipu zvlákňování vodných roztoků polymerů bez použití chemických rozpouštědel v silném elektrickémpoli. Z těchto vláken se dají vyrábět lehké, tenké a současně pevné textilie, které jsou porézní, přitomjejich póry jsou dostatečně malé na to, aby jimi mohly projít bakterie či viry. Tyto textilie tak mají vy-sokou filtrační schopnost a lze je použít pro výrobu superfiltračních textilií použitelných v laboratořích,chirurgických sálech apod. V medicíně se dají tak využít ke krytí ran. Jejich struktura je totiž velmipodobná struktuře buněčné hmoty lidské tkáně. Látka propouští kyslík, brání ve vstupu bakteriím, umož-ňuje odvádění zánětlivého výtoku z krevních a mízních cest a na její povrch lze navázat antibakteriálnía hojení urychlující léčiva. Kromě toho mohou být tyto látky využity pro rekonstrukci kůže, kostí, cév,svalů i nervové tkáně, doručování a řízené uvolňování léčiv či buněk. Výborné jsou schopnosti nanotextiliíabsorbovat zvuk, což je použitelné pro odhlučňování interiérů automobilů, letadel či ve stavebnictví.
13
O nanotextiliích se hovořilo v souvislosti s ptačí chřipkou. Virus patří do skupiny ortomixovirů, jejichžgenetická informace je uložena v bílkovinném obalu. Rozměry těchto virů se pohybují kolem 100 nm,nemohou tedy projít přes strukturu nanotextilí, jejichž póry mají velikost pouze několika nanometrů.Roušky vyrobené z nanovláken nás tak mohou ochránit před kapénkovým přenosem infekce.
Firma Nanosilver již uvedla na český trh speciální ponožky s vlákny obsahujícími částice Ag. Iontystříbrných nanočástic působí antibakteriálně. Ovlivňují látkovou výměnu bakterií, mají též fungicidníúčinky. Částice pronikne přímo do bakterie a reaguje se skupinami oxidačních metabolických enzymůbakterie, a tím dojde k udušení bakterie. Na rozdíl od klasických antibiotik nezískávají bakterie vůčičástečkám stříbra odolnost.
Kromě antibakteriálních účinků ponožky lépe vstřebávají pot, urychlují hojení ran a oděrek, zlepšujíprokrvení nohou, předcházejí omrzlinám a jsou antialergenní. Ponožky jsou určeny pro všechny, kteřímají problémy s nadměrným pocením nohou nebo pro celodenní chození či pohyb v náročném terénu(např. sportovci, vojáci, policisté, hasiči).
8. Budoucnost nanotechnologiíVýzkum nanotechnologií v současnosti probíhá ve všech průmyslově vyspělých státech světa. Po-
stupně dochází k přechodu od teoretických poznatků ze základního výzkumu k praktickému uplatněnínanotechnologií. Na Univerzitě Palackého byly získány prostředky (v rámci OP VaVpI) na vytvořeníRegionálního centra pokročilých technologií a materiálů, jehož hlavním výsledkem má být maximálnívyužití výsledků základního výzkumu v oblasti nanostrukturovaných materiálů v praxi. Jde o projekt,který završuje dílčí výzkumné aktivity pracovišť PřF UP v oblasti nanokompozitních materiálů, nanotru-biček a nanočástic, v oblasti nanomedicíny, elektroniky a péče o životní prostředí. Intenzivně se ověřujevyužití kvantových teček ke sledování biologických procesů. Usnadnilo by se tak testování protilátekči DNA. Nanoprášky mají slibnou budoucnost jako katalyzátory chemických reakcí. Nanočástice sebudou používat také k čištění vod. Automobilový průmysl zkoumá možnost využití polymerních nano-kompozitů na výrobu dílů, které mají malou hmotnost a přitom vysokou pevnost. Stále více se budoupoužívat nanomateriály v otěruvzdorných a korozivzdorných povlacích a nové keramické materiály provýrobu vodních trysek, injektorů, opláštění strojních systémů či povlékání elektrod v energetických za-řízeních. V elektronice se budou nahrazovat současné logické obvody optickými spoji. Nanotrubičkybudou využívány pro výrobu pružných obrazovek, displejů a velkokapacitních pamětí. V energetice pakpro uskladňování vodíku pro palivové články.
Z hlediska dlouhodobé perspektivy jsou hlavním kandidátem uplatnění výsledků výzkumu v oblastinanotechnologií informační a komunikační technologie, jež nahradí stávající mikroelektroniku nanoelek-tronikou. Zde sehrají významnou roli uhlíkové nanotrubičky a fullereny. Dá se očekávat, že se budourozvíjet metody výroby tenkých nanodrátků do nanosenzorů (např. pro detekci chemických a biologickynebezpečných látek).
Velké naděje se vkládají do budoucího využití tzv. extrémní nanotechnologie, která zahrnuje mani-pulaci s atomy a molekulami. Jde o samoreplikující se a samosestavující se systémy, jež mohou mítuplatnění v elektronice nebo lékařství. Nanomateriály s vylepšenými vlastnostmi se budou používat přivysoce účinné katalýze v chemických procesech, při přeměně energie ve fotovoltaických a palivovýchčláncích, biokonverzi energie či zpracování odpadů a kontrole ovzduší.
Pozadu nezůstane ani nanomedicína. Zde se budou dále vyvíjet nová diagnostická zařízení, terape-utika, způsoby transportu léků nebo biokompatibilní materiály pro implantáty a protézy.
9. ZávěrInterdisciplinární charakter nanotechnologií vyžaduje hlubokou znalost daného vědního oboru, sou-
časně však i schopnost orientace v jiných disciplínách. Nutnou podmínkou je umět spolupracovat v týmua propojovat a aplikovat všechny získané poznatky do praxe. To bylo rovněž i nosnou myšlenkou projektuOP VK „AF HIT“ (Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky), jak propojit výsledky základního aaplikovaného výzkumu zaměstnanců a studentů PřF UP se schopnostmi manažerskými a ekonomickými,které dominují na MVŠ v Olomouci.
Z tohoto důvodu jsme považovali za vhodné zařadit tento příspěvek spojený s přednáškou pro stu-denty MVŠO a popularizovat oblast vědy, která je v současnosti ostře sledovaná.
14
10. Literatura[1] Kubínek, R., Vůjtek, M., Mašláň, M.: Mikroskopie skenující sondou. Vydavatelství Univerzity Palac-
kého, Olomouc 2003.
[2] Taniguchi, N.: On the Basis Concept of Nanotechnology. Proc. Int. Conf. On Production Engineering,part 2, JSPE, Tokyo 1974.
[3] Feynman, R. P.: Engineering and Science 23, 22, 1960.
[4] Drexler, K.E.: Nanosystems – Molecular Machinery, Manufacturing and Production Engineering. J.Wiley and Sons., Inc., New York 1992.
[5] Poole Jr., Ch.P., Owens, F. J.: Introduction to Nanotechnology. Willey Interscience, Hobojem, NewYork 2003.
[6] Halliday, D., Resnik, R., Walker, J.: Moderní fyzika (část 5). VUTIUM a Prometheus, Praha 2000.
...Autor textudoc. RNDr. Roman Kubínek, [email protected].: 58 563 4286
...PracovištěKatedra experimentální fyzikyPřírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci17. listopadu 1192/12, 771 46 Olomouchttp://www.upol.cz/fakulty/prf/struktura/katedry-a-pracoviste/katedra-experimentalni-fyziky
