nanotehnika

ilustracija
NANOTEHNIKA, nanocjevčica

nanotehnika (nanotehnologija) (grč. ν8118νος ili νάννος: patuljak + tehnika), skup disciplina koje se bave istraživanjem, razvojem i primjenom struktura, uređaja i sustava kojima su izmjere reda veličine atoma, molekula i makromolekula, dakle u području do 100 nm (1 nm = 10–9 m), a koji zahvaljujući svojim malim izmjerama imaju posebna svojstva. To brzo napredujuće područje isprepleće se s nizom drugih područja, npr. s elektronikom, medicinom, znanošću o materijalima, kemijskom katalizom, a zasniva se na istraživanju osnovnih pojava i materijala u nanopodručju (nanoznanosti).

Kod dimenzija ispod 100 nm fenomeni kvantne fizike prevladavaju nad fenomenima poznatima iz svakodnevnog iskustva (klasična fizika). To se prije svega odnosi na restrukturiranje elektronskoga sustava (kvantizacija), koje dovodi do novih elektronskih svojstava. Osim toga, vrlo mali objekti imaju znatno veći omjer broja atoma smještenih na površini i broja atoma u unutrašnjosti no što ga imaju makroobjekti. To može znatno utjecati na strukturu, stabilnost i reaktivnost malih objekata, čime materijal dobiva nova svojstva. Istraživanje i razvoj u tom području obuhvaća kontrolirano rukovanje nanostrukturama i njihovo uključivanje u veće komponente, sustave i arhitekture, pri čem se svojstvima tih kompleksnijih struktura upravlja u nanopodručju. Gdjekad složene strukture mogu biti i veće od 100 nm, a da pokazuju jedinstvena svojstva.

Osnovni su ciljevi istraživanja u području nanotehnike: razumijevanje temeljnih fenomena na nanoljestvici; sposobnost oblikovanja i sinteze materijala na atomskoj razini radi postizanja ciljanih svojstava i funkcija; razumijevanje osnovnih procesa kojima živi organizmi stvaraju materijale i funkcionalne komplekse te upotreba tog znanja kao putokaz za nove sintetske procese i umjetne materijale; razvoj eksperimentalnih alata za određivanje svojstava nanostrukturiranih materijala kao i teorija i modela potrebnih za ostvarenje ciljeva.

Pojavu nanotehnike omogućio je razvoj eksperimentalnih alata i teorijskih modela koji su pak omogućili manipulaciju pojedinačnim atomima, nakupinama atoma i molekulama. Pritom je osobitu ulogu imao izum skenirajuće tunelirajuće mikroskopije (STM) i metoda koje su se razvile iz nje i uz nju, kao i značajno povećanje razlučivosti elektronske mikroskopije, koje je danas ispod 0,1 nm. STM omogućuje oslikavanje položaja atoma u realnom prostoru i njihovo preslagivanje u nove strukture. Takav pristup stvaranju nanostruktura omogućuje istraživanja, ali ne i proizvodnju velikoga broja struktura u kratkom vremenu. Alternativni je pristup fenomen samoorganiziranja, npr. molekula u otopinama i metalnih atoma koji se samoorganiziraju u pravilno raspoređene gomilice atoma jednakih veličina na površini poluvodiča i oksida.

Nanotehnika u računalstvu. Nanotehnika je do sada najveći tržišni uspjeh ostvarila u području pohrane podataka. Istraživanja svojstava ultratankih (do nekoliko desetaka nanometara) metalnih slojeva dovela su do otkrića fenomena gigantskoga magnetootpora (tzv. GMR-efekt), koji je omogućio da se potkraj 1990-ih gustoća zapisa na komercijalnim čvrstim diskovima poveća iznad 100 GB. Istraživanja poluvodičkih slojeva takvih debljina dovela su i do razvoja plavih dioda i plavoga lasera, zahvaljujući kojemu je znatno povećan kapacitet optičkih diskova za pohranu podataka.

Fuleren i nanocjevčice. Jedno od važnih otkrića nanotehnike bile su ugljikove alotropske modifikacije fuleren i nanocjevčice. Nanocjevčice su zapravo zavijene i u cijev spojene grafenske plohe (jednoatomni slojevi grafita), duljina kojih može biti do nekoliko mikrometara, a promjer od 0,4 nm do nekoliko desetaka nanometara. One su najčvršći poznati materijali, Youngov modul elastičnosti veći im je od 1 TPa (1012 Pa), a struktura i svojstva čine ih idealnima za ojačane kompozitne materijale i nanomehaničke sustave. Osim toga, imaju odlična električna svojstva; jednodimenzionalni su vodiči, a pojedinačne se molekule mogu modificirati tako da pokazuju tranzistorska svojstva. Pod utjecajem električnog polja mogu emitirati svjetlost, pa su već proizvedeni prvi zasloni u boji koji se zasnivaju na tom efektu. Očekuje se da će primjena nanocjevčica u stvaranju kompozitnih materijala, elektroničkih i logičkih sklopova i zaslona postati vrlo važna. Prije toga potrebno je riješiti probleme vezane uz masovnu proizvodnju i brzu i učinkovitu selekciju cjevčica željenih svojstava.

Bionanotehnika. Velik napredak u razumijevanju uzroka različitih bolesti na molekularnoj razini te istodobni razvoj nanotehnike doveli su do pojave bionanotehnike, što uključuje razvoj tehnologije za nedestruktivno ispitivanje funkcioniranja stanica, dopremu lijekova do ciljanih stanica bez utjecaja na ostale, manipulaciju i korištenje DNK i dr. Jedan je od vrlo jednostavnih primjera primjene nanočestica u biologiji kontroliranje funkcija pojedinačnih bakterija upotrebom radiosignala, pri čem nanočestica zlata umetnuta u bakteriju služi kao radijska antena.

Uz to se pojavljuju i hibridne tehnologije koje pojedinačne organske molekule i makromolekule uključuju u elektroničke sklopove, a sve radi smanjenja dimenzija logičkih komponenata i integriranih sklopova. Prema tomu su usmjerena i istraživanja u području pohrane i obradbe podataka, gdje su početni rezultati nanotehnike već zamjetljivi.

Nanoalati, nanostrojevi, nanoroboti. Molekularni inženjering dio je nanoznanosti i nanotehnike koji se usmjeruje prema oblikovanju i proizvodnji nanoalata i nanostrojeva koji bi po analogiji s prirodnim proteinima obavljali ciljanu sintezu i razgradnju materijala, popravljali oštećene biološke molekule i sl. I tu je već učinjen golem korak u razumijevanju nekih mehaničkih procesa koji se odvijaju u stanicama, npr. odabir i transport određene molekule s jednoga na drugo mjesto u stanici, gibanje bakterija pokretanih proteinskim propelerima. U nekim je slučajevima mijenjanjem koncentracije pojedinih vrsta metalnih iona u otopinama postignuto kontrolirano uključivanje i isključivanje tih »motora«. Postignuti stupanj razvoja računskih metoda kvantne kemije i fizike čvrstoga stanja omogućuje predviđanje stabilnosti mogućih novih molekularnih struktura, a veliki su napori usmjereni prema razvoju modela za simulaciju tercijarne strukture proteina. Krajnji je cilj tih napora predviđanje funkcionalnosti pojedinih konformacija te oblikovanje proteina koji će dati takvu konformaciju i ciljanu aktivnost. Proteini su molekularni strojevi koji bi se mogli tako oblikovati da proizvode još stabilnije molekularne strojeve, od kojih bi se mogli izgraditi nanoalati, nanostrojevi, nanoroboti i u konačnici nanoračunala. Moguća sinteza nanorobota i ostalih strojeva s nanoračunalima mogla bi otvoriti goleme mogućnosti u zaštiti okoliša, smanjenju potrošnje energije, medicini, proizvodnji hrane, ali istodobno otvara i niz pitanja vezanih uz sigurnost takvih tehnologija.

nanotehnika. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 10.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=42898>.