Νανοτεχνολογία
Η νανοτεχνολογία είναι ένα μέρος της επιστήμης και της τεχνολογίας που αφορά τον έλεγχο της ύλης σε ατομική και μοριακή κλίμακα - αυτό σημαίνει πράγματα που έχουν διάμετρο περίπου 100 νανόμετρα.
Η νανοτεχνολογία περιλαμβάνει την κατασκευή προϊόντων που χρησιμοποιούν τόσο μικρά μέρη, όπως ηλεκτρονικές συσκευές, καταλύτες, αισθητήρες κ.λπ. Για να σας δώσουμε μια ιδέα του πόσο μικρό είναι αυτό, υπάρχουν περισσότερα νανομέτρα σε μια ίντσα από ό,τι ίντσες σε 400 μίλια.
Για να δώσουμε μια διεθνή ιδέα για το πόσο μικρό είναι αυτό, υπάρχουν τόσα νανόμετρα σε ένα εκατοστό, όσα εκατοστά σε 100 χιλιόμετρα.
Η νανοτεχνολογία συγκεντρώνει επιστήμονες και μηχανικούς από πολλά διαφορετικά γνωστικά αντικείμενα, όπως η εφαρμοσμένη φυσική, η επιστήμη των υλικών, η επιστήμη των διεπιφανειών και των κολλοειδών, η φυσική των συσκευών, η χημεία, η υπερμοριακή χημεία (που αναφέρεται στον τομέα της χημείας που επικεντρώνεται στις μη ομοιοπολικές αλληλεπιδράσεις των μορίων), οι αυτοαναπαραγόμενες μηχανές και η ρομποτική, η χημική μηχανική, η μηχανολογία, η βιολογία, η βιολογική μηχανική και η ηλεκτρολογία.
Γενικά, όταν οι άνθρωποι μιλούν για νανοτεχνολογία, εννοούν δομές μεγέθους 100 νανομέτρων ή μικρότερου. Ένα χιλιοστό του χιλιοστού έχει ένα εκατομμύριο νανόμετρα. Η νανοτεχνολογία προσπαθεί να κατασκευάσει υλικά ή μηχανές αυτού του μεγέθους.
Οι άνθρωποι κάνουν πολλά διαφορετικά είδη εργασιών στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Οι περισσότερες τρέχουσες εργασίες αφορούν την κατασκευή νανοσωματιδίων (σωματίδια με μέγεθος νανομέτρου) που έχουν ειδικές ιδιότητες, όπως ο τρόπος με τον οποίο διασκορπίζουν το φως, απορροφούν ακτίνες Χ, μεταφέρουν ηλεκτρικά ρεύματα ή θερμότητα κ.λπ. Στο πιο "επιστημονικής φαντασίας" άκρο του πεδίου βρίσκονται οι προσπάθειες για την κατασκευή μικρών αντιγράφων μεγαλύτερων μηχανών ή πραγματικά νέες ιδέες για δομές που κατασκευάζονται μόνες τους. Νέα υλικά είναι δυνατά με δομές νανομεγέθους. Είναι ακόμη δυνατόν να εργαστούμε με μεμονωμένα άτομα.
Έχουν γίνει πολλές συζητήσεις σχετικά με το μέλλον της νανοτεχνολογίας και τους κινδύνους της. Η νανοτεχνολογία μπορεί να είναι σε θέση να εφεύρει νέα υλικά και όργανα που θα είναι πολύ χρήσιμα, όπως στην ιατρική, στους υπολογιστές και στην παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας (νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα) βοηθά στο σχεδιασμό της επόμενης γενιάς ηλιακών συλλεκτών και αποδοτικού φωτισμού χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας). Από την άλλη πλευρά, η νανοτεχνολογία είναι νέα και θα μπορούσαν να υπάρξουν άγνωστα προβλήματα. Για παράδειγμα, αν τα υλικά είναι κακά για την υγεία των ανθρώπων ή για τη φύση. Μπορεί να έχουν κακή επίδραση στην οικονομία ή ακόμη και σε μεγάλα φυσικά συστήματα όπως η ίδια η Γη. Ορισμένες ομάδες υποστηρίζουν ότι θα πρέπει να υπάρχουν κανόνες σχετικά με τη χρήση της νανοτεχνολογίας.
Τυπικές γεωμετρίες νανοδομών.
Η αρχή της νανοτεχνολογίας
Οι ιδέες της νανοτεχνολογίας χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά στην ομιλία "There's Plenty of Room at the Bottom", μια ομιλία που έδωσε ο επιστήμονας Richard Feynman σε μια συνάντηση της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας στο Caltech στις 29 Δεκεμβρίου 1959. Ο Feynman περιέγραψε έναν τρόπο μετακίνησης μεμονωμένων ατόμων για την κατασκευή μικρότερων οργάνων και τη λειτουργία σε αυτή την κλίμακα. Ιδιότητες όπως η επιφανειακή τάση και η δύναμη Van der walls θα γίνονταν πολύ σημαντικές.
Η απλή ιδέα του Feynman φαινόταν δυνατή. Η λέξη "νανοτεχνολογία" εξηγήθηκε από τον καθηγητή του Επιστημονικού Πανεπιστημίου του Τόκιο Norio Taniguchi σε μια εργασία του 1974. Είπε ότι η νανοτεχνολογία είναι η εργασία της αλλαγής των υλικών κατά ένα άτομο ή κατά ένα μόριο. Στη δεκαετία του 1980 η ιδέα αυτή μελετήθηκε από τον Dr. K. Eric Drexler, ο οποίος μίλησε και έγραψε για τη σημασία των γεγονότων σε νανοκλίμακα . "Μηχανές της δημιουργίας: Η επερχόμενη εποχή της νανοτεχνολογίας" (1986) θεωρείται ότι είναι το πρώτο βιβλίο για τη νανοτεχνολογία. Η νανοτεχνολογία και η νανοεπιστήμη ξεκίνησαν με δύο βασικές εξελίξεις: την έναρξη της επιστήμης των συστάδων και την εφεύρεση του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (STM). Αμέσως μετά ανακαλύφθηκαν νέα μόρια με άνθρακα - πρώτα τα φουλερένια το 1986 και οι νανοσωλήνες άνθρακα λίγα χρόνια αργότερα. Σε μια άλλη εξέλιξη, οι άνθρωποι μελέτησαν πώς να φτιάχνουν νανοκρυστάλλους ημιαγωγών. Πολλά νανοσωματίδια οξειδίων μετάλλων χρησιμοποιούνται τώρα ως κβαντικές κουκκίδες (νανοσωματίδια όπου η συμπεριφορά των μεμονωμένων ηλεκτρονίων αποκτά σημασία). Το 2000, η Εθνική Πρωτοβουλία Νανοτεχνολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών άρχισε να αναπτύσσει την επιστήμη στον τομέα αυτό.
Ταξινόμηση των νανοϋλικών
Η νανοτεχνολογία διαθέτει νανοϋλικά τα οποία μπορούν να ταξινομηθούν σε νανοσωματίδια μίας, δύο και τριών διαστάσεων. Η ταξινόμηση αυτή βασίζεται σε διαφορετικές ιδιότητες που κατέχουν, όπως η σκέδαση του φωτός, η απορρόφηση ακτίνων Χ, η μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος ή θερμότητας. Η νανοτεχνολογία έχει διεπιστημονικό χαρακτήρα που επηρεάζει πολλαπλές παραδοσιακές τεχνολογίες και διαφορετικούς επιστημονικούς κλάδους. Μπορούν να κατασκευαστούν νέα υλικά που μπορούν να κλιμακωθούν ακόμη και σε ατομικό μέγεθος.
Γεγονότα
- Ένα νανόμετρο (nm) είναι 10-9 ή 0,000.000.001 μέτρο.
- Όταν δύο άτομα άνθρακα ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα μόριο, η απόσταση μεταξύ τους κυμαίνεται μεταξύ 0,12-0,15 nm.
- Η διπλή έλικα του DNA έχει μήκος περίπου 2 nm από τη μία πλευρά στην άλλη. Αναπτύσσεται σε ένα νέο πεδίο της νανοτεχνολογίας του DNA. Στο μέλλον το DNA θα μπορεί να χειραγωγηθεί και αυτό θα οδηγήσει σε νέα επανάσταση. Το ανθρώπινο γονιδίωμα μπορεί να τροποποιηθεί ανάλογα με τις απαιτήσεις.
- Ένα νανόμετρο και ένα μέτρο μπορούν να εκληφθούν ως η ίδια διαφορά μεγέθους μεταξύ της μπάλας του γκολφ και της Γης.
- Ένα νανόμετρο είναι περίπου το ένα εικοσιπεντακοσιοστό της διαμέτρου μιας ανθρώπινης τρίχας.
- Τα νύχια μεγαλώνουν ένα νανόμετρο ανά δευτερόλεπτο.
Φυσικά χαρακτηριστικά του νανοϋλικού
Στη νανοκλίμακα οι φυσικές ιδιότητες του συστήματος ή των σωματιδίων αλλάζουν ουσιαστικά. Φυσικές ιδιότητες όπως τα φαινόμενα κβαντικού μεγέθους, όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται διαφορετικά για πολύ μικρά μεγέθη σωματιδίων. Ιδιότητες όπως οι μηχανικές, ηλεκτρικές και οπτικές αλλαγές όταν το μακροσκοπικό σύστημα μετατρέπεται σε μικροσκοπικό, πράγμα που είναι εξαιρετικά σημαντικό.
Τα νανοϋλικά και τα σωματίδια μπορούν να δράσουν ως καταλύτης για να αυξήσουν τον ρυθμό αντίδρασης και να παράγουν καλύτερη απόδοση σε σύγκριση με άλλους καταλύτες. Ορισμένες από τις πιο ενδιαφέρουσες ιδιότητες όταν τα σωματίδια μετατρέπονται σε νανοκλίμακα είναι ότι ουσίες που συνήθως εμποδίζουν το φως γίνονται διαφανείς (χαλκός)- γίνεται δυνατή η καύση ορισμένων υλικών (αλουμίνιο)- τα στερεά μετατρέπονται σε υγρά σε θερμοκρασία δωματίου (χρυσός)- οι μονωτές γίνονται αγωγοί (πυρίτιο). Ένα υλικό όπως ο χρυσός, το οποίο δεν αντιδρά με άλλες χημικές ουσίες σε κανονική κλίμακα, μπορεί να αποτελέσει ισχυρό χημικό καταλύτη σε νανοκλίμακα. Αυτές οι ειδικές ιδιότητες που μπορούμε να δούμε μόνο στη νανοκλίμακα είναι ένα από τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα της νανοτεχνολογίας.
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Q: Τι είναι η νανοτεχνολογία;
A: Η νανοτεχνολογία είναι ένα μέρος της επιστήμης και της τεχνολογίας σχετικά με τον έλεγχο της ύλης σε ατομική και μοριακή κλίμακα, η οποία περιλαμβάνει την κατασκευή προϊόντων που χρησιμοποιούν μέρη τόσο μικρά, όπως ηλεκτρονικές συσκευές, καταλύτες, αισθητήρες κ.λπ.
Ε: Πόσο μικρά είναι τα νανόμετρα;
Α: Τα νανόμετρα είναι απίστευτα μικρά - υπάρχουν περισσότερα νανόμετρα σε μια ίντσα από ό,τι ίντσες σε 400 μίλια. Για να δώσουμε μια διεθνή ιδέα του πόσο μικρό είναι αυτό, υπάρχουν τόσα νανόμετρα σε ένα εκατοστό, όσα είναι τα εκατοστά σε 100 χιλιόμετρα.
Ερ: Τι είδους εργασίες κάνουν οι άνθρωποι στον τομέα της νανοτεχνολογίας;
Α: Οι άνθρωποι που εργάζονται στον τομέα της νανοτεχνολογίας ασχολούνται με την κατασκευή νανοσωματιδίων (σωματίδια με μέγεθος νανομέτρου) που έχουν ειδικές ιδιότητες, όπως η σκέδαση του φωτός ή η απορρόφηση ακτίνων Χ. Προσπαθούν επίσης να φτιάξουν μικρά αντίγραφα μεγαλύτερων μηχανών ή πραγματικά νέες ιδέες για δομές που φτιάχνουν τον εαυτό τους. Νέα υλικά μπορούν να κατασκευαστούν με δομές μεγέθους νανο και είναι δυνατόν να εργαστούν ακόμη και με μεμονωμένα άτομα.
Ερ: Ποιες πιθανές εφαρμογές έχει η νανοτεχνολογία;
Α: Η νανοτεχνολογία έχει πιθανές εφαρμογές σε πολλούς διαφορετικούς τομείς, όπως η ιατρική, οι υπολογιστές και η παραγωγή καθαρής ηλεκτρικής ενέργειας (νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα). Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στο σχεδιασμό ηλιακών συλλεκτών επόμενης γενιάς και αποδοτικού φωτισμού χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.
Ερ: Υπάρχουν κίνδυνοι που συνδέονται με τη χρήση της νανοτεχνολογίας;
Α: Θα μπορούσαν να υπάρξουν άγνωστα προβλήματα που σχετίζονται με τη χρήση της νανοτεχνολογίας, όπως αν τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι κακά για την υγεία των ανθρώπων ή για τη φύση. Μπορεί να έχουν άσχημες επιπτώσεις στην οικονομία ή ακόμη και σε μεγάλα φυσικά συστήματα όπως η ίδια η Γη, οπότε ορισμένες ομάδες υποστηρίζουν ότι πρέπει να θεσπιστούν κανόνες σχετικά με τη χρήση της.
Ερ: Τι είδους επιστήμονες μελετούν τη νανοτεχνολογία;
Α: Οι επιστήμονες που μελετούν τη νανοτεχνολογία προέρχονται από πολλούς διαφορετικούς κλάδους, όπως η εφαρμοσμένη φυσική, η επιστήμη των υλικών, η επιστήμη των διεπιφανειών και των κολλοειδών, η φυσική των συσκευών, η χημεία η υπερμοριακή χημεία οι αυτοαναπαραγόμενες μηχανές και η ρομποτική η χημική μηχανική η μηχανολογική μηχανική η βιολογία η βιολογική μηχανική η ηλεκτρολογική μηχανική κ.λπ.
