Nanoteknik
Nanoteknik är en del av vetenskapen och tekniken som handlar om kontroll av materia på atom- och molekylärnivå - det vill säga saker som är ungefär 100 nanometer stora.
Nanoteknik omfattar tillverkning av produkter som använder så små delar, t.ex. elektroniska apparater, katalysatorer, sensorer osv. För att ge dig en uppfattning om hur litet detta är, finns det fler nanometer i en tum än det finns tum i 400 miles.
För att ge en internationell uppfattning om hur litet det är, finns det lika många nanometer i en centimeter som det finns centimeter i 100 kilometer.
Nanoteknik sammanför forskare och ingenjörer från många olika områden, t.ex. tillämpad fysik, materialvetenskap, gränssnitts- och kolloidvetenskap, fysik för anordningar, kemi, supramolekylär kemi (som avser det område inom kemin som fokuserar på molekylers icke-kovalenta bindningsinteraktioner), självreproducerande maskiner och robotik, kemiteknik, maskinteknik, biologi, biologisk teknik och elektroteknik.
När man talar om nanoteknik menar man i allmänhet strukturer med en storlek på 100 nanometer eller mindre. Det finns en miljon nanometer i en millimeter. Med nanoteknik försöker man göra material eller maskiner av den storleken.
Det finns många olika typer av arbete inom nanoteknik. Det mesta av det nuvarande arbetet handlar om att tillverka nanopartiklar (partiklar i nanometerstorlek) som har särskilda egenskaper, t.ex. hur de sprider ljus, absorberar röntgenstrålar, transporterar elektrisk ström eller värme osv. I den mer "science fiction"-betonade delen av området finns försök att göra små kopior av större maskiner eller helt nya idéer för strukturer som tillverkar sig själva. Nya material är möjliga med strukturer i nanostorlek. Det är till och med möjligt att arbeta med enskilda atomer.
Det har diskuterats mycket om nanoteknikens framtid och dess faror. Nanotekniken kan kanske göra det möjligt att uppfinna nya material och instrument som skulle vara mycket användbara, t.ex. inom medicin, datorer och tillverkning av ren elektricitet (nanoelektromekaniska system), och bidrar till utformningen av nästa generation solpaneler och effektiv lågenergibelysning). Å andra sidan är nanotekniken ny och det kan finnas okända problem. Till exempel om materialen är dåliga för människors hälsa eller för naturen. De kan ha en dålig effekt på ekonomin eller till och med på stora naturliga system som själva jorden. Vissa grupper hävdar att det bör finnas regler för användningen av nanoteknik.
Typiska nanostrukturgeometrier.
Nanoteknikens början
Idéer om nanoteknik användes för första gången i talet "There's Plenty of Room at the Bottom", ett tal av vetenskapsmannen Richard Feynman vid ett möte i American Physical Society på Caltech den 29 december 1959. Feynman beskrev ett sätt att flytta enskilda atomer för att bygga mindre instrument och arbeta i den skalan. Egenskaper som ytspänning och Van der Walls kraft skulle bli mycket viktiga.
Feynmans enkla idé verkade möjlig. Ordet "nanoteknik" förklarades av Norio Taniguchi, professor vid Tokyo Science University, i en artikel från 1974. Han sade att nanoteknik var arbetet med att förändra material med en atom eller en molekyl. På 1980-talet studerades denna idé av Dr. K. Eric Drexler, som talade och skrev om betydelsen av händelser i nanoskala. "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology" (1986) anses vara den första boken om nanoteknik. Nanoteknik och nanovetenskap började med två viktiga utvecklingar: starten av klusterforskning och uppfinningen av skanningstunnelmikroskopet (STM). Kort därefter upptäcktes nya molekyler med kol - först fullerener 1986 och kolnanorör några år senare. I en annan utveckling studerade man hur man kan tillverka nanokristaller av halvledare. Många metalloxidnanopartiklar används nu som kvantprickar (nanopartiklar där beteendet hos enskilda elektroner blir viktigt). År 2000 började USA:s nationella nanoteknikinitiativ att utveckla vetenskapen på detta område.
Klassificering av nanomaterial
Nanotekniken har nanomaterial som kan delas in i nanopartiklar med en, två och tre dimensioner. Klassificeringen baseras på olika egenskaper, t.ex. spridning av ljus, absorption av röntgenstrålar, transport av elektrisk ström eller värme. Nanotekniken är tvärvetenskaplig och påverkar flera traditionella tekniker och olika vetenskapliga discipliner. Nya material som kan skalas upp till och med i atomstorlek kan tillverkas.
Fakta
- En nanometer (nm) är 10-9 eller 0,000 000 001 meter.
- När två kolatomer förenas till en molekyl är avståndet mellan dem 0,12-0,15 nm.
- DNA:s dubbelspiral är cirka 2 nm lång från den ena sidan till den andra. Det utvecklas till ett nytt område för DNA-nanoteknik. I framtiden kan DNA manipuleras, vilket kan leda till en ny revolution. Människans arvsmassa kan manipuleras i enlighet med kraven.
- En nanometer och en meter kan förstås som samma storleksskillnad som mellan en golfboll och jorden.
- En nanometer är ungefär en tjugofemtusendel av ett människohårs diameter.
- Fingernaglar växer en nanometer per sekund.
Fysiska egenskaper hos nanomaterial
På nanonivå förändras systemets eller partiklarnas fysiska egenskaper avsevärt. Fysiska egenskaper som kvantstorlekseffekter där elektroner rör sig annorlunda för mycket små partikelstorlekar. Egenskaper som mekaniska, elektriska och optiska förändringar när ett makroskopiskt system ändras till ett mikroskopiskt system är av yttersta vikt.
Nanomaterial och nanopartiklar kan fungera som katalysatorer för att öka reaktionshastigheten och ge bättre utbyte jämfört med andra katalysatorer. Några av de mest intressanta egenskaperna när partiklar omvandlas till nanoskala är att ämnen som vanligtvis stoppar ljuset blir genomskinliga (koppar), att det blir möjligt att bränna vissa material (aluminium), att fasta ämnen blir till vätskor vid rumstemperatur (guld) och att isolatorer blir ledare (kisel). Ett material som guld, som inte reagerar med andra kemikalier i normal skala, kan bli en kraftfull kemisk katalysator i nanoskala. Dessa speciella egenskaper som vi bara kan se i nanoskala är en av de mest intressanta sakerna med nanoteknik.
Frågor och svar
Fråga: Vad är nanoteknik?
S: Nanoteknik är en del av vetenskap och teknik som handlar om kontroll av materia på atomär och molekylär nivå, vilket inbegriper tillverkning av produkter som använder så små delar, t.ex. elektroniska apparater, katalysatorer, sensorer osv.
F: Hur små är nanometer?
S: Nanometrar är otroligt små - det finns fler nanometrar i en tum än det finns tum i 400 miles. För att ge en internationell uppfattning om hur litet det är, finns det lika många nanometer i en centimeter som det finns centimeter i 100 kilometer.
F: Vilka typer av arbete utför människor inom nanoteknik?
S: Människor som arbetar med nanoteknik försöker tillverka nanopartiklar (partiklar i nanometerstorlek) som har särskilda egenskaper, t.ex. att sprida ljus eller absorbera röntgenstrålar. De försöker också att göra små kopior av större maskiner eller riktigt nya idéer för strukturer som tillverkar sig själva. Nya material kan tillverkas med strukturer i nanostorlek och det är till och med möjligt att arbeta med enskilda atomer.
F: Vilka potentiella tillämpningar har nanotekniken?
S: Nanotekniken har potentiella tillämpningar inom många olika områden, bland annat medicin, datorer och ren elproduktion (nanoelektromekaniska system). Den skulle också kunna bidra till att utforma nästa generations solpaneler och effektiv lågenergibelysning.
F: Finns det några risker med att använda nanoteknik?
S: Det kan finnas okända problem i samband med användningen av nanoteknik, t.ex. om de material som används är skadliga för människors hälsa eller för naturen. De kan ha en dålig effekt på ekonomin eller till och med på stora naturliga system som själva jorden, så vissa grupper hävdar att det bör införas regler för användningen.
F: Vilken typ av forskare studerar nanoteknik?
S: Forskare som studerar nanoteknik kommer från många olika discipliner, bland annat tillämpad fysik, materialvetenskap, gränssnitts- och kolloidvetenskap, fysik för anordningar, kemi, supramolekylär kemi, självreproducerande maskiner och robotik, kemiteknik, maskinteknik, biologi, biologiteknik, elektroteknik osv.
