nanotechnologia - ec.europa.eu · to już około 2400 lat temu grecki myśliciel demokryt....
Post on 28-Feb-2019
221 Views
Preview:
TRANSCRIPT
NanotechnologiaInnowacje dla świata przyszłości
NANOTECHNOLOGIE I NANONAUKA,
WIELOFUNKCYJNE MATERIAŁY OPARTE NA WIEDZY
ORAZ NOWE PROCESY I URZ ĄDZENIA
INFO
RMA
CJE
OG
ÓLN
E
KOMISJA EUROPEJSKA
Wspólnotowe badania naukowe
Czy jesteś zainteresowany europejskimi badaniami naukowymi?
RTD info to nasz kwartalnik, który umożliwia zapoznanie się z najistotniejszymi nowinami (wynikami, programami,
wydarzeniami, itp.). Magazyn dostępny jest w języku angielskim, francuskim i niemieckim. Istnieje możliwość otrzymania
próbnego egzemplarzaj lub darmowej prenumeraty, wysyłając zamówienie na podany poniżej adres:
European Commission
Directorate-General for Research
Information and Communication Unit
B-1049 Brussels
Fax (32-2) 29-58220
E-mail: research@ec.europa.eu
Internet: http://ec.europa.eu/research/rtdinfo/index_en.html
Wydawca: KOMISJA EUROPEJSKA
Dyrekcja Generalna ds. badań naukowych
Dyrekcjat G – Technologie przemysłowe
Jednostka G.4 – Nanonauka i nanotechnologia
Kontakt: Dr. Renzo Tomellini, Dr. Angela Hullmann
E-mail: renzo.tomellini@ec.europa.eu, angela.hullmann@ec.europa.eu
Url: cordis.europa.eu/nanotechnology/
KOMISJA EUROPEJSKA
Nanotechnologia
Innowacja dla świata przyszłości
Niniejsza broszura powstała w wyniku projektu finansowanego przez
niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF),
a realizowanego przy udziale Centrum Technologii Niemieckiego
Stowarzyszenia Inżynierów (VDI-TZ). Komisja Europejska wyraża wdzięczność
niemieckiemu ministerstwu za wyrażenie zgody na przetłumaczenie tej
publikacji i udostępnienie jej społeczności europejskiej. Chcielibyśmy wyrazić
szczególne podziękowania dla Dr Rosity Cottone (BMBF) i Dr Wolfganga
Luthera (VDI-TZ) za ich wsparcie podczas koordynacji działań.
Wydawca: Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Badań Naukowych
Opracowanie: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, Berlin
Koordynacja: Dział Technologii Przyszłości, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf
Auhor: Dr. Mathias Schulenburg, Kolonia
Opracowanie graficzne: Suzy Coppens, BergerhofStudios, Kolonia
Dyrekcja Generalna ds. Badań Naukowych
2007 „Nanonauka i Nanotechnologia” EUR 21152PL
INFORMACJA DOTYCZĄCA KWESTII PRAWNYCH:
Zarówno Komisja Europejska, jak i żadna inna osoba działająca w imieniu Komisji, nie ponosi odpowiedzialności
za wykorzystanie zamieszczonych tu informacji.
Wyłączną odpowiedzialność za poglądy wyrażane w niniejszej publikacji ponosi jej autor. Poglądy te nie muszą
odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej.
Wiele informacji dodatkowych na temat Unii Europejskiej można uzyskać za pośrednictwem internetu.
Są one dostępne na serwerze Europa (http://ec.europa.eu).
Dane katalogowe zamieszczono na końcu niniejszej publikacji.
Luksemburg: Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, 2007
ISBN 92-79-00885-4
© Wspólnoty Europejskie, 2007
Powielanie dozwolone jest pod warunkiem podania źródła.
Printed in Belgium
WYDRUKOWANO NA BIAŁYM PAPIERZE BEZ ZAWARTOŚCI CHLORU
Serwis Europe Direct umożliwia pomoc w uzyskaniu odpowiedzi na pytania
dotyczące spraw związanych z Unią Europejską
Bezpłatny telefon kontaktowy:
00 800 6 7 8 9 10 11
Przedmowa
Nanotechnologia jest nowym podejściem badawczym, które odnosi się do zrozumienia i doskonalenia
właściwości materii w skali nano: jeden nanometr (jedna miliardowa metra) to długość małej
cząsteczki. W takim wymiarze materia wykazuje zupełnie inne, częstokroć zaskakujące właściwości,
w wyniku czego tradycyjnie wyznaczone granice pomiędzy dyscyplinami naukowymi i technicznymi ulegają
zatarciu. Dlatego działania w zakresie nanotechnologii mają charakter wyrażnie interdyscyplinarny.
Często twierdzi się, że nanotechnologia posiada potencjał „destruktywny” bądź „rewolucyjny” w sensie
możliwości wpływu na przemysłowe techniki produkcji. Nanotechnologia oferuje potencjalne rozwiązania
wielu bieżących problemów poprzez wykorzystanie mniejszych, lżejszych, szybszych i bardziej wydajnych
materiałów, podzespołów i systemów, co prowadzi do powstawania nowych szans tworzenia dobrobytu i
nowych miejsc pracy. Oczekuje się również, że nanotechnologia wniesie istotny wkład w proces rozwiązywania
problemów globalnych i zmagania się z wyzwaniami ekologicznymi poprzez opracowywanie produktów
i realizację procesów o bardziej konkretnych zastosowaniach, przyczyni się do oszczędzania zasobów i
zmniejszenia emisji zanieczyszczeń.
Obecnie na całym świecie rozwój nanotechnologii nabiera znacznego tempa. Stosunkowo wcześnie, bo już
w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku, środowiska europejskie zaczęły inwestować
w liczne programy w zakresie nanonauki. Z czasem opracowano solidne podstawy naukowe, a obecnie niezbędne
jest zapewnienie przemysłowi i społeczności europejskiej możliwości czerpania korzyści wypływających z tej
wiedzy poprzez opracowywanie nowych produktów i procesów.
Nanotechnologia jest tematem najnowszej publikacji Komisji Europejskiej („W kierunku europejskiej strategii
w zakresie nanotechnologii”). W publikacji tej nie tylko zasugerowano, iż należy promować badania w zakresie
nanonauki i nanotechnologii, lecz wskazano także kilka innych, niezależnych czynników, jakie powinniśmy
wziąć pod uwagę:
• Lepsza koordynacja krajowych programów badawczych i inwestycji służąca także temu, żeby Europa
dysponowała odpowiednimi zespołami i właściwą infrastrukturą („bieguny doskonałości”), mogącymi
konkurować na szczeblu międzynarodowym. Jednocześnie do osiągnięcia odpowiedniej masy krytycznej
niezbędna jest współpraca pomiędzy organizacjami badawczymi reprezentującymi sektor publiczny i prywatny
w całej Europie.
• Nie można pominąć innych czynników konkurencyjności, takich jak odpowiednia metrologia, przepisy
i prawa własności intelektualnej, przygotowujące grunt dla innowacji przemysłowej i prowadzące do osiągania
korzyści w zakresie konkurencyjności, zarówno dla dużych, jak i małych i średnich przedsiębiorstw.
• Niezwykle istotne są działania związane z edukacją i szkoleniem, w szczególności Europa powinna podjąć
działania zmierzające do zwiększenia przedsiębiorczości naukowców i pozytywnego nastawienia technologów
w odniesieniu do zmian. Realizacja prawdziwie interdyscyplinarnych badań poświęconych nanotechnologii
może wymagać także opracowania nowego podejścia do edukacji i szkolenia w zakresie badań naukowych
i przemysłu.
• Aspekty społeczne (takie jak informacja i komunikacja w obrębie danej społeczności, zagadnienia związane ze
zdrowiem i środowiskiem oraz ocena ryzyka) stanowią dalsze istotne czynniki dla zapewnienia odpowiedzialnego
kształtowania rozwoju nanotechnologii i spełniania oczekiwań społecznych. Dla długotrwałego rozwoju
nanotechnologii i jej skutecznego zastosowania decydująca będzie wiara społeczeństwa i inwestorów w tę
dziedzinę.
Celem niniejszej publikacji jest ukazanie istoty nanotechnologii i potencjalnych korzyści, jakie ma do zaoferowania
Europejczykom.
Nicholas Hartley
p.o. dyrektora jednostki „Technologie przemysłowe”
Dyrekcja Generalna ds. badań naukowych
Komisja Europejska
3 Przedmowa
4-5 Spis treści
6-7 Atom: Dawna idea i nowa rzeczywistość
8-13 Nanotechnologia w przyrodzie
14-15 Oczy dla nanokosmosu
16-17 Przyrządy do pisania
18-19 Impulsy dla nauki
20-21 Projektowanie materiałów w nanoskali
Spis treści
Podróż w nanokosmos
Narzędzia
i procesy
Nanotechnologia dla społeczeństwa
oelektronika
w przyszłej codzienności
22-27 Świat w sieci: nonoelektronika
28-29 Nanotechnologia w przyszłej codzienności
30-33 Motoryzacja
34-37 Zdrowie
38-41 Energia i środowisko
42-43 Nanotechnologia dla sportu i rekreacji
44-45 Wizje
46-47 Szanse i niebezpieczeństwa
Dalsze informacje
48 Jak zostać nanoinżynierem?
49 Osoby do kontaktu, linki, bibliografia
50-51 Słownik
52 Wykaz ilustracji
6
Podróż w nanokosmos
Atom: Dawna idea i nowa rzeczywistość
Nasz świat materialny składa się z atomów. Stwierdził
to już około 2400 lat temu grecki myśliciel Demokryt.
Współcześni Grecy podziękowali mu za to wizerunkiem na
dziesięciodrachmowej monecie. Monet tych było bardzo wiele
w obiegu, podobnie jak atomów. Kropla deszczu zawiera
ich aż 1.000.000.000.000.000.000.000, ponieważ atomy są
maleńkie, – mają rozmiary rzędu jednej dziesiątej nanometra,
a nanometr to jedna milionowa milimetra.
Amedeo Avogadro (1776-1856), profesor
fizyki w Turynie, dzięki któremu kropla deszczu
stała się obliczalna.
Stosunek średnicy atomu magnezu do średnicy piłeczki tenisowej jest
równy stosunkowi średnicy piłeczki tenisowej
do średnicy Ziemi. Pomyślmy o tym, gdy
będziemy połykać kolejną tabletkę magnezu!
Duch Demokryta unosi się nad nano-sceną, morzem nieskończenie wielu możliwości.
Lukrecjusz, rzymski literat, kilka wieków
później napisał wiersz o atomach:
"Kosmos składa się z nieskończonej przestrzeni i
nieskończonej liczby nierozkładalnych cząstek, atomów,
których różnorodność form też jest nieskończona. ...
Atomy różnią się tylko kształtem, wielkością i ciężarem,
są nieprzenikalnie twarde, niezmienne, są granicą
fizycznej podzielności …"
Wiedziano więc już wtedy bardzo wiele, choć tylko na
podstawie czystej spekulacji. Później przez długi czas
nie myślano o takich sprawach.
W siedemnastym wieku słynny astronom Johannes
Kepler zastanawiał się nad płatkami śniegu, o których
napisał w 1611 roku, że swoją regularną formę mogą
zawdzięczać jedynie prostym, jednolitym cegiełkom.
Pojęcie atomu odzyskało popularność.
7
Nowoczesne przyrządy analityczne umożliwiają
obecnie oglądanie tych bardzo złożonych
nanoskopowych elementów żywej materii.
Wreszcie w latach osiemdziesiątych XX wieku
opracowano narzędzie w postaci skaningowego
mikroskopu tunelowego, który umożliwia nie tylko
obrazowanie poszczególnych atomów w krysztale, ale
nawet ich przesuwanie (chociaż wiele osób pierwsze
obrazy uznało za oszustwo).
Przygotowano tym samym scenę dla radykalnie
nowego podejścia naukowego: nanotechnologii.
Atomy manganu zostały wykorzystane przez profesora Berndta z Kilonii do odtworzenia logo Uniwersytetu Christiana Albrechta.
Uczeni, którzy zajmowali się minerałami i kryształami,
coraz częściej traktowali atomy jako coś oczywistego.
Jednak dopiero w 1912 roku na uniwersytecie w
Monachium udało się przeprowadzić bezpośredni
dowód: kryształ chalkantytu rozdzielał światło
rentgenowskie podobnie jak materiał parasola
rozdziela światło latarni – kryształ musiał
składać się z atomów,
t wor z ą c ych uporząd-
k o w a n ą strukturę,
jak włókno materiału
p a r a s o l a albo pryzma
pomarańczy na straganie.
Powód, dla którego atomy
w krysztale układają się tak regularnie, jest prosty:
materia zapewnia sobie jak najwięk–
szą wygodę, a najwygod-
niejsza jest struktura
up orząd- kowana.
N a w e t orzechy
w misce, gdy się
n i m i potrząśnie,
t w o r z ą regularne
wzory, a atomom
przychodzi to znacznie łatwiej.
Proste wzory nie zawsze jednak są najłatwiej
powielane. Napędzana siłą samoporządkowania,
materia Ziemi przez miliardy lat przybrała formy
fantastycznie skomplikowane, a w niektórych
przypadkach nawet ożywione.
Strukturę nanomaszyn, takich jak rybosomy, odtworzyła krystalograficznie Ada Yonath, DESY.
8
Nanotechnologia w przyrodzie
Nanotechnolodzy bardzo lubią przyrodę ożywioną. W ciągu czterech
miliardów lat swego istnienia natura znalazła wiele zadziwiających
rozwiązań problemów, jakie napotykała. Cecha charakterystyczna:
życie uporządkowuje materię aż do najdrobniejszych szczegółów,
do poziomu atomów. I to również jest celem nanotechnologów.
Atomy nie są lubiane. Słysząc o nich,
myślimy o gwałtownych wybuchach albo
niebezpiecznym promieniowaniu. Dotyczy
to jednak wyłącznie technik, które zajmują się jądrem
atomowym. Nanotechnologia zajmuje się powłokami
atomowymi – jej rola rozgrywa się w tej właśnie skali.
Aby jednak usunąć wszelkie wątpliwości co do tego,
że atomy naprawdę są tworem całkiem zwyczajnym,
a w odpowiednich połączeniach nawet mogą dobrze
smakować, jako miejsce startu w nanokosmos
wybraliśmy najnormalniejszy ser.
Gatunek Mimolette pochodzi z Flandrii.
Powierzchnia pokryta małymi dziurkami każe
przypuszczać, że ser jest zamieszkały. Producenci
Mimolette odkryli, że aktywność roztoczy poprawia
aromat tego sera. Roztocza mają wielkość jednej
dziesiątej milimetra. Specjalny skaningowy mikroskop
elektronowy, ESEM, umożliwia obserwowanie ich
na żywo. Jak każdy żywy organizm, roztocza są
zbudowane z komórek. Komórki te maja rozmiary w
skali mikrometrowej. W komórce znajduje się bardzo
skomplikowana maszyneria. Jej ważną częścią są
rybosomy, które tworzą wszystkie możliwe cząsteczki
białka zgodnie z kodem substancji dziedzicznej DNA.
Rząd wielkości rybosomów to 20 nanometrów.
Fragmenty struktury rybosomów poznano już aż
do pojedynczych atomów. Pierwszymi owocami tego
rodzaju badań nanobiotechnologicznych są nowe leki,
blokujące rybosomy bakterii.
Po
dró
ż w
na
no
ko
smo
s
1 m
10 c
m1
mm
0,1
mm
10 m
m10
nm
9
Efekt lotosu i jego zastosowania
Nasturcja utrzymuje liście w czystości dzięki
tzw. efektowi liścia lotosu. Elektronowy
mikroskop skaningowy ESEM pokazuje, jak
kropelki wody oddzielają się od powierzchni liścia.
Dzieje się tak dzięki pokrytej meszkiem powierzchni,
która powoduje, że kropelki wody szybko spływają,
zabierając ze sobą brud z powierzchni liścia Efekt
lotosu – zbadany szczególnie dokładnie przez
profesora Barthlotta i współpracowników z
Uniwersytetu w Bonn – znalazł już zastosowanie
w wielu produktach, na przykład w farbach do
elewacji, po których woda spływa zabierając ze sobą
brud. Również ceramika sanitarna o strukturze
wykorzystującej efekt lotosu łatwo da się utrzymać
w czystości.
Liście roślin wykorzystują jeszcze inny rodzaj
nanotechnologii. Ich gospodarkę wodną często
regulują forysomy. Są to mikroskopijne mięśnie, które
w układzie kapilarnym rośliny otwierają kanały lub
zamykają je, gdy roślina zostanie uszkodzona. Trzy
Instytuty Frauenhofera oraz Uniwersytet w Gießen
próbują znaleźć techniczne zastosowanie owych mięśni
roślinnych, na przykład
w mikroskopijnych silnikach liniowych czy też w
kompletnych systemach laboratoryjnych na płytce
chipowej – „lab on a chip”.
Najbardziej wyrafinowaną technologią w skali atomów
jest proces fotosyntezy, który gromadzi energię do
życia na Ziemi. Tutaj liczy się każdy pojedynczy atom.
Ktoś, komu uda się skopiować ten proces metodami
nanotechnologii, zdobędzie na zawsze nieograniczone
zasoby energii.
1 m
1 cm
50 m
m10
m m
1 m
m10
nm
Kwiat lotosu oczyszcza liście, wykorzystując tak zwany efekt lotosu.
Kropelki wody na liściu nasturcji widziane pod specjalnym mikros-
kopem elektronowym(ESEM) na Uniwersytecie
w Bazylei.
10
Nanotechnologia na suficie: gekon
Gekony wdrapią się na każdą ścianę, potrafią
biegać po suficie z głową w dół,
a nawet zwisać z niego, przytrzymując się
tylko jedną nogą. Jest to możliwe – oczywiście – dzięki
nanotechnologii. Stopa gekona jest pokryta maleńkimi
włoskami, które są tak giętkie, że mogą na dużym
obszarze zbliżyć się do podłoża na odległość kilku
nanometrów. Wówczas zaczyna działać tak zwane
oddziaływanie van der Waalsa, które właściwie jest
bardzo słabe, lecz utrzymuje ciężar ciała gekona dzięki
milionom punktów zaczepienia. Wiązanie można
łatwo zerwać na podobnej zasadzie, jak odrywa się
taśmę klejącą. W ten sposób gekon może biegać po
suficie. Materiałoznawcy mają nadzieję wyprodukować
wkrótce syntetycznego „gekona”.
Trzymanie się życia
Życie istnieje, ponieważ jego elementy łączą
się ze sobą za pomocą wyrafinowanej
nanotechnologicznej sztuki spajania.
Widać to na przykładzie skaleczeń, jak choćby
ukąszenie komara: w miejscu ukąszenia powstaje
zaczerwienienie wskutek rozszerzania się
najmniejszych naczyń krwionośnych, przez które
przepływają duże ilości leukocytów, białych ciałek
krwi. Komórki w miejscu ukąszenia wydzielają
substancję chemiczną.
W zależności od jej
stężenia, wyściółka
komórkowa naczyń
krwionośnych i
leukocyty wydzielają
lepkie cząsteczki, które opóźniają przemieszczanie się
leukocytów wzdłuż ściany naczynia. Przy najwyższym
poziomie tej substancji
leukocyty mocno
przywierają do siebie,
inne lepkie cząsteczki
przeciągają wtedy
ciałka krwi przez
ścianę naczynia do
miejsca ukąszenia,
gdzie unieszkodliwiają one wszelkich intruzów. Na tym
polega sztuka perfekcyjnego klejenia. Trwają obecnie
badania nad opracowaniem sztucznie wytworzonych
nanotechnologicznych imitacji tego zjawiska pod hasłem
„sklejanie na rozkaz” (ang. „bonding on command”).
Małże jako mistrzowie sklejania
Zwykłe małże – te, które podaje się w
restauracji gotowane z warzywami – to
mistrzowie nanotechnologicznego sklejania.
Aby przyczepić się do skały, małż otwiera skorupę
i wysuwa stopę, którą wygina w kształt przyssawki.
Przez maleńkie kanaliki wyrzuca z siebie strumienie
klejących kropelek, miceli, w wytworzony w ten
sposób obszar podciśnienia, gdzie micele rozrywają się,
wydzielając mocny klej podwodny, który natychmiast
spienia się, tworząc poduszeczkę.Małż przytwierdza
się do tego amortyzatora za pomocą elastycznych nici
bisiorowych, zabezpieczając się w ten sposób przed
porywami fal morskich.
Odnóża muchy w zbliżeniu
Nanotechnologia w przyrodzie
Po
dró
ż w
nan
ok
osm
os
Tajemnice przyczepności
chrząszczy, much, pająków i gekonów
zostały odsłonięte w Instytucie Metalurgii
Maxa Plancka w Stuttgarcie.
Przytwierdzają się one do podłoża za pomocą włosków,
które tworzą wiązanie van der Wasala z powierzchnią
kontaktu. Im cięższe zwierzę, tym mniejsze
i liczniejsze muszabyć włoski.
11
Omułek z nićmi bisiorowymi i stopą
Instytut Frauenhofera IFAM w Bremie prowadzi
badania nad zmodyfikowanymi klejami z małży,
dzięki którym nawet najdelikatniejsza
porcelana nadawałaby się do mycia w zmywarce.
Zespół roboczy „Nowe tworzywa użytkowe
i biomateriały” w Rostocku i w Greifswaldzie
także prowadzi badania nad małżami.
Biomineralizacja
Małże mają jednak jeszcze większe
możliwości. Ich masa perłowa składa się
z niezliczonych drobnych kryształków
wapnia w postaci minerału argonitu. Kryształki te
same w sobie byłyby bardzo kruche, jednak w muszli
są ze sobą połączone bardzo elastycznymi białkami
w kształcie śrubek. Trzy procenty wagowe tego białka
w zupełności wystarczą, aby muszla uchowca stała się
trzy tysiące razy twardsza w porównaniu do czystego
kryształu kalcytu. Jeże morskie również używają tej
technologii do wzmocnienia swoich 30 cm kolców,
które dzięki temu mogą wytrzymać uderzenia
fal morskich.
Biomineralizacja może również tworzyć bardzo
delikatne struktury. Na niewielkim obszarze dna
morskiego w pobliżu wysp filipińskich żyje gąbka,
nazywana „koszyczkiem kwiatowym Wenus”.
Stworzenie to jest wygięte jak pochwa tureckiego
kindżału, tyle że zaokrąglone wokół osi podłużnej.
Nazwę swoją zawdzięcza strukturze wewnętrznego
szkieletu swojej otoczki.
Składa się on z tkanki
drobnych igiełek
krzemionkowych, ażurowej
jak wiklinowa plecionka
na oparciu krzesła.
Tkanka ta jest
poprzeplatana zarówno
w sieci prostokątnej
jak i po przekątnej.
Trójwymiarowy splot biomineralny w szkliwie trzonowego zęba nornika chroni powierzchnię żucia przed uszkodzeniem.
Koszyczek kwiatowy Wenus jest uważany za arcydzieło
biomineralizacji. Podstawowe elementy budulcowe
z krzemionki (dwutlenek krzemu) o średnicy trzech
nanometrów łączą najpierw komórki gąbki w cieniutkie
plastry. Następnie są one zwijane tak, aby utworzyć
igły krzemionkowe, stanowiące podstawowy element
plecionki, wytrzymałej na duże zmiany ciśnienia.
Koszyczek kwiatowy Wenus – ta gąbka głębinowa jest obecnie badana jako biologiczny model dla światłowodu.
Techniczna biomineralizacja: Nanocząsteczki naprawiają zęby.
Gdy zęby stają się bardzo wrażliwe na zimno albo kwaśne jedzenie,może
być to przyczyna bólu i jest zazwyczaj spowodowane przez drobne kanaliki –,
odkryte rureczki w szkliwie zęba. Stosując nanocząsteczki fosforanu wapnia (apatytu) i i białka produkowane przez firmę SusTech kanaliki te można zakleic dziesięciokrotnie
szybciej niż przy pomocy zwykłych preparatów apatytowych. remineralizowana warstwa materiału zachowuje się w jamie
ustnej tak samo, jak własne szkliwo.
12
Strategiczne znaczenie miała niegdyś biomineralizacja
okrzemek. Te mikroskopijne stworzenia zabezpieczają
się pancerzem krzemionkowym, którego głównym
składnikiem jest SiO2, czyli dwutlenek krzemu.
Podobnie jak szkło kwarcowe, które również składa
się z dwutlenku krzemu, pancerze krzemionkowe są
stosunkowo odporne na wiele roztworów kwaśnych i
zasadowych.
Z tego powodu nanotechnolodzy widzą możliwość
wykorzystania ich jako naczyń reakcyjnych dla
wytworzania kryształów o rozmiarach
nanometrycznych.
Jeden ze sposobow otrzymywania nanocząstek
polega na ograniczeniu objętości reakcji. Po zużyciu
materiału reakcyjnego kryształki uzyskane w wyniku
reakcji nie będą się powiększać. Pancerzyki okrzemek
posiadają wiele takich nanoskopowych otworów,
pełniących rolę nanoreaktorów.
W jaki sposób powstają te czasami niezwykle piękne
okrzemki? Pierwsze wskazówki są już znane.
Badacze z uniwersytetu w Regensburgu stwierdzili,
że „poliaminy”, należące do znanej grupy białek,
mogą wytwarzać – przy odpowiednim stężeniu
kwasu krzemowego – nanocząstki o zadanej
średnicy w granicach od 50 do 900 nanometrów.
Dzieje się to zupełnie samoistnie, pod wpływem sił
samoporządkowania. Według prostych modeli wzrostu
okrzemki powstają w równie samoistny sposób.
Nanotechnologia w przyrodzie: Ophiocoma wendtii,
kosmata rozgwiazda o wielkości talerza, przez
długi czas stanowiła zagadkę. Stworzenie to, o
opancerzonym korpusie w kształcie krążka, z którego
wyrasta pięć ramion, chowa się przed zbliżającym
się niebezpieczeństwem, choć na pozór nie ma
oczu. Odkryto je w końcu w wapiennym pancerzu
stworzenia, który wysadzany jest skupiskami
doskonałych mikrosoczewek, zamieniając całe
ciało kosmatej rozgwiazdy w jedno złożone oko.
Nanotechnologia? Poszczególne soczewki są
tak skrystalizowane, że nie występuje zjawisko
charakterystyczne dla kalcytu: podwójny obraz.
Mamy tu do czynienia z kontrolą krystalizacji na
poziomie nanometrycznym. Soczewki są również
skorygowane pod względem „aberracji sferycznej”,
poprzez nieznaczny dodatek magnezu, co pozwala
uniknąć niepożądanych kolorowych prążków.
Ophiocoma wykorzystuje więc nanotechnologiczną
precyzję, która niegdyś przyniosła sławę Carlowi
Zeissowi.
Okrzemki – powyżej kształt
przypominający „gąbkę Mengera”
(zob. też s. 21) – mają dzięki optymalnym
kształtom największą trwałość przy
najmniejszej wadze i prawdopodobnie posiadaja systemy
gromadzenia światła dla aparatów
fotosyntezy, chloroplastów.
Łuska pancerza jest zarazem polem mikrosoczewki.
Dlaczego mówimy, że pancerze okrzemek miały
„znaczenie strategiczne”? W 1867 roku Szwed
Alfred Nobel odkrył, że ziemia okrzemkowa,
powstała ze skamieniałych pokładów pancerzy
okrzemek, wchłania nitroglicerynę i tym samym
powstrzymuje samoistną eksplozję tego materiału
wybuchowego. Otrzymaną mieszaninę Nobel
nazwał dynamitem, a obfite zyski z jej sprzedaży
dały początek fundacji, która dzis finansuje
Nagrody Nobla.
Nanotechnologia w przyrodzie
Po
dró
ż w
nan
ok
osm
os
Rozgwiazda "Ophiocoma wendtii " jest wyposażona w doskonały system mikrosoczewek, umożliwiających widzenie optyczne. U góry: Wygląd w dzień, u dołu: wygląd w nocy.
13
Poznawanie granic natury
Nanotechnologia jest oparta na przyrodzie,
ale możliwości przyrody ożywionej są
ograniczone, nie może ona funkcjonować
ani w wysokich temperaturach, jakie są wymagane
dla ceramiki, ani w połączeniu z przewodnikami
metalicznymi. Nowoczesna technika dysponuje
natomiast szeroką gamą sztucznie wytworzonych
warunków – ekstremalną czystością, niskimi
temperaturami, próżnią w których materia ujawnia
zaskakujące właściwości. W szczególności należą do
nich zjawiska kwantowe, które niekiedy wydają się
zaprzeczać prawom rządzącym w naszym codziennym
życiu. Na przykład, cząstki w nanokosmosie uzyskują
czasem właściwości falowe. Atom, który wydaje się
być tworem „stałym”, może jak fala
przechodzić równocześnie przez
dwie szczeliny, wyłaniając się po
drugiej stronie znowu jako całość.
Gdy rozmiar cząstek zbliża się
do nanometra, uzyskują one
całkiem inne właściwości: metale
stają się półprzewodnikami lub
izolatorami. Niektóre substancje,
jak tellurek kadmu (CdTe)
wykazują w nanokosmosie
fluorescencję we wszystkich
kolorach tęczy, inne zaś
przetwarzają światło na prąd
elektryczny. Gdy cząstki osiągają
wielkości nanoskopijne, znacznie
zwiększa się proporcja atomów
powierzchniowych w stosunku do
tych znajdujących się wewnątrz.
Atomy powierzchniowe mają
jednak często inne właściwości
niż atomy znajdujące się wewnątrz
cząsteczki, zwykle są bardziej
reaktywne.
Instytut Nowych Materiałów, INM, w Saarbrücken opracował oparty na nanoczasteczkach proces powlekania elementów metalowych nieścieralnymi hologramami, zabezpieczającymi przed fałszerstwem.
Nanoskopowe cząsteczki złota są na przykład dobrym
katalizatorem w ogniwach paliwowych (zob. też
Motoryzacja). Nanocząstki można również powlekać
innymi substancjami, co pozwala na uzyskanie materiałów
łączących wiele własności cząstek kompozytowych.
Przykład: nanocząstki ceramiczne
z powłokami organicznymi, obniżającymi
napięcie powierzchniowe wody zabezpieczają
lustra łazienkowe przed parowaniem.
Specjalnie powlekane nanocząstki tlenku
żelaza, magnetytu, tworzą z olejem
magnetycznie formowalną ciecz zwaną
ferrofluidem. Ferrofluidy znajdują coraz
więcej zastosowań, między innymi w
środkach uszczelniających do uszczelek
pojemników próżniowych i osłon twardego
dysku lub w regulowanych amortyzatorach
maszyn i samochodów.
Nie trzeba jednak obawiać się złożoności
nanotechnologii, jabłko też ma skomplikowaną
budowę – komórki, rybosomy, DNA –
a mimo to jest bardzo lubianym owocem.
Nawet przyroda tego nie potrafi: Ceramika z dodatkiem nanosadzy dla odpornych na korozję zapalników iskrowych, na przykład w termach gazowych. Dzięki regulowanemu przewodnictwu ceramiki transformator jest niepotrzebny.
Nanocząstki magnetytu w oleju. Ciecz można formować magnetycznie.
Cząstki tellurku kadmu fluoryzują w kolorach zależnych od wielkości cząstki.
„Magnetotacticum bavaricum” Bakteria magnetyczna, może syntetyzować łańcuchy nanomagnetytów i być wykorzystana jako igła kompasowa.
14
Narzędzia
i procesy
Co ma wspólnego z nanotechnologią europejski
teleskop rentgenowski „Newton”? Urządzenie
to wychwytuje promieniowanie rentgenowskie
z odległych obiektów za pomocą 58 reflektorów wielkości
koszy na śmieci, wciśniętych jeden w drugi jak łuski
cebuli i pokrytych naparowaną warstwą złota.
Chropowatość ich powierzchni wynosi średnio
zaledwie 0,4 nanometra. Jest to technologiczne arcydzieło,
w którym największy udział miała firma Carl Zeiss AG.
Precyzyjne zwierciadła rentgenowskie do spektroskopii
i mikroskopii rentgenowskiej zbudowane są z kilkuset
warstw dwóch różnych pierwiastków ciężkich.
Wymagania, jakim muszą sprostać takie zwierciadła,
są ogromne: warstwy mogą odbiegać od idealnej
gładkości tylko o ułamki średnicy atomu. Technika ta
jest opracowywana w Instytucie Fraunhofera Techniki
Materiałowej i Radiacyjnej w Dreźnie.
Sztuczkę z reflektorem warstwowym w zakresie
widma światła widzialnego odkryła również natura:
prowadząca nocny tryb życia kałamarnica Euprymna
scolopes kieruje w dół za pomocą lusterek zbudowanych
z białek zwanych reflektynami światło emitowane
przez bakterie świetlne. W ten sposób udaje
kawałek gwieździstego nieba, oszukując pływające
pod nią drapieżniki. Ten przykład biologicznej
nanotechnologii został odkryty niedawno na
Uniwersytecie Hawajskim.
Sondy skaningowe
Sondy skaningowe jako oczy dla nanokosmosu
wydają się mniej spektakularne, a przecież za
wynalezienie protoplasty wszystkich sond
skaningowych – skaningowego mikroskopu tunelowego,
przyznano Nagrodę Nobla. W elektronowych sondach
skaningowych piezokryształy wielokrotnie przeprowadzają
głowicę skanującą nad przedmiotem obserwacji,
takim jak na przykład pola atomów. Za każdym
razem położenie jej jest lekko przesunięte, ruchy są
Sensacja naukowa: błysk promieni gamma wypala
kręgi w chmurze pyłu galaktycznego.
Oczy dla nanokosmosu
Nanotechnologia w przestrzeni kosmicznej:
Zwierciadła europejskiego teleskopu rentgenowskiego „Newton” są wypolerowane
do średniej gładkości 0,4 nanometra,
umożliwiając obserwację źródeł promieniowania
rentgenowskiego w mgławicy Andromedy.
„Zagroda kwantowa” (ang. „Quantum Corral”) Dona Eiglera, IBM. Fale wewnątrz zagrody odzwierciedlają prawdopodobieństwo napotkania elektronu.
minimalne a odległość głowicy od pola atomów
zazwyczaj mniejsza niż średnica atomu. Coś się
przy tym dzieje: raz przepływa prąd, innym razem
wykrywane są słabe pola magnetyczne. Komputery
graficznie interpretują te pomiary na płaszczyźnie,
tworząc obraz z dokładnością do pojedynczego
atomu, w zależności od zasady pomiaru.
Szczególnie subtelny proces jest wykorzystywany
w skaningowym mikroskopie sił atomowych, który
wykrywa minimalne siły, wywierane przez atomy
pola atomowego na najbliższy atom głowicy skanującej.
Szczytowy atom głowicy skanującej wysyła dwie chmury elektronowe, krążące po
orbicie, zupełnie jak w podręczniku.
Proces ten umożliwia oglądanie powłok elektronowych
atomu – odkrywając tajemnice na podstawowym
poziomie materii. Dotychczasowy rekord świata w
rozdzielczości należy do Uniwersytetu w Augsburgu.
15
Kryształ bromku potasu z tarasami atomowymi. Podobnie wygląda sól na jajku, które zjadamy na śniadanie.
Krzem w powiększeniu, kontury gęstości elektronowej pod skaningowym mikroskopem sił atomowych.
Sondy „pojemnościowe” mogą być również wykorzystane do obrazowania procesów
przełączania na chipie.
Skaningowy mikroskop sił atomowych: odchylenie igły odczytującej jest przekazywane do fotokomórki przez promień laserowy.
Schematyczne przedstawienie klasycznej głowicy skaningowego mikroskopu tunelowego.
„Euprymna scolopes” oszukuje swoich wrogów, posługując się wielowarstwowymi lusterkami, zbudowanymi z białek, zwanych reflektynami. Światło pochodzi od świecących bakterii.
Zakrzywione zwierciadło wielowarstwowe do zaawansowanej analizy rentgenowskiej.
16
Nowoczesne chipy mają struktury mniejsze niż długość
fali światła, używanego do litografii, do wytworzenia
ich stosuje się lasery kryptonowo – fluorowe których
długość fali wynosząca 193 nanometry pozwala na
wytworzenie struktur o szerokości 130, a wkrótce
również 90 nanometrów. Jest to jest możliwe dzięki
zastosowaniu pewnych „sztuczek” optycznych, takich
jak korekcja przybliżenia optycznego i przesuniecie
fazowe. Obecnie opracowuje się podstawy litografii
w dalekim ultrafiolecie (litografia EUV), która
wykorzystuje fale o długości 13 nanometrów
i ostatecznie ma doprowadzić do uzyskania w krzemie
struktury o szerokości zaledwie 35 nanometrów.
Wymagania wobec materiału maski są bardzo wysokie.
Płytka długości 10 centymetrów po ogrzaniu o jeden
stopień Celsjusza może rozciągnąć się tylko o parę
dziesiątych nanometra, czyli o kilka średnic atomu.
Wymagana gładkość nieprzekraczająca kilku średnic
atomowych stanowi również granicę możliwości tego
co jest w ogóle wykonalne.
Litografia
W świecie komputerów litografia oznacza
technikę wytwarzania chipów komputer-
owych za pomocą światła. W tym celu
dokładnie wypolerowana powierzchnia materiału
półprzewodnikowego, (krążka krzemowego),
powlekana jest światłoczułą warstwą ochronną,
którą naświetla się obrazem układu scalonego.
Wywołanie warstwy ochronnej odsłania naświetlone
(lub nienaświetlone) miejsca krążka, którym nadaje
się pożądane właściwości elektryczne za pomocą
procesów takich jak wytrawianie, implantacja obcych
atomów i osadzanie. Powtarzanie tego procesu stosując
coraz to nowe wzorce masek, ostatecznie prowadzi
do powstania najbardziej skomplikowanych struktur,
jakie człowiek kiedykolwiek wytworzył: obwodów
scalonych o wysokiej skali integracji, czyli chipów.
Gęstość upakowania tranzystorów zwiększyła się
obecnie do tego stopnia, że na powierzchni kropki
zrobionej czubkiem ołówka można zmieścić pół
miliona lub więcej tranzystorów.
Przybory do pisania
N
arzę
dzi
a
i p
roce
sy
Proces litograficzny: Chip jest strukturą trójwymiarową, w której wszystkie elementy przełącznikowe obwodu ułożone są w pojedynczych warstwach. Nowoczesny wysoko wydajny chip wymaga 25 do 30 takich warstw, z których każda wymaga własnej maski litograficznej. Struktury maski są przenoszone na krążek za pomocą światła i systemu soczewek steppera, aparat ten przypomina rzutnik do przezroczy. Każda nowa maska w zestawie nadaje układowi nową funkcjonalność i zwiększa jego złożoność.
17
Nanodruki dla średnich
przedsiębiorstw
Myśląc o nanoelektronice wyobrażamy sobie
zazwyczaj inwestycje o milionowej, a nawet
miliardowej wartości, które umożliwiają
produkcję dostępnych cenowo produktów właśnie
dzięki dużej skali produkcji. Niektóre ścieżki
nanokosmiczne są jednak otwarte także dla średnich
przedsiębiorstw. Metody te wydają się na pierwszy rzut
oka archaiczne. Na przykład, taki proces jak nanodruk
światłem UV polega na dosłownie mechanicznym
wtłaczaniu nanostruktur w warstwę powlekającą materiał
będący nośnikiem elektronów, takim jak krzem.
Matryca zawierająca delikatne nanostruktury jest
wykonana ze szkła kwarcowego, przepuszczającego
promienie UV. Po zetknięciu pieczęci z warstwą
powlekającą, impuls światła UV powoduje polimeryzację,
prowadzącą do utwardzenia światłoczułej powłoczki.
Następnie matryca zostaje usunięta, a zarys wytłoczony
w warstwie powlekającej poddaje się wytrawianiu.
Odsłonięty krzem można następnie przetwarzać
zgodnie z potrzebą: przez wielokrotne powtórzenie
procesu z różnymi matrycami otrzymuje się
Prototyp steppera do litografii EUV, umożliwiającej produkcję chipów przyszłej generacji.
Zerodur do masek litograficznych, ta specjalna ceramika zachowuje stałe własności, nawet przy rozmiarach nanoskopowych.
ostatecznie złożoną strukturę obwodu scalonego
z tranzystorami, ścieżkami przewodzącymi itd.
W próbach laboratoryjnych udało się już uzyskać
niewielkie struktury, wielkości zaledwie 10 nanometrów.
Zastosowanie tego procesu nie ogranicza się do
elementów elektronicznych, można posługiwać się
nim równie dobrze do rzeźbienia struktur w metalu
lub plastiku. Można też w ten sposób tworzyć
zminiaturyzowane laboratoria, tzw. struktury „lab on
a chip”. Koszty maszyny do nanodruku światłem UV
szacuje się obecnie na mniej niż milion euro, czyli
ułamek tego, ile kosztują odpowiednie urządzenia
nowoczesnej konwencjonalnej wytwórni układów
scalonych. Tym niemniej, nanodruk światłem UV
niekoniecznie prowadzi do uzyskania tańszych
produktów, ponieważ jego moc przerobowa jest
znacznie mniejsza. Można jednak rozważyć
zastosowanie tej metody w przypadku specjalnych
mini-serii – „mini” w porównaniu z dużymi
seriami producentów procesorów.
Powstanie centrum elektronicznego w Dreźnie jest sukcesem
niemieckiego programu wspierania badań naukowych. W regionie
powstało około 16 000 miejsc pracy przyczyniających się do
innowacyjności całej gospodarki niemieckiej. W projektach
wspieranych przez niemieckie Ministerstwo Oświaty i Nauki
(BMBF) 44 partnerów z przemysłu i państwowych instytucji
badawczych, w tym 21 przedsiębiorstw średniej wielkości,
wypracowało standard przyszłego wykorzystania trzystumili-
metrowych krążków z kryształów krzemu do produkcji bardzo
skomplikowanych obwodów scalonych. Kluczową rolę odgrywa
przy tym Ośrodek Technologii Masek w Dreźnie, gdzie
opracowywane są sposoby tworzenia struktur przyszłych
chipów nanoelektronicznych.
Nadruk w skali nano: W Instytucie Technik Półprzewodnikowych (IHT) Politechniki w Akwizgranie otrzymuje się już metodami mechaniczno-optycznymi chipy o szerokości struktury 80 nanometrów. Zastosowanie: małe serie bardzo złożonych obwodów.
18
Laser rentgenowski XFEL – wiodące
światło dla nanotechnologii
Jeśli wszystko będzie przebiegać zgodnie
z planem, w roku 2012 kilka miliardów elektronów
doświadczy czegoś niezwykłego. Na terenie DESY
w Hamburgu-Bahrenfeld nabiorą przyspieszenia
w nadprzewodzącym akceleratorze elektronów, a po
uzyskaniu bardzo wysokiej energii będą 3,3 kilometra
dalej systematycznie odchylone za pomocą magnesów
z toru liniowego na tory kręte. Powstanie przy tym
krótkofalowe promieniowanie rentgenowskie
szczególnego rodzaju: promieniowanie laserowe.
Będzie to najcenniejsze promieniowanie,
jakim kiedykolwiek dysponowali uczeni.
Dzięki niemu za jednym pociągnięciem
będzie można oznaczyć strukturę
pojedynczej (!) biocząsteczki. Dostępne
obecnie źródła promieniowania
rentgenowskiego wymagają dobrze
uformowanych kryształów
biocząsteczki, co nie zawsze
jest wykonalne. Błyski
rentgenowskie są tak
krótkie, że różne fazy
ruchu cząsteczki
można dobrze
sfilmować.
Efekty kwantowe
Na Uniwersytecie Ludwika Maximiliana
w Monachium rutynowo poddaje się materię
warunkom ekstremalnym, z punktu widzenia
nanotechnologii, w których może ona ujawnić zaskakujące
cechy. Kiedy na przykład para składająca się z setek
tysięcy atomów rubidu zostanie schłodzona do jednej
milionowej stopnia powyżej zera bezwzględnego
(-273 °C) i uporządkowana przez pole magnetyczne,
atomy łączą się w kondensat Bosego-Einsteina,
w którym tworzą jeden blok, jak oddział
maszerujących żołnierzy. Monachijscy
optycy kwantowi potrafią wcisnąć
taki blok w trójwymiarowy splot
stojących fal laserowych i poddać
manipulacji, na przykład do tego
stopnia wzmocnić pułapki świetlne, że
jedność bloku rozpada się w kondensat
Motta. Badania te zostały nagrodzone
nagrodą Nobla w 2001r. Dlaczego?
Eksperymenty tego rodzaju ożywiają
teorię kwantową, która ma w nanokosmosie
wiele do powiedzenia. Ten, kto ją dobrze
zrozumie i opanuje, będzie na przykład mógł
opracować dokładniejsze standardy czasu.
Z kolei dokładniejsze zegary pomogą przyspieszyć
przepływ danych w Internecie – zatem ta na
pozór ezoteryczna wiedza może okazać się
bardzo opłacalna.
Nowe impulsy
dla nauki
N
arz
ędzi
a
i p
roce
syPodziemny tor wyścigowy dla szybkich elektronów.
Konwencjonalny spektrometr do strukturalnej analizy rentgenowskiej. Takim instrumentom nauka zawdzięcza znaczną część swojej wiedzy o nanokosmosie.
„Kondensat Motta” – egzotyczna materia do ultradokładnego pomiaru czasu.
Nadprzewodzące elementy do przyspieszania elektronów.
19
To, co przy użyciu innych metod wyglądałoby jak
zamazany obraz trąby powietrznej, odzwierciedlone
za pomocą lasera rentgenowskiego nabiera
rozpoznawalnych kształtów.
Możliwe jest rozwiązanie zagadek tarcia. Przyczyny
powstawania tarcia są określone przez nanowymiarowe
wysepki złożone z kilkuset atomów. Również
właściwości poszczególnych klasterów, skupisk
kilkuset atomów, można przy pomocy XFEL zbadać
lepiej niż każdym innym instrumentem.
Krótko mówiąc, nauka i technika otrzymały potężne
wsparcie w postaci największego w Europie projektu
nanotechnologicznego. Zaplanowane na ten cel koszty
ogólne w wysokości 684 milionów euro (stan na rok 2003)
najprawdopodobniej zwrócą się z nawiązką, i to bynajmniej
nie tylko w formie czystej wiedzy, ale również w gotówce.
Femtosekundowe błyski lasera rentgenowskiego umożliwiają obserwację i zrozumienie dokładnego przebiegu reakcji chemicznych. Reakcje te – nanotechnologia w najmniejszej skali – znajdują zastosowanie na przykład w optoelektronice, ogniwach fotowoltaicznych, paliwowych i słonecznych.
Laser wolnych elektronów w budowie.
Tak będzie wyglądać podziemna trasa przyspieszania elektronów.
20
Procesy zolowo-żelowe do
otrzymywania nowych materiałów
Sos Béarnaise został nazwany na cześć Henryka
IV, króla Francji, który pochodził z Béarn. Sos
ten jest bardzo dobrym (i bardzo smacznym)
przykładem układu koloidalnego. Określenie koloid
oznacza układ, w którym wiele drobnych cząstek
jakiegoś materiału jest trwale zawieszonych w innej
substancji.
Projektowanie materiałów w nanoskali
N
arzę
dzi
a
i p
roce
sy
W sosie Béarnaise są to kropelki octu w roztopionym
maśle. Koloidami są również kremy i farby. Poprzez
technologię zolowo-żelowej koloidy prowadzą wprost
w dziedzinę zaawansowanych technologii.
W metodzie zolowo-żelowej, z rozpuszczalnych
związków, na przykład związków krzemu, otrzymuje
się (zazwyczaj koloidalny) zol, w którym krople
zawierające krzem pływają w roztworze nośnym.
Po rozpyleniu na blachę i podgrzaniu, roztwór nośny
wyparowuje, a krzemowe kropelki żelują się tworząc
strukturę sieciową.
Ta zżelowana sieć następnie twardnieje tworząc
twardą warstwę ceramiczną, która zabezpiecza blachę
przed korozją i zarysowaniem. Metodę zolowo-żelową
stosuje się w setkach odmian dla najróżniejszych
substancji. Zżelowane zole można formować w kształcie
nici, które po wypaleniu przekształcają się we włókna
ceramiczne. Z zoli można wytwarzać proszki o
nanoskopowych ziarnach, które spiekają się znacznie
łatwiej (i w niższych temperaturach) niż tradycyjne
proszki, tworząc produkty ceramiczne wytrzymujące
nawet najwyższe ciśnienia i temperatury.
Metoda zolowo-żelowa nadaje się również do
wytwarzania skomplikowanych elementów optycznych,
jak światłowody, podwajacze częstotliwości, pola
mikrosoczewek itp. Ten rodzaj nanotechnologii
obiecuje wręcz rewolucję w materiałoznawstwie.
Rozpuszczalnik żelu można też w odpowiednich
warunkach usunąć w taki sposób, że zostanie zachowana
pierwotna objętość żelu. Powstaje w ten sposób bardzo
porowaty materiał o wyjątkowo małej gęstości, zwany
aerożelem.
Królewski zol -żel: sos Bearnaise nazwany tak na cześć
Henryka IV, króla Francji.
Na miarę najmniejszych cząstek: reaktor cząstek
zolowo-żelowych.
21
Aerożele
Aerożele spotykamy na co dzień, od dawna
można znaleźć je w cukierni pod nazwą
bezy. Jest to zapieczone białko ubite
z cukrem. Biorąc takie ciastko do ręki, czujemy, jak
rozgrzewają nam się palce. Dzieje się tak dlatego,
że powietrze w bezach jest zamknięte w milionach
mikroskopijnych pęcherzyków. Ze względu na brak
cyrkulacji nie następuje wymiana ciepła, co sprawia
że beza jest doskonałym izolatorem, tak jak styropor.
Doskonałymi izolatorami ciepła są również podobnie
zbudowane aerożele, wykonane ze spienionego szkła.
Białko jest bezbarwne, a beza biała. Przyczyną
tego zabarwienia jest zamknięcie ubitego białka
w pęcherzykach wielkości paru mikrometrów.
W strukturach w skali mikrometrycznej światło
rozprasza się na wszystkie barwy, dając w sumie
białą, natomiast pory o wymiarach nanoskopijnych
nie rozpraszają światła. Przez piankę z nanoporami
wykonaną z materiału podobnego do szkła można
widzieć niemal równie dobrze, jak przez normalną
szybę w oknie. Z podwójnych szyb wypełnionych
ową pianką otrzymuje się doskonałe szkło okienne
o znakomitych właściwościach zatrzymywania ciepła.
Ponieważ takie pianki składają się niemal wyłącznie
z powietrza, nazywamy je aerożelami. Nazwę „żel”
zawdzięczają procesowi produkcji: do wodnego
roztworu odpowiedniego materiału dodaje się katalizator,
który powoduje powstawanie maleńkich, pustych
w środku, cienkościennych kuleczek, które łączą się
w łańcuchy i skupiska łańcuchów, stanowiące żel.
Po wysuszeniu otrzymuje się lekki jak piórko aerożel.
Najdalej podróżujący aerożel znajduje się w analizatorze
pyłu CIDA firmy Hoerner & Sulger, który w styczniu
2004 r. po pięciu latach podróży i przebyciu trasy 3,22
miliardów kilometrów zebrał pył z komety „Wild 2”.
Materiał usiany pęcherzykami ma dużą powierzchnię
wewnętrzną. Największą możliwą powierzchnię, bo
nieskończoną, ma gąbka Mengera, której objętość
wynosi zero. Gąbka ta istnieje tylko w umysłach
matematyków. Rzeczywista powierzchnia wewnętrzna
aerożeli jest jednak wystarczająco duża, aby wywoływać
zadziwiające efekty. Aerożel węglowy wielkości
kostki cukru może mieć aż 2000 m2 powierzchni
wewnętrznej. Ta i inne właściwości zapewniają
aerożelom węglowym pewną pozycję w przyszłościowych
technologiach energetycznych. Można z nich budować
kondensatory o pojemności do 2500 faradów do
zastosowania w urządzeniach o bardzo dużym
zapotrzebowaniu na energię elektryczną, na przykład
do pojazdów napędzanych prądem. Ta genialna piana
umożliwi również udoskonalenie baterii litowych,
nowoczesnych ogniw paliwowych itd.
Rzadko się zdarza, aby coś tak niepozornego miało
tak wielki potencjał. Typowa nanotechnologia.
Podwójne szyby wypełnione aerożelem zmniejsza straty ciepła.
Kometę „Wild 2” odwiedził aerożel.
Gąbka Mengera służy matematykom jako „uniwersalna krzywa”. Powstaje, gdy opisana poniżej procedura jest powtarzana w nieskończoność.
Aerożel jako naukowo udoskonalony zbieracz pyłu. Cząstki są bezpiecznie zamykane w stopionej masie aerożelowej.
22
Nanotechnologia dla społeczeństwa
Świat w sieci: nanoelektronika
Od notatnika w studiu nagrań do studia nagrań w notebooku –
stan techniki
mikrofonu. Za pomocą programu dźwiękowego
wszystkie odgłosy nagrywa się na różne ścieżki.
Samolot przelatuje z lewej strony na prawą, co
można ustawić za pomocą krzywych panoramy.
Warkot silnika nasila się i cichnie, co można ustawić
za pomocą krzywych natężenia dźwięku. I udało
się: Flyer One z Orvillem Wrightem na pokładzie
przelatuje przy odgłosach przypływu i traw szumiących
na wydmach nad Kill Devil Hills, zupełnie jak
17 grudnia 1903, a wszystko to w notebooku. (Inni
pionierzy lotnictwa, jak Niemiec Gustav Weißkopf,
wzbili się w powietrze już 1901 roku, ale nie potrafili
wykorzystać swojego wynalazku w praktyce).
Jeszcze dwadzieścia lat temu pojedyncza osoba nie
byłaby w stanie zrealizować takiego zadania. Poza tym
wymagałoby ono kilku ton sprzętu i wyposażenia.
Dzisiaj wystarczy notebook, małe biureczko i parę
godzin czasu. Encyklopedia zmieściła się na płycie
DVD, która zastępuje trzydzieści tomów i umożliwia
nieporównywalnie wygodniejsze szybkie wyszukiwanie
haseł niż jej wersja papierowa. Program dźwiękowy,
umieszczony na twardym dysku w postaci całkowicie
niematerialnej, oferuje nieskończoną liczbę efektów
ze swoich licznych wirtualnych półek. Wynalezienie
nowoczesnego komputera wywołało falę dematerializacji,
której zawdzięczamy również ograniczenie zużycia
energii. Spadek cen sprzętu i oprogramowania sprawił,
że twórcy z dobrymi pomysłami dostali do dyspozycji
wymarzone narzędzie pracy, niewymagające wielkich
nakładów finansowych.
W przyszłości biblioteka noszona na nadgarstku
nie będzie niczym nadzwyczajnym, tak samo jak
przenośne interaktywne narzędzia porozumiewania się.
Zlecenie: czteroipółminutowe słuchowisko o
pierwszym locie motorowym braci Wright,
odzwierciedlające atmosferę tego zdarzenia.
Jak zabierze się do tego autor, który
chce stworzyć coś ciekawego?
Najpierw obejrzy miejsce akcji.
Wirtualny globus pokazuje
miejscowość Kitty Hawk, położoną
na kilkukilometrowym skrawku
lądu nad północnym Atlantykiem
w otoczeniu wydm Kill Devil Hills,
a więc bracia Wright musieli słyszeć
huk morskich fal. Można je znaleźć
w archiwum dźwięków, tak samo jak
ostrą bryzę, która towarzyszyła im przy pierwszym
locie, o czym pisze Encyclopaedia Britannica, a
także szelest traw na wydmach. Silnik pracował z
prędkością 1200 obrotów na minutę, w archiwum
dźwięków jest Chrysler-Oldtimer, który też wydaje
przyjemny niski warkot. Syntetyzer częstotliwości
w programie dźwiękowym proponuje podobne,
możliwe do przyjęcia częstotliwości. Pierwszy lot
trwał dwanaście sekund, wybrano fragment, w
którym ton obniża się na końcu ze względu na
efekt Dopplera, gdy samolot przelatuje w pobliżu
Nanotechnologia w najbliższych latach
Stosowana w dzisiejszych procesorach
komputer owych technologia tranzystorowa
nazywa się CMOS (skrót od Complementary
Metal Oxide Semiconductor). Została opracowana
między innymi dla pierwszych zegarków elektronicznych,
ponieważ zużywała o wiele mniej prądu niż jej
poprzedniczki. Od lat siedemdziesiątych zeszłego
wieku specjaliści ostrzegali, że w ciągu kilkunastu lat
wyczerpią się możliwości techniczne i aż do tej pory
wciąż tak twierdzą. Tym razem wydaje się jednak, że
przemysł elektroniczny naprawdę ma pilne powody,
aby spróbować zerwać z tradycją postępującej
miniaturyzacji swoich struktur: na drodze w
mikrokosmos stopniowo uwidocznia się atomowa
struktura materii. Powłoki elektronowe atomów są
najmniejszymi elementami, które w normalnych
warunkach można włączyć do trwałych struktur
technicznych. Widać już więc nieprzekraczalną granicę.
Ścieżka przewodząca nie może być przecież węższa
niż atom.
Technologia CMOS już od dłuższego czasu napotyka
ograniczenia, które czasami są zaskakujące. Na przykład
ścieżki przewodzące, które łączą ze sobą tranzystory
w obwodzie scalonym, są już tak małe, że atomy glinu
tracą stabilność i są zwyczajnie wypłukiwane ze
strumienia elektronów, jak piasek z potoku. Fachowo
nazywa się ten proces „migracją elektronów”.
Skuteczny środek zaradczy to ścieżki przewodzące
z miedzi, która jest jeszcze lepszym przewodnikiem
i przyspiesza przepływ sygnałów w chipie. Oprócz tego,
ścieżki przewodzące są już tak gęsto upakowane że
powstaje zauważalna pojemność, jak w kondensatorze.
Jeżeli przy projektowaniu chipów nie uwzględni się
tego zjawiska, to chip może wypaść z rytmu.
Niektóre struktury tranzystorów chipowych osiągają
stopniowo wymiary kilkunastu nanometrów.
Tym samym wkraczają w dziedzinę teorii kwantowej,
zaczyna działać efekt tunelowy: przepływają prądy,
których nie powinno być w większych tranzystorach
– elektroniczna śluza staje się nieszczelna.
Wprawdzie są to bardzo słabe prądy, ale ich suma
z milionów tranzystorów powoduje znaczące straty
i przegrzewanie się procesora. Ponadto niekontrolowany
przepływ ładunków powoduje błędy logiczne, które
mogą okazać się fatalne.
Wreszcie, w bardzo małych strukturach zaczyna się
uwidaczniać falowa natura elektronu, jak opisuje to
mechanika kwantowa. Ta okoliczność według wielu
uczonych jest jednak również szansą na stworzenie
zupełnie innego typu elektroniki, która może nawet
doprowadzić do powstania komputera kwantowego,
otwierającego dla nas zupełnie nowe światy
matematyczne.
23
Studio telewizyjne wielkości paznokcia: multimedialny chip sterujący wyświetlaczem wysokiej rozdzielczości ma zapotrzebowanie na energię nie większe niż latarka kieszonkowa.
64-bitowy procesor AMD przeznaczony do komputerów osobistych, zawierający 106 milionów tranzystorów i wykorzy stujący technologię 130 nm.
24
Granice prawa Moore'a
Już w 1965 roku Gordon
Moore, współzałożyciel
firmy Intel, stwierdził,
że pojemność mikrochipów
podwaja się co 18 miesięcy.
„Prawo” to obecnie przestaje
obowiązywać ze względu na
typowo ludzkie ograniczenia.
Rzeczywiście osiąga się rocznie
około pięćdziesięcioprocentowy
wzrost liczby tranzystorów na
jednym chipie, lecz analitycy
narzekają że liczba nowych
projektów układów scalonych
zwiększa się jedynie o 20
procent. Przemysł starał się
temu zaradzić, powiększając
nieustannie zespoły projektantów.
Obecnie, zespoły projektantów
składają się z 250 do 300 ludzi, co stanowi grupę
o takiej wielkości którą trudno już zarządzać.
Ciągłemu wzrostowi sprzeciwia się też drugie prawo
Moore'a, zgodnie z którym zmniejszenie struktur
wiąże się ze zwiększeniem kosztów miejsca produkcji.
Do momentu, kiedy ograniczenia te poważnie
utrudnią dalszy rozwój, nanotechnologia będzie
odgrywać coraz większą rolę w nanoelektronice.
N
ano
tech
no
log
ia d
la s
po
łecz
eńst
wa
Już dzisiaj najmniejsze struktury CPU mają mniej
niż 100 nm i zawierają ponad 100 milionów
tranzystorów. Jeśli wierzyć prognozom przemysłu
półprzewodnikowego, które na ogół opierają się na
realnych danych technicznych, za kilka lat (w 2010)
powinniśmy spodziewać się struktur wielkości 45 nm,
zawierających ponad miliard tranzystorów na jednym
chipie. Tym samym otworzą się możliwości
zastosowań, o jakich dzisiaj możemy tylko marzyć.
Atomy manganu na srebrze, Uniwersytet im. Christiana Albrechta w Kilonii. Elektrony ogrodzone atomami manganu tworzą wzory rozkładu, które zależą od zastosowanego napięcia prądu. Takie zjawiska będą wykorzystywane w elektronice przyszłości.
Świat w sieci: nanoelektronika
Mała wysepka krzemowa
na krysztale krzemowym
powoli rozpuszcza się w 450 stopniach.
Znajomość takich procesów jest istotna dla
zapewnienia jakości cienkich
warstw.
25
Pamięć fazowozmienna
(Phase Change RAM)
Współczesne urządzenia do przechowywania
danych wykorzystują różne technologie,
z których każda ma pewne wady i zalety.
Twardy dysk magneto-mechaniczny (powszechnie
wykorzystywany w komputerach osobistych) ma
bardzo dużą gęstość zapisu, gromadzi dane również
bez ciągłego dopływu prądu, ale jest bardzo powolny.
Pamięć DRAM jest szybsza, ale zanika, jeżeli nie jest
ciągle odświeżana przez impulsy prądu elektrycznego.
Pamięć flash, używana w odtwarzaczach MP3,
telefonach komórkowych i aparatach cyfrowych,
zachowuje dane również bez dopływu prądu, ale jest
wolniejsza od DRAM i może być zapisana tylko około
miliona razy. Przyszłe nanotechnologiczne koncepcje
przechowywania danych, łączące w sobie wszystkie
wymienione wyżej zalety: dużą gęstość zapisu, szybkość,
przechowywanie danych bez dopływu prądu oraz
długą trwałość, to z dzisiejszego punktu widzenia
pamięć MRAM (Magnetic Random Access Menory)
i opisana poniżej Phase Change RAM.
Substancje stałe mogą występować w dwóch skrajnych
stanach: w stanie krystalicznym, gdzie atomy są
ściśle uporządkowane w regularnej strukturze, lub
w stanie amorficznym, w którym atomy układają
się nieregularnie. Wśród znanych amorficznych ciał
stałych można wymienić szkła, na przykład szkło
kwarcowe. Ta sama substancja, dwutlenek krzemu,
jest znana w mineralogii w postaci krystalicznej, jako
kryształ górski. Krystaliczny i amorficzny, o tych
dwóch stanach materii będzie w przyszłości głośno,
bo prawdopodobnie od nich będzie zależeć przyszłość
pamięci masowych. Niektóre ciała stałe dają się dość
dowolnie przeprowadzać ze stanu amorficznego
w stan krystaliczny i odwrotnie. Zmiana faz, następująca
przeważnie pod wpływem ciepła, znalazła szerokie
zastosowanie w urządzeniach z pamięcią optyczną.
Gdy na przykład powstaje zapis na płycie DVD
wielokrotnego użytku, specjalna powłoka płyty pod
wpływem ciepła impulsu laserowego przechodzi
miejscowo z fazy krystalicznej w amorficzną,
zmieniając tym samym współczynnik odbicia światła,
co pozwala na zapisanie czytelnego wzorca bitowego.
Dłuższe i silniejsze działanie lasera powoduje, że
miejsca amorficzne z powrotem ulegają krystalizacji,
dzięki czemu płyta może być zapisana na nowo.
Najprawdopodobniej materiały zmieniające fazę mają
teraz przed sobą dalszą karierę w elektronicznych
pamięciach opartych na zmianie fazy, czyli Phase Change
RAM. Tutaj zmiana fazy nie będzie przeprowadzana
optycznie, lecz elektronicznie. Przy zastosowaniu
krótkich impulsów elektrycznych otrzymuje się materiał
amorficzny o dużym oporze elektrycznym, pod
wpływem dłuższych impulsów powstaje na nowo
materiał krystaliczny o mniejszym oporze. Informacje
są odczytywane po sprawdzeniu oporu elementów
pamięci.
Pamięć Phase Change RAM powinna zapewnić
gęstość zapisu, umożliwiającą przechowywanie
jednego terabita danych na powierzchni wielkości
znaczka pocztowego, co oznacza dziesięć godzin
nieskompresowanych informacji wideo najlepszej
jakości. Notebooki wykorzystujące tę technologię,
będą włączały się po prostu tam, gdzie użytkownik
skończył pracę – ładowanie systemu będzie
niepotrzebne.
Z prawej: Za pomocą warstwy fazowozmienne Warstwy fazowozmienne (PC-Layer) używane do zapisu bitowego można przełączać pomiędzy stanem krystalicznym a amorficznym stosując różnej długości impulsy prądu i ciepła. Opatentowany wzór Instytutu IHT Politechniki w Akwizgranie umożliwia szybkie zachowywanie danych przy niewielkim zapotrzebowaniu energii.
Z lewej: Konkretne wykonanie pamięci fazowozmiennej.
26
Postęp w trójwymiarze – chipy rosną
w górę
Drapacze chmur na niewielkim obszarze
Manhattanu były najbardziej ekonomicznym
rozwiązaniem, gdy zaistniała potrzeba
stworzenia nowych pomieszczeń biurowych
i mieszkalnych. Oczywiście również projektanci
układów scalonych już dawno myśleli o trzecim
wymiarze, jednak wysiłki te spełzły na niczym ze
względu na różnego rodzaju trudności.
Możliwe jednak, że drogę do trzeciego wymiaru
udało się ostatnio odkryć firmie Infineon AG,
z Monachium. Jej pracownikom udało się umieścić
węglowe nanorurki (Carbon Nanotubes – CNT) na
wypolerowanym krążku krzemowym, na którym
powstają chipy. Węglowe nanorurki znakomicie
przewodzą prąd, zatem nie przegrzewają się, a poza
tym mogą być wykorzystane jako wytrzymałe na
obciążenia mechaniczne połączenia (VIA) pomiędzy
różnymi płaszczyznami obwodów. Badacze z Infineonu
uważają, że z czasem CNT znajdą zastosowanie
w technologii wytwarzania trójwymiarowych chipów,
zwłaszcza, że jako doskonałe przewodniki ciepła mogą
znakomicie odprowadzać jego nadmiar z wnętrza
trójwymiarowego układu.
Świat w sieci: nanoelektronika
Celowy wzrost nanorurek węglowych na uprzednio wyznaczonych miejscach
krzemowego krążka dzięki zastosowaniu
procesu kompatybilnego z mikroelektroniką.
10 μ m
Najnowocześniejsza sztuka: eksperymentalne struktury dla pamięci spintronicznej.
N
ano
tech
no
log
ia d
la s
po
łecz
eńst
wa
27
Spintronika – obliczenia
z zastosowaniem wirujących
elektronów
Prawdziwą rewolucję, która prawo Moora
przeniosłaby w daleką przyszłość, mogą
wywołać elementy, które oprócz właściwości
elektrycznych elektronu wykorzystują jego
właściwości magnetyczne, czyli spin. Spin elektronu
jest niewielkim momentem magnetycznym, który
oddziaływuje w sposób złożony z otoczeniem
magnetycznym, co może znaleźć zastosowanie
w elektronice. Jedno z zastosowań owej spintroniki czy
magnetoelektroniki weszlo już do zycia codziennego:
nowe twarde dyski wyposażone są w cienkowarstwowe
głowice czytające typu „zawór spinowy”, które –
w oparciu o ogromny opór magnetyczny – są w stanie
rozróżnić bardzo małe domeny magnetyczne,
co umożliwia gęstsze upakowanie informacji.
W chipach pamięci magnetycznej, MRAM, informacje
są przechowywane w spinie warstw magnetycznych.
Wynalazek ten budzi zainteresowanie w kontekście
pamięci nieulotnej i z czasem może przyczynić
się do wycofania twardych dysków poruszanych
mechanicznie.
O spintronice mówi się również jako o technologii
dla komputerów kwantowych, między innymi na
Uniwersytecie w Würzburgu.
Sprzężone tunelowo druty kwantowe – elektrony pokonują przejścia, które według klasycznej teorii powinny być zamknięte. Eksperymenty nano -techno logiczne zaczynają prześcigać teorię.
Spinowo spolaryzowana sonda magnetyczna skaningowego mikroskopu tunelowego skanuje właściwości magnetyczne poszczególnych atomów.
Skomplikowane jak miniaturowe miasto – wytrawione obwody miedziane na chipie (IBM), obraz pod elektronowym mikroskopem skaningowym. Nowoczesne chipy mogą mieć do dziewięciu płaszczyzn obwodów.
Przymiarka do komputera kwantowego – interferometr Aharonova-Bohma na Uniwersytecie w Bochum ze skaningowym mikroskopem siłowym.
Pojedyncze cząsteczki organiczne na silikonie. Obraz uzyskany za pomocą tunelowego mikroskopu skaningowego, Uniwersytet w Bochum.
Nowe efekty zwiększające wydajność twardych dysków: głowica czytająca z elementem półprzewod-nikowym złożonym z ponad dwudziestu warstw o wymiarach mano metrycznych wykor-zystuje gigantyczny opór magnetyczny.
28
Nanotechnologia w przyszłym życiu codziennym
Gdy nanotechnologia wkroczy w nasze
życie codzienne, nie musi wcale nastąpić
dramatyczna zmiana zewnętrzna. Ludzie
będą nadal chętnie przesiadywać w ulicznych
kawiarenkach, może nawet chętniej niż teraz, bo hałas
silników spalinowych zastąpiony zostanie łagodnym
szumem i szelestem, jaki słyszymy, gdy w pojeździe
kosmicznym Enterprise zamykają się drzwi grodziowe.
Zamiast smrodu spalonego paliwa od czasu do czasu
poczujemy słabą woń metanolu, używanego do
ogniw paliwowych. Obsługa będzie bardzo szybka:
wprowadzenie zamówienia na elektronicznej karcie
dań zautomatyzuje nawet kuchnię. Rachunek będzie
można zapłacić przez dotknięcie kartą płatniczą znaku
euro wydrukowanego w rogu jadłospisu. Napiwki
pozostaną w gotówce, która wydaje tak przyjemny
dźwięk. Tyle że, ze względów higienicznych monety
będą powleczone antybakteryjnymi nanocząstkami.
Okna kawiarni będą dość kosztowne z powodu
licznych funkcji użytkowych, jakie będą spełniać, co
ostatecznie jednak sprawi, że w sumie będą tańsze.
Będą więc odporne na brud i zadrapania, oraz
automatycznie przyciemniane, gdy będzie
zbyt jasno. Będą też mogły przetwarzać światło
w prąd elektryczny i na życzenie działać jak ogromny
wyświetlacz. Miło będzie siedząc w kawiarni lub na
zewnątrz oglądać z innymi ludźmi mistrzostwa świata.
Dojrzała nanoelektronika umożliwi powstanie urządzeń
o wyrafinowanej elegancji, jak prawdziwy PDA (Personal
Digital Assistant) o wymiarach karty kredytowej (można
zrobić i mniejszy, ale wtedy byłyby nieporęczny).
Przedmiot ten mógłby być wykonany jako matowy,
czarny monolit bez widocznych struktur – czarna
powierzchnia gromadzi światło słoneczne i przetwarza
je na prąd. Byłby odporny na zarysowania dzięki
cieniutkiej powłoczce diamentowej, pod którą
znajdowałaby się cienka warstwa ceramiki
piezoelektrycznej, przetwarzająca dźwięk na
sygnał elektryczny i odwrotnie, umożliwiając
porozumiewanie się za pomocą głosu. Naturalnie
miałby tez możliwość przesyłania danych za pomocą
fal świetlnych i radiowych.
Piezomaty zapobiegają uciążliwym drganiom
Ogniwa paliwowe dostarczają prądu do telefonów komórkowych i pojazdów
Warstwy magnetyczne w miniaturowych pamięciach
Szkło termochromowe do regulowania dopływ światła
Farba zawierająca nanocząstki zabezpieczająca przed korozją
Kask utrzymuje kontakt z użytkownikiem
Inteligentna odzież mierzy tętno i oddech
Stawy biodrowe z materiałów biokompatybilnych
Rama wykonana w technologii nanorurek
jest bardzo lekka i trwała
N
ano
tech
no
log
ia d
la s
po
łecz
eńst
wa
29
Nanocząsteczki w nanoroztworach fluoryzują w świetle UV, poza tym
są całkiem niewidoczne. Drobno rozproszone w cieczy dają się nanosić metodą drukowania atramentowego,
nie zmieniając wyglądu i funkcji znakowanego przedmiotu.
Nanobarwniki doskonale nadają się jako zabezpieczenie przed
fałszerstwem.
Tkanina z powłoką zabezpieczająca przed brudem
Diody świecące jako konkurencja dla żarówek
Urządzenie będzie też odbierało obrazy za pomocą
płaskiego obiektywu i chipowego przetwornika
obrazów o wysokiej rozdzielczości, na życzenie
będzie też włączało się jako wyświetlacz. Będzie to
więc jednocześnie magnetofon, aparat fotograficzny,
odtwarzacz wideo, telewizor, telefon komórkowy,
a za pośrednictwem Europejskiego Systemu
Pozycjonowania Galileo – również nowoczesny
kompas. Na żądanie będzie czytać, tłumaczyć i
objaśniać kartę dań w paryskiej kawiarni, grzecznie
składać zamówienie po francusku i płacić rachunek.
Naturalnie będzie odróżniało głos i odciski palców
swojego użytkownika, zabezpieczając się tym samym
przed wykorzystywaniem przez osoby nieuprawnione.
Elektroniczna karta dań
Organiczne diody świecące (Organic Light Emitting Diodes – OLED) do wyświetlaczy
Folie fotowoltaiczne przekształcają światło w prąd elektryczny
Szyby odporne na zadrapania, wykorzystujące efekt lotosu
Nanorurki do nowych wyświetlaczy w notebookach
Szkło fotochromowe. Przepuszczalność światła w tego typu szkłach jest sterowana elektronicznie – możliwość przyszłego zastosowania do klimatyzacji pomieszczeń biurowych.
Wirtualna klawiatura: dotknięcie wyświetlanego elementu klawiatury jest rozpoznawane przez system jako naciśnięcie klawisza.
30
Nanotechnologia w samochodzie
Przednie szyby można zabezpieczyć przed
zarysowaniem dzięki powłokom ochronnym
wykonanym metodą zolowo-żelową, zawierającym
twarde nanocząstki. Zachowuje się przy tym całkowitą
przejrzystość szyby, bo nanocząsteczki są tak maleńkie,
że nie rozpraszają światła. Zasadę tę wykorzystuje się
już w szkłach okularowych, mimo że to zastosowanie
wymaga jeszcze dopracowania. Lakier samochodowy
może posiadać strukturę liści lotosu, dzięki której
brud nie będzie przywierał.
Przednie szyby zawierające nanocząsteczki
mogą wspomóc klimatyzowanie samochodu
gdyż odbijają raz mniej, raz więcej światła
dzięki elektronicznemu sterowaniu.
Zastosowanie tej metody w pomieszczeniach
biurowych pozwoliłoby na znaczną
oszczędność energii.
Światło potrzebne w samochodzie jest już dzisiaj
w dużej mierze wytwarzanie z zastosowaniem
nanotechnologii. Tak jak wszystkie diody świecące
(LED), diody wysokiej jakości zastosowane
w światłach hamowania zawierają skomplikowane
systemy warstwowe o rozmiarach nanometrycznych,
które bardzo wydajnie przekształcają prąd w światło.
Dalsza zaleta: diody świecące przekształcają prąd
w światło widoczne dla ludzkiego oka właściwie
natychmiast, światła hamowania z żarówkami działają
nieco wolniej. Różnica ta może przekładać się na kilka
metrów drogi hamowania. Diody świecące dają obecnie
tak silne światło, że ich zespoły mogą w przednich
reflektorach zapewnić światło do jazdy dziennej.
Tak jak w innych maszynach, również i w samocho-
dzie jakość zastąpi ilość dzięki nanotechnologii.
Korzyść z technologii jest taka, że zużywa się mniej
materiału – technika pojednała się z naturą.
Niewielkie struktury zapewniają lepsze pole widzenia. Regularne
mikroskopijne struktury zapobiegają uciążliwym
odbiciom światła na wyświetlaczu i na
szybach samocho-dowych. Naturalnym
wzorcem jest oko ćmy, która w nocy chce
zobaczyć możliwie dużo, a sama pozostać
niewidoczna.
Motoryzacja
Nan
ote
chn
olo
gia
dla
sp
ołe
czeń
stw
a
Diody świecące w sygnalizacji ulicznej pozwalają na oszczędność energii i czasu przeznaczonego na konserwację. Koszty zamortyzują się w ciągu roku.
Dzięki nanotechnologii lakier samochodowy mógłby
nawet pełnić funkcję ogniwa słonecznego (możliwość
jeszcze nie wykorzystana). Uzyskany w ten sposób
prąd można by wykorzystywać podczas parkowania
do ładowania akumulatora -konwencjonalne ogniwa
słoneczne są już używane do tego celu. Mógłby być
też używany do chłodzenia wnętrza przez pompę
cieplną. Taka pompa mogłaby z kolei składać się
Dysza wtryskiwacza do pojazdów z silnikiem Diesla. W przyszłości systemy będą wyposażone w diamentopodobne powłoki ochronne grubości kilkudziesięciu nanometrów.
z półprzewodnikowego układu warstw wytworzonego
metodami nanotechnologii, bez żadnych części
ruchomych. W przypadku procesu odwrotnego,
kiedy to przez półprzewodnik przepływa duża ilość
ciepła wytwarzanego przez silnik spalinowy może ono
zostać przetworzone z powrotem w prąd – zobacz też
„termoelektryczność” w rozdziale „Energia i środowisko”.
Ogniwa paliwowe (zob. s. 33) zamienią samochody w całkowicie wolny od zanieczyszczeń środek transportu. Gdy paliwo wodorowe będzie pochodzić z odnawialnych źródeł energii, ten rodzaj napędu stanie się wyjątkowo przyjazny dla środowiska.
31
Systemy ABS lub ESP uruchamiają się w krytycznych sytuacjach podczas jazdy, przyszłe systemy pozwolą automatycznie zapobiec niebezpieczeństwu
Z prawej: Elektronika dla bezpieczeństwa jazdy. Czujnik przyspieszenia do przedniej poduszki powietrznej.
Białe diody świecące dają obecnie tak silne światło, że w przyszłości będą mogły być używane jako źródła światła do jazdy dziennej w przednich reflektorach.
Krzemowe narządy równowagi: czujnik szybkości obrotów zapewniający stabilizację pojazdu.
32
Katalizatory ze złota
Nanotechnologia może się też przyczynić do
nowej kariery złota. Podczas gdy „zwykłe”
złoto jako katalizator zostało wyparte przez
platynę, nanocząstki złota na porowatym nośniku
okazały się bardzo skutecznym katalizatorem, który
już przy zimnym starcie rozkłada tlenki azotu i tlenek
węgla na nieszkodliwe substancje. Cząstki złota są
również obiecującym kandydatem do zastosowań
w katalizatorach ogniw paliwowych.
Oczywiście, wszystkie te osiągnięcia znajdą również
zastosowanie w środkach transportu innych niż
samochód. Na przykład rower skorzysta z osiągnięć
nanotechnologii, zwłaszcza z rozwoju ogniw
paliwowych i słonecznych, co doprowadzi do
stworzenia samonapędzającego się pojazdu, który
będzie przemierzał świat poruszany światłem,
powietrzem i wodą, lekki jak piórko dzięki ramie
z nanowłókien, wyposażony w diody świecące
i wiele innych udoskonaleń.
Złoto w zapobieganiu nieprzyjemnym zapachom
Katalizatory z nanocząsteczkami złota
wypróbowuje się obecnie jako pochłaniacze
zapachów. W małych urządzeniach
klimatyzacyjnych, na przykład takich jakie znajdują
się w samochodzie, mogą one usuwać nieprzyjemny
zapach znajdujących się tam bakterii. W Japonii są już
nawet wykorzystywane w toaletach.
Nanotechnologia na stacji benzynowej
Kierowcy mogą spotkać się już z technologią
mikrosystemów na stacjach bezynowych.
Pisuary w nowoczesnych toaletach są
wyposażone w czujniki, które sygnalizują każdy
wzrost temperatury uruchamiając połączoną z
nimi elektronikę, co powoduje spłukiwanie. Energii
elektrycznej dostarcza miniturbina wodna uruchomiana
przez proces spłukiwania. W przeciwieństwie do
urządzeń z czujnikami podczerwieni system ten
nie zostanie wyłączony z powodu gumy do żucia.
Nanotechnologicze pisuary działają w sposób jeszcze
bardziej udoskonalony i prosty. Dzięki efektowi lotosu
płyny ze ścianek pisuaru ściekają w postaci perełek,
przechodzą przez płynną warstwę pochłaniającą zapach
i znikają bez śladu – praktyka pokaże na ile to będzie
prawdą. Takie rozwiązania będą mogły oczywiście być
zastosowane również w prywatnych domach.
Motoryzacja
Nanokapsułki zapachowe nadają skórze przyjemne
własności.
Nanocząsteczki złota do nowych katalizatorów.
Pisuar na stacji benzy-nowej z mikro systemem
zabezpieczonym przed wandalizmem.
Warstwa powlekająca wykorzystująca nano-skopowy efekt lotosu
ułatwi również utrzymanie czystości.
N
ano
tech
no
log
ia d
la s
po
łecz
eńst
wa
Ogniwo paliwowe – urządzenie o tysiącu zastosowań
Ogniwa paliwowe przypominają baterie:
dostarczają prądu. Jednak
w baterii niezbędne składniki
chemiczne po pewnym czasie wyczerpują
się, natomiast do ogniwa paliwowego
ciągle dopływa materiał energetyczny.
Może to być czysty wodór lub inny
gaz, bądź ciecz zawierająca wodór,
na przykład gaz ziemny albo
olej rzepakowy. W tych dwóch
ostatnich przypadkach wodór
musi być najpierw oddzielony
w odpowiednim urządzeniu,
zanim będzie mógł być
zastosowany w ogniwie.
Gdy wodór łączy się
tlenem, elektrony z wodoru
przechodzą do tlenu. W ogniwie
paliwowym elektrony te są
wypychane do zewnętrznego
obwodu elektrycznego, który może
dzięki nim napędzać silnik czy
inne urządzenie. Produktem tej
reakcji jest po prostu czysta woda.
Ogniwa paliwowe mają dużą
wydajność, która – w zależności
od typu – jest w dużym stopniu niezależna od
wielkości. Produkuje się je w różnych wariantach.
Nanotechnologia może dołożyć ze swej strony
ceramiczne folie, teksturowane powierzchnie
i katalizatory z nanocząsteczkami.
W ostatnich latach na technologie ogniw paliwowych
wydano na świecie 6-8 miliardów dolarów
i nie ma powodu aby wątpić, że jest to
technologia obiecująca. Te ciche źródła
energii elektrycznej mają wielkość od
znaczka pocztowego aż do kontenera
okrętowego i oczywiście mogą być
zastosowane nie tylko w samochodach.
Dla drobnych użytkowników źródłem
wodoru mogłaby być niepalna
mieszanina metanolu z wodą,
którą użytkownicy „tankowaliby”
w supermarkecie.
Ogniwo paliwowe
może pomóc silnikom
elektrycznym odzyskać
uprzywilejowaną pozycję
najlepszego ze wszystkich silników
(pierwszy samochód elektryczny
pojawił się w Paryżu w 1881 roku).
Tylko silnik elektryczny może
działać z ponad dziewięćdziesięcio
procentową wydajnością i tylko on
może pełnić funkcję generatora,
a jednocześnie przetwarzać energię
dynamiczną, wyzwoloną na przykład przy
hamowaniu auta, w energię elektryczną.
Doskonałe materiały magnetyczne stosowane
w nowych silnikach elektrycznych
i generatorach są oczywiście również
wykonane z nanokryształów.
Metalowe „nanokostki”, otrzymane w BASF, mogą dzięki swojej porowatości magazynować wodór w dużych ilościach.
Ogniwa paliwowe będą również stosowane w gospodarstwach domowych jako źródło zarazem prądu i ciepła.
33
34
naturalnego budulca zębów, które pomagają im
odzyskać stan naturalny (zob. też „biomineralizacja”).
Krem na dzień (dostępny już dzisiaj) zawiera
nanocząstki tlenku cynku który chroni przed
szkodliwym wpływem promieniowania UV. Cząstki
o rozmiarach nanoskopowych są niewidoczne, więc
krem nie jest biały, ale całkowicie przezroczysty.
Szpiedzy na czubku palca
Nanotechnologia, nanoelektronika, technika
mikrosystemów itp. zapewniają dostęp do
skomplikowanych urządzeń analitycznych,
których zakup nie przekracza możliwości finansowych
prywatnych gospodarstw domowych. Jedno ukłucie
w palec wystarczy do przeprowadzenia analizy krwi.
Czy poziom cholesterolu jest w porządku? Cukier
w normie? Wyniki można wysłać przez internet
do najbliższego centrum nanomedycznego, gdzie
można będzie uzyskać dokładniejszą analizę lub
lek dostosowany do indywidualnych potrzeb,
przygotowany w mikroreaktorach. Lek w organizmie
jest transportowany przez nanocząstki, powlekane w
ten sposób, że substancja lecznicza dociera dokładnie
do źródła choroby. Jest to bardzo precyzyjne
podawanie leku. Lekarze z wielkim zainteresowaniem
oczekują dalszych postępów w tej dziedzinie.
Możliwy jest również czujnik zewnętrzny,
który badając palce trzymające
opakowanie wykrywa niedobór wapnia
i inne braki, które można uzupełnić dzięki „żywności
funkcjonalnej”. Lub konsumując zwykły ser kozi –
etykietka na opakowaniu wyposażona w diodę OLED
wskazałaby właściwy wybór.
Lustro łazienkowe jest wyposażone w nanoelektronikę
– nie tylko można się w nim przejrzeć, ale dostarcza
ono również pożądanych informacji. Do soku
pomarańczowego odnosi się jednak z pewną rezerwą,
gdyż zawiera on cukier, który przyspiesza rozwój
próchnicy. Znowu przydaje się nanotechnologia:
w paście do zębów (dostępnej już dzisiaj) znajdują
się nanoskopijne cząstki drobiny apatytu i białka,
Śniadanie przyszłości, rok 2020:
Jest jeszcze kawa? Oczywiście, a sok pomarańczowy? Naturalnie,
ale opakowanie mogłoby zawierać coś szczególnego, na przykład
„elektroniczny język” od wewnętrznej strony, sprawdzający czy sok
nadaje się jeszcze do spożycia.
Zdrowie
Nan
ote
chn
olo
gia
dla
sp
ołe
czeń
stw
a
Inteligentne środowisko – lustro
z interaktywną elektroniką udziela lekcji mycia zębów.
U góry z lewej: dzięki foliom z nanocząste-
czkami żywność dłużej zachowuje świeżość.
U góry po prawej: inteligentne opakowanie
z transponderem chipowym na bazie
polimerowej.
35
Supramolekularne kapsułki lecznicze
Podawane leki mogą być bardzo wyrafinowane.
Będą one przenoszone w supramolekularnych
cząsteczkach, które są puste w środku i
stanowią nanopojemniki transportowe (badania
w toku). Pojemniki te wyposażone są w anteny, na
których umocowane są przeciwciała podobnych białek
sensorycznych. Wchodząc w kontakt ze strukturami
charakterystycznymi dla czynnika chorobotwórczego,
jak otoczki komórek nowotworowych lub bakterie,
zatrzymują się i wysyłają sygnał do cząsteczki
z lekiem, która otwiera się i uwalnia swoją zawartość.
Dzięki takiemu zastosowaniu nanotechnologii
można dostarczać leki w wysokich dawkach wprost
do ogniska choroby, nie obciążając innych części
organizmu i minimalizując efekty uboczne.
Cząstki magnetyczne w leczeniu raka
Za pomocą podobnych sztuczek można też
kierować nanocząsteczki magnetyczne do
ognisk nowotworowych, które następnie
rozgrzewa się przy użyciu zmiennego pola
elektromagnetycznego, niszcząc nowotwór.
Nanocząsteczki mogą też przenikać przez system
filtrujący, zwany barierą krew-mózg, dzięki czemu
można je stosować w zwalczaniu nowotworów mózgu.
Metodę hipertermii cieczowomagnetycznej opracował
zespół pod kierunkiem biologia Andreasa Jordana.
Obecnie rozpoczynają się próby kliniczne.
Bramy na chipie
Technika mikrosystemów i nanotechnologia
– granice miedzy nimi są płynne – opłacą się
w sektorze medycznym już choćby dlatego, że
zminiaturyzują znane techniki i zmniejszą ich koszty,
niekiedy sto tysięcy razy i więcej. Dotyczy to między
innymi skomplikowanych urządzeń, które w tempie
tysięcy na sekundę badają miliony komórek, na
przykład ciałek krwi, pod względem określonych
Diagnostyka jutra. Coraz droższe metody staną się finansowo dostępne dzięki nanotechnologii.
Komórki glejaka, nowotworu mózgu: aż do samej granicy ze zdrową tkanką nasyciły się specjalnie powlekanymi nanocząsteczkami magnetytu. Gdy następnie pole elektromagnetyczne rozgrzeje cząstki, nowotwór będzie można poddać dalszym zabiegom. Metoda ma być zatwierdzona do użytku medycznego już w 2005 roku.
36
cech i sortują je w stanie żywym. Może się to
odbywać w następujący sposób: do krwi dodawane
są przeciwciała, które przywierają wyłącznie do tych
komórek, które są przedmiotem zainteresowania.
Przeciwciała są jednocześnie nośnikami barwnika,
który fluoryzuje w świetle lasera. W sortowniku,
komórki zamknięte w kropelkach byłyby przepuszczane
przez światło lasera. Gdy pojawia się sygnał
fluorescencyjny, pola elektryczne kierują kropelkę
z komórką do odpowiedniego zbiornika – podobną
metodę stosuje się w drukarkach atramentowych.
Sortowniki komórek są urządzeniami bardzo
skomplikowanymi, w których współdziałają ze sobą
mikromechanika, optyka i najbardziej precyzyjna
elektronika, co przekłada się na wysoką cenę
aparatury. Dzięki nanotechnologii będzie można
zmniejszyć sortowniki, które dziś mają wielkość
bramy, do wymiarów znaczka pocztowego, a być
może nawet uczynić je przedmiotami jednorazowego
użytku. Znacznie przyspieszy to postęp w medycynie.
Jeszcze bardziej zaawansowanej nanotechnologii
wymagać będą systemy typu „lab on a chip”.
Wynalazcy twierdzą, że będą one składać się
z milionów nanourządzeń, które w skoordynowany
sposób będą pracowały nad wspólnym zadaniem.
Takie chipy miałyby kilka centymetrów powierzchni,
ogromnie dużo w porównaniu z wymiarami
nanoaparatów, jakie się na nich znajdują. Wynika to
z konieczności zapewnienia krążenia płynów, które
w nanokosmosie są gęste jak miód i dlatego wymagają
więcej miejsca do obiegu. Laboratoria na chipach
zrewolucjonizują biologię, gdyż umożliwią śledzenie
krok po kroku, co się dzieje w poszczególnych
komórkach. Pozwoliłoby to na zrekonstruowanie
obrazu życia w formie filmu wideo. Uczeni nie
zadowolą się zresztą samą obserwacją komórki, będą
ją drażnić, żeby zobaczyć, jak reaguje i w ten sposób
rozwiązywać zagadki życia.
Neuroprotetyka
Niezwykle trudnym zadaniem dla techniki
mikrosystemów i nanotechnologii jest
uzyskanie ”inteligentnego” implantu
siatkówki oka. Obecnie wynalazek jest na etapie
prób. Dzięki niemu niewidomi, którzy stracili wzrok w
wyniku zwyrodnienia barwnikowego siatkówki będą
Implant siatkówki
Zdrowie
Nan
ote
chn
olo
gia
dla
sp
ołe
czeń
stw
a
Małe lecz doskonałe, lab on chip, laboratorium
mieszczące się na czubku palca.
Nanoproszki moga być użyte do spiekania niezawodnych
produktów ceramicznych (do wykorzystania np.
w implantach).
37
Z lewej: połączenie komórek nerwowych ze stykami elektrycznymi.
Z prawej: cienkie chipy krzemowe na elastycznym nośniku, np. do inteligentnych etykiet, które można zastosować w opakow-aniach żywności lub w ubraniach.
mogli częściowo odzyskać wzrok. System składa
się z miniaturowej kamery umieszczonej w oprawce
okularów, kierującej obrazy do specjalnego
„inteligentnego” procesora sygnałów. Procesor
bezprzewodowo przekazuje dane w postaci obrazów
do wnętrza chorego oka, gdzie znajduje się elastyczna
folia ze zminiaturyzowanymi elektrodami, które
stykając się z siatkówką, odpowiednio ją stymulują.
Jeśli wynalazek ten odniesie sukces, będzie to
pierwszy na świecie interfejs pomiędzy człowiekiem
a maszyną, przeznaczony dla zmysłu wzroku.
Od dłuższego czasu można już pomóc ludziom
głuchym, wszczepiając im implant ślimaka. Dzięki
nanotechnologii protezy tego rodzaju będą ciągle
doskonalone.
Opieka domowa
Lepsze odżywianie i udoskonalona opieka
zdrowotna pozwalają coraz większej liczbie
osób dożyć podeszłego wieku. Ten zasadniczo
bardzo pożądany fakt ma jednak pewną naturalną
wadę: coraz więcej ludzi wymaga stałej opieki.
W pewnej mierze przyjdzie im z pomocą nano-
elektronika, proponując na przykład czujniki
i minikomputery wplecione w tkaninę ubrania, które
umożliwiają ciągłą kontrolę stanu zdrowia starszych
ludzi: tętna, oddychania, przemiany materii. W razie
pojawienia się zaburzeń „kamizelka medyczna” sama
powiadomi lekarza lub rodzinę. Miejsce pobytu chorego
określi – również wszyty w ubranie – moduł systemu
GPS lub Galileo. (Galileo to przyszły europejski
wariant GPS).
Automatyczne pielęgniarki
W „starej Europie” do automatycznych
opiekunów wciąż podchodzi się raczej
z rezerwą, a tymczasem w Japonii
samodzielnie poruszające się roboty będą wkrótce
produkowane na skalę masową. Całkiem możliwe, że
wynalazek ten znajdzie powszechne zastosowanie
w codziennej opiece nad chorymi – podejmowane są
już wysiłki w tym kierunku. Robotyka będzie mogła
bez trudu wykorzystać liczne możliwości wynikające
z ciągle rosnącej mocy obliczeniowej nanoelektroniki.
Inteligentna odzież: zintegrowana elektronika odtwarza pliki MP3, prowadzi przez miasto i kontroluje tętno – dodatkowa korzyść odczuwana na własnej skórze.
Roboty zdolne do empatii z Uniwersytetu w Oxfordzie. Do pilnowania gęsi to już wystarczy, od automatycznej pielęgniarki oczekuje się więcej.
38
W Europie około 10 procent wytwarzanego
prądu zużywa się na oświetlenie. Obecnie
diody świecące, LED, emitują również
białe światło, mogą więc zastąpić tradycyjną technikę.
Przyczyniłoby się to do znacznych oszczędności,
ponieważ diody świecące do wytworzenia takiej samej
ilości światła jak normalna żarówka potrzebują tylko
około 50 procent energii. Stanowi to interesujący
potencjał wprowadzenia oszczędności w sektorze
oświetleniowym.
W gospodarstwach domowych miliony telewizorów
z lampami katodowymi będą wkrótce zastąpione przez
urządzenia, wykorzystujące technikę LCD, a w dalszej
przyszłości również OLED. Obie te techniki mogą
ograniczyć zużycie energii o 90 procent. Diody LED
i OLED wytwarza się metodami nanotechnologii.
Gdy w milionach gospodarstw domowych zaoszczędzi
się po kilka kilowatów, w sumie uzyska się gigawaty –
wydajność kilku dużych elektrowni.
Wydajność ogniw paliwowych można łatwo i szybko
regulować. Obecnie pojawiają się w mieszkaniach
pierwsze grzejniki na gaz ziemny z ogniwami paliwowymi,
które w kontrolowany sposób wytwarzają zarówno
prąd, jak i ciepło. Gdy wyposaży się w nie miliony
gospodarstw domowych, będzie można owe grzejniki
za pośrednictwem sieci krajowej i Internetu połączyć
w ogromne wirtualną elektrownie o teoretycznej
maksymalnej mocy rzędu setek gigawatów.
Inaczej niż w dotychczasowej historii techniki, nano-
technologia może łączyć ze sobą wzrost gospodarczy
z mniejszym zużyciem surowców.
Gospodarka nanotechnologiczna to większe korzyści
przy niższych kosztach materiałowych.
Rewolucyjna wydajność dzięki diodom świecącym
Energia i środowisko
Nan
ote
chn
olo
gia
d
la s
po
łecz
eńst
wa
Prognoza Shell AG: Dla energii odnawialnych
nanotechnologia jest najlepszym wyborem.
39
W dalszej przyszłości gaz ziemny będzie można
zastąpić wodorem z odnawialnych źródeł.
Nanotechnologia oferuje tutaj nowe materiały
i katalizatory.
Membrany ceramiczne o porach nanoskopowych
zyskują coraz większe znaczenie w oczyszczaniu
cieczy, zwiększając zasoby czystej wody pitnej.
Bakterie i wirusy mogą być przez takie membrany
po prostu odfiltrowane.
Dzięki nanotechnologii energia słoneczna stanie się
niezwykle opłacalna. Półprzewodniki zawierające
iryd, gal i azot wykazują parametry umożliwiające
ogniwom słonecznym osiągnięcie ponad pięćdziesię
cioprocentowej skuteczności. Skuteczność jest tylko
jednym z kryteriów, nanotechnologia dąży ponadto
do radykalnego obniżenia kosztów kolektorów
słonecznych dzięki wykorzystaniu cienkich warstw
lub nanocząstek. Próbki laboratoryjne folii do ogniw
słonecznych, wytwarzane metodami powlekania
podobnymi do tych, jakie stosuje się w produkcji
diod LED i OLED, umożliwiają uzyskanie 100 watów
energii elektrycznej z materialu o wadze zaledwie
30 gramów. Takie radykalne zmniejszenie potrzeb
materiałowych do produkcji energii osiągnął Solarion
z Lipska.
Badacze z Siemensa reklamują najnowsze organiczne
ogniwa słoneczne o pięcioprocentowej wydajności,
drukowane na folii plastikowej i niezwykle tanie.
Fotoaktywna warstwa ma zaledwie około 100 nano-
metrów grubości, a uzyskana obecnie trwałość
ogniwa wynosi kilka tysięcy godzin nasłonecznienia.
Pierwszych produktów wytworzonych tą metoda
można oczekiwać w 2005 roku.
Szerokie spektrum: Szklana fasada hotelowego hallu nad jeziorem Lucerneńskim, oświetlona 84 000 diod świecących firmy Osram we wszystkich kolorach tęczy.
Organiczne diody świecące, OLED, będą w przyszłości wykorzystywane w różnego rodzaju wyświetlaczach.
40
Jest bardzo wiele znanych od dawna, godnych
uwagi zjawisk fizycznych, które prawie
niedostrzegane przez ogół społeczeństwa,
znajdują sobie skromne miejsce w niszach rynkowych.
Należy do nich torba chłodnicza, która – przyłączona
do instalacji elektrycznej samochodu – rzeczywiście
doskonale chłodzi. Wewnątrz działa niewidoczny
wynalazek Jeana-Charlesa-Athanasego Peltiera,
francuskiego uczonego, który w 1834 roku odkrył
efekt, nazwany jego nazwiskiem i polegający na tym,
że prąd elektryczny, przepływający przez złącze dwóch
różnych metali z jednej strony wytwarza ciepło,
a z drugiej zimno. Trzynaście lat wcześniej Niemiec
Johann Seebeck odkrył odwrotne zjawisko, polegające
na wytwarzaniu prądu przez strumień
ciepła, przepływający przez złącze dwóch
różnych metali. Obaj panowie ponownie
stali się sławni dzięki nanotechnologii
umożliwiającej obecnie stworzenie nowych
materiałów, które wreszcie wykorzystują
obydwa zjawiska z bardzo dużą skutecznością.
Do produkcji tych materiałów używa się
takich samych maszyn, jak do produkcji
diod świecących. Maszyny te na warstwę
tellurku bizmutu o grubości jednego
nanometra nakładają pięcionanometrową
warstwę tellurku antymonu i powtarzają
ten proces do momentu powstania folii
półprzewodnikowej, którą zachwyciliby
Nanotechnologia tchnie nowe życie w wiele starych
pomysłów, które nie zostały zrealizowane z powodu
niedoskonałości dostępnych materiałów. Jednym z takich
pomysłów jest termoelektryczne wytwarzanie prądu:
Prąd z ciepła, ciepło z prądu, czyli termoelektryczność
Energia i środowisko
Nan
ote
chn
olo
gia
dla
sp
ołe
czeń
stw
aKonwencjonalny moduł termo-elektryczny: strumień ciepła jest przetwarzany na energię elektryczną za pośrednictwem bloku półprzewodników. Nanostruktury umożliwiają dużą wydajność tej techniki i zdobywają dzięki temu nowe rynki.
Technika mikroreakcji chemicznych do wytwar-zania najdziwniejszych
substancji.
41
się panowie Peltier i Seebeck: gdy przepływa przez
nią prąd, jedna strona uwarstwienia rozgrzewa się,
a druga ochładza. Folii można nadawać bardzo
precyzyjną strukturę, tak aby mogła służyć do ściśle
zlokalizowanego schładzania chipów. Może ona być
również zastosowana do napędzania minireaktorków
w laboratorium na chipie, w których przez szybkie
zmiany temperatury powiela się DNA. Można sobie
łatwo wyobrazić, że stale rosnąca wydajność sprawi,
że ogniwa Peltiera staną się bezkonkurencyjną
technologią w całym przemyśle chłodniczym.
Z drugiej strony, dysponując tanimi źródłami ciepła,
jak ciepło geotermiczne, można za pomocą takich
warstw termoelektrycznych wytwarzać tani prąd.
Dzięki elektrolitycznie produkowanemu wodorowi
Islandia mogłaby stać się energetycznym Krezusem.
W przemyśle chemicznym, tego rodzaju techniki
umożliwią przemianę ogromnych ilości ciepła
odpadowego w prąd elektryczny – bezgłośnie,
prawie niewidocznie, skutecznie. Jednym słowem –
nanotechnologicznie.
Termofotowoltaika
T ermoelektryczność nie jest jedynym
sposobem zamiany ciepła odpadowego na
prąd elektryczny. Termofotowoltaika (TPV)
wykorzystuje (niewidzialne) promieniowanie cieplne
rozgrzanych przedmiotów, czyli promieniowanie
podczerwone.
Nanotechnologia
tkwi w strukturach
emiterów, które
dostosowują widmo
źródła ciepła do
czułości widmowej
ogniw termofoto-
woltaicznych.
Reaktory firmy Aixtron do badań naukowych (z lewej) i do precyzyjnej produkcji cienkich warstw półprzewodników (z prawej).
Emitery wolframowe o powierzchni z nanostrukturą do adaptacji widma podczerwieni.
Światło świecy wystarczy w ogniwach termofotowoltaicznych aby wytworzyć energię potrzebną do zasilania radia.
42
W czerwcu 1979 Bryan Adams na
mięśniolocie Gossamer Albatros,
poruszanym wyłącznie za pomocą
pedałów, przeleciał nad kanałem La Manche,
zdobywając Nagrodę Cremera w wysokości 100 000
funtów. Nowe materiały umożliwiły Paulowi Cready
wykonanie lekkiej jak piórko konstrukcji tego statku
powietrznego. W 1981 roku powiódł się także dłuższy
lot z wykorzystaniem wyłącznie napędu słonecznego,
pomimo że Solar Challenger był niezmiernie kruchy.
Na początku lat dziewięćdziesiątych miasto Ulm dla
uczczenia pechowego pioniera lotnictwa Albrechta
Ludwiga Berblingera („Krawiec z Ulm”) ogłosiło
konkurs na skonstruowanie samolotu słonecznego,
który można by zastosować w praktyce. W lipcu
1996 roku niekwestionowanym zwycięzcą został
motoszybowiec Icaré II, zaprojektowany przed
badaczy Uniwersytetu w Stuttgarcie.
Opracowany przez NASA słoneczny samolot
eksperymentalny HELIOS, który ma zastąpić satelity,
jest napędzany w ciągu dnia energią słoneczną,
a w nocy utrzymuje się w powietrzu dzięki agregatowi
„samoładujących się” ogniw paliwowych. Maksymalny
pułap jaki ten pojazd może osiągnąć wynosi prawie
30 kilometrów.
W 2003 roku spotkali się w Szwajcarii specjaliści
od termodynamiki, aerodynamiki, systemów
elektrycznych, tworzyw zespolonych, fotowoltaiki,
przetwarzania energii i symulacji komputerowych –
nanotechnologia ma duże znaczenie w każdej
z tych dziedzin – w celu omówienia projektu, który
wylansowałby nowe technologie zapewniające rozwój
a jednocześnie przyjazne środowisku. Ten ambitny
projekt zamierza około 2009 roku ponownie wysłać
Bertranda Piccarda i Briana Jonesa, którzy w 1999
okrążyli świat balonem, jeszcze raz w lot dookoła
świata. Tym razem samolotem, napędzanym wyłącznie
energią słoneczną – i to bez przerwy!
Ciągłe doskonalenie technologii, obecnie już
w nanoskali, ożywia z powrotem zapomniane
pomysły, które wcześniej nie dały się
zrealizować. Należą do nich między innymi
samoloty napędzane energią słoneczną.
Icaré II, słoneczny motoszybowiec, który
może wytrzymac obciążenie takie
jak zwyczajny szybowiec a do
tego samodzielnie startuje z ziemi.
U góry: Po zakończeniu lotu ze Stuttgartu do Jeny, w którym
został ustanowiony nieoficjalny rekord.
Nanotechnologia dla sportu i rekreacji
N
ano
tech
no
log
ia d
la s
po
łecz
eńst
wa
Projekt ten zdobyłby dla nowych technologii
uznanie, na jakie naprawdę zasługują, a dodatkowo
przyczyniłby się do powstania całego szeregu nowych
pojazdów, takich jak samoloty słoneczne sterowane
przy pomocy komputerów, czujników i systemu
GALILEO, którymi mogą latać nawet niedoświadczeni
amatorzy – w dodatku bez hałasu i spalin. Swoboda
w przestworzach będzie nieograniczona. Być może
na Pojezierzu Meklemburskim pojawią się wkrótce
katamarany słoneczne, a rowery elektryczne pomogą
poruszać się starszym ludziom, którzy mają trudności
z jazdą na normalnym rowerze.
Nad małymi pojazdami
elektrycznymi pracuje się
intensywnie w wielu miejscach,
między innymi dla ratowania
tonących w spalinach miast
w regionach silnie
uprzemysłowionych.
43
Jacht napędzany przez ogniwa paliwowe, skonstruowane w MTU Friedrichshafen, jezioro Bodeńskie. Nanotechnologia pozwala takim żaglówkom połączyć skuteczność z elegancją. Można sobie również wyobrazić żagle z elastycznych tekstylnych ogniw słonecznych, choć materiał w takim przypadku musiałby być ciemny.
„Powietrzny robak” z uniwersytetu w Stuttgarcie. Planuje się jego zastosowanie w roli stacji przekaźnikowej w radiotelefonii.
Propozycja firmy Fuseproject, skuter napędzany ogniwem paliwowym bezgłośnie porusza się po mieście.
Katamaran słoneczny zbudowany przez firmę Kopf Solardesign GmbH krąży po okolicach Hamburga.
Nanorurki węglowe do windy
orbitalnej
Przepis pochodzi z kosmosu: w powłokach
starych gwiazd, takich jak czerwony olbrzym
Betelgeza, krąży wiele różnych pierwiastków.
W wyniku reakcji chemicznych pomiędzy nimi
powstają między innymi nanokryształy z węglika
krzemu, tlenku krzemu, korundu, a nawet diamentu,
co wiadomo na podstawie badań meteorytów,
powstałych z takiego pyłu. Aby poznać to lepiej,
naukowcy odtworzyli w laboratorium warunki
panujące w powłokach tych gwiazd i w 1985 roku
trafili na ślady zupełnie nieznanej substancji, która
okazała się ciekawym związkiem węgla. Jest to pusta
w środku cząsteczka, swoim wyglądem bardzo
przypominająca piłkę. Najnowsze badania nieba
wykazały, że takie cząsteczki powstają również
w otoczkach gwiazd.
Wizje
Ulica palców
Dzięki nanotechnologii możliwe do
zrealizowania są nawet najbardziej utopijne
systemy transportowe, takie jak „ulica
palców”. Kiedy sztuczne mięśnie staną się praktycznie
dostępne – a prace w tym kierunku już trwają – będzie
można wyobrazić sobie drogę wyłożoną elementami,
jakby „palcami”, które swoim ruchem będą popychać
znajdujące się na niej przedmioty podobnie jak rzęski
komórek, które falując, wypychają zanieczyszczenia
z płuc albo umożliwiają przemieszczanie się
pantofelka. Pomysł ten można realizować na
wiele sposobów: poważnie brane są pod
uwagę silniczki liniowe działające na tej
zasadzie – współpracowałyby one z mięśniami
roślinnymi, forysomami. Do roli sztucznych
mięśni pretendują też tworzywa z fulerenów.
A pomysł wcale nie jest tak fantastyczny jak
winda międzyplanetarna, nad którą NASA
prowadzi już całkiem poważne badania,
a wymyślił ją tak naprawdę rosyjski pionier
kosmonautyki, Konstanty Edwardowicz Ciołkowski.
Konstanty Edwardowicz Ciołkowski
44
Nanorurki i Betlegeza, gwiezdny olbrzym, w którego atmosferze występują fulereny.
Fulereny, puste przestrzenie utworzone przez sieci węglowe, nadzieja w poszukiwaniach egzotycznych tworzyw.
Dzisiaj znamy już wiele wariantów sieciowo
połączonego węgla, między innymi nanorurki
węglowe, maleńkie wężyki węglowe, które można
splatać w bardzo mocne tworzywa. Problem produkcji
masowej takich nanorurek jest w zasadzie rozwiązany.
Wykształconym włóknom złożonym z nanorurek
przypisuje się obecnie astronomiczną rozciągliwość
i wytrzymałość na zerwanie. NASA rozważa z całą
powagą projekt, którego wynikiem miałaby być
„winda do gwiazd”, wykorzystująca coś w rodzaju
indiańskiej sztuczki z liną. W jednej wersji taśmę
szerokości jednego metra i cieńszą niż papier,
wykonaną z tworzywa złożonego z nanorurek
rozciąga się w przestrzeń kosmiczną za pomocą
konwencjonalnych rakiet i satelitów. Jeden koniec
znajdowałby się w kosmosie na wysokości około
100 000 kilometrów, drugi byłby zakotwiczony na
Pacyfiku w pobliżu równika. Siła ciążenia skierowana
do Ziemi i siła „dośrodkowa”, skierowana w przeciwnym
kierunku zapewniałyby naprężenie taśmy, po której
mogłyby się przemieszczać kilkutonowe ładunki na
orbitę okołoziemską, a nawet na orbity pomiędzy
Wenus a pasem asteroidów. Korzystnym produktem
ubocznym tej wizji są bardzo wytrzymałe materiały
budowlane znajdujące zastosowanie przy konstrukcji
wieżowców, mostów i oczywiście wind.
45
Wizja: winda międzyplanetarna.
Robert Curl ma na czubkach palców fulereny, za które otrzymał
Nagrodę Nobla.
Cząsteczki-olbrzymy jako
doskonałe komputery:
nanorurki mogą w
przyszłości stanowić podstawę
bardzo wydajnych
układów scalonych.
46
Szanse i zagrożenia
Nanotechnologia ma niewątpliwie wielkie
możliwości wytwarzania dobra, a w każdym
razie przynoszenia zysków. Ze względu na
innowacje w wielu obszarach zastosowań przypisuje
się jej znaczny potencjał komercyjny. Już dzisiaj
w Europie setki przedsiębiorstw zajmują się
komercyjnymi zastosowaniami nanotechnologii,
dając zatrudnienie kilkudziesięciu tysiącom,
w większości wysoko wykwalifikowanych specjalistów.
Co do jednego naukowcy i przedsiębiorcy są zgodni:
nanotechnologia to coś więcej niż chwilowa moda.
Zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe? Superkolonia,
która wydaje się możliwa, przynajmniej teoretycznie,
trafiła już do literatury. W bestsellerze Michaela
Crichtona „Rój” sprytne nanocząsteczki skupiają się
w gromady półinteligentnych istot, które zwracają
się przeciwko swoim twórcom. Inna ponura wizja
stworzona przez amerykańskiego „nano-proroka”
dostrzega zagrożenie dla świata w postaci „szarej
mazi” (gray goo)
niesfornych
nanorobotów.
Eric Drexler
uważa za możliwe
skonstruowanie
nanoskopijnych
robotów, których
wielkość wynosiłaby
kilka milionowych
milimetra i które,
odpowiednio
zaprogramowane,
mogłyby
z dostarczonych surowców budować coś nowego
i większego. Gdyby jednak proces ten wymknął
się spod kontroli, powstawałaby zamiast czegoś
wspaniałego szara masa, która mogłaby być zakaźna
i niebezpieczna dla ludzi i maszyn.
Większość ekspertów nie traktuje poważnie tej teorii.
Na przykład Richard Smalley, laureat Nagrody Nobla
w dziedzinie chemii z 1996 roku, wskazuje na inne,
specyficzne właściwości wiązań chemicznych, które
właśnie nie pozwalają każdemu atomowi i każdej
cząsteczce na połączenie się ze sobą.
Już ten argument sprawia, że idea nano-botów czyli
nanoskopijnych robotów, wydaje się nieprawdopodobna.
Przede wszystkim jednak, gdyby taki robot zespalał
materię atom po atomie, musiałby robić to „palcami”,
które przecież też składają się z atomów i muszą mieć
pewną minimalną grubość.
Nie można by uchwycić tylko wybranego atomu bez
oddziaływania na wszystkie atomy w nanometrze
sześciennym, a wtedy palce musiałyby sobie przeszkadzać.
Ze względu na problem grubych i lepkich palców,
scenariusz „szarej mazi” sugerowany
przez Erica Dexlera jest tak samo
niepraw dopodobny jak wyobrażenie,
że z powodu nano-technologii świat
zamieni się w galaretkowego misia.
47
Tyle o problemie grubych palców. Jest jeszcze
problem lepkich palców. Złapane atomy, w zależności
od ich rodzaju, nie dałyby się dowolnie podnosić
i odkładać, lecz wiązałyby się ze sobą. Zjawisko to
jest znane z codziennego doświadczenia: niełatwo
jest zdjąć z palca przyklejoną lepką kuleczkę. I to
są zasadnicze argumenty, których nie da się obejść.
Mechaniczne nano-boty są wiec niemożliwe. Richard
Smalley może mieć rację: nie ma powodu obawiać
się, że tłumy krnąbrnych nanomaszyn rozszaleją się
świecie, zmieniając go w szarą maź.
Bardziej uzasadniona jest raczej obawa, że nano-
cząsteczki będą miały niekorzystny wpływ na
człowieka i środowisko. Na przykład mogą one
mieć niekorzystne skutki dla zdrowia ze względu
na swoją wielkość, która umożliwia im przenikanie
do komórek organizmu, a nawet przekraczanie
biologicznych barier (jak np. bariera krew-mózg).
Jako że nanocząsteczki, tak jak inne bardzo drobne
pyły – na przykład sadza w spalinach z silników
Diesla – są substancjami, które mogą mieć nieznane
działania uboczne, powinny być przeprowadzone
badania naukowe, które potwierdziłyby ich
bezpieczeństwo. Do tej pory niewiele wiadomo o
bezpieczeństwie nanocząsteczek, zatem niewyjaśnione
pytania powinny jak najszybciej znaleźć odpowiedź
na drodze odpowiednich eksperymentów
przeprowadzonych przez nanotechnologów i toksyko-
logów. Ryzyko wydaje się jednak możliwe do opanowania,
ponieważ nanocząsteczki znajdujące się w przyrodzie
są wyjątkowo „lepkie”. Dlatego wiążą się szybko tworząc
większe grudki, których organizm łatwo może się
pozbyć. Wiadomo już dzisiaj, że niektóre nanocząsteczki
z pewnością nie są szkodliwe dla zdrowia.
Są one używane w kremach do opalania jako filtry
przeciwsłoneczne lub dodawane do innych materiałów
w postaci ściśle z nimi związanej, tak że użytkownik
nie ma w ogóle kontaktu z pojedynczymi nano-
cząsteczkami. Przemysł również stosuje odpowiednie
środki bezpieczeństwa, aby zminimalizować ryzyko
zarówno dla klienta, jak i dla pracowników.
Podczas gdy wizje nano-botów są w dalszym ciągu jedynie
hipotetyczne, obietnice nanotechnologów wydają się
całkiem realne. Pojawiły się już pierwsze produkty, na
przykład bardzo czułe głowice twardych dysków
z powłokami o grubości dwudziestu lub mniej
nano metrów. Z nanoelektroniką można się spotkać
w każdym notebooku. Jako potężna technologia
ma ona również skutki uboczne w postaci
wyeliminowania wielu prostych czynności. Powstają
jednak nowe dziedziny działania. Uczenie się przez
całe życie staje się coraz bardziej istotne, ale może
też sprawiać radość – dzięki nanotechnologii.
Richard Smalley, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii uważa – jak większość naukowców – że zagrożenia nanotechnologii można opanować.
48
Dalsze informacje
Jak zostać nanoinżynierem?
Odwiedzając ośrodek badawczy, w którym
intensywnie pracuje się nad nanotechnologią,
można zobaczyć obok siebie przedstawicieli
właściwie wszystkich nauk ścisłych: biologów,
chemików, inżynierów najróżniejszych specjalności,
krystalografów, mineralogów, fizyków – wspólnym
mianownikiem jest poziom atomu, a podstawowym
wspólnym językiem – matematyka. Do nanotechnologii
mogą więc prowadzić wszystkie klasyczne kierunki
studiów przyrodniczych, choć ostatnio zaczyna się
ona wyodrębniać jako samodzielna dyscyplina, jak na
przykład na Uniwersytecie w Würzburgu. Nikt, kto
zajmuje się nanotechnologią, nie musi się obawiać,
że jest to tylko krótkotrwały trend – twierdzi Alfred
Forchel z Katedry Fizyki Uniwersytetu w Würzburgu
(fragmenty informatora dla maturzystów nr 10/2003).
"Ponieważ tendencja do miniaturyzacji nie jest jedynie
modnym trendem naukowym, lecz ugruntowaną
rzeczywistością, można spodziewać się, że rozwiązania
techniczne będą proponowane w coraz mniejszej skali,
przechodząc od mikro- do nanowymiarów w wielu
dziedzinach, od technologii informatycznej do chemii.
Nie trzeba być jasnowidzem aby przewidzieć, że
wszystko będzie się kurczyć – przykładem są tutaj
elementy budowlane – i to do jak najmniejszych
możliwych rozmiarów."
Fizycy, chemicy i inni przyrodoznawcy mają rację
twierdząc, że zawsze zajmowali się nanotechnologią.
Przedmioty klasycznej fizyki atomowej, cząsteczki
badane przez chemików stanowią przecież elementy
nanokosmosu. Dzięki dzisiejszym możliwościom
eksperymentalnym, takim jak strukturyzacja klastrów,
warstw, chipów z dokładnością atomową, jak również
dzięki dostępności substancji najwyższej czystości oraz
badaniom najdrobniejszych struktur biologicznych,
otworzyła się obfitość całkiem nowych możliwości, z
których może korzystać również inżynieria stosowana.
Alfred Forchel ocenia dość korzystnie perspektywy
zawodowe nanoinżynierów.
"Naturalnie szanse znalezienia pracy również w
tej branży zależą od koniunktury. Czasami jednak
decydują sprawy stosunkowo błahe. Kiedy firmy
otrzymują sterty aplikacji, trudno zostać zauważonym.
Dzięki naszym praktykom przemysłowym student
pozna bliżej przynajmniej jedną firmę. Nasi studenci
mogą też pisać prace dyplomowe, pracując w przemyśle,
co jest kolejnym krokiem zbliżającym ich do zatrudnienia.
Ponadto każdy z nich musi wybrać przynajmniej
jeden dodatkowy nietechniczny przedmiot studiów, na
przykład zarządzanie, dzięki czemu zdobywa również
w tej dziedzinie podstawy wiedzy ważnej w życiu
zawodowym."
Ale dla przyszłych nanoinżynierów, zarówno
w Würzburgu jak i w każdym innym miejscu,
niezbędne jest również solidne wykształcenie
przyrodnicze, w tym matematyka.
"Nie wystarczy zamarzyć o zbudowaniu maleńkiej łodzi
podwodnej, która mogłaby przepływać żyłami. Zanim
do tego dojdzie, trzeba zainwestować mnóstwo czasu
i pracy. Trzeba nauczyć się opisu matematycznego,
opanować fizykę i chemię, czyli zdobyć solidne i trudne
podstawy. Nie należy jednak być onieśmielonym: wasze
fantazje o nanoświecie na pewno wam pomogą
w pokonywaniu trudności."
Historia z łodzią podwodną w żyłach była tylko
filmem. Nanotechnologia wygląda trochę inaczej,
ale mogą w niej być prawdziwe pieniądze.
49
Osoby do kontaktu, linki, bibliografia
Możliwości studiowania
nanotechnologii
Kierunek: Technika nanostruktur w Würzburgu Universität WürzburgWebsite: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/nano/Kontakt: ossau@physik.uni-wuerzburg.de
Bio- i Nanotechnologie w IserlohnFachhochschule SüdwestfalenWebsite: http://www2.fh-swf.de/fb-in/studium.bnt/bnt.htmKontakt: Werner@fh-swf.de
Molecular Science w ErlangenUniversität Erlangen-NürnbergWebsite: http://www.chemie.uni-erlangen.de/Molecular-ScienceKontakt: hirsch@chemie.uni-erlangen.de
Mikro- i Nanotechnika w Monachium, tryb studiów MasterFachhochschule MünchenWebsite: http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb06/studiengaenge/mikro_nano/home.htmKontakt: sotier@physik.fh-muenchen.de
Nanomolecular Science w BremieInternational University BremenWebsite: http://www.faculty.iu-bremen.de/plathe/nanomolKontakt: f.mueller-plathe@iu-bremen.de
Nauka o nanostrukturach – Nanostructure andMolecular Sciences w KasselUniversität KasselWebsite: http://www.cinsat.uni-kassel.de/studiengang/studiengang.html
Eksperymentalny tryb studiów licencjackich zakończony uzyskaniem tytułuBachelor of Science in Biophysik lubNanonauki w BielefeldUniversität BielefeldWebsite: http://www.physik.uni-bielefeld.de/nano.htmlKontakt: masseli@physik.uni-kassel.de
Tryb studiów dyplomowych „Mikro-i nanostruktury” w SaarbrückenUniversität des SaarlandesWebsite: http://www.uni-saarland.de/fak7/physik/NanoMikro/InfoMikroNano.htmKontakt: wz@lusi.uni-sb.de
Bibliografia
BMBF-Programm IT-Forschung 2006 – FörderkonzeptNanoelektronikWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, marzec, 2002.
Vom Transistor zum Maskenzentrum Dresden,Nanoelektronik für den MenschenWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, październik, 2002.
Nanotechnologie erobert Märkte- Deutsche Zukunftsoffensivefür NanotechnologieWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, marzec, 2004.
Bachmann, G.Innovationsschub aus dem Nanokosmos: Analyse &Bewertung Zukünftiger Technologien (Band 28)Wyd.: VDI-Technologiezentrum im Auftrag des BMBF; 1998.
Luther, W.Anwendungen der Nanotechnologie inRaumfahrtentwicklungen und –systemenTechnologieanalyse (Band 43)Wyd.: VDI-Technologiezentrum im Auftrag des DLR; 2003.
Wagner, V; Wechsler, D.Nanobiotechnologie II: Anwendungen in der Medizinund PharmazieTechnologiefrüherkennung (Band 38)Wyd.: VDI-Technologiezentrum im Auftrag des BMBF; 2004.
Hartmann, U.Nanobiotechnologie – Eine Basistechnologie des21.JahrhundertsZPT, Saarbrücken, 2001.
Rubahn, H.-G.Nanophysik und NanotechnologieTeubner Verlag 2002.
Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft-WINGWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, Oktober 2003.
Adresy internetowe
Fundacja nanotechnologiczna UE www.cordis.lu/nanotechnology
Europejski Portal Nanotechnologicznywww.nanoforum.org
Nanotruck- Podróż w nanokosmoswww.nanotruck.net
Internetowa wyprawa poza przecinek dziesiętnywww.nanoreisen.de
Wiadomości i fora dyskusyjne o nanotechnologiiwww.nano-invests.de
Fundacja nanotechnologiczna BMBFhttp://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php
Portal nanotechnologiczny VDI-TZwww.nanonet.de
Niniejsza broszura pochodzi z niemieckiego Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) i została napisana z myślą o niemieckich Czytelnikach. Aby uzyskać informację na temat nanotechnologii w Europie, linków do literatury i stron internetowych (innych niż niemieckie), proszę odwiedzić portal internetowy Komisji Europejskiej dotyczący nanotechnologii (www.cordis.lu/nanotechnology).
Słownik
Dal
sze
info
rmac
jeCNT: Carbon Nano-Tubes, nanorurki węglowe.
Diatomy: Okrzemki, małe organizmy jednokomórkowe,
żyjące w wodach słodkich i słonych, o bardzo
oryginalnym pancerzu z dwutlenku krzemu i wody.
Diatomy mają zdolność fotosyntezy, dlatego są
wyposażone w struktury przewodzące światło.
DNA: kwas dezoksyrybonukleinowy: Cząsteczka-
olbrzym w kształcie podwójnej spirali, zawierająca
informacje określające budowę organizmu i wzory
niezliczonej liczby białek.
ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope –
specjalny skaningowy mikroskop elektronowy, który
dopuszcza obecność pozostałości powietrza i wilgoci
w pojemniku z badaną próbką. Soczewki nie muszą
być preparowane na przykład parami złota.
Faza: Tutaj: stan, na przykład: uporządkowany/
nieuporządkowany, krystaliczny/amorficzny.
Fotosynteza: Rośliny zielone, algi i cyjanobakterie
(sinice) pozyskują energię przez fotosyntezę. Za pomocą
światła słonecznego przekształcają dwutlenek węgla
i wodę w cukier i tlen. Fotosynteza ma zadziwiająco
wysoką wydajność energetyczną – ponad 80 procent.
Forysomy: Od łacińskiego słowa oznaczającego
„skrzydło drzwi”, białka roślinne, które bada się pod
względem przydatności jako materiał do nanoskopijnych
sztucznych mięśni.
Klastery: Skupiska małych cząstek, tutaj atomów. Klastery
mają przeważnie inne właściwości niż formy o większej
objętości z tego samego materiału, m. in. dlatego, że
klastery zawierają wiele atomów powierzchniowych.
Komputer kwantowy: Wykorzystuje prawa mechaniki
kwantowej na przykład do rozwiązywania problemów
kodowania informacji, których nie da się praktycznie
rozwiązać przy użyciu zwykłego komputera. Dotychczas
w fazie projektów.
Lab-on-a-Chip: Bardzo złożone chipy, znajdujące
się obecnie w końcowym stadium projektu.
Dzięki procesom mikromechaniki, mikrofluidyki,
nanosensoryki i nanoelektroniki mogą one wykonywać
złożone badania komórek, zastępując wyposażenie
dzisiejszych instytutów badawczych. Nazwy tej
używa się też w odniesieniu do stosunkowo prostych
mikroskopijnie strukturalizowanych nośników
obiektów.
Laser swobodnych elektronów: Wytwarza światło
laserowe dzięki przyspieszonemu strumieniowi
elektronów, poruszających się w lampie próżniowej.
Leukocyty: Białe ciałka krwi, które bronią organizm,
wchłaniając ciała obce, takie jak wirusy i bakterie,
oraz pozostałości martwych komórek i komórki
nowotworowe lub też – jako limfocyty – wytwarzając
przeciwciała. Przeciwciała są bardzo wyspecjalizowanymi
cząsteczkami adhezyjnymi.
Litografia: Tutaj: sztuka wytwarzania mikroskopijnych
struktur, najczęściej przy pomocy światłoczułej
powłoki, która zostaje oznakowana wiązką światła
lub elektronów, a następnie wywołana, zakrywając lub
odsłaniając zaprojektowane fragmenty powierzchni
w celu wytrawienia bądź poddania innym procesom.
Maska: Rodzaj przezroczystej błony zawierającej
projekt struktury chipa komputerowego, który
następnie jest przenoszony metodą fotolitograficzną
na płytkę podłoża.
Micele: Małe, kuliste struktury, które przyroda –
w tym wypadku małże –wykorzystuje jako pojemniki
transportowe.
Nici bisiorowe: zwane również „jedwabiem
małżowym” lub „brodą małż”. Z punktu widzenia
materiałoznawstwa bardzo ciekawe włókna, którymi
małże przytwierdzają się do podłoża. Nici te są
z jednej strony elastyczne jak guma, a z drugiej
sztywne jak nylon.
Ogniwo paliwowe: Urządzenie, w którym wodór
i tlen (zazwyczaj z powietrza) reagują bez spalania
tworząc wodę, wytwarzając jednocześnie energię
elektryczną z dużą wydajnością.
Piezokryształy: Piezoelementy wytwarzają
elektryczność, gdy są rozciągnięte lub ściśnięte,
na przykład w postaci iskry zapłonowej w
„elektronicznych” zapalniczkach. I odwrotnie,
kryształ piezoelektryczny może bardzo precyzyjnie,
z dokładnością do ułamków średnicy atomu
zmieniać kształt pod wpływem prądu elektrycznego.
Podwajacz częstotliwości: Tutaj: materiał, który
podwaja częstotliwość światła, powodując na przykład,
że światło podczerwone zmienia się w zielone.
Pola mikrosoczewek: Elementy mikrooptyczne,
wykorzystywane m.in. do przenoszenia informacji
za pomocą światła.
Półprzewodnik: Materiał, którego właściwości
elektryczne można celowo zmieniać, dzięki czemu
jest on raz izolatorem, a raz przewodnikiem.
Półprzewodniki stały się najważniejszymi elementami
nowoczesnych produktów przemysłowych, jak
komputery, telefony komórkowe itp.
Prąd tunelowy: Prąd, który w zasadzie nie powinien
płynąć, ponieważ napotyka na izolowaną przerwę,
w nanokosmosie może jednak przepływać, choć jest
ściśle uzależniony od wielkości przerwy. Efekt ten
umożliwił opracowanie skaningowego mikroskopu
tunelowego.
Proteiny (białka): Duże cząsteczki, złożone z rybosomów
aminokwasów, które w komórce pełnią rolę z jednej
strony nanoskopijnych narzędzi, z drugiej zaś
materiałów budulcowych, tworzących różne części
organizmu – od soczewki oka do paznokci. Próby
rozszyfrowania proteomu, czyli sumy wszystkich
protein i ich wzajemnych oddziaływań w komórce,
znajdują się dopiero w fazie początkowej.
Promieniowanie rentgenowskie: Krótkofalowe
promieniowanie elektromagnetyczne, które m. in.
w analizie struktury kryształów służy do określania
nanoskopijnego kształtu cząsteczek.
Promieniowanie UV: Promieniowanie krótkofalowe,
umożliwiające wytwarzanie bardzo precyzyjnych
struktur chipowych.
Reflektyny: Specjalne proteiny, wykorzystywane przez
organizmy do budowy struktur odbijających światło.
Rybosomy: Nanomaszyny wytwarzające niezliczoną
liczbę białek, sterowane przez wstęgę cząsteczki DNA
zawierającą informacje substancji dziedzicznej.
Światłowód: Przewodzi światło przez materiał
o wyjątkowej przejrzystości, wykorzystywany do
przesyłania na duże odległości głównie danych,
ale coraz częściej również energii.
Wiązanie van der Waalsa: Słabe wiązanie chemiczne
pomiędzy cząsteczkami, którego podstawową przyczyną
są właściwości pustych przestrzeni w cząsteczce.
Wiązania van der Waalsa determinują właściwości
wody, a tym samym procesy życiowe.
52
Źródła ilustracji
S.4, u góry: Kompetenzzentrum Nanoanalytik, Uniwersytet w HamburguHamburg
S.4, u dołu: Lambda Physik AG, GetyngaS.5, u góry: Infineon Technologies AG, MonachiumS.5, u góry: BergerhofStudios, KoloniaS.6, u góry z lewej: Chemical Heritage FoundationS.6, u góry+u dołu z prawej, u dołu z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.7, u góry z lewej: NASA/ESAS.7, u góry z prawej: DESY, HamburgS.7, pośrodku z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.7, u dołu z prawej Instytut Fizyki Eksperymentalnej i Stosowanej,
Uniwersytet w KiloniiS.8, u góry z lewej: Laboratorium REM, Uniwersytet w BazyleiS.8, sekwencja zdjęć, od góry BergerhofStudios, Kolonia; jw.; jw.;
Laboratorium REM, Uniwersytet w Bazylei; Komitet Noblowski w Sztokholmie (opracowanie); DESY, Hamburg
S.9, u góry z lewej: Instytut Botaniczny Uniwersytetu w BonnS.9, u góry z prawej: Laboratorium REM, Uniwersytet w BazyleiS.9, sekwencja zdjęć, od góry, von oben: BergerhofStudios, Kolonia; jw.;
Fraunhofer Gesellschaft; Instytut Botaniczny Uniwersytetu w Bonn; jw; TU Berlin, FU Berlin
S.9, tło: BASF AGS.10, u góry z lewej + z prawej: MPI für Metallforschung, StuttgartS.10, środek z prawej: ESAS.10, u góry z lewej: MPI für Metallforschung, StuttgartS.11, u góry z lewej: Ostseelabor Flensburg, obok: BergerhofStudios,
KoloniaS.11, u góry z prawej: Uniwersytet we FlorencjiS.11, pośrodku z prawej: Instytut Paleontologiczny, Uniwersytet
w BonnS.11, u dołu z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.11, u góry z prawej: SusTech, DarmstadtS.12, z prawej, pośrodku i z lewej: Bell Laboratories, USAS.12 z lewej: Katedra Biochemii, Uniwersytet w RegensburguS.13, u góry: Institut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.13, pośrodku z prawej: Degussa AG Advanced NanomaterialsS.13, u dołu z prawej: Instytut Geofizyki Uniwersytetu w MonachiumS.13, u dołu: Instytut Chemii Fizycznej, Uniwersytet w HamburguS.14, u góry + u dołu po prawej: ESAS.14, u góry po prawej: IBM CorporationS.15, u góry + pośrodku z lewej: Wydział Fizyki IV, Uniwersytet
w AugsburguS.15, pośrodku z prawej+pośrodku: Kompetenzzentrum Nanoanalytik,
Uniwersytet w HamburguS.15, rysunek u góry z prawej: BergerhofStudios, KoloniaS.15, u dołu: Uniwersytet Hawajski, HonoluluS.16, z lewej: Carl Zeiss SMT AG, OberkochenS.17, u góry z prawej: Carl Zeiss SMT AG, OberkochenS.17, u dołu z lewej: IHT RWTH AkwizgranS.17, u dołu z prawej: Schott AG, MoguncjaS.18, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.18, u dołu z lewej: MPI für Quantenoptik, GarchingS.19, wszystkie zdjęcia: DESY, HamburgS.20, u góry z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.20, u dołu z prawej: Instytut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.21, u góry z lewej: HILIT, Program Unii Europejskiej Joule IIIS.21, u góry z prawej: NASA/ESAS.21, u dołu z prawej: Uniwersytet w StuttgarcieS.22, wszystkie zdjęcia: BergerhofStudios, KoloniaS.23, u góry z lewej: National Semiconductor, FeldafingS.23, u dołu z prawej: Advanced Micro Devices, DreznoS.24, u góry z prawej: rycina: BergerhofStudios, KölnS.24, pośrodku z lewej: Wydział Fizyki Eksperymentalnej IV RUB,
BochumS.24, u dołu: Instytut Fizyki Eksperymentalnej i Stosowanej,
Uniwersytet w Kilonii
S.25, u góry z prawej: rycina BergerhofStudios, KoloniaS.25, u dołu: IHT RWTH AkwizgranS.26, u góry z prawej: IBM CorporationS.26, u dołu po lewej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.26, u dołu z prawej: IBM/Infineon, MRAM Developement AllianceS.27, u góry: Wydział Fizyki Eksperymentalnej IV, RUB BochumS.27, pośrodku: Kompetenzzentrum Nanoanalytik, Uniwersytet w
HamburguS.27, z prawej: Katedra Nanoelektroniki, RUB BochumS.27, u dołu: IBM Speichersysteme Deutschland GmbH, MoguncjaS.28: Siemens AG, MonachiumS.29, u góry z prawej: Nanosolutions GmbH, HamburgS.29, pośrodku: Instytut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.30, u dołu: Siemens AG, MonachiumS.30, u góry: DaimlerChryler AGS.30, u dołu z lewej: Fraunhofer Allianz Powierzchnie Optycznie
FunkcjonalneS.30, u góry z prawej: Uniwersytet Wisconsin-MadisonS.31, u góry: Robert-Bosch GmbH, StuttgartS.31, pośrodku: Audi/Volkswagen AGS.31, u dołu z lewej: archiwum prasowe VW S.31, u dołu z prawej: Robert-Bosch GmbH, StuttgartS.32, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.32, u góry z prawej: Institut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.32, u dołu z lewej: Keramag AG, RatingenS.33, u góry: BASF AG, LudwigshafenS.33, pośrodku: MTU FriedrichshafenS.33, u góry z prawej: Siemens AG, MonachiumS.34, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.34, u góry z prawej: Siemens AG, MonachiumS.34, u dołu: Infineon Technologies AG, MonachiumS.35, u góry z lewej: Siemens AG, MonachiumS.35, u góry z prawej: Siemens AG, MonachiumS.35, pośrodku: Charité Berlin /Institut Nowych Materiałów,
SaarbrückenS.36, u góry z prawej: BergerhofStudios, KoloniaS.36, z lewej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.36, z prawej: IIP Technologies, BonnS.37, u góry z lewej: Siemens AG, MonachiumS.37, u góry z prawej: Fraunhofer ISITS.37, pośrodku z prawej: Oxford UniversityS.37, u dołu z lewej, z prawej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.38, u dołu z lewej: OSRAM Opto Semiconductors GmbH,
RegensburgS.38, u dołu, rycina: BergerhofStudios, KoloniaS.39, u góry: Park Hotel Weggis, SzwajcariaS.39, u dołu: Siemens AG, MonachiumS.40, u góry z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.40, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.41, u góry: AIXTRON GmbH, AkwizgranS.41, z prawej: Fraunhofer Instytut Energetycznych Systemów
Słonecznych, FreiburgS.42, Institut Budowy Samolotów, Uniwersytet w StuttgarcieS.43, u góry z lewej, z prawej: MTU FriedrichshafenS.43, pośrodku z lewej: Instytut Konstrukcji Lotniczych i Kosmicznych
Uniwersytetu w StuttgarcieS.43, pośrodku z prawej: FuseprojectS.43, u dołu: Kopf Solardesign GmbH, HamburgS.44, u góry z lewej, kolaż: BergerhofStudios, KoloniaS.44, u góry z prawej: RWTH AkwizgranS.45, u góry z lewej: Siemens AG, MonachiumS.45, u góry z prawej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.45, u dołu: NASAS.46, pośrodku: BergerhofStudios, KoloniaS.47, IBM Corporation, wstawka: Siemens AG, München
Komisja Europejska
EUR 21152 — Nanotechnologia – Innowacja dla świata przyszłości
Luksemburg: Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich
2007 - 56 stron - 21,0 x 29,7 cm
ISBN 92-79-00885-4
SPRZEDAŽ I PRENUMERATA
Les publications payantes éditées par l'Office des publications sont disponibles auprès de nos bureaux de vente répartis
dans le monde.
Jaka jest procedura nabycia dowolnej publikacji?
Po otrzymaniu listy biur sprzedaży należy wybrać odpowiednie biuro i skontaktować się z nim w celu złożenia zamówienia.
Jak dotrzeć do listy biur sprzedaży?
• Można ją przejrzeć na stronie internetowej Urzędu http://publications.europa.eu/
• Bądź wysłać faksem zamówienie pod numer (352) 2929-42758, aby otrzymać jej wersję papierową.
Nanotechnologia uważana jest za kluczową technologię XXI wieku. Oferuje ona możliwe rozwiązania wielu
bieżących problemów, dostarczając mniejszych, lżejszych, szybszych i bardziej wydajnych materiałów,
podzespołów i systemów. Nanotechnologia jest źródłem nowych szans rynkowych oraz w znacznym stopniu
może przyczynić się do ochrony środowiska i zdrowia.
Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie społeczeństwu istoty nanotechnologii i sprowokowanie
dyskusji na jej temat. Poprzez opisanie podstaw naukowych, osiągnięć technologicznych, zakresu zastosowań
i kierunków rozwojowych, niniejsza broszura przedstawia pełny obraz nanotechnologii z perspektywy dnia
dzisiejszego.
15
KI-5
9-0
4-9
68
-PL-C
top related