NANOTECHNOLOGIA PERSPEKTYWY ROZWOJU I ZASTOSOWANIA Przedrostek jednostki miary o symbolu n oznaczający mnożnik 0,000 000 001 = 10-9, a zatem jest to jedna miliardowa część danej jednostki. Przedrostek „nano" pochodzi od greckiego słowa i znaczy „karzeł". Zwykle nanotechnologią określa się badanie i działanie na materii mniejszej niż 100 nanometrów - w tej skali mieszczą się między innymi cząsteczki czy wirusy. Można tę odległość przybliżyć do 10 atomów wodoru umieszczonych tuż obok siebie i właśnie otrzymamy długość jednego nanometra. A milion nanometrów mieści się w jednym milimetrze. Pod koniec 1959 roku na dorocznym zjeździe jednego z oddziałów Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego na terenie Caltechu (Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego) profesor Feynman wygłosił poobiedni wykład. Powiedział: Na poziomie molekularnym mamy nowe rodzaje sił, nowe możliwości, nowego rodzaju efekty. Problemy wytwarzania i replikacji materiałów będą tam zupełnie inne. Jak już wspomniałem, inspiracją są dla mnie procesy biologiczne, w których siły chemiczne wykorzystywane są w powtarzalny sposób do wytwarzania różnych dziwnych efektów.

Obecnie jesteśmy świadkami cichej rewolucji, która nazywa się nanotechnologia. Bez głośnych fanfar zbliża się do nas mnóstwo innowacji.

Do struktur nanometrycznych można zaliczyć: – studnie, druty i kropki kwantowe. – tworzywa sztuczne – których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek – można w ten sposób uzyskiwać np. materiały o niespotykanych właściwościach mechanicznych. – włókna sztuczne – o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, które również

posiadają niespotykane właściwości mechaniczne. – nanorurki – czyli bardzo długie i puste w środku cząsteczki, oparte na węglu w wiązaniach o hybrydyzacji sp². – materiały rozdrobnione do postaci pyłu o ziarnach będących np. klasterami atomów metalu. Na masową skalę wykorzystywane jest srebro w tej postaci, które ma silne właściwości antybakteryjne. – elementy wykonywane elektronolitograficznie. – fulereny, grafen.

Jednowymiarowa nieskończona studnia kwantowa Nieskończona studnia kwantowa jest obiektem teoretycznym. Potencjał bariery jest nieskończony, czyli cząstka nawet o dowolnie dużej energii nie może opuścić studni. Funkcja falowa takiej cząstki zeruje się na ściankach studni, co daje warunek brzegowy w równaniu Schrödingera.

Skończona prostokątna studnia kwantowa

Cząstka o energii mniejszej od energii studni zachowuje się podobnie jak w studni o nieskończonej wysokości, energia cząstki może przyjmować tylko określone wartości, ale ze względu na to, że energia cząstki musi być mniejsza od energii wysokość potencjału studni, liczba poziomów energetycznych cząstki jest skończona. W studni o skończonej głębokości, w przeciwieństwie do studni o nieskończonej głębokości, cząstka "wnika" w obszar poza studnią, ale szansa znalezienia cząstki maleje wykładniczo wraz z odległością od brzegu studni. Zależy też od różnicy energii potencjału i energii cząstki. Jeżeli w pewnej odległości znajduje się obszar o energii mniejszej od energii cząstki cząstka może przeniknąć i pozostać w nim, jest to wytłumaczenie efektu tunelowego.

Cząstka, która ma energię większą od maksymalnego poziomu tej studni, jest cząstką swobodną, ale prawdopodobieństwo znalezienia jej w jednostkowym obszarze studni jest większe niż poza nią.

Drut kwantowy Na początku lat osiemdziesiątych, dalszy rozwój technologii, a zwłaszcza bardzo precyzyjnych technik litograficznych, umożliwił związanie elektronów w strukturze kwazijednowymiarowej, czyli tzw. drucie kwantowym. Druty kwantowe wykonuje się w postaci miniaturowych pasków wytrawionych w próbce zawierającej studnię kwantową. Ze względu na ograniczone możliwości litografii ich wymiary poprzeczne (10-500 nm) są zwykle wyraźnie większe niż grubość studni.

Kropka kwantowa Niewielki obszar przestrzeni ograniczony w trzech wymiarach barierami potencjału, nazywany tak, gdy wewnątrz uwięziona jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej. Ograniczenie ruchu cząstki w trzech wymiarach oznacza kwantyzację w każdym z poszczególnych kierunków. Prowadzi to do sytuacji, gdy cząstka może znajdować się jedynie w pewnych stanach, określonych równaniem Schrödingera. Tylko dobrze określone, dyskretne poziomy energetyczne mogą być zajęte przez cząstkę. Z tego powodu kropki kwantowe nazywa się czasem sztucznymi atomami. Do najważniejszych metod wytwarzania kropek kwantowych w laboratoriach można zaliczyć: kropki spontanicznie – powstają na granicy faz półprzewodników hodowanych metodą MBE (tzw. self-assembled quantum dots, SAQD), gdzie geometryczne

nierówności służą relaksacji napięcia spowodowanego różnicą stałych sieci (tzw. metoda Stranskiego-Krastanowa), nanokryształy – przez ograniczenie ruchu elektronu przez granice kryształu, kropki elektrostatyczne – w dwuwymiarowym gazie elektronowym na granicy faz półprzewodnikowych ogranicza się ruch lokalnie zubażając materiał poprzez przyłożenie napięcia do bramek metalicznych, znajdujących się w pobliżu (nie nadają się do konstrukcji laserów, bo chwytają tylko elektron albo tylko dziurę, więc nie jest możliwe uwięzienie ekscytonu), trawione kropki kwantowe, struktury zawierające studnie kwantowe wytrawione do postaci walców, np. za pomocą litografii elektronowej, lokalizacje naprężeniowe – powstają w wyniku pojawienia się naprężeń w związku z nakładaniem materiałów prowadzących do powstania naprężenia, a w związku z tym występuje lokalna zmiana struktury energetycznej.

Badając kropki kwantowe Profesor Sargent zauważył, że jeśli zmieni się rozmiar kropkami kwantowymi (półprzewodnika), zmienia się jej kolor. Tak naprawdę można otrzymać wszystkie kolory tęczy, używając tego samego materiału, zmieniając jedynie rozmiar kropki kwantowej

Profesor Sargent opracował technologię wytwarzania kropek kwantowych: - świecących na niebiesko kropek wielkości 3 nanometrów, - świecących na czerwono kropek wielkości 4 nanometrów - i emitujących promienie podczerwone wielkości 5 nanometrów (ciepłokropki).

W 2005 roku Sargent opublikował w Nature Materials artykuł, w którym pokazał, że wykorzystując 5-nanometrowe kropki kwantowe, można zrobić elastyczny materiał, który pochłania energię z promieni podczerwonych i zamienia ją na elektryczność.

Teraz wystarczyło połączyć je z już istniejącymi pochłaniaczami widzialnych promieni słonecznych (tradycyjne elementy paneli słonecznych) i stworzyć wydajny system. I tak się stało, opracowano polimerowe ogniwo słoneczne, które można zakładać na ubranie, lub słoneczny dywan do rozkładania na dachu domu czy samochodu.

NANORURKI Nanorurki są jednymi z najwytrzymalszych i najsztywniejszych znanych materiałów. Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 GPa. Dla porównania, hartowana stal osiąga wytrzymałość rzędu 1,2 GPa. W połączeniu z niewielką gęstością rzędu 1,3-1,4 g/cm, daje to najlepszy rezultat spośród znanych ludzkości materiałów.

Opracowano już technologię wytwarzania cylindrów mogą o szerokości pół nanometra, i są one 100 razy wytrzymalsze niż stal i 6 razy lżejsze. Są najtwardszym, najsztywniejszym najtrwalszym znanym materiałem, a poza tym należą do najlepszych na świecie przewodników ciepła i elektryczności.

Jednak początkowo produkowano niewiele nanorurek i były one bardzo drogie. Jeszcze w 2005 roku roczna produkcja na świecie wynosiła 300 kilogramów. Przy cenie 1000 dolarów za gram, nanorurki węglowe były 50 razy droższe niż złoto. Ale np. NRC we współpracy z University of Sherbrooke opatentowała proces produkcji w dużych ilościach nanorurek o szerokości 1,4 nanometra, nrzędu 1 kilogram dziennie. Nastąpił gwałtowny wzrost produkcji np. firma ARKEMA (Francja) rozpoczęła produkcję nanorurek węglowe w 2007 w ilości 8-10 ton, a w roku 2011 wyprodukowano już 400 ton.

W Tour de France w 2006 roku Floyd Landis korzystał z roweru, którego konstrukcję wzmocniono nanorurkami. Pozwoliło to zmniejszyć masę ramy roweru do jednego kilograma. Podczas badań, w 2006 roku znaleziono nanorurki w stali damasceńskiej, co mogłoby tłumaczyć jej legendarną twardość.

Profesor University of Texas w Dallas Ray Baughman i jego ekipa opracowali sposób robienia włókien z węglowych nanorurek.Włókna okazały się 4-krotnie mocniejsze niż nić pajęcza – najmocniejsze włókno naturalne. Z włókien tych można by też robić kable do mostów wiszących – znacznie dłuższe niż obecnie. Ponieważ przewodzą również elektryczność, z futurystycznych przędz można tkać „inteligentne” ubrania, które magazynowałyby elektryczność, byłyby potencjalnie kuloodporne i zawierały czujniki dopasowujące temperaturę odzieży.

Nanorurki węglowe mogą przewodzić prąd o 1000-krotnie większym natężeniu niż przewody metalowe (np. miedziane) o analogicznej masie. W nanorurkach wielowarstwowych, wewnętrzne warstwy mogą ślizgać się prawie bez tarcia wewnątrz, tworząc idealne atomowe łożyska. Własności te wykorzystano do konstrukcji pierwszych prostych molekularnych mechanizmów: nanorotorów i nanopotencjometrów. Wszystkie nanorurki znakomicie przewodzą wzdłuż swojej struktury, ciepło (dzięki przewodnictwu balistycznemu), natomiast bardzo słabo przewodzą ciepło w poprzek. Przewiduje się że nanorurki węglowe mogą przewodzić do 6 000 W/m•K w temperaturze pokojowej. Dla porównania miedź, uznawana za znakomity przewodnik ciepła przewodzi 385 W/m•K. Nanorurki wytrzymują temperatury do 2 800 stopni w próżni i do około 750 stopni w powietrzu.

Nanotaśmy stworzone w 2004 roku przez Raya Baughmana są trwalsze niż stal, przeźroczyste i bardzo, bardzo lekkie. Jeden ich hektar waży zaledwie 280 gramów. Ponieważ materiał jest tak lekki i trwały, ludzie zaczęli nazywać go mithril, czyli tak jak metal zbroi w filmie Władcy Pierścieni. Nanotaśma umieszczona pomiędzy dwoma kawałkami pleksiglasu wciąż przewodziła elektryczność i pozostała przezroczysta. Wstawiono te taśmy w przednie szyby samochodu przepuszczano przez nie prąd, co powodowało np. odmrażanie szyb samochodowych.

Bharat Bhushan, profesor inżynierii mechanicznej z Ohio State University, stworzył „supergładką” powierzchnię, imitującą liście lotosu. Od dawna było znany fakt że z tych liści bardzo dobrze spływa woda. Sądzono że przyczyna takiego zachowania był fakt iż są woskowate. Naukowcy badając liście lotosu stwierdzili iż jest pokryty nanoguzkami. Bhushanowi udało się zrobić polimerową taśmę równie

„gładką” jak liście lotosu. Nakładając ją na szkło, otrzymał szyby nie wymagające mycia.

Inny przykłady zastosowania Muszla klozetowa jest pokryta supergładką emalią, która ma mikroskopijne otwory, ich wielkość to nawet nie 30 nanometrów. Są one mniejsze niż bakterie czy cząsteczki pleśni, więc brud nie ma dość miejsca, aby przyczepić się do porowatej powierzchni. I wystarczy tylko spłukiwać po sobie toaletę.

Są już skarpetki, które nigdy źle nie pachną, spodnie odporne na plamy, okna „odstraszające” brud, samooczyszczające się toalety, piłki tenisowe nietracące sprężystości i piłeczki golfowe korygujące własny tor lotu. FULERENY Są to cząsteczki składające się z parzystej liczby atomów węgla, tworzące zamkniętą, pustą w środku bryłę. Cząsteczki fulerenów zawierają od 28 do ok. 1500 atomów węgla.

Za odkrycie fulerenów Harold Kroto z Uniwersytetu Sussex w Brighton (Wielka Brytania) oraz zespół R.E. Smalley i R.F. Curl jr. z Uniwersytetu Rice w Huston (Teksas, USA) w 1996 roku otrzymali Nagrodę Nobla z dziedziny chemii.

Na początku wydawało się, że są one tylko kolejną „ciekawostką przyrodniczą”, w toku badań okazało się jednak, że mogą znaleźć wiele praktycznych zastosowań. Fulereny, o metalicznym połysku, posiadają własności nadprzewodzące i półprzewodnikowe. Ich unikatową własnością jest również możliwość zamykania w ich wnętrzu innych cząsteczek. Można je przyłączać do polimerów, uzyskując w ten sposób środki smarujące i tworzywa o unikatowych własnościach elektrooptycznych. Można zamykać wewnątrz fulerenów atomy pierwiastków. Opracowano wydajną metodą płomieniowa otrzymywania fulerenów. Polega ona na spalaniu substancji organicznych (najczęściej jest to toluen). Dzięki tej metodzie produkcja fulerenów na świecie wynosi obecnie kilkanaście ton. Mamy zatem: 

1. Piłki tenisowe pokryte nanocząsteczkami zachowające sprężystość 2 razy dłużej niż te zwyczajne.



2. Śmierdzące skarpetki staną się odległym wspomnieniem dzięki wplecionym w nie niciom z nanocząsteczkami srebra.



3. Nici zrobione z nanorurek węglowych są 17 razy wytrzymalsze niż włókna kevlarowe w kamizelkach kuloodpornych.



4. Samoczyszczące się muszle klozetowe (są już dostępne).



5. Przy produkcji powiększonego samochodu „hummer” w 14 elementach wykorzystano nanoinżynierię.



6. Piłeczki golfowe dzięki nanotechnologii lecą po mniejszym łuku, bo mniej wirują.



7. Nanospodnie które nigdy się nie plamią, bo ich materiał imituje skórkę brzoskwini i dzięki temu nie wchłania płynów. Ciekawostka

W 2007 roku nanotechnolodzy z Technionu umieścili cały hebrajski tekst Starego Testamentu na obszarze zaledwie 0,5 milimetra kwadratowego na pokrytej złotem krzemowej płytce. Tekst został wryty przez skierowanie na płytkę skupionego strumienia jonów galu.

Warto zwrócić też uwagę, że "nanotechnologię" uprawiają już od dawna wszystkie organizmy żywe. Wiele struktur występujących wewnątrz komórek to rodzaje mikromaszyn, struktura takich naturalnych materiałów, jak drewno, łodygi roślin, kości czy skóra to tworzywa, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek. Zagadnienia te bada nanobiotechnologia

Aby przyspieszyć gojenie i zapobiec infekcji, starożytni Grecy używali płytek ze srebra. Jednak sposób ten poszedł w zapomnienie, od kiedy na rynku są antybiotyki. Nucryst wskrzesił i ulepszył starą metodę, pokrywając bandaż nanocząsteczkami srebra, które łatwiej wchodzą w reakcje niż duży kawałek tego szlachetnego metalu. Przedostają się w głąb skóry i działają równomiernie. W rezultacie np. ofiarom poparzeń wystarczy zmieniać opatrunek tylko raz na tydzień. Przedtem bandaże należało zmieniać kilka razy dziennie i była to bolesna procedura wiążąca się z usunięciem kremu wspomagającego gojenie się ran. W 2004 roku Nucryst wyprodukował ponad 3 miliony bandaży, a jego zyski wyniosły aż 30 milionów dolarów.

U 70 procent pacjentów z ranami przewlekłymi, z wrzodami stóp wywołanymi cukrzycą, których rany nie goiły się w zadowalającym tempie, nastąpiło polepszenie po użyciu tych opatrunków – potwierdził to doktor Gary Sibbald z University of Toronto i dyrektor Kliniki Dermatologii w Sunnybrook.

Hicham Fenniri, profesor chemii z University of Alberta, pokrył implant z tytanu nanorurkami. Okazało się że warstwa nanorurek bardzo dobrze naśladuje kolagen i przyciąga komórki kości zwane osteoblastami bardzo przyspieszając rozrost kości, pomagając przyłączyć sztuczny staw do ciała.

Doktor Franiak-Pietryga przypadkiem odkryła, że pewien rodzaj dendrymerów potrafi zmusić komórkę białaczkową do samobójstwa. Za swój pomysł na zastosowanie nanocząstek w leczeniu tej odmiany białaczki dr Franiak-Pietryga otrzymała złoty medal na odbywających się w maju Międzynarodowych Targach Wynalazczości "Concours Lepine" w Paryżu. W listopadzie wynalazek pokazany zostanie w Brukseli na światowych targach medycznych, a w przyszłym roku w USA.

Polimery dendryczne - Dendron – drzewo po grecku, Mer – cząsteczka polietylenu.

Ryszard Kordas Wrocław 26.09.2013