Nanotehnologija ~autoput u budućnost 2

 

 

"Sve blagostanje dolazi iz znanja. Otkriće parne mašine krajem 18. veka dovelo je do velikog privrednog napretka.  Onda je oko 1850. godine nastupila velika kriza. Izum električne struje i automobila doveo je do novog zamaha koji se “ispuhao” tokom Velike depresije 1929. godine. Razvoj tehnologije, dakle lasera,tranzistora,GPS,kompjutera,interneta i ostalih postignuća generisao je novi val napretka,ali 2008. godine nastupila je nova kriza.Novo blagostanje doneće veštačka inteligincija!"
Michio Kaku

NAJPRODORNIJA TEHNIKA BUDUĆNOSTI

Trenutno najpropulzivnije naučno područje koje se iz laboratorija, u obliku novih tehnologija, već  integrisalo u naš svakodnevni život je nanotehnološko. Podsetimo kratko: nanotehnologija je zamisao manipulisanja svojstvima materije na skalama atoma i molekula( nanometar predstavlja veličinu od jednog milijarditog dela metra, a raspon u nanosvetu beleži se na skali od 1 do 100 nanometara) Ona se bavi proučavanjem materija na tim skalama a obuhvata i tehnologiju izrade naprava tih dimenzija ( ponegde nazvana molekularna proizvodnja) 

                                                      PRIRODNE NANOMAŠINE

Nanomašine već odavno postoje u prirodi. Kao primer možemo navesti proces prenošenja informacije iz DNA u ćelije preko ribosona. DNK je nosilac naslednih informacija u ćeliji. RNK učestvuje u prenošenju tih informacija i njihovom prevođenju u proteine. U tom procesu, dakle, vrsta RNK koja se naziva prenosna RNK prenosi informacije sadržane u vidu aminokiselina sa DNK na strukture koje se nazivaju ribozomi. Ovi ribozomi, načinjeni iz belančevina i ribozomske RNK, su jedna vrsta specijalizovane podjedinice ćelije koja je u okviru ćelije vlastitom lipidnom membranom. Ova podjedinica je faktički molekularnua mašina za čitanje genetske informacija iz prenosne RNK i  njeno dalje prenošenje i prevođenje u proteine, a njen (prirodni) mehanizam osnova je nanotehnologije.

 ribozom

 

3.Ribosom

IDEJA NANOTEHNOLOGIJE

Ričard Fajnman-a (Richard Feynman) smatraju ocem nanotehnologije. U svom predavanju pred amerčkim Udruženjem fizičara fiziča, 1959. godine, on je najavio da budućnost leži u minijaturizaciji:  celu enciklopediju "Britaniku" treba smestiti na vrh čiode (There's Plenty of Room at the Bottom).

"Ono o čemu ja žželim da pričam je problem tretiranja i upravljanja stvarima u prostorima malih dimenzija ... Ne plaššim se da razmotrim konačno pitanje kao što je da li, na kraju, –u nekoj dalekoj budućnosti – možžemo da uredimo atome na način na koji mi žželimo: same atome, skroz, u tom
prostoru!"

 

O blast nanotehnologije se razvijala od te prve ideje ka njenom ostvarenju kroz prve mikromehaničke sisteme iz 1980-tih godina. Japanski profesor sa Univerziteta u Tokiju Norio Taniguči (Taniguchi) prvi je upotrebio termin nanotehnologija u smislu konstrukcije materijala sa nanometarskom tačnošću. Naredne decenije, tačnije 1986. godine, američki inženjer Kim Erik Dreksler (K. Eric Drexler) u svojoj knjizi „Engines of Creation” definisao je pojmove molekularne nanotehnologije Danas, mnogi mikrorobotski sistemi ostvaruju nove primene: montažžu, inspekciju, održavanje, mikrooptiku, u raznim oblastima (u SAD trenutno postoji više od 13 hiljada patenata koji u sebi nose reč „nano”). Koji će oblik imati budući nanoroboti, jošš uvek nije jasno. Nisu jasni ni zadaci koje će ti nanoroboti izvrššavati. Uprkos tome, nanorobotika se razvija u pravcu konstruisanja inteligentnih senzora, aktuatora, i sistema manjih od 100 nm (NEMS). Uređaji ovih dimenzija nude mnoge fascinantne mogućnosti: manipulisanje nanoobjektima koriššćenjem nanoalata, merenja mase u femtogram (10-15) opsezima, opažžanja silepikonjutn (10-12) veličina, gigahercno kretanje, i niz drugih mogućnosti.

N notehnologija zahteva interdisciplinarni pristup stoga se njom bave i sarađuju  hemičari, biolozi, fizičari i inženjeri elektrotehnike. Zakoni fizike u prostorima nano dimenzija su u nekim apsektima potpuno različit od fizike u prostoru makro dimenzija. Savremena fizika obuhvata kvantnu mehaniku kao oblast koja opisuje materiju u nanometarskom prostoru. Broj atoma se prilagođava promenama dimenzija sa L3. Ako tranzistor, na primer, u mikronskom prostoru dimenzija sadržži 1012 atoma, onda, na nanometarskoj skali, L’/L = 10-3 će sadržžavati 1000 atoma, verovatno isuvišše malo da bi tranzistor sačuvao svoju funkciju. Uprkos ovim izazovima, mnogi bazni problemi u nanofizici su reššeni.

Očekuje se da uticaj nanotehnologije na zdravlje,  ekonomiju i bezbednost čoveka bude bar toliko značajan, kao ššto su to bili u 20. veku kombinovani uticaji antibiotika, integrisanih kola, i polimera koje je napravio čovek.

1998. N. Lane je tvrdio:
,, Kad bi nas neko zapitao koja je to oblast nauke i tehnike koja će najverovatnije generisati prodore ka sutraššnjici, ja bih ukazao na nauku i tehniku o nanoprostoru”."

____________________________________
osnovni pojmovi

Nanokristal je nanoskopska čestica koja sadrži od nekoliko stotina do nekoliko desetaka hiljada atoma koji su uređeni u kristalnu strukturu.

Nanobot je imaginarna mašina (robot) na skali od nekoliko do nekoliko desetaka nanometara, dizajniran da obavlja specifične poslove.

Buckminsterfullerene C60, također poznat i kao fudbalskalopta "buckyball", je molekul ugljika , poznat kao fulereni. Članovi porodice fulerena su glavni subjekti istraživanja pod nanotehnološkim kišobranom.
___________________________________

UGLJENIČNE NANOCEVI
nosioci revolucije
Momir Đekić

Struktura koja predstavlja zamajac nanotehnologije nosi ime nanocev (eng. nanotube), a najpoznatija je izgrađena od atoma ugljenika. Ugljenična nanocev (eng. carbon nanotube, CNT) najlakše se može zamisliti kao mreža atoma u obliku pravougaonika savijena u oblik cevi. U zavisnosti od ose po kojoj je savijena mreža, razlikujemo tipove nanocevi.
 

Svojstva koja CNT imaju čine ih izuzetnim u izradi budućih materijala za konstrukciju aviona ili automobila. Smanjenje težine i povećanje čvrstine povoljno će uticati na sigurnost putnika i smanjenje potrošnje. Upotreba ovih materijala dobro će doći i u građevinarstvu, gde će ojačanja ugljeničnim nanocevima doprineti ukupnoj stabilnosti spojeva velikih delova budućih građevina.

Upotreba ovih cevi u elektronskoj industriji takođe je veoma isplativa. CNT predstavljaju takozvane balističke provodnike, što znači da prenose energiju gotovo bez gubitaka. Kako postoje i dvoslojne, troslojne i višeslojne cevi (više nanocevi postavljenih koncentrično), jasno je da se ova svojstva mogu iskoristiti na takav način da nanocevi zamene silicijumske poluprovodnike i samim tim poboljšaju elektroprovodna svojstva elektronskih komponenti.Postoji nekoliko načina za dobijanje CNT. Tri koja se izdvajaju kao najčešće upotrebljavana jesu: Arc Discharge, Laserska metoda i Chemical Vapor Deposition (CVD)

Upotreba nanocevi
 

Jedan od najupečatljivijih načina upotrebe ugljeničnih nanocevi jeste korišćenje jednoslojne cevi kao vrha jednog posebnog mikroskopa. Atomic Force Microscopy (AFM) je mlada, ali veoma korišćena tehnika za preciznu rekonstrukciju topografije uzorka sa rezolucijom na nivou atoma. Upotreba ovih mikroskopa našla je primenu u biotehnologiji, superprovodnicima, prirodnim naukama i istraživanju materijala. AFM daje izvanredne rezultate u morfološkoj analizi struktura u nanorazmerama, poput kvantnih tačaka. Kako rezolucija i kvalitet snimaka ponajviše zavise od osetljivosti vrha mikroskopa, ugljenične nanocevi pokazale su se kao idealan saveznik. Njihova elastičnost i čvrstina daleko premašuju konvencionalne vrhove izrađene od silicijum-nitrata.

Nanocevi dobijene CVD metodom izuzetnog su kvaliteta, otvorenog kraja i zadovoljavajuće dužine. Najveći procenat cevi je jednoslojan, ali se ovom metodom formiraju i dvoslojne nanocevi

 

U potreba ugljenikovih nanocevi česta je i u izradi LED monitora. Samsung je dugo istraživao na koji način efikasno da zameni elektronske topove konvencionalnih TV uređaja i namesto njih implementira ugljenične nanocevi, koje su se pokazale kao idealne strukture za ovu namenu. Godine 2005. Motorola je najavila NED (Nano Emissive Display) tehnologiju, koja bi trebalo da omogući još tanje monitore. Nanokompozitni materijali su u upotrebi već nekoliko godina. Fantastična toplotno-provodna svojstva omogućavaju ugljeničnim vlaknima da se hlade sporije i ravnomernije, što omogućava kvalitetniji dizajn novih materijala. Ovakvi materijali čine se idealnim za savremene gorivne ćelije. Njihova sposobnost da zadrže vodonik u gasnom stanju na siguran, efikasan i ekonomski isplativ način stavlja ih na prvo mesto u izboru materijala za izradu ovih ćelija. Atomi vodonika vezuju se za atome ugljenika u nanocevima i kasnije se mogu otpustiti uz male promene u temperaturi i pritisku.

U biomehaničkom smislu, ugljenične nanocevi pokazale su se kao vrlo dobre za rekonstrukciju mišića. Štaviše, posebne strukture nastale od ovih nanocevi pokazuju mogućnost istezanja 50 do 100 puta veću od prirodnog mišića čoveka. Različiti senzori uspešno se mogu izraditi upotrebom nanocevi i na taj način dobiti veoma osetljivi sklopovi, koji se kasnije mogu koristiti i za veštačke udove, transfer električnih impulsa od i ka mozgu ili kao detektori izvesnih supstanci unutar organa i tkiva.

 

Nanotehnološki izumi postali su i deo borbe protiv kriminala i terorizma. Američke agencije za ulaganja u vojsku i Ministarstvo odbrane već decenijama pokušavaju da korišćenjem raznih hibrida ugljenčnih nanocevi i organskih struktura i molekula dizajniraju savremena oružja u nanorazmerama

 

 

 

 

 

Biolozi eksperimentišu sa nanocevima već nekoliko godina i uspešno su stvorili nekoliko fascinantnih jedinjenja. Izdvaja se hibrid nanocevi i jedne niti DNK molekula. Ovaj hibrid nalazi primenu u nanoelektronici, medicini, ali i u borbi protiv terorizma (da, dobro ste pročitali). DNK se spontano vezuje za ugljenikove nanocevi i u zavisnosti od obima jače ili slabije intereaguje. Projekat ovog zanimljivog hibrida finansiraju DARPA i nekoliko privatnih fondacija.

Zanimljiva primena ugljeničnih nanocevi u svakodnevnom životu jeste ona koja ih ugrađuje u obične majice, praveći na taj način superlaku i superotpornu odeću koja bi trebalo da zameni dosadašnje oklope specijalaca ili vojnika na ratištima. Svojstva koja ovakav oklop poseduje jesu i mogućnost odbijanja skoro svih vrsta ultraljubičastih zraka, kao i to što zahvaljujući odličnim termalnim svojstvima duže zadržava toplotu tela.

Bilo da su u pitanju senzori, ojačavanje postojećih materijala ili spravljanje novih materijala i hibridnih struktura, ugljenične nanocevi svakako predstavljaju izvanrednu šansu za život kakav smo mogli da gledamo u naučno-fantastičnim filmovima i serijama, čija popularnost govori o zainteresovanosti koju čovečanstvo izražava kada su u pitanju futurističke i pomalo blesave naprave do kojih svakodnevno dolazimo i koje nas tek čekaju.

 

Informacione nanotehnologije

 

Proizvođači čipova nastavljaju da prate evolutivne mape puta ustanovljene Murovim zakonom. Ipak, inženjeri koji sprovode u delo krivu napretka elektronskih uređaja imaju pune ruke posla da ovako nešto zaista bude u okviru predikcija najpoznatijeg zakona u IT-u.

Eksperimenti sa nanocevima i nanožicama u pravljenju tranzistora odavno su već stvarnost u kompaniji Intel. Pokazano je da ovakvi elektronski sklopovi nude i do tri puta bolje performanse od dosadašnjih, uz očuvanje iste potrošnje energije. Intel, u saradnji sa istraživačkim centrima u Irskoj, već godinama unapređuje postojeće i radi na novim proizvodima nanotehnologije. Prvi partner u ovom poslu jeste Trinity College iz Dablina. Intelova Fab 10 predstavlja dominantnu ustanovu za istraživanje i proizvodnju u domenu savremenih nanotehnologija.

 

AF mikroskopi rade na principu razmene elektrona između dodirivog supstrata (podloge) i vrha. Pomoću struja tunelovanja i po pravilima kvantne mehanike uređaj beleži topografiju materijala u supstratu sa velikom preciznošću i rezolucijom. Predstavlja mnogo jeftinije rešenje od elektronskog mikroskopa i ima veće uvećanje od optičkog. Ovi mikroskopi mogu da gledaju i kroz vodu i predstavljaju idealnu napravu za biološka istraživanja, koja inače ne bi mogla da se izvedu

 

 

IBM već godinama radi na ovom polju. Uspešno su sprovedeni eksperimenti koji su uslovili najave zvaničnika ove kompanije da će novi čipovi biti u stanju da čuvaju terabite informacija na uređajima veličine iPoda. Upotreba pojedinačnih molekula kao prekidača u savremenim tranzistorima najavljuje se već nekoliko godina, a kako IBM najavljuje, pitanje je vremena kada ćemo videti ove supertranzistore u čipovima za uređaje masovne potrošnje. Ovako minijaturizovani čipovi mogli bi da stanu na glavu čiode i da nude računarsku moć ekvivalentnu savremenim računarima. Rad na molekulskim prekidačima IBM sprovodi u Cirihu i njihov dalji rad ide u smeru zamene silicijumskih CMOS čipova.

Ova kompanija ne zaustavlja se na tome, već uporedo radi i na korišćenju nanotehnologije i mikročipova u medicini, gde bi posebni čipovi bili u stanju da dekoduju ljudsku DNK i na taj način pomognu naučnicima u pronalasku novih lekova i tehnika lečenja. Cilj je napraviti uređaj koji bi za nekoliko stotina do hiljadu dolara mogao da očita ljudski genom. Za podsećanje, prva sekvenca Human Genome Project inicijative koštala je tri milijarde dolara, te je jasno koliki je potencijal braka računarske nauke i medicine.

 

Nanotehnologija i solarna energija – novi najbolji prijatelji?

 

Iskorišćavanje sunčeve energije već 30 godina predstavljaju jednu od dominantnijih tema u pričama o energetskoj efikasnosti. Svet danas troši oko 16 TW snage, dok u istom periodu Sunce izrači oko 120.000 TW, i to samo na kontinentalnom delu Zemlje. Koliko je to energije nije teško zamisliti, a kako iskoristiti tu energiju, to je već pitanje koje tera na razmišljanje. Sistemi fotonaponskih receptora koji pretvaraju sunčevu energiju u električnu tehnološki još ne predstavljaju ni efikasno a ni jeftino rešenje i svega nekoliko država može da priušti velike takve sisteme. Danas su najčešći materijali za apsorpciju svetlosti izgrađeni od silicijuma ili rutenijuma. Osnovni nedostaci ovih materijala jesu cena i dostupnost. Rutenijumske ćelije su nešto jeftinije od silicijumskih, ali je ovaj element vrlo redak na Zemlji.

Ovde u pomoć priskače ugljenična forma grafen, zapravo ista forma ugljeničnih struktura od koje je izgrađena ugljenična nanocev. Naučnici su ustanovili da ovakav materijal ima vrlo solidnu sposobnost apsorpcije solarne energije, a njegova proizvodnja mnogo je jeftinija od konkurencije. Problem bi mogla da predstavlja činjenica da je potrebno da ćelije budu velike površine, što nije lako izvesti sa ovom strukturom. Ipak, naučnici iz Američkog udruženja hemičara uspeli su da naprave posebne trodimenzionalne strukture grafena koje sadrže i po 168 atoma ugljenika u mreži. Sposobnost apsopcije pilotskih ćelija išla je i do 200 mikroampera po kvadratnom centimetru, što je veoma dobar rezultat.

Trodimenzionalne solarne ćelije su jedan od pravaca koji dobija znatna sredstva i koji je zainteresovao mnoge naučnike. Korišćenjem posebnih nanostubova postavljenih u aluminijumsku osnovu povećava se raspoloživa površina apsorpcije i na taj način može se zahvatiti veća količina solarne energije. Kako se ovi sistemi mogu ugraditi na plastične materijale, čitava konstrukcija može biti i savitljiva, što olakšava postavljanje na mesta nepristupačna za konvencionalne ćelije

 

 

 

Na Univerzitetu u Indijani naučnici su dizajnirali fotoreceptore na bazi titanijum-dioksida prevučene slojem jednoslojnih nanocevi, dobivši tako solarne ćelije koje dvostruko bolje konvertuju ultraljubičastu svetlost u elektrone nego što je to do sada bio slučaj. Ugljenične nanocevi ovde imaju važnu ulogu u „sakupljanju” elektrona, koji bi inače pobegli iz sistema, i na taj način povećavaju efikasnost ćelija. Još se eksperimentiše upotrebom nanočestica u vidljivom delu spektra, gde dodavanje nanotehnoloških čuda povećava sposobnost apsorpcije svega nekoliko procenata, pre no što se ove solarne ćelije ubace u masovnu proizvodnju. Jedan od načina na koji će se ovo postići jeste premazivanje nanočestica kvantnim tačkama, malim poluprovodnim kristalima koji imaju mogućnost da visokoenergetske fotone pretvore u više elektrona, za razliku od konvencionalnih koje jedan foton pretvaraju u samo jedan elektron.

 

_________________________

Za masu proizvoda koje koristimo i ne znamo da su proizvodi nanotehnologije.
Evo samo jednog.

 

 

                                                                       ARHIVA

                                                       Pametni auto ~ autoput u budućnost 1
                     Nauka u rukama militantnih krugova ~autoput budućnosti 3