Nanotehnologija

Nanotehnologija obuhvata tehnološki razvoj nanometrijske skale, obično od 0,1 do 100 nm. (Jedan nanometar je hiljaditi deo mikrometra ili milioniti deo milimetra). Ovaj termin se ponekad primenjuje i na mikroskopsku tehnologiju. Ovaj članak se bavi nanotehnologijom, nanonaukom i molekularnom nanotehnologijom.

Definicije i istorijski razvoj
Nanotehnologija je svaka tehnologija koja koristi pojave i strukture koje mogu da postoje samo u nanometrijskoj skali, a to je skala pojedinačnih atoma i malih molekula. Web sajt američke National Nanotechnology Initiative definiše nanotehnologiju na sledeći način: “Nanotehnologija je poznavanje i kontrolisanje materija čije su dimanzije od 1 do 100 nanometra, gde jedinstvene pojave omogućavaju nove primene”. Takve pojave obuhvataju kvantna ograničavanje – koja mogu da rezultuju različitim elektromagnetnim i optičkim svojstvima materije između nanočestica i rasutih materija, Gibbs-Thomson efekat – što je snižavanje tačke topljenja materije kada se njena veličina meri nanometrima, a takve strukture obuhvataju karbonske nanocevi. Nanonauka i nanotehnologija predstavljaju proširenje polja prirodnih nauka, a fakulteti prirodnih nauka širom sveta, zajedno sa odeljenjima koja se bave fizikom, mašinstvom, bioinženjeringom i hemijom su vodeći faktori u razvoju nanotehnologije. Samo nekoliko tehnologija od svih  koje u svom nazivu imaju reč “nano” zapravo ispunjavaju definiciju nanotehnologije, pa postoji opasnost da će nanotehnologija postati sredstvo koje će različiti naučnici i preduzetnici koristiti da dobiju materijalnu korist, bez obzira na (i obično uprkos nedostatku) interesovanja za transformacijske mogućnosti ove tehnologije. Sa druge strane, drugi se slažu da je publicitet i kompetentnost ovakvih “polu-nano” projekata dragocena, jer predstavlja korak napred ka stvarnom iskorišćavenju nanotehnologije.

Prve koncepte nanotehnologije (mada se još uvek nije koristio taj naziv) je predstavio Richard Feynman u svom govoru “Na dnu ima dosta prostora” (“There’s Plenty of Room at the Bottom”) na skupu American Physical Society u decembru 1959. godine. Feynman je opisao proces pomoću kojeg se može razvijati mogućnost manipulisanja pojedinačnim atomima i molekulima, koristeći jedan skup preciznih alata za pravljenje i rad sa drugim, proporcionalno manjim skupom, pa dalje na dole sve dok se ne stigne do potrebne skale. U tom smislu, naglasio je Feynman, pitanja skaliranja bi nastajala iz promene veličine različitih fizičkih pojava: gravitacija bi postala manje važna, zategnutost površine i Van der Waals privlačenje bi postali važniji, itd.

Termin “nanotehnologija” je definisao profesor sa tokijskog univerziteta prirodnih nauka Norio Taniguchi 1974. godine na sledeći način: “Nanotehnologija se uglavnom sastoji od obrade, razdvajanja, sažimanja i deformisanja materije jednim atomom ili jednim molekulom”. U 1980-im godinama je osnovnu ideju ove definicije mnogo dublje istražio dr Eric Drexler, u svojim knjigama Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology i Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation, i tada je termin “nanotehnologija” dobio današnje značenje.

Poslednjih godina se sve više razmatra upotreba nanotehnologije za rešavanje problema u industriji poluprovodnika. U oblasti mikroelektronike se nastavlja sve veća minijaturizacija uređaja, a proizvodnja tranzistora sa logičkim kolom dužine 65 nm već postaje rutinska. Gustina uređaja u modernoj računarskoj elektronici (na primer broj tranzistora po jedinici) eksponencijalno raste, a očekuje se da će se ovaj trend još neko vreme nastaviti. Međutim, kako ekonomska tako i osnovna elektronska ograničenja sprečavaju kontinuirani razvoj ove tehnologije. Ipak, pošto je današnja tehnologija koja se koristi za čipove već dostigla 65 nm skalu, tako da je dalja minijaturizacija postala sve teža, a svi očekuju dalje povećanje brzine i smanjivanje cena računara. Mikročipovi su konstantno postajali manji, brži i jeftiniji zato što im pravljenje manjih uređaja omogućava da imaju manju kapacitivnost, što omogućava veću brzinu komutacije, a samim tim i veću brzinu procesora.

Nanotehnologija obuhvata mnoge tehnike koje se koriste za stvaranje struktura veličine ispod 100 nm, uključujući one koje se koriste za pravljenje nanožica, zatim tehnike ultraljubičaste litografije, elektronskog mlaza, fokusiranog jonskog mlaza, itd.

Termin nanonauka se koristi za opisivanje interdisciplinarnih polja nauke posvećenih proučavanju pojava nanoveličine. To je svet atoma, molekula, makromolekula, kvantnih čestica kojim vladaju površinski efekti poput Van der Waals sile privlačenja, hidrogenskih veza, elektronskog punjenja, jonskih veza, kovalentnih veza, hidrofobičnosti, hidrofilnosti do efekata makroskale kakvi su turbulencija i inercija.

Novi materijali, uređaji, tehnologije
Suština nanotehnologije je da što više smanjujemo materiju, tako ona počinje da dobija nove karakteristike. Nanočestice, na primer, imaju vrlo interesantna svojstva i pokazale su se korisnim kao katalizatori. Nanočestice (klasteri nanoveličina), na primer, imaju interesantne osobine i pokazali su se kao uspešni katalizatori još od ranije, na primer, kada je Charls Goodyear 1839 izumeo vulkaniziranu gumu ili kada su Mezoamerikanci dobili slične rezultate 2400 godina ranije. Ako se ikada napravi nanorobot, on će biti umanjena verzija savremenih robota. Uređaji nanoveličine će verovatno ličiti na prirodne nanouređaje kao što su: proteini, DNA, membrane, itd. Supermolekularni asembleri su dobar primer.

Jedna od suštinskih karaktetistika nanotehnologije je da se nanouređaji sami spajaju. To jest, oni se grade sami sebe od osnovnih do složenih struktura. Ispitivanje mikroskopskom sondom je veoma važna tehnika zbog osobina nanomaterijala i njihove mogućnosti spajanja u složene nanomaterijale. Atomski mikroskopi i elektronski mikroskopi mogu da se koriste za posmatranje površina i pomeranje atoma. Ovi mikroskopi se mogu upotrebiti za oblikovanje struktura na površini što će pomoći samostalnom stvaranju novih struktura. Koristeći mikroskopsku tehniku sa sondom atomi se mogu pomerati po površini, ali to je nezgrapno, skupo i dugotrajno, pa je zbog ovih razloga prilično jasno da gradnju nanouređaja ne treba raditi atom po atom. Naravno, niko ne želi da spaja milijarde tranzistora u mikročip, kada mu je potrebno sat vremena da postavi jedan tranzistor, ali ove tehnike se mogu koristi kao pomoć u samoizgradnji novih struktura.

Jedan od problema nanotehnologije je kako spojiti atome i molekule u inteligentne materijale i funkcionalne uređaje. Supermolekularna hemija je veoma važan alat. Supermolekularno privlačenje je sposobnost molekule da privlači druge molekule i na taj način same grade složenije strukture. U ovome slučaju, biologija je mesto za pronalaženje inspiracije: ćelije i njihovi delovi su napravljeni iz polimera koji su se sami izgradili iz proteina i proteinskih kompleksa. Jedna od stvari koja je naučno ispitana je sinteza organskih molekula dodavanjem molekula na krajeve komplementarnih DNA vlakana, kao što su A i B (----A i ----B), sa molekulima A i B pripojenim na kraju; kada se sve to spoji, komplementarna DNA vlakna umeće vodonik u duplu spiralu, ===AB, pa se DNA molekul može ukloniti kako bi se izdvojio proizvod AB.

Prirodne ili ljudskom rukom napravljene ćestice često imaju kvalitete i mogućnosti potpuno različite od njihovih mikroskopskih parnjaka. Zlato, na primer, koje je hemijski pasivno pri normalnim sklama može da služi kao potencijalni hemijski katalizator u nanaoskalama.

Čestice „nanoveličine“ (prečnika nekoliko nanometara, poznate i pod nazivom nanočestice) su potencijalno važne u keramici, metalurgiji praha, itd. Tendencija malih čestica da formiraju grupe (aglomerate) predstavlja ozbiljan tehnološki problem koji ometa ovakvuprimenu. Međutim neki dispergatori (raspršivači) kao amonijum citrat i imidazoli ili uljani alkohol su perspektivni aditivi u sprečavanju grupisanja malih čestica. (O ovim materijalima je raspravljano u  „Organic Additives And Ceramic Processing“, D.J. Shanefield, Kluwer Academi Publ, Boston.)

Oktobra 2004 godine istraživači Univerziteta Mančester su uspešno napravili komadiće materijala debljine samo jednog atoma, nazvanih graphene.

Od 23.avgusta 2004, Stanford univerzitet je u mogućnosti da izgradi tranzistor od jednostruko-zagrađenih ugljeničkih nanocevi i organskih molekula. Jednostruko-zagrađena ugljenička nanocev je u osnovi urolana tanka ploča ugljeničnih atoma. Oni su usavršili izradu ovih tranzistora širine dva nanometra i mogu da održavaju trenutnu dužinu od tri nanometra. Da bi napravili ovaj otpornik, zasekli su metalne nanocevi da bi formirali elektrode, a zatim su postavili jedan ili dva organska materijala  da bi dobili poluprovodnički kanal između elektroda. Planira se da ovo dostignuće bude dostupno u različitim primenama za dve do pet godina.

News.com je 01.marta.2005.godine izvesto da Intel priprema uvođenje procesora izgrađenih u 65 nanometarskoj tehnologiji. Kompanija je pokazala slike prototipova tranzistora u 65, 45, 32 i 22 nanometarskim veličinama. Međutim, kompanija očekuje da će u budućnosti razviti procesore u 15, 10, 7 i 5 nanometarskim veličinama.

Postojeći prototipovi koriste CMOS; međutim, kako Intel tvrdi, manje veličine će se oslanjati na kvantne tačke, polimerne slojeve i tehnologiju nanocevi.

PhysOrg.com piše o upotrebi plasmona u svetu. Plasmoni su talasi elektrona koji se prenose kroz površinu metala. Oni imaju isti frekvenciju i elektromagnetno polje kao svetlost, međutim, podtalasne dužine im omogućavaju da koriste manje prostora. Plasmoni se ponašaju kao svetlost u metalnom ogledalu, dozvoljavajući inženjerima da koriste neku od tehnika, kao što je multipleksiranje ili slanje višestrukih talasa. Upotrebom plasmona, informacije se mogu prenositi kroz čipove neverovatnom brzinom; međutim, plasmoni imaju neke nedostatke. Na primer, razdaljina koju plasmon pređe pre nego što nestane zavisi od vrste metala i sada je jednak putu od nekoliko milimetara, a udaljenost između čipova se kreće oko jednog centimetra. Trenutno najbolji metal koji omogućuje plasmonu da putuje najdalje je aluminijum. Međutim, industrija čipova koristi bakar pošto je bolji električni provodnik. Pored toga, mora se predvideti problem zagrevanja. Upotreba plasmnona će definitivno proizvesti toplotu, ali u kojoj količini još se ne zna.

Dalji razvoj na polju nanotehnologije se fokusira na oscilacije nanomašina za telekomunikacije. Tvrdi se da u podrumu Bostonskog univerziteta oscilira komadić silicijuma, koji se ponaša poput antene, širok 1/10 ljudske dlake. Pošto ova tehnologija funkcioniše brzinom gigaherca, može da pomogne u smanjivanju komunikacionih uređaja i razmeni informacija gigahercnim brzinama. Ova nanomašina se sastoji od 50 milijardi atoma i može da oscilira 1,49 milijardi puta u sekundi. Antena se prilikom osclacije pomera za jednu desetinu pikometra.

Napredna nanotehnologija
Napredna nanotehnologija, ponekad zvana molekularna proizvodnja, je termin za koncept gradnje nanosistema koji se zasniva na molekularnim veličinama. Bezbrojni primeri iz biologije upućuju da se na osnovu milijardi godina evolucije može napraviti sofisticirana i optimizovana biološku mašinu. To daje nadu da će razoj nanotehnologije verovatno stvoriti neki brži način, možda koristeći biometrijske principe. Međutim, K Eric Drexler i drugi istraživači predlažu da se napredna nanotehnologiju, mada u  početku možda implementirana pomoću biometrijskih sredstava, kasnije može zasnivati na principima mehaničkog inžinjeringa.

Interdisciplinarnost
Definišuća karakteristika nanotehnolgije je da se sastoji od nekoliko interdisciplinarnih celina  prirodnih nauka koje su prilično usko specijalizovane. Prema tome, fizika igra važnu ulogu – od konstrukcije mikroskopa koji se koristi za istraživanje ovih pojava, pa do zakona kvantne mehanike. Dostizanje željene strukture materijala i određenih konfiguracija atoma, uvodi hemiju u polje nanotehnologije. U medicini, usmereni razvoj nanotehnologije obećava pomoć u tretmanu nekih bolesti. Nauka je dostigla tačku kada granice različitih disciplina postaju nejasne i to je razlog zašto se nanotehnologija smatra konvergentnom tehmologijom.

Potencijalni rizici

Goo
Često nevođeni scenario najgoreg slučaja je „grey goo“, hipotetička supstanca u kojoj se površinski objekti zemlje mogu transformisati samoumnožavanjem nanobota. Branitelji nanotehnologije ukazuje da su manji objekti osetljiviji na oštećenja od radijacije i toplote (zbog većeg odnosa između površine i zapremine): nanomašine se brzo kvare kada se izlože surovim klimatskim okolnostima. Ovaj argument zavisi od brzine kojom se nanomašina može reprodukovati.

Odskora, nove analize pokazuju da je ova „grey goo“opasnost manje verovatna nego što se ranije mislilo. K.Eric Drexler smatra da je skučajni „grey goo“ scenario veoma malo verovatan, što je opisao u poslednjem izdanju „Engines of Creation“. Međutim, identifikovani su drugi dugoročni rizici za društvo i okolinu.

„Green Goo“ je jedna varijanta scenarija u kojem nanobiotehnologija pravi samoumnožavajuće nanomašine koje uništavaju sve organske čestice, žive ili mrtve, praveći naslage slične neživim organskim masama. (Green Goo: Nanotehnology Comes Alive! 23 Januar 2003, Etcgroup.org)

Toksičnost
Kritičari nanotehnologije ukazuju na potencijalnu toksičnost novih klasa nanosupstanci koje mogu da utiču na stabilnost zidova ćelija ili da naruše imunološki sistem kada se udahnu ili apsorbuju. Objektivna procena rizika može da proizađe iz iskustva sa poznatim mikroskopskim materijalima poput ugljene prašine i azbesta.

Postoji mogućnost da nanočestice u pijaćoj vodi budu opasne za ljude ili životinje. Otkriveno je da se ćelije izložene česticama nano titanijum dioksida raspadaju dva puta brže nego uobičajeno. Nanočestice titanijum dioksida se često upotrebljavaju u sredstvima za zaštitu od sunca, zato što su providne, nasuprot prirodnim česticama titanijum dioksida koje su bele.