Nanotehnologija

Danas je nanotehnologija saveznik mnogih nauka i samo u SAD trenutno postoji više od 13 hiljada patenata koji u sebi nose reč nano

U zavisnosti od tipa nanocevi razlikuju se i svojstva poput elektroprovodnosti i čvrstine. Odgovarajuće postavljeni atomi unutar ove cevi omogućavaju ugljenikovim nanocevima čvrstinu stotinama puta jaču od čelika, uprkos činjenici da su šest puta lakše

Period Hladnog rata iznedrio je mnoge tehnološke ideje. Neke od njih oblikovale su našu sadašnjost na takav način da je nemoguće zamisliti život bez najvećeg broja izuma koji su u to vreme bili naučno-fantastične priče. Godine 1959. fizičar Ričard Fajnman (Richard Feynman) održao je istorijsko predavanje američkom Udruženju fizičara, a njegovu osnovu činila je ideja o minijaturizaciji tehničkih proizvoda i snažna vera u manje ali i moćnije naprave koje će u budućnosti čovek praviti. Deceniju i po kasnije, 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 je nanotehnologija saveznik mnogih nauka i samo u SAD trenutno postoji više od 13 hiljada patenata koji u sebi nose reč „nano”. Putovanje u budućnost je krenulo. Udobno se smestite, za svaki slučaj vežite sigurnosne pojaseve i prepustite se panoramskom pogledu na naučno-tehničku stvarnost koju je iskovalo savezništvo tradicionalnih nauka i nanotehnoloških inovacija.

Ukoliko pokušate da dođete do odgovora šta je to nanotehnologija, svi će krenuti od toga koliko je to zapravo malo. No, mi ćemo se prvo pozabaviti etimologijom. Reč nano potiče od grče reči nanos, što znači patuljak. Dakle, radi se o vrlo malim veličinama. Nanometar predstavlja veličinu od jednog milijarditog dela metra, a raspon u nanosvetu beleži se na skali od 1 do 100 nanometara.

Danas nanotehnologija predstavlja interdisciplinarnu oblast. Hemičari, biolozi, fizičari i inženjeri elektrotehnike sarađuju u ovoj oblasti, pre svega zato što je funkcionisanje ovako sitnih čestica poprilično drugačije od onog koje vlada u većim razmerama. U ovim vodama uz pomoć pravila Njutnove fizike ne biste dogurali daleko. Tu vlada kvantna mehanika, koja ponekad može i da protivreči zdravom razumu kada analiziramo ponašanje čestica. Da biste se bavili nanotehnologijom potrebno je da zaboravite skoro sve što ste učili u konvencionalnoj fizici i hemiji i počnete od samog početka.

Ugljenčne nanocevi – nosioci revolucije

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

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.

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

Postoji nekoliko načina za dobijanje CNT. Tri koja se izdvajaju kao najčešće upotrebljavana jesu: Arc Discharge, Laserska metoda i Chemical Vapor Deposition (CVD)

Prva metoda veoma je jednostavna. Dva štapa grafita postavljena su na rastojanju od jednog milimetra unutar posebne posude sa nereaktivnim gasom pri niskom pritisku. Jednosmerna struja jačine 50–100 ampera propušta se i na taj način se stvara pražnjenje koje topi jednu od elektroda, čija se isparenja lepe za drugu elektrodu. U tim isparenjima na drugoj elektrodi nalaze se jednostruke nanocevi, ali i druga jedinjenja, te te se ovaj metod ne može smatrati preterano efikasnim.

Laserska metoda koristila se sredinom devedesetih godina za topljenje i isparavanje grafitnog materijala na štapiću uz pomoć katalizatora poput kobalta i nikla na 1200 stepeni Celzijusa u posudi sa argonom. Nakon toga, u vakuumskoj posudi na temperaturi od 1000 stepeni Celzijusa kako bi se odstranile druge forme ugljeničnih struktura poput C60. Na ovaj način proizvode se cevi prečnika između 10 i 20 nanometara i dužine 100 mikrometara.

Obe metode proizvode kvalitetne CNT, ali kako obe koriste isparavanje, postoji problem zbog toga što su proizvedene nanocevi zapetljane između sebe ili sa drugim ugljeničnim strukturama. CNT proizvedene ovim metodama često su veoma teške pročišćavanje i manipulaciju u izgradnji nanocevskih arhitektura. Efikasniji način sintetizovanja CNT predstavlja treća metoda.

CVD je u upotrebi već dvadesetak godina i koristi se za dobijanje različitih vrsta ugljeničnih vlakana. Upotrebom posebnih katalizatora ova metoda se pokazala veoma uspešnom u formiranju velikog broja CNT. Najčešće se za katalizatore koriste gvožđe, kobalt i nikl, a u zavisnosti od kombinacije jedinjenja razlikuju se i potrebne temperature i variraju od 500 do 1000 stepeni Celzijusa.

Upotreba nanocevi

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

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.

Upotreba 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.

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.

Nanotehnologija i solarna energija – novi najbolji prijatelji?

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

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.

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.

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.

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.

Budućnost i strahovi

Gladni ste? Žedni? Nikakav problem za ovu mašinu. Novi računar? Nema problema... Samo stisnite odgovarajuće dugme na replikatoru i sačekajte nekoliko sekundi

Pomisao na budućnost nanotehnologije odmah nas povezuje sa svetom „Zvezdanih staza”. U mašini po imenu replikatori moguće je proizvesti praktično bilo koji fizički objekat – od šolje čaja za jutarnji obrok do oružja. Iako ovo deluje kao čista naučna fantastika, danas mnogi veruju da je ovako nešto moguće.

Jedan od principa u nanotehnologiji zove se molekularna proizvodnja i u budućnosti bi mogao da predstavlja izuzetnu granu razvoja čovečanstva. Pomenuti AF mikroskopi ne samo da mogu da očitavaju topografiju postojećeg supstrata već, posebno podešeni, i da ga menjaju dodavanjem, odnosno oduzimanjem elektrona i čitavih atoma. Tako je praktično moguće menjati strukturu postojeće materije i praviti potpuno nove, postojeće ili nepostojeće predmete. Prvi korak u ovakvom smeru predstavlja razvoj nanomašina po imenu asembleri (eng. assemblers, sastavljači) koji, programirani od strane inženjera, mogu da manipulišu atomima i molekulima po volji. Jedna ovakva nanomašina nije mnogo moćna, ali milioni, milijarde i veće količine istih mogu da proizvedu veliku količinu materije radeći u isto vreme. Za početak, one će se replicirati, to jest proizvoditi sebi slične mašine i na taj način ispoštovati eksponencijalnu progresiju rasta dok ih ne bude dovoljno da mogu da se koriste za brzu proizvodnju materije.

Princip koji se krije iza ovoga naziva se metod odozgo-nagore (eng. bottom-up method) i predstavlja čist način proizvodnje materijala. Ovakav proces je „zelen” jer se materijali proizvode bez primesa i ne zahtevaju korišćenje dodatnih materija, pre svega čiste vode. Nanomašine bi na ovaj način mogle da proizvode i resurse kojih danas na Zemlji ponestaje ili su u opasnosti. Ipak, treba imati na umu to da su primene novih tehnologija ove vrste u domenu nepoznatog i da te egzotične ideje predstavljaju puku teoriju, bez sigurnosti u predviđanjima. Upravo iz tog i drugih razloga nanotehnologiju prate mnogi rizici i pretnje, strahovi i etička pitanja.

Dok učimo o atomima pomoću novih tehnologija, polako savladavamo i znanja koja su nam do pre nekoliko desetina godina bila nedostupna na praktičnom nivou. Upotreba nanomašina u telima ljudi, uprkos mogućim blagodetima poput mogućnosti detekcije i borbe sa ćelijama HIV virusa i izazivačima drugih bolesti, nosi i sumnju i strah od prelaženja tzv. barijere krv-mozak (blood-brain barrier) koja štiti mozak od štetnih hemikalija u krvotoku.

Pomenuti Erik Dreksler je u svojoj knjizi predstavio jedan apokaliptičan scenario u kojem se samoumnožavajući nanoboti (nanoroboti) nekontrolisano razmnožavaju koristeći sav raspoloživi ugljenik u prirodi. Ovaj scenario nosi naziv „grey goo”, dok alternativni „green goo” scenario ima sličnu priču, ali sa nanobotom proizvedenim od organskih materijala. Oba scenarija završavaju se tako što nanoboti progutaju Zemlju i unište čovečanstvo. Eto naučne fantastike!

• • •

Vek u kojem živimo biće vek nanotehnologije, to je sada već izvesno. Prednosti koje ova nova tehnološka ideja nosi sa sobom mnogobrojne su i veoma značajne za razvoj čovečanstva, ali donose i upozorenja, strahove i pozivaju na oprez. Velika moć koju sadrži novi tehnološki pogled na svet ima visoku cenu, a koliko visoku, pokazaće decenije pred nama. Svakog dana se pojavljuje neka nova ideja o upotrebi nanotehnologije i veoma je zanimljivo pratiti šta univerziteti, velike IT kompanije, medicinski i hemijski instituti i drugi imaju da podele sa javnošću. Pratite dešavanja u ovom svetu, pre ili kasnije i u vašem domu naći će se neki od uređaja koji sadrže malene nanobote koji svašta mogu.

Momir ĐEKIĆ