Nanotechnologijos tiria ir kontroliuoja medžiagą 1–100 nanometrų atstumu, kur medžiagos gali veikti kitaip nei birios. Esant tokiam mastui, paviršiaus efektai ir kvantinis elgesys gali pakeisti spalvą, stiprumą, laidumą ir cheminį reaktyvumą. Šiame straipsnyje išsamiai paaiškinamas nanomokslas ir nanotechnologijos, nanoskalės ypatybės, nanomedžiagų šeimos, nanomedžiagų gamybos būdai, įrankiai ir pagrindiniai panaudojimo būdai.
Nanotechnologijų apžvalga
Nanotechnologijos yra medžiagos tyrimas ir valdymas nanoskalėje, nuo maždaug 1 iki 100 nanometrų. Nanometras yra milijardinė metro dalis, todėl šios struktūros yra daug mažesnės už žmogaus plauką. Esant tokiam dydžiui, medžiagos gali elgtis kitaip nei didesniuose gabaluose. Jų spalva, elektros pralaidumas, stiprumas ir reakcija su kitomis medžiagomis gali keistis. Taip atsitinka todėl, kad daugelis jų atomų yra paviršiuje, o ne giliai viduje, ir todėl, kad jų labai mažas dydis sukelia kvantinius efektus, kurie turi įtakos šviesos, šilumos ir elektros krūvio judėjimui. Nanotechnologijos naudoja šiuos specialius mažo masto elgesius, kad sukurtų medžiagas ir prietaisus, pasižyminčius kruopščiai kontroliuojamomis savybėmis.
Nanomokslas ir nanotechnologijos.
Nanomokslas yra tyrimas, kaip medžiaga elgiasi nanoskalėje, maždaug nuo 1 iki 100 nanometrų. Pagrindinis dėmesys skiriamas stebėjimui ir paaiškinimui, kaip keičiasi tokios savybės kaip spalva, laidumas, stiprumas ir reaktyvumas, kai struktūros tampa tokios mažos. Tokio masto paviršiaus ir kvantiniai efektai tampa būtini, o nanomokslas siekia šiuos pokyčius apibūdinti aiškiai, sistemingai.
Nanotechnologijos naudoja nanomokslo įgytas žinias, kad galėtų kontroliuoti ir organizuoti medžiagą nanoskalėje konkretiems tikslams. Pagrindinis dėmesys skiriamas medžiagų ir konstrukcijų formavimui, kad jos pasižymėtų aiškiai apibrėžtu elgesiu, pvz., tikslinėmis elektrinėmis ar optinėmis savybėmis. Paprastai tariant, nanomokslas paaiškina, kas vyksta nanoskalėje, o nanotechnologijos pritaiko šias žinias, kad sukurtų kontroliuojamas nanoskalės struktūras ir funkcijas.
Specialios nanoskalės savybės
Nanoskalėje objektai turi labai didelį paviršiaus ir tūrio santykį. Didelė dalis jų atomų sėdi paviršiuje arba šalia jo, kur jie gali dalyvauti reakcijose ir stipriau sąveikauti su aplinka.
Kadangi paviršiuje yra tiek daug atomų, nanoskalės medžiagos dažnai pasižymi kitokiu cheminiu elgesiu, palyginti su didesniais tos pačios medžiagos gabalėliais. Tai gali pakeisti jų reakciją, ryšį ir reakciją į šviesą bei skysčius.
Labai mažose struktūrose elektronai apsiriboja mažais regionais. Jų energijos lygis suskaidomas į atskirus etapus, o ne sudaro sklandų diapazoną, kuris keičia tai, kaip medžiaga sugeria ir skleidžia šviesą bei kaip per ją juda elektros krūvis.
Kontroliuojant dydį, formą ir paviršiaus chemiją nanoskalėje, reikalingas savybes, tokias kaip spalva, stiprumas, laidumas ir cheminis aktyvumas, galima aiškiai ir nuspėjamai koreguoti.
Nanomedžiagų šeimos, kurias pamatysite visur
| Nanomedžiagų šeima | Tipiški pavyzdžiai | Kodėl jis naudojamas |
|---|---|---|
| Anglies pagrindu | Anglies nanovamzdeliai, į grafeną panašūs lakštai | Didelis stiprumas, mažas svoris, puikus elektros laidumas |
| Metalo / metalo oksido nanodalelės | Sidabras (Ag), auksas (Au), titano dioksidas (TiO₂), cinko oksidas (ZnO) | Katalizė, antimikrobinės dangos, UV blokavimas |
| Puslaidininkių nanostruktūros | Kvantiniai taškai, nanolaidai | Derinamos optinės savybės, ekranai ir fotodetektoriai |
| Polimerinės / lipidinės nanodalelės | Polimerinės micelės, liposomos, lipidų nanodalelės (LNP) | Vaistų pristatymas, genų terapija, kontroliuojamas atpalaidavimas |
Nanomedžiagų gamyba
• Iš viršaus į apačią metodai prasideda nuo didesnio kieto medžiagos gabalo ir atsargiai nuimkite jo dalis, kad būtų labai mažos savybės. Medžiaga gali būti pjaustoma, raižyta ar raštuojama, kol lieka tik mažos nanoskalės struktūros. Šis metodas naudingas, kai galutinė forma turi labai atitikti dizainą.
• Metodai iš apačios į viršų prasideda nuo labai mažų statybinių blokų, tokių kaip atomai, jonai ar molekulės, ir sujungia juos į didesnes struktūras. Šie maži vienetai susijungia ir organizuojasi į plėveles, daleles ar kitas formas nanoskalėje. Šis metodas naudingas, kai reikia labai tiksliai kontroliuoti sudėtį ir struktūrą.
Nanoskalės struktūrų matymo įrankiai
Elektroninė mikroskopija (SEM/TEM)
• Skenuojanti elektroninė mikroskopija (SEM) nuskaito paviršių elektronų pluoštu, kad susidarytų detalūs vaizdai ir išmatuotų dalelių formą bei dydį.
• Perdavimo elektroninė mikroskopija (TEM) siunčia elektronus per labai plonus mėginius, kad atskleistų vidinę struktūrą, kristalų išdėstymą ir defektus.
Atominės jėgos mikroskopija (AFM)
Labai aštrus galiukas juda paviršiumi, fiksuodamas mažus aukščio pokyčius ir sukurdamas nanoskalės žemėlapį. Jis pateikia 3D paviršiaus profilius, taip pat gali išmatuoti vietines mechanines savybes, tokias kaip standumas ir sukibimas.
Pagrindinės nanotechnologijų sritys
Nanomedžiagos
Nanomedžiagos apima nanodaleles, nanopluoštus ir labai plonas plėveles, kurių savybės yra nanoskalėje. Jų mažas dydis ir didelis paviršiaus plotas gali pakeisti medžiagų elgesį, paveikti stiprumą, elektrines savybes, cheminį atsparumą ir jų sąveiką su šviesa.
Nanoelektronika
Nanoelektronika daugiausia dėmesio skiria elektroninėms dalims, sukurtoms nanoskalėje, pavyzdžiui, mažiems srovės ir duomenų jungikliams. Šios struktūros gali padėti padidinti apdorojimo greitį, sumažinti energijos suvartojimą ir padaryti įrenginius kompaktiškesnius, tuo pačiu atliekant sudėtingas užduotis.
Nanooptika ir nanofotonika
Nanooptika ir nanofotonika tiria, kaip šviesa elgiasi, kai sąveikauja su struktūromis, mažesnėmis už jos bangos ilgį. Kruopščiai suformuotos nanostruktūros gali kontroliuoti, kaip šviesa nukreipiama, filtruojama ar aptinkama, todėl galima tiksliau valdyti optinius signalus.
Nanomedicina
Nanomedicinoje naudojamos nanoskalės medžiagos ir paviršiai, kurie liečiasi su biologinėmis sistemomis. Šios nanostruktūros gali tiekti vaistus, pagerinti vaizdavimą arba aptikti konkrečias molekules organizme, kad gydymas ir tyrimai būtų tikslingesni.
Nanoenergija
Nanoenergija taiko nanotechnologijas energijos konversijai ir saugojimui. Nanoskalės dangos, elektrodai ir katalizatoriai gali pakeisti krūvio ir atomų judėjimą, padėdami sistemoms kaupti daugiau energijos, efektyviau ją išlaisvinti arba surinkti daugiau įeinančios energijos.
Nanorobotika ir molekulinės mašinos
Nanorobotika ir molekulinės mašinos tyrinėja judančias dalis ir paprastus prietaisus, pastatytus nanoskalėje. Šiomis sistemomis siekiama atlikti kontroliuojamus judesius ir užduotis naudojant labai mažus vienetus.
Nanoelektronika šiuolaikinėse grandinėse
Pagrindiniai veiklos tikslai
• Greitis: trumpesni keliai ir mažesni įrenginiai padeda greičiau perjungti signalus.
• Tankis: daugiau įrenginių telpa toje pačioje srityje, todėl vienas lustas gali atlikti daugiau užduočių.
• Energijos vartojimo efektyvumas: mažesnė įtampa ir mažesnės srovės sumažina energijos suvartojimą vienai operacijai.
Pagrindinės nanoelektronikos kryptys
• Pažangūs tranzistorių dizainai
Naujos formos, tokios kaip pelekų ir vartų struktūros, pagerina srovės valdymą, kai matmenys mažėja. Šie dizainai padeda patikimai perjungti labai mažus dydžius.
• Tankesnės atminties struktūros
Nanoskalės atminties ląstelės saugo informaciją naudodami labai mažus medžiagos regionus. Jų išdėstymas ir sąsajos yra sureguliuoti nanoskalėje, kad stabiliai saugotų duomenis ir perjungtų būsenas.
• Nanoskalės jungtys ir 3D pakuotės
Metalinės linijos ir barjeriniai sluoksniai yra suprojektuoti nanoskalėje, kad perduotų signalus ir energiją per lustą. Vertikalios jungtys ir sukrauti sluoksniai suartina dalis, sumažindami kelio ilgį tarp logikos ir atminties.
Šviesos valdymas nanoskalėje
Nanofotonika, dar vadinama nanooptika, tiria, kaip valdyti šviesą naudojant maždaug tokio paties dydžio ar net mažesnes struktūras. Šiuose mažuose masteliuose šviesa gali elgtis specialiai, kaip neatsiranda didesnėse sistemose, todėl nanoskalės savybių forma ir išdėstymas stipriai veikia šviesos judėjimą, lenkimąsi ir absorbciją ar spinduliavimą.
Kruopščiai formuodama modelius ir sluoksnius nanoskalėje, nanofotonika gali sutelkti šviesą į labai mažus regionus, nukreipti ją siaurais keliais ir tiksliai kontroliuoti jos spalvą ar fazę. Tai leidžia sukurti labai plonus optinius elementus, o ne didelių gabaritų lęšius, nukreipti šviesos signalus į lustus ryšiui ir sustiprinti šviesos ir medžiagos sąveiką, kad būtų pagerinta spinduliuotė, aptikimas ir jutimas.
Nanomedicina nanoskalėje
Tikslinis vaistų pristatymas
Nanodalelės gali būti derinamos pagal dydį ir paviršiaus chemiją, todėl jos linkusios kauptis tam tikruose audiniuose labiau nei kituose. Tai padidina vaisto kiekį ten, kur jo reikia, ir sumažina ekspoziciją likusioje kūno dalyje.
Vaizdo kontrastas ir teranostika
Nanodalelės gali pakeisti audinių išvaizdą atliekant MRT, kompiuterinę tomografiją, optinius ar ultragarsinius tyrimus, todėl detalės tampa lengviau matomos. Kai kurios sistemos taip pat administruoja vaistus, todėl gydymas ir vaizdavimas vyksta kartu vienoje platformoje.
Nanojutikliai ir "Lab-on-a-Chip" diagnostika
Nanoskalės struktūros lustuose gali aptikti labai mažus kiekius konkrečių molekulių ar dalelių. Tai palaiko greitesnius bandymus ir dažnesnius patikrinimus, nepasikliaujant didelėmis laboratorijų sąrankomis.
Nanotechnologijos energetikai
| Plotas | Tipinė nanoskalės nauda |
|---|---|
| Saulės elementai | Nanostruktūriniai paviršiai gali sugerti daugiau šviesos, sumažinti atspindį ir efektyviau palengvinti krūvių judėjimą. |
| Akumuliatoriai | Nanostruktūriniai elektrodai gali kaupti daugiau energijos, leisti greičiau įkrauti ir iškrauti bei palaikyti ilgesnį ciklo tarnavimo laiką. |
| Kuro elementai/katalizė | Didelis paviršiaus plotas ir sureguliuotos aktyvios vietos gali padidinti reakcijos greitį ir pagerinti ilgalaikį patvarumą. |
Nanotechnologijų iššūkiai ir ribos
| Plotas | Pagrindiniai dalykai |
|---|---|
| Sveikatos ir saugos klausimai | Kai kurios laisvos nanodalelės gali pakenkti plaučiams ar kitiems organams; jų poveikis sveikatai vis dar tiriamas. |
| Poveikis aplinkai | Nanomedžiagos gali patekti į dirvožemį, vandenį ir organizmus; ilgalaikis poveikis nėra iki galo žinomas. |
| Reguliavimo ir standartų klausimai | Dabartinės cheminės taisyklės gali neatitikti nuo dydžio priklausančio elgesio; Testavimas ir ženklinimas vis dar tobulėja. |
| Ekonominiai ir prieigos apribojimai | Nanoproduktų mastelio didinimas yra brangus ir sudėtingas, o tai gali sulėtinti prieigą mažai išteklių naudojančioje aplinkoje. |
Išvada
Nanotechnologijos veikia kontroliuodamos dydį, formą ir paviršiaus chemiją nanoskalėje, kad sureguliuotų medžiagos elgseną. Didelis paviršiaus plotas ir elektronų izoliacija gali pakeisti reakcijas, optiką ir elektros transportą. Įprastos šeimos apima anglies medžiagas, metalo / metalo oksido nanodaleles, puslaidininkių nanostruktūras ir polimerines / lipidines daleles. Juos sukuria metodai iš viršaus į apačią ir iš apačios į viršų, patikrinti SEM/TEM, AFM ir spektroskopija. Programos apima nanoelektroniką, nanofotoniką, nanomediciną ir nanoenergiją, su saugos, aplinkosaugos, standartų ir išlaidų apribojimais.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kiek mažas yra 1 nanometras?
1 nm yra 0,000000001 m. Žmogaus plaukas yra ~80 000–100 000 nm pločio.
Kas yra kvantinis izoliavimas?
Tai yra tada, kai elektronai yra įstrigę mažytėje struktūroje, todėl energijos lygis tampa diskretiškas ir keičia optinį / elektrinį elgesį.
Kodėl nanodalelės susikaupia?
Paviršiaus jėgos juos sujungia. Dangos (ligandai, paviršiaus aktyviosios medžiagos, polimerai) juos atskiria.
Kaip nanomedžiagos gaminamos didelėmis partijomis?
Naudojant valdomus reaktorius ir pakartojamus metodus, tokius kaip CVD, srauto sintezė ir ritininė danga su griežta proceso kontrole.
Kuo nanotechnologijos skiriasi nuo mikrotechnologijų?
Mikro yra mikrometrai (μm). Nano yra nanometrai (nm). Kvantiniai ir paviršiaus efektai dominuoja nano dydžiuose.
Kaip laikui bėgant tikrinamas nanoskalės stabilumas?
Su pagreitintu senėjimu: šilumos / vėsinimo ciklai, drėgmė, cheminis poveikis ir mechaninis įtempių bandymas.
