EPMC
NANOTECHNOLOGIJOSReferatas
Parengė: Inga Šablinskaitė, S9
Elektrėnai20011Turinys
1. Įvadas 32. Istorija 53. Apibrėžimas 74. Vizija 105. Pritaikymas 125.1 Nanodariniai 135.2 Nanolempos 155.3 Elektronikos pramonė 155.4 Baterijos 175.5 Saulės baterijos 175.6 Automobilių pramonė 185.7 Vėžio gydymas 186. Pavojai 197. Perspektyvos Lietuvoje 208. Išvados 219. Literatūra 22
1. ĮvadasSpartus ekonomikos vystymasis Vakarų Europos, Pietryčių Azijos bei Amerikos šalyse dvidešimtajame amžiuje buvo labiausiai sąlygojamas aukštųjų technologijų gamybos plėtra, kuri rėmėsi stulbinančiais moksliniais pasiekimais elektronikoje, biotechnologijoje ir medžiagotyroje. Medžiagotyroje buvo sukurti nauji tyrimo metodai ir įrenginiai, leidžiantys tirti medžiagų savybes molekuliniame ir net atominiame lygyje. Milžiniška informacinių technologijų pažanga buvo įmanoma dėl sparčios integrinių schemų ir atminties įrenginių miniatiūrizacijos. Niekam nėra paslaptis, kad pastaraisiais dešimtmečiais verslo sferoje dominuoja kompiuterius ir kompiuterinę įrangą gaminančios firmos, gaunančios didžiausius pelnus ir pritraukiančios daugiausia investicijų. Pagrindinis kompiuterijos pramonės vystymosi principas-dogma-doktrina suformuluotas vieno iš didžiausios mikroprocesorių gamintojos, kompanijos “Intel” kūrėjų ir vadinamas Mūro dėsnis (angl. Moore’s Law) yra labai paprastas: Mikroprocesorių technologijos vystymosi tempas turi būti toks, kad per aštuoniolika mėnesių gaminamų mikroprocesorių darbo greitis turi padidėti dvigubai. Ekonomikos terminais tariant, tą patį darbą atliekančių mikroprocesorių kaina per ši laikotarpį turėtų sumažėti dvigubai.Daugelis ekonomikos ir pramonės ekspertų pajuokdavo Mūro dėsnio principą sakydami, kad inžinerijos tolerancijos ribos ir net fizikos dėsniai negalėtų litografiškai išėsdinti didesnį negu fiksuotas skaičių elektroninių prietaisų, kaip kad tranzistorius, ant silicio padėklo. Tad šis principas nebuvo taikomas fizikinėms konstrukcijoms. Tačiau visuomeninis mąstymas, pasiremdamas neįtikėtina mikroprocesorinės technikos pažanga, suformavo prielaidą, kad toks šios srities progresas yra sąlygotas galimybės miniatiūrizuoti elektroninius sandus. Kadangi miniatiūrizacija yra be abejonės mikroprocesorinės elektronikos vystymosi sėkmės laidas ir jos pranašumas išeina už puslaidininkių technologijų disciplinos rėmų, matyt, šiandien tai tampa daugelio mokslo ir technologijos sričių vystymosi perspektyva. Galima pasakyti tezę – mažas yra nuostabus – tampa visuotinai priimtina:
Tuo remiantis ir buvo suformuluota šiandien pasaulyje viena iš prioritetinių mokslo ir technologijų krypčių – nanotechnologija. Taigi gana neįprastas prioritetinės mokslo srities apibrėžimas, kadangi jis susietas su objekto matmenimis. Šis terminas yra kilęs iš graikų kalbos žodžio, reiškiančio „neūžauga“, moksle ir technologijoje priešdėlis „nano“ reiškia 10-9, t. y. vieną milijardinę (= 0.000000001) dalį. Vienas nanometras (nm) sudaro vieną milijardinę dalį metro, dešimtimis tūkstančių kartų mažesnę už žmogaus plauko storį. Tačiau kažin ar įmanoma šiandien konkrečiau apibrėžti nanotechnologinių tyrimų sritį ir objektą. Nors istoriškai, viena iš pažinimo vystymosi krypčių natūraliai suprantama, kaip noras pažinti vis mažesnius objektus ir išsiaiškinti mažiausias daleles iš kurių sudaryta mus supanti aplinka ir mes patys.
Prasidėjus XXI-jam amžiui darosi akivaizdus elektronikos, biotechnologijos ir medžiagotyros suartėjimas nanometrinių darinių bei manipuliacijų molekuliniame bei atominiame lygmenyse pagrindu. Visose paminėtose srityse tyrimų sėkmė priklausys nuo technologinio progreso nanometrinėje skalėje. Tačiau nanotechnologijos negalima apibrėžti vien dimensijos aspektu. Veikiau nanotechnologija – tai tokių tradicinių mokslo šakų kaip fizika, chemija, biologija, biochemija – be abejo ir inžinerija, biotechnologija bei klasikinė technologija suartėjimas, nanometrinių darinių tyrimo ir kūrimo srityje. Nanotechnologijų ir nanomokslo tyrimų objektas šiuo atveju apima visus tiek gyvosios tiek negyvosios gamtos darinius, kurių matmenys yra nanometrų dydžio. Tai netgi susiję su tuo, kad tokio dydžio darinių tyrimuose išnyksta ribos tarp atskirų mokslo šakų ir aprašant juos naudojami visų mokslo sričių atrasti dėsningumai, modeliai ir metodai. Nanotechnologijos objektas:
Taigi, nanotechnologijos išskirtinis bruožas yra jos daugiadisciplininis pobūdis. Jos sėkmingam vystymuisi būtinas glaudus bendradarbiavimas tarp medžiagotyrininkų, medikų, inžinierių, biologų, fizikų, chemikų ir t. t. Tyrimai nanotechnologijų srityje pasižymi tuo, jog jiems visiems reikalingos žinios, priemonės ir technologijos molekulinės ir atominės sąveikos lygmenyje. Tokios galingos naujos tyrimų koncepcijos ir galimybės, kaip atominių objektų atvaizdavimas ir manipuliavimas jais, neorganinių ir organinių darinių kūrimas ir jų saviformavimasis, žinios apie biologinių darinių ir jų funkcijų ryšius, kartu su sparčiai progresuojančia kompiuterine technika, ir sudaro nanotechnologijos pagrindą.2. Istorija1959 R. Feinmano (Richard Feynman) paskaita „Ten, apačioje, yra daug vietos“ (angl. „Plenty of Room at the Bottom“).Šie metai laikomi nanotechnologijos pradžia. R. Feinmanas postuluoja, kad kažkada bus galima manipuliuoti medžiaga atomų lygyje. Jis teigia: „Fizikos principai, kiek aš suprantu, nedraudžia manipuliuoti medžiaga po vieną atomą. Tai nėra bandymas pažeisti gamtos dėsnius, bet įmanomas dalykas; iki šiol tai nėra padaryta, nes mes esame tiesiog per dideli.“
1974 Užpatentuotas pirmasis molekulinės elektronikos prietaisas.Aviram ir Seiden iš IBM gauna pirmąjį pasaulyje molekulinės elektronikos patentą.
1981 Išrastas skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM).Prietaisas naudoja kvantinio reiškinio – tuneliavimo sroves tarp mikroskopo zondo ir bandinio, kad gauti atominės skyros vaizdus. Po penkerių metų STM išradėjai Henrichas Rohreris (Heinrich Rohrer) ir Gerdas Biningas (Gerd Karl Binning) apdovanojami Nobelio premija.
1985 Atrasti fulerenai (fullerenes).Atrandami sferiniai dariniai iš 60 anglies atomų. Po 11 metų autoriai Ričardas Smalis (Richard Smalley), Robertas Kurlas (Robert Curl) ir Haroldas Krotas (Harold Kroto) gauna Nobelio premiją.
1986 Išrastas atominės jėgos mikroskopas (AJM).Atominės jėgos mikroskopas pasiekia skenuojančio tunelinio mikroskopo skyrą, nors veikia kaip senovinis fonografas – adata (zondas) slenka paviršiumi ir juda vertikaliai atkartodama paviršiaus reljefą.
Išleista knyga „Kūrimo varikliai“ („Engines of Creation“).E. Dreksleris (K. Eric Drexler) visuomenei pristato molekulinės nanotechnologijos idėjas, nanotechnologijų potencialą ir galimą grėsmę.
1987 Eksperimentu užregistruotas elektrinio laidumo kvantavimas.Grupės Olandijoje ir Didžiojoje Britanijoje išmatuoja „laiptelių“ pavidalo laidumo kitimą plonytėse juostelėse, taigi laidumas yra kvantuotas. Šie eksperimentai parodo, kad nanoelektronika yra ne tik mažesnė – ji veikia kitaip, nei įprastinė.
Sukurtas pirmasis vieno elektrono tranzistorius.T. Fultonas (Theodore A. Fulton) ir G. Dolanas (Gerald J. Dolan) (Bell laboratorijos) sukonstruoja tranzistorių, kurio perjungiama srovė yra vieno elektrono judėjimas.
1988 Sukurtas pirmas „dirbtinis baltymas“.William deGrado ir jo grupė sukuria naują baltymą „nuo nulio“ ir jį susintetina.
1989 Nanomanipuliacija – užrašas „IBM“ sudėliojamas iš 35 ksenono atomų.Mokslininkai iš IBM įrodo, kad naudojant skenuojančio tunelinio mikroskopo zondą galima tiksliai į reikiamas vietas stumdyti atskirus atomus.
1991 Atrasti anglies nanovamzdeliai.Sumis Ijima (Sumio Iijima) atranda grafito vamzdelius (nanovamzdelius), kurie yra neįprastai tvirti ir turi įdomių elektrinių savybių.
1997 Sukurtas nanomechaninis prietaisas su DNR.Nadrianas Symanas (Nadrian Seeman) (Niujorko universitetas) pademonstruoja, kad DNR gali būti panaudota kaip nanomechaninių prietaisų elementas.
1999 Sukurtas molekulinių matmenų jungiklis.Markas Rydas (Mark Reed) ir J. Tauras (James M. Tour) (Jeilio universitetas) sukuria organinį vienos molekulės jungiklį.
2001 Nanovamzdelių loginiai elementai.Iš anglies nanovamzdelių sukuriami pirmieji tranzistoriai, po to – ir loginiai elementai (IBM ir Delft universitetas).
2004 Susukta gija iš nanovamzdelių.Mokslininkai suvijo ilgą, į lyną panašų pluoštą iš nanovamzdelių.
3. ApibrėžimasTerminas „nanotechnologija“ reiškia mokslą ir technologiją atomų bei molekulių nanomastu ir mokslinius principus bei naujus požymius, kuriuos galima suprasti ir suvokti, tik mąstant šiai sričiai būdingomis sąvokomis. Šiuos požymius galima stebėti ir panaudoti mikromastu ir makromastu, pavyzdžiui, kuriant medžiagas ir prietaisus, galinčius atlikti naujoviškas funkcijas ir duoti visiškai naujus rezultatus.
Visuotinai priimtina, kad nanotechnologiją, kaip mokslo ir technologijos sritį įvardino Nobelio premijos laureatas, fizikas R. Feinmanas, savo įžymioje kalboje pasakytoje Kalifornijos technologijos universitete. „Daugelis problemų, kurios šiandien iškyla chemikams ir biologams, gali būti sėkmingai išspręstos jeigu mes atomų lygyje galėtume matyti, ką mes darome, ir jeigu sugebėtume daryti daugelį dalykų iš atskirų atomų. Tai ateities vizija, kurios manau mes niekaip neišvengsime ir mokslo evoliucija vyks šia kryptimi. Dar daugiau, skenuojančio zondo mikroskopai, jau dabar sudaro galimybes matyti atomus ir molekules, ir pasiekimai cheminėje sintezėje, biochemijoje, lazerinių suktukų ir gaudyklių kūrimo ir kitose srityse taip pat vainikuoja mūsų pastangas matyti ir kurti atomo tikslumu“.Jis suformulavo ir pagrindė galimybę konstruoti objektus atomų lygyje atomas po atomo. Tai atspindi fundamentaliai skirtingą, nuo vyraujančios miniatiūrizacijos idėjos, požiūrį. Klasikinė miniatiūrizacija „metodas nuo viršaus žemyn” – t.y. kada pradedama nuo didelio objekto ir daromas darinys atskiriant nuo didelio objekto atskiras dalis. Feinmanas pažvelgė iš kitos pusės – „iš apačios į viršų” darinys kuriamas pradedant nuo individualių atomų ar molekulių. Tai nėra visiškai naujas požiūris. Tokių priartėjimų pavyzdžius galėtume atrasti daugelyje mokslo ir technologijų sričių. Tačiau nanotechnologinis lygis pasirodo tampa kritinis tiek fizikinio, tiek matematinio, tiek biocheminio ar kito aprašymų atžvilgių. Nanodarinių lygyje susikerta skirtingi mus supančios aplinkos aprašymo lygiai. Didesni objektai dažniausiai aprašomi bendro ansamblio dėsningumais, statistiniais parametrais ir objektas aprašomas, kaip veikiančių molekulių visuma. Mažesni objektai jau aprašomi remiantis individualios molekulės savybėmis, ir naudojami kiti aprašymo būdai bei metodai. Sprendžiant problemas nanotechnologiniame lygyje tenka naudotis abiejų priartėjimų išvadomis arba net kurti naujas teorijas, metodus, atrasti naujus priežasties – pasekmės ryšius bei dėsningumus, todėl nanotechnologijos mokslas formuojasi, kaip atskira mokslo šaka.
Šiek tiek skirtingai nanotechnologiją apibrėžė Dreksleris, pateikęs savo požiūri daktarinėje disertacijoje, kurios išplėstinė versija atspausdinta atskira knyga. Šioje knygoje jis gana išsamiai, net su techninėmis detalėmis, pristatė skirtingą nei Feinmano nanotechnologijos versiją, kurioje pagrindė nanotechnologijos misiją, kaip “asemblerių-replikatorių” molekuliniame lygyje kūrimą su iš anksto programuojamomis savybėmis. Jo požiūriu tai tikslios molekulinės mašinos (kurių tikslumas matuojamas atomo tikslumu), kurios gali nutraukti ir sukurti kovalentinius ryšius pasinaudodamos mechanosinteze t.y. (kaip ir Feinmano atveju gali kurti molekules ar molekulinius kompleksus dėdamos atomą prie atomo) gamindamos įvairius produktus, kurių gamybą kontroliuoja pasinaudodamos turima informacija. Netgi numatoma, kad jos gali reprodukuoti save.Įdomu pastebėti, kad tokie nanoasemleriai-replikatoriai, lietuvių kalboje, ko gero, galima panaudoti terminą nanomašinos, daugeliu savybių yra labai panašios į ląsteles. Iš tikrųjų ląstelės gamina daug įvairių produktų – įskaitant ir savo kopijas – ir gali būti programuojamos DNR pagalba.
Trečias nanotechnologijos apibrėžimas yra sietinas su supermolekuline saviorganizacija, kai pirminės molekulės ar molekuliniai kompleksai yra sukuriami ar suformuojami taip, kad dėka tarpusavio sąveikos ir specifinės erdvinės struktūros ar atskirų jas sudarančių dalių orientacijos atitinkamose aplinkos sąlygose savarankiškai susiorganizuotų į dideles sistemas:
Tuščiavidurės sferos, sudarytos lipidų saviorganizacijos dėka, yra pakankamai dideli objektai, matomi net standartiniu optiniu mikroskopu kaip tik ir formuojasi šiuo būdu. Kaip tokio formavimosi pavyzdį galime paminėti ir savitvarkį nanodarinį – J-agregatą, kuris formuojasi iš tam tikrų molekulių, prie tam tikrų sąlygų. Nanodarino, sudaryto iš TPPS molekulių tiriamų Vilniaus universiteto Lazerinių tyrimų centro Biofotonikos grupėje, vaizdas gautas Chemijos institute esančiu atominės jėgos mikroskopu:
Realiai biologinės sistemos daro daug įvairių dalykų, kuriuos numato nanotechnologija – molekulinių kompleksų kūrimas atominiu tikslumu, aktyvių medžiagų formuojančių kitus molekulinius darinius surinkimas, reprodukcija ir t.t. Tačiau biologinės sistemos yra labai sudėtingos ir nanotechnologijos ar nanomokslo tikslas suprasti, sukurti, kontroliuoti ir valdyti paprastesnes sistemas, atliekančias numatytas funkcijas. Be to biologinės sistemos dirba labai griežtose temperatūros ribose, prie atitinkamo slėgio, tirpaluose ir t.t, o tai jau apribojimas, kurio nanotechnologija padėtų išvengti.
Šiandien terminas nanotechnologija įgauna juridinį ir informacinį statusą, kadangi tiek Jungtinėse Amerikos valstijose, tiek Europoje ir Japonijoje – labiausiai išsivysčiusiose šalyse, taip apibrėžtoje srityje, stebimas didelis mokslinių-technologinių tyrimų aktyvumas visais aspektais. JAV jau prieš penkis metus paskelbė nacionalinę iniciatyvą, kuri įvertino praėjusio dešimtmečio pasiekimus ir jų potencialą mokslo ir technologijų srityje įvairiose pasaulio šalyse, ir parengė nacionalinę nanotechnologijos rėmimo programą. Be to, ir pirmaujančios Europos šalys jau turi analogiškas nanotechnologijos iniciatyvas. JAV Nacionalinis mokslo fondas 2001 metais išskyrė 423 milijonus dolerių savo Nacionalinei nanotechnologijos programai. Numatomoje ES mokslo finansavimo programoje “Framework 6” viena iš prioritetinių mokslo finansavimo sričių yra nanotechnologija, kuri vienaip ar kitaip yra, netgi, išskaidyta į kelias potemes.Ekspertai prognozuoja, kad šiame dešimtmetyje, ši kryptis bus karščiausias investicijų objektas ir šalių technologinio pirmavimo garantas. Nobelio premijos laureato R. Smalio žodžiais tariant, išsakytais 1999 metais, nanotechnologijos įtaka sveikatai, gerovei ir žmogaus gyvenimui bus kaip minimum ekvivalentiška bendram mikroelektronikos, medicininio vaizdinimo (angl. imaging), kompiuterinės inžinerijos ir dirbtinių polimerinių medžiagų gamybos, poveikiui dvidešimtame amžiuje.Apibendrinant gal ir galima būtų pasakyti, kad nanotechnologijos sritis apibrėžiama, kaip molekulinių sistemų ir darinių, surenkamu atomo tikslumu, veikimo principų supratimas, jų konstravimas pasinaudojant saviorganizacijos principu ir užkoduota informacija, stengiantis sukurti nanomašinas (angl. assemblers-replicators), atliekančias numatytas funkcijas ir galinčias gaminti produktus ir replikuoti save. Fizikams tai aišku būtu susieta su visiškai kitomis įprastinių medžiagų fizikinėmis savybėmis pereinant prie darinių, kurių dydis apribotas šimtais ar tūkstančiais molekulių ar atomų, arba netgi formulavimu naujų fizikinių dėsnių, kūrimu naujų fizikinių teorijų ir t.t. Chemikams tai naujų medžiagų tyrimas ir kūrimas, remiantis iš molekulių sudarytų nanodarinių savybėmis ir jų specifiškumu. Gyvybės mokslų atstovams tai irgi pilnai suprantamas objektas, kadangi visų biodarinių funkcionavimo ir jų imitacijos principai be abejonės užkoduoti nanoskalėje. Inžinieriams tai prietaisų ir tecnnologijų kūrimas įgalinančių manipuliuoti erdvėje molekulėmis ar jų dariniais atomo tikslumu.
4. VizijaŠiandien nanotechnologijos įvaizdis yra dažnai piešiamas populiarioje spaudoje, pateikiant įspūdingus vaizdus molekulinių darinių, kurie blizgučių lygyje vaizduoja nano dydžio įrenginių imitacijas, kaip kad krumpliai ir mechanizmai. Tai mechanistinis požiūris į nanotechnologiją, kuris gana gajus visuomenėje ir vaizdžiai iliustruoja nanotechnologijų vystymosi viziją.
Kita nanotechnologijos vizija yra budrus molekulinis povandeninis laivas, kuris plaukioja žmogaus kraujagyslėmis ir naikina visus svetimkūnius keliančius grėsmę jo gyvybei.
Iš tikro nanomokslas prasiskverbia praktiškai į visus technologijos sektorius, tai jame taikomi tarpdisciplininiai arba „konvergencijos“ metodai, leidžiantys sukurti naujoves, kurios gali padėti spręsti daugelį šių dienų visuomenei iškylančių problemų, tokias kaip:
• medicinoje naudojamas priemones, tarp jų, pavyzdžiui, diagnostines miniatiūrines priemones, kurias galima implantuoti ir diagnozuoti ligą ankstyvoje stadijoje. Nanotechnologija pagrįstos dangos gali pagerinti implantų biologinį aktyvumą ir suderinamumą. Savaime susidarantys karkasai paruošia dirvą naujoms audinių ir biologines ypatybes imituojančių medžiagų inžinerijos kartoms, vedančioms tolesnėje ateityje į organų pakaitalų sintetinimą. Kuriamos naujoviškos vaistų padavimo į tikslią organizmo vietą sistemos; pastaruoju metu nanodalelės gali gydyti auglius, nukreipiant jas tiesiai į auglio ląsteles, pavyzdžiui, šildant;
• informacines technologijas, įskaitant didelio įrašų tankumo (pavyzdžiui, 1 terabitas/ kv. colis) duomenų saugojimo terpes ir naujas lanksčių plastikinių displėjų technologijas. Tolesnėje ateityje molekulinės arba biomolekulinės nanoelektronikos, spintronikos ir kvantinio skaičiavimo įgyvendinimas galėtų atverti naujus kelius, vedančius žymiai toliau nei dabartinė kompiuterinė technologija;
• energijos gamybai ir saugojimui gali būti naudingos, pavyzdžiui, naujos kuro ląstelės ar lengvasvorės nanolygiu struktūruotos kietosios medžiagos, kurios turi didelį potencialą našiai saugoti vandenilį. Kuriamos našios ekonomiškos saulės baterijos (pvz., saulės energijos „dažai“). Tikimasi, kad nauji nanotechnologijos pasiekimai padės taupyti energiją, nes bus galima pagerinti izoliaciją, energijos perdavimą ir užtikrinti našesnį apšvietimą;
• medžiagų moksle naudojant nanotechnologiją pasiekiama toli siekiančių rezultatų, kurie darys poveikį faktiškai visuose sektoriuose. Nanodalelytės jau naudojamos medžiagoms stiprinti arba kosmetikos funkcionalumui padidinti. Naudojant nanostruktūras, galima pakeisti paviršius ir padaryti juos nesibraižančius, nešlampančius, švarius ir sterilius. Organinių molekulių implantavimas, taikant paviršiaus nanostruktūravimą, padės sukurti biologinius jutiklius ir molekulinius elektroninius prietaisus. Galima labai pagerinti medžiagų elgseną ekstremaliose sąlygose ir padaryti šuolį, pavyzdžiui, aeronautikoje ir kosmoso pramonėje;
• apdirbamajai pramonei nanomastu reikalinga, kad moksliniuose tyrimuose ir gamybos procesuose būtų taikomas naujas tarpdisciplininis požiūris. Teoriškai yra du pagrindiniai keliai: einant pirmuoju, pradedama nuo mikrosistemų, kurios juo toliau, tuo labiau mažinamos (kelias „nuo viršaus į apačią“); einant antruoju keliu, sekama gamta ir kuriamos struktūros nuo atomų ir molekulių lygio (kelias „nuo apačios į viršų“). Pirmasis kelias gali būti lyginamas su surinkimu, antrasis – su sinteze. Keliu „nuo apačios į viršų“ žengiami dar tik pirmieji žingsniai, bet jo poveikio dabartiniams gamybos būdams potencijos siekia labai toli, ir jos gali tuos būdus gali visiškai pakeisti;
• instrumentai, skirti medžiagos ypatybių tyrimams nanomastu, jau tiesiogiai ar netiesiogiai skatina pažangą įvairiausiuose sektoriuose. Tunelinio žvalgymo mikroskopo išradimas tapo svarbia nanotechnologijos kūrimo gaire. Instrumentams taip pat tenka esminis vaidmuo plėtojant apdirbamosios pramonės procesus „nuo viršaus į apačią“ ir „nuo apačios į viršų“;
• maisto, vandens ir aplinkos tyrimuose galima pasiekti didelės pažangos, pritaikius nanotechnologijos pasiekimus, pavyzdžiui, priemones, kuriomis aptinkami ir neutralizuojami mikroorganizmai ar pesticidai. Importuotų maisto produktų kilmę galima atsekti pagal naujoviškas miniatiūrines nanoetiketes. Nanotechnologijos pagrindu sukurtais atitaisomaisiais metodais (pavyzdžiui, fotokatalizės metodais) galima atitaisyti aplinkai padarytą žalą ir išvalyti teršalus (pavyzdžiui, naftą vandenyje ar dirvožemyje);
• galima tikėtis padidinti saugumą, naudojant, pavyzdžiui, naujoviškas, tiksliai orientuotas aptikimo sistemas, kurios anksti įspėja apie biologinius ar cheminius reagentus net atskirų molekulių lygiu. Nanoženklinimu galima patobulinti, pavyzdžiui, banknotų apsaugą. Taip pat kuriami nauji kodavimo metodai duomenų apsaugai.5. PritaikymasNežiūrint didelio teorinio nanotechnologijų potencialo, sunku patikėti, tačiau šiandien praktinių nanotechnologinių inovacijų pavyzdžių tėra keletas ir sunkiai apjungiamų tarpusavyje. Analogija, kuri daugiausiai naudojama pavaizduoti sėkmingą nanotechnologijos vystymąsi yra paprasčiausias pristatymas cheminių reakcijų kombinacijos, vykstančių kiekvienoje gyvoje ląstelėje. Pasiremiant sąlyginai apibendrintu bendru visoms ląstelėms molekuliniu gyvybės funkcionavimo mechanizmu ir specifine kiekvieno atskiro individo egzistavimo bei vystymosi programa, kuri užkoduota kiekvienos ląstelės DNR, gali būti aprašytas pilnas labai sudėtingo organizmo egzistavimas. Neatskiriamas tokios sudėtingos sistemos elementas, be abejonės, yra saviorganizacija arba geba surinkti atitinkamus mechanizmus ir įrenginius, struktūras. Ląstelė sugeba sukurti-surinkti sudėtingus makromolekulinius darinius, kaip kad baltymai, membranos, nukleino rūgštys, iš pakankamai paprastų molekulių ir molekulinių blokų.Nauja pramonės revoliucija numatoma realizuojant saviorganizacijos reiškinius molekulinėse sistemose. Pirmasis tai pradėjo propaguoti 1981 m. E. Dreksleris, o 1992 m. paskelbė knygą „Nanosistemos: molekulinės mašinos, gamyba, skaičiavimai“. Jis skelbė, kad galimas plačių galimybių ir pigus medžiagos sandaros valdymas pagrįstas molekulė-po-molekulės manipuliavimu, o tai laiduos pagrindinių ir šalutinių gamybos produktų valdymą.Tai reiškia, kad specialių cheminių reakcijų metu galima „montuoti“ molekules ir sukurti naujus darinius, tinkamus ir mechanikai, ir chemijai, ir elektronikai. Ši kryptis vadinama molekuline nanotechnologija. Jos fantastiškiausiu projektu galima būtų laikyti sukūrimą nanorobotų, kurių vienas svarbiausių elementų būtų krumpliaračiai, padaryti iš anglies nanovamzdelių priauginant prie jų reikalingas mechaniniam sukibimui ataugas. O padarius tokį robotą, kodėl jo nepaleidus į žmogaus kraujagysles, kad jis surinktų visas cholesterolio plokšteles? Tačiau šitokiems dariniams yra ir realesnių taikymų. Štai gali būti sukurtas tam tikrų molekulių išrinkimo iš tirpalo (nukreipimo į norimą kanalą) procesorius. Naujų idėjų kyla ir tiriant sudėtingas organines molekules bei biomolekules (DNR, anglies vamzdelius, polimerinius darinius) elektroninėse schemose. Nanotechnologijos atveria naujas galimybes tiriant biomolekules, jas įtvirtinant, atpažįstant jas ir jų veiklos produktus. Tai atveria naujas biotechnologijų galimybes.Ypatingą reikšmę nanomokslo plėtrai turėjo atominės skiriamosios gebos mikroskopai, kurie tarpatominės sąveikos ar elektronų tuneliavimo dėka sukuria galimybes „pamatyti“ kiekvieną atomą, taip pat ir mechaniškai pastūmėti atomą ar klasterį medžiagos paviršiumi.Nanotechnologijos vizija – tai žvilgsnis į priekį nuostabaus naujo pasaulio, kur nanodariniai gali patys save surinkti ir pagaminti bet kokius norimus produktus.
Rinkoje jau atsirado keletas nanotechnologija pagrįstų gaminių, pavyzdžiui, medicinos produktų (tokių kaip tvarsčiai, širdies vožtuvai ir t. t.); elektroniniai komponentai; optoelektroniniai prietaisai (tarp jų ir tie, kurie šviečia naujos kartos šviesos dioduose, labai pravertusiuose didelio ryškio šviesoforuose, kompiuterizuotuose ekranuose); nesibraižantys dažai; sporto įranga; nesiglamžančios ir dėmėms neimlios medžiagos; kremai nuo saulės. Analitikai yra apskaičiavę, kad tokių produktų rinkos vertė šiuo metu yra apie 2,5 milijardo eurų, bet vėliau, iki 2010 m., ji gali išaugti iki kelių šimtų milijardų ar net trilijono.5.1 NanodariniaiMolekulinių darinių perspektyvas labai išpopuliarino chemikai. Pirmiausia buvo pademonstruota, kad anglis gali būti ne tik kristalinės formos grafitu ar deimantu, bet jos atomai gali suformuoti ir rutulius, ir net vamzdelius. Už tokios naujos formos medžiagos, pavadintos fulerenais, atradimą R. Smaliui buvo suteikta (kartu su kolegomis) 1996 m. Nobelio premija. Jis atrado, kad anglies atomai specialios sintezės metu gali išsidėstyti „olimpinio futbolo kamuolio“ dangos pavidalu: įgauti rutulio formą, kurio paviršių sudaro penkiakampiai ir šešiakampiai.
Dar didesnes perspektyvas atvėrė 1991 m. atrasta šios naujos technologijos pakraipa, leidžianti auginti anglinius vamzdelius. Suodžiuose ant elektrodo kartu su dideliu kiekiu kitų anglies darinių Ijima atrado anglies nanovamzdelį. Tokie daugiasieniai anglies nanovamzdeliai buvo sudaryti iš 2 – 50 koncentrinių grafito cilindrų 3 – 10 nm diametro, kurių ilgis siekė 1 μm. Šis darbas paskatino daugelį grupių iš viso pasaulio gaminti ir gryninti nanovamzdelius. Vėliau išmokta pagaminti vienasienius nanovamzdelius. Dėl traukos jėgų nanovamzdeliai dažnai susisuka kaip virvės. Vamzdeliai gali būti atvirais galais arba turėti galuose kepurėlę iš pusės C60 molekulės.
Norint suprasti anglies struktūrą nanovamzdeliuose, reikia išsiaiškinti skirtumus tarp deimanto ir grafito struktūrų. Deimante kiekvienas anglies atomas yra sujungtas trimatėje gardelėje su keturiais kitais, kas suteikia deimantui stiprumą. Grafite kiekvienas anglies atomas sujungtas su trimis kitais plokštumoje sudarant šešiakampę gardelę, likusioji jungtis naudojama aukščiau ir žemiau esančių plokštumų laikymui. Plokštumoje esantys ryšiai yra stipresni negu deimante, bet ryšiai tarp plokštumų yra sąlyginai silpni ir leidžia plokštumoms pasislinkti viena kitos atžvilgiu. Taigi, deimantas yra izotropinis, o grafitas anizotropinis.
Grafitas: Deimantas:
Nanovamzdelio struktūra panaši į grafito, skirtumas tiktai kad plokštelės uždaros ir suformuoja vamzdelį. Idealiu atveju anglinis nanovamzdelis susideda iš vienos cilindrinės grafito plokštelės (vienasienis nanovamzdelis) arba iš kelių cilindrų (daugiasienis nanovamzdelis) esant tarp sluoksnių tarpui 0,34 – 0,36 nm, kas yra artima tipiniam tarpui grafite. C – C jungtis yra 0,14 nm ilgio, tai yra mažesnis atstumas negu deimante, iš ko galima spręsti, kad medžiaga stipresnė už deimantą.
Šios struktūros yra perspektyvios puslaidininkių pramonėje, dėl galimybių prietaisų miniatiūrizavimui. Jų taikymams atsivėrė fantastinės perspektyvos, nes, keičiant vamzdelio skersmenį bei susisukimą, keičiasi jų elektrinės savybės. Jeigu anglis susukama taip, kaip sukamos cigaretės, lakšto galams liečiantis išilgai kraštų, gausis nanovamzdelis, kuris elgsis it plonytė metalo vielelė, gerai praleidžianti elektros srovę. Pakanka susukti vamzdelį įkypai ir atsiras miniatiūriškas puslaidininkis, galintis pakeisti silicio tranzistorius – elektronikos lustų svarbiausiąją dalį.Nanovamzdeliai yra laidesni elektrai už varį, todėl jie gali pakeisti smulkias vieleles, kurios kompiuterio lustų viduje jungia tarpusavyje atskirus komponentus. Negana to, šilumą jie praleidžia kur kas geriau nei deimantas, kuris yra vienas iš pačių geriausių žinomų šilumos laidininkų. Taigi, jei lustą padengsime apvalkalu iš nanovamzdelių, nebekils jo perkaitimo pavojus.Dar įspūdingesnės yra šių lengvų darinių mechaninės savybės. Nanovamzdeliai yra daugiau nei 50 kartų stipresni už plieno vielas, nors yra keturis kartus mažesnio tankio. Nanovamzdeliai yra medžiaga, turinti didžiausią specifinį standumą iš visų iki šiol atrastų medžiagų, nors tankis yra per puse mažesnis už aliuminio. Kiek besistengtumėte spausti ar lenkti nanovamzdelį, jis nesulūš, o atleidus kaip spyruoklė atšoks ir jo forma atsistatys. Taip pat reiktų paminėti ir didelį paviršiaus plotą.Anglies nanovamzdeliai yra nepaprastai tvirti, todėl gali būti panaudojami mechaninėse sistemose. (JAV kosminė agentūra NASA tyrė jų perspektyvas sujungti stacionarų palydovą su Žeme. Kitokie lynai nutrūktų savo svorio veikiami, o šis turėtų laikyti.) Į fulereninius kamuolius ir anglies vamzdelius galima patalpinti kitas chemines medžiagas, kurios nuo tam tikro poveikio gali suirti, t.y. iš jų padaromos kapsulės, į kurias gali būti sudedami vaistai ar fermentai.Nanovamzdeliai taip pat leis padaryti medžiagas stipresnėmis ir padės miniatiūrizuoti elektronikos sistemas. Kadangi nanovamzdeliai gali veikti kaip filtrai, vieną dieną iš jų, galbūt, bus gaminamos dirbtinės kepenys.
Nanovamzdeliai pasižymi ir dar viena savybe: paprastai skalaujant nanovamzdelius vandens srove, jų rišulys generuoja elektros srovę. Tokie mažyčiai elektros šaltiniai galėtų maitinti širdies implantus, tam naudodami vien kūne tekančių skysčių energiją.
Ši idėja gimė 2001 m. Petrui Kralui (Petr Kral) ir Mošei Šapirui (Moshe Shapiro) iš Weizmanno instituto Izraelyje. Jie sumanė, kad pro laidžius nanovamzdelius leidžiant tekėti poliarizuotiems skysčiams, tokiems kaip vanduo, ta pačia kryptimi judės ir pro vamzdelio sieneles prasiskverbę elektronai. Poliarizuoto skysčio molekulėse vieni atomai yra nežymiai užkrauti teigiamai, o kiti – neigiamai. Kada teigiama molekulės dalis atsiranda prie vienasluoksnio anglies nanovamzdelio paviršiaus, molekulės pritraukia elektronus, kurie yra tempiami kartu skysčiui tekant išilgai vamzdelio. Kadangi elektronai gali judėti tik išilgai vamzdelio, poliarizuotų molekulių srautas sukuria nedidelę, bet potencialiai naudingą srovę. Adžėjus Sūdas (Ajay Sood), Bangaloro Mokslo instituto (Indija) fizikas, patikrino šią idėją. Prie atsitiktinai išsirikiavusių nanovamzdelių ryšulio jie pritvirtino elektrodus ir viską patalpino metro ilgio stikliniame vamzdyje. Po to vamzdžiu buvo leidžiamas vanduo ir matuojamas potencialo tarp kontaktų skirtumas. Kuomet vanduo tekėjo 2 mm/s greičiu, jo srautas sukurdavo mažytę 2,7 milivoltų įtampą. Sūdas aptiko, kad į vandenį įpylus chloro rūgšties, įtampa stipriai išaugdavo. 5.2 NanolemposŠviesos lempa smarkiai nepasikeitė nuo to laiko, kuomet prieš 125 metus ją išrado Tomas Edisonas. Kinijos mokslininkai pagamino lempą, kurioje įprastas volframas yra pakeistas anglies nanovamzdeliais. Pamerkus nanovamzdelių pluoštą į alkoholį bei leidus alkoholiui išgaruoti, buvo gauta nanovamzdelių gija. Galiausiai, 40 vatų galios lemputės volframo siūlas buvo pakeistas pastarąja gija, o oras buvo išsiurbtas, kad susidarytų vakuumas. Buvo pastebėta, kad paleidus srovę, visa gija pradeda šviesti. Slenkstinė įtampa šiuo atveju yra apie 3-5 voltus, palyginus su 6 voltais volframo atveju. Be to, gija stipriau spinduliuoja šviesą nei volframo siūlas, esant tai pačiai įtampai. Tyrėjai nustebo, kad gijos varža beveik nesikeičia temperatūrai pakilus net iki 1750 kelvinų. Tokia lempa pademonstravo 360 valandų nuostovią veiką, esant 25 voltų įtampai.5.3 Elektronikos pramonėNanovamzdeliai yra labai vertinami elektronikos pramonėje. Jų yra pridedama į dėžutes, kuriose transportuojami lustai ir kietieji diskai. Nanovamzdelių prikaišioto plastiko dėžutės pašalina bet kokius krūvius dar prieš jiems susidarant, o jų itin lygus paviršius garantuoja, kad išimant lustus iš įpakavimo neatsiras net ir pačių mažiausių įbrėžimų.
Elektronikos pramonė norėtų panaudoti nanovamzdelius ne tik savo lustų pakavimui; jai labai patiktų, jei nanovamzdeliai paspartintų pačius lustus. Iki šiol inžinieriai sugebėdavo maždaug kas 18 mėnesių padvigubinti procesorių lustuose esančių tranzistorių skaičių. Norint, kad tai tęstųsi, reikia iš silicio pagaminti vis mažesnius tranzistorius. Po keleto metų inžinieriai pasieks tokį tašką, kai tranzistoriai pasidarys tokie maži, jog elektronai galės tuneliuoti skersai komponentus skiriančių izoliatoriaus sluoksnių, o patys lustai nebegalės veikti. Toliau mažinant tranzistoriaus matmenis reikia radikaliai naujos koncepcijos.Išeitimi galėtų būti tranzistoriai iš nanovamzdelių. Nanovamzdelių panaudojimas sumažintų ir prietaisų dydį, ir jų sunaudojamą energiją. Be to, padidėtų prietaisų veikimo sparta. Kompiuteriai galėtų veikti teraherciniu dažniu (1 THz = 1000 GHz), o jų atmintis galėtų siekti terabaitus (vietoj dabar turimų gigabaitų, 1 terabaitas yra 1000 gigabaitų). Visa tai patrauklu ir atveria naują elektronikos kryptį, vadinamą nanoelektronika.Tačiau tokius tranzistorius reiktų gaminti iš brangių vienasienių nanovamzdelių, todėl šią idėją bus sunku įgyvendinti. Vienasienių nanovamzdelių gramas kainuoja 400 eurų – keliasdešimt kartų daugiau nei gramas aukso. Kaina labai pakyla dėl didelių priemaišų, atsirandančių gamybos metu, pašalinimo kaštų. Patys nanovamzdeliai yra gaminami garinant anglį galingame lazerio pluoštelyje arba pučiant angliavandenių garus pro įkaitintą metalinio katalizatoriaus paviršių. Dėl to daugelis nanovamzdelių yra persimaišę su suodžiais ar metalo dalelėmis. Nors metalus ir anglies masę galima pašalinti plaunant nanovamzdelius vandenyje, tai yra gana brangu, be to yra rizikuojama pažeisti korinę sandarą, o tuo pačiu ir pageidaujamas elektrines ir mechanines savybes. Bandymuose apeiti šias kliūtis pirmauja IBM, bet iki iš nanovamzdelių pagamintų procesorių vis dar lieka ilgas kelias.
IBM mokslinio centro darbuotojai Čarlzas Blekas (Charles Blackas) ir Katrina Guarini (Kathryn Guarini) surado būdą kaip elektorinkos pramonė gali praktiškai pritaikyti saviorganizaciją. Jie abu suprato, kad teks atsisakyti pretenzijų iškart sukurti lustus, kurie patys susirinktų ir manė, kad pradžioje pakaktų pakeisti tokiais procesais bent vieną silicio technologijos žingsnį. Net ir vieno žingsnio supaprastinimas pramonei labai praverstų.Pradžioje jie išsirinko molekulių, galinčių saviorganizauotis ir nesutrikdyti tradicinių silicio technologijos procesų sekos, tipą. Visai natūraliai buvo pasirinkti polimerai. Iš jų sudaryti fotolitografijoje naudojami “rezistai” – medžiagos, kurios po eksponavimo ultravioletine spinduliuote nusiplauna ir leidžia sukurti silicio plokštelės paviršiuje norimą raštą. Pirmuosius dvejus metus abudu mokslininkai tyrinėjo polimerus ir jų saviorganizacijai reikalingas optimalias temperatūras ir storius. Šis darbas nenuėjo veltui ir Blekas su Guarini pradėjo šį bei tą gaminti.Mokslininkai reguliariai pasirodydavo konferencijose, kuriose pasakodavo apie saviorganizuojančus korio formos darinius. Bet ir tai tebuvo mokslinė keistenybė – techninių galimybių demonstravimas, kurių nanotechnologijai skirtose konferencijose itin gausu. Kam tokie nanoraštai gali tikti? Kaip juos integruoti į gamybos procesus? Ar jie sugebės pakeisti geriausias šiuolaikines grandynų rašto sudarymo technologijas, į kurių kūrimą buvo investuoti šimtai milijonų dolerių?
Įprastinėje fotolitografijoje fotorezistas yra apšviečiamas ultravioletine šviesa. Ėsdiklis pašalina apšviestą fotorezisto dalį. Saviorganizacijos atveju, pakaitinus dviblokį kopolimerą, atsiskiria du polimerai, suformuodami polistereno ir PMMA sritis. PMMA yra pašalinamas.
2003 metais mokslininkai sugalvojo, kur realioje gamybos linijoje galėtų tikti save formuojančio korio raštas. Demonstracijai pasirinkta medžiaga buvo dviblokis kopolimeras, kuriame du polimerai – šiuo atveju, polistirenas (putplastis) ir polimetilmetakrilatas (organinis stiklas arba PMMA) – susirišę vienas su kitu cheminiais ryšiais. Uždėjus lašą kopolimero ant įsukto silicio sluoksnio, abu polimerai atsiskiria taip, lyg būtų alyva ir vanduo. Nors molekulės ir išsitempia, cheminis ryšys išlieka ir jos lieka susijungusios. Po to sekantis šiluminis apdorojimas dar sustipriną šį išsitęsimą. Galiausiai organinis stiklas susimeta į mažus cilindrus, iš visų pusių apsuptus polistireno. Taigi dviblokis kopolimeras pats suformuoja beveik užbaigtą korio formos šabloną. Norint užbaigti 20 nanometrų skersmens porų formavimo procesą, pasitelkiamas organinis tirpiklis, pašalinantis organinį stiklą. Po to sekantis ėsdinimas perneša tokį pat korio raštą ant apačioje esančio silicio dioksido sluoksnio. Vėliau ant visos plokštelės užnešamas amorfinis silicis. Dujomis yra nuėsdinamas visas silicis, išskyrus tą, kuris nusėdo skylėse. Po to lieka nanokristaliniai silicio cilindrai, apsupti silicio dioksido. Paskutinis žingsnis yra izoliuojančio sluoksnio ir silicio bloko, kuris yra užtūra, įjunginėjanti ir išjunginėjanti elektroninį prietaisą, nusodinimas darinio viršuje. Blekas ir Guarini šitaip pagamino nanostruktūrą, kuri yra flash atmintinės – prietaiso, kuris išsaugo skaitmeninius bitus netgi ir tada, kai kamera ar grotuvas yra išjungti, dalis. Nanokristaliniai cilindrai šiuo atveju yra kondensatoriai, kuriuose saugomi duomenys.
IBM pademonstravo, kad, panaudojant savi-susirinkimo būdu į standartinį prietaisą įterptą silicio nanokristalų sluoksnį, galima pagaminti flash atmintines.
Pramonėje dirbantys inžinieriai visada įtariai žiūri į naujas siūlomas technologijas, todėl mokslininkai privalo gerokai pasistengti, kol juos įtikina. Ekonomikos požiūriu saviorganizacijos technologija yra gana patraukli. Flash atmintinėms reikalingas tankiai išdėstytas skyles itin sunku pagaminti naudojant tradicinius litografijos ir nusodinimo metodus. Jeigu nanokristalai gaminami tradiciniais būdais, gaunami netvarkingai sumesti, labai įvairių dydžių elementai. Tuo tarpu patys susiformavę nanokristalai išsidėsto labai tolygiai ir tvarkingai ir visi jie yra vieno dydžio. Cilindrų skersmuo gali būti mažiau 20 nm, o tolygus jų išsidėstymas pagerina elektros krūvio išlaikymo cilindre charakteristikas.
IBM kol kas pasitenkino vien pademonstravusi, kad šis principas išties įgyvendinimas. Kompanija jau daug metų nebegamina flash atmintinių, todėl negali iškart įdiegti išradimo savo gamybos linijose. Bet firmos specialistams kilo minčių, kaip panašius nanometrų dydžio raštus būtų galima panaudoti kituose lustų gamybos procesuose. Saviorganizacijos polimeras gali, pavyzdžiui, padėti sukurti miniatiūrinius silicio stulpelius, kyšančius virš padėklo, esančio po jais. Tie stulpeliai galėtų būti tranzistorių “kanalais”, kuriais keliauja elektronai, tačiau tokiais, kuriais elektronai judėtų ne išilgai lusto paviršiaus, kaip šiandieniniuose prietaisuose, o statmenai jam. Todėl ir užtūra bus cilindro, supančio silicio stulpelį, formos. Tokia geometrija neleistų elektronams tuneliuoti arba kitaip prasiskverbti kanalu tuomet, kai tranzistorius yra uždarytas, o šis efektas labai sustiprėja, kai prietaisų matmenys pasidaro labai maži.5.4 BaterijosRemdamasi nanotechnologijos galimybėmis Japonijos kompanija „Toshiba“ sukūrė elementą, kurį 80 proc. galima įkrauti per vieną minutę – maždaug 60 kartų greičiau nei įkraunama ličio jonų baterija. Naujasis elementas skirtas naudoti hibridiniuose automobiliuose bei nešiojamuose elektronikos prietaisuose. Prekybą šiuo gaminiu „Toshiba“ ketina pradėti 2006 metų pabaigoje.5.5 Saulės baterijosDavidas Carroll ir jo kolegos iš Klemsono universiteto Pietų Karolinoje pridėjo nanovamzdelių į saulės elementus iš plastiko ir nustatė, kad jie yra 50 000 kartų efektyvesni nei kiti fotovoltiniai prietaisai iš plastiko. Mokslininkai norėtų gaminti saulės elementus iš plastiko, nes polimerai yra pigūs ir iš jų galima padaryti didžiulius lapus. Tačiau iki šiol plastikai nelabai tam tiko, nes elektronams ir skylėms judėti polimeru yra gana sudėtinga. Jie veikiau susitinka ir rekombinuoja prieš pasiekdami elektrodus, todėl polimerinių saulės baterijų efektyvumas tėra vos 0,0001 proc. – iš kiekvieno saulės bateriją pasiekiančio milijono fotonų tik vienas sukuria elektros srovę. Be to, tokios baterijos buvo labai trumpaamžės, kiekvienas lakštas veikia vos kelias valandas, kol oro deguonis neįsiskverbia į plastiką, kur pradeda gaudyti krūvininkus.Bet polimere esančių nanovamzdelių tinklas suteikia galimybę elektronams ir skylėms greitai pasiekti elektrodus. Carrollo grupė pagamino saulės elementus, kurių efektyvumas siekia 5 procentus, o jų ilgaamžiškumas tenkina komercinius reikalavimus.Nors geriausi elementai iš silicio yra kelis kartus efektyvesni, Carrollas pranašauja didelį susidomėjimą savąja medžiaga, nes iš jos galima gaminti dideles saulės elementų juostas. Jis mano, kad rinka galėtų tapti labai nelaukta vartotojų grupė: turistai, kuriems pabodo virti valgį ant laužų, pasinaudos gera proga prijungti savo prietaisus prie elektros, kurią generuoja jų palapinė.5.6 Automobilių pramonėŠiandien 60 procentų Amerikos keliais važinėjančių automobilių turi kuro žarnas, kuriose yra nanovamzdeliai. Dėl didelio elektrinio laidumo jie išsklaido elektros krūvius, galinčius sudaryti ir sukelti pavojingas kibirkštis, kai tekantis kuras trinasi į nailonines žarnų sieneles.Po ketverių sudėtingų tyrimų metų, į „Mercedes-Benz“ gamybos liniją įdiegta nauja technologija – automobiliai pradėti lakuoti naujovišku bespalviu laku. Naujas bespalvis lakas su mikroskopinėmis keramikos dalelėmis sukietėja dažymo krosnyje; dalelės sukimba ir sudaro platų erdvinį tinklą, todėl lakas būna atsparesnis įbrėžimams, pavyzdžiui, plaunant automobilį. Dėl nanodalelių trigubai padidėja lako atsparumas įbrėžimams, o blizgesys išlieka ilgą laiką. Buvo atlikti laboratoriniai bandymai – automobiliai plaunami ekstremaliomis sąlygomis; „Mercedes“ inžinieriai nustatė, kad automobiliai, nulakuoti nauju laku su nanodalelėmis, žvilga maždaug 40 proc. stipriau palyginti su paprasta technologija dažytais automobiliais. „Mercedes-Benz“ skaidrią nanodalelių dangą bandė laboratorijoje ir įprastinėmis sąlygomis. Net po kelerius metus trukusios daugiau kaip 150 ilgalaikių bandymų programos šis lakas buvo kur kas atsparesnis įbrėžimams ir stipriai žvilgėjo negu įprastiniai automobilių dažai.Naujasis bespalvis lakas su nanodalelėmis bus naudojamas tiek perlamutrinių, tiek ir matinių dažų apdailai. Mikroskopinės keramikos dalelės sudaro apsauginį sluoksnį Nanotechnologija suteikia nepaprastų galimybių – smulkios keramikos dalelės (mažesnės už milijonąją milimetro dalį) įpinamos į molekulinę rišamosios medžiagos struktūrą. Iš pradžių šios lako dalelės laisvai plaukioja bespalviame skystyje, o lakui džiūstant sukimba ir dangos paviršiuje sudaro erdvinį lygios struktūros tinklą. Tinklas suformuoja apsauginį sluoksnį, garantuojantį didesnį naujosios bespalvės dangos atsparumą įbrėžimams palyginti su įprastiniais dažais. Naujosios technologijos veiksmingumą patvirtino laboratoriniai automobilių plovimo bandymai, atlikti pagal DIN standartus. Bandymų metu iš pradžių buvo nustatoma tiksli smulkiųjų dalelių koncentracija vandenyje, kuriuo lakuotas paviršius plaunamas ir brūžinamas su besisukančiais šepečiais. Po dešimties plovimo ciklų laboratorinėje plovykloje (degeneracinis poveikis maždaug toks pats kaip po 50–100 įprastinų plovimų) metalo su nanodalelių danga paviršius žvilgėjo kur kas labiau – apytikriai 40 proc. stipriai negu įprastu, bespalviu laku nulakuoti pavyzdžiai.5.7 Vėžio gydymasDviejų JAV universitetų mokslininkai sukūrė nanodaleles, kurios pritraukia ir absorbuoja vėžio ląsteles. Organizme atsidūrusios šios ląstelės tampa farmacine apkrova ir naikina naviką iš vidaus taip išvengdamos sveikų ląstelių sunaikinimo, kurį sukelia tradicinė chemoterapija. Šios dalelės – tai nanogelio klasės dalelės, kurios pagaminamos chemijos dėka ir gali naikinti vėžio ląsteles.Dalelių kūrime naudojama chemija – tai folinė rūgštis. Vėžinės ląstelės turi daugiau folinės rūgšties receptorių nei sveikos ląstelės ir absorbuoja daugiau šios maistingos medžiagos nei sveikosios ląstelės. Pagamintų nanodalelių paviršių mokslininkai padengė foline rūgštimi. Vėžio ląstelėms įsisavinus daleles, mokslininkai padidino ląstelių temperatūrą priversdami daleles susiburti draugėn ir trauktis nužudant ląstelę. Ląstelių temperatūros padidinimas yra pagrindinis žingsnis norint priversti daleles sunaikinti vėžines ląsteles, tačiau kartu tai ir apsisaugojimo priemonė. Nors vėžinės ląstelės turi daugiau folinės rūgšties receptorių, tačiau ir sveikosios ląstelės taip pat absorbuoja nanodaleles. Šilumos bangą tarsi ultragarsą nukreipdami tik į naviką, gydytojai turėtų sugebėti apsaugoti sveikąsias ląsteles, kurios absorbavo nanodaleles.
Tradicinė chemoterapija veikia visiškai priešingai – nužudo ir naviko, ir kitas panašias ląsteles. Pykinimas, vėmimas, plaukų netekimas, neramumas ir raudonųjų kraujo kūnelių sumažėjimas tėra keli šalutiniai chemoterapijos poveikiai. Naudojant šį metodą tikimąsi bus galima naudoti mažesnes vaizdų dozes ir išvengti šalutinio poveikio, atsirandančio taikant tradicinę chemoterapiją. Dabar mėginama nanodaleles pripildyti antivėžinių medžiagų ir ištirti kaip vėžinės ląstelės jas pasisavins.6. PavojaiPasaulio laboratorijoms kaip blynus kepant įvairiausias nanodaleles, šių mažyčių objektų potencialios galimybės yra reklamuojamos labiau nei tai buvo daroma iki šiol. Bet fanfarų garsai negali užgožti vis stiprėjančių nanotechnologijos kritikų balsų. Pastarieji baiminasi, kad anglies fulerenai, anglies nanovamzdeliai ir kitos dalelės gali sukelti negatyvių pasekmių žmonių sveikatai ir jų gyvenamajai aplinkai. Ar neseniai paskelbti rezultatai, rodantys, kad nanovamzdeliai gali pažeisti sveikus plaučių audinius, tikrai yra pagrįsti?Dėmesys į galimus nanotechnologijos pavojus buvo atkreiptas labai senai, tada, kai dar nebuvo įmanoma sukurti molekulių dydžio objektų. Blogiausias nuojautas sukėlė 1986 m. paskelbta nanotechnologijos aiškiaregio Drekslerio “Kūrimo varikliai”. Jis numatė laiką, kuomet sugebantys save atgaminti nanometrų dydžio robotai, atitinkamai užprogramuoti ir įmesti į statinę su būtinomis žaliavomis, galės ten patys daugintis. Oponentai baiminosi, kad, kada nors sukūrus tokius besidauginančius nanometrinius prietaisus, jie galėtų tapti nevaldomi ir sukeltų nenuspėjamas pasekmes.Tačiau daugelis nanotechnologijos specialistų mano, kad toks scenarijus neįmanomas. Smalis atkreipia dėmesį į cheminių ryšių savitumą, kuris neleidžia bet kurį atomą ar molekulę sujungti vieną su kitu.Vien jau dėl šios priežasties nesustabdomai besidauginančių nanorobotų idėja yra mažai įtikėtina. Tačiau yra net ir dar rimtesnė priežastis neleidžianti įvykti šiam scenarijui. Jei nanoasembleris norėtų sukurti medžiagą, jungdamas atomas po atomo, jis turėtų naudoti „pirštus“, kurie patys turėtų susidėti iš atomų, todėl būtų tam tikro storio. Pirštai turėtų ne tik pagauti pasirinktus atomus, bet ir juos padėti į teisingą vietą. Stori pirštai nesusidorotų su šia problema. Egzistuoja taip pat ir plonų pirštų problema: sugriebti atomai negali būti paprasčiausiai padėti atgal. Jie suformuoja ryšius – juk nėra lengva nuimti lipnų rutuliuką nuo piršto. Tai yra esminiai argumentai, kurių negalima lengvai išvengti, vadinasi Smalis buvo teisus: nėra jokio pagrindo teigti, kad nepaklusnių nanorobotų armijos nusiaubs pasaulį.
Visa tai tebuvo mokslinė fantastika. Bet dabar atsirado rimtesnių priežasčių susirūpinti. Iki šiol nėra gerai suprasta, kaip nanometrinės dalelės sąveikauja su kitomis medžiagomis, juolab su kūno audiniais.
Grupė NASA mokslininkų, tiriančių nanovamzdelių nuodingumą, pranešė rezultatus tyrimo, kuriuo buvo siekiama nustatyti, ar nanovamzdeliai gali pažeisti plaučių audinius. Jie pasigamino nanovamzdelių suspensiją ir užlašino kelis jos lašus su keliomis dešimtosiomis miligramo dalimis anglies nanovamzdelių tiesiog ant pelės plaučių. Šitaip mokslininkai galėjo labai tiksliai nustatyti į gyvūno plaučius įsiskverbusių nanovamzdelių kiekį. Pateptosios vietos po to buvo tikrinamos – pradžioje po savaitės, vėliau – po 90 dienų. Pastebėta, kad laikui bėgant nanovamzdeliai susikaupdavo į gumulus, kurie visada buvo apsupti makrofagų – imuninių ląstelių, besistengiančių medžiagas pašalinti iš kūno. Po tokio atsako į svetimkūnį lieka randai, pažeidžiantys plaučių audinius. Mokslininkai pakartojo šiuos bandymus su kiek kitaip pagamintais nanovamzdeliais. Kaskart buvo stebima šiek tiek skirtinga reakcija. Tyrimams vadovavęs toksikologas Robertas Hunteris teigia, kad išvada yra aiški: žmonės turi būti atsargūs. Nanovamzdeliai gali būti labai nuodingi, o apie galimą poveikį žinoma labai nedaug.” Kol kas vieninteliai žmonės, rizikuojantys įkvėpti nanovamzdelių, yra tie, kurie juos gamina ar tiria. Bet, kadangi nemažai laboratorijų dabar bando panaudoti juos kaip vaistus organizme paskirstančius agentus, tokių taikymų saugos tyrimams yra skiriamas didžiausias dėmesys.
Tikėtina, kad šios dalelės veikia ir kitus organus. Su maistu į organizmą patenkančios nanodalelės gali patekti į žarnyno limfinę sistemą bei tokiu būdu kitus organus pasiekti lengviau nei tai pavyktų stambesnėms dalelėms. Jau esama žinių, kad įkvėptos nanodalelės iš nosies nervų keliauja į smegenis – taip elgiasi ir kai kurie virusai, kurių dydis yra panašus į nanodalelių.
Rūpinamasi ne tik nanodalelių įtaka sveikatai, bet ir domimasi, kaip jos elgiasi aplinkoje. Pavyzdžiui, norima išsiaiškinti, kokiu atstumu gali pasklisti nanovamzdeliai, patekę į gruntinius vandenis. Baiminamasi, kad jie gali padėti sklisti teršalams, kurie paprastai plinta ne itin toli. Anglies nanovamzdelių paviršiaus plotas yra toks didelis, kad prie jų prikimba daug kitų molekulių. Jeigu kiekvienas nanovamzdelis prisikabins po kelias teršalo molekules, tai gali ženkliai pabloginti taršos situaciją. Ir priešingai: pririšti prie nanovamzdelio teršalai gali būti neutralizuoti, o jų keliama žala sumažinama. Kaip bus iš tikrųjų, niekas iki šiol nežino.7. Perspektyvos LietuvojeLietuvos mokslininkai, plėtodami tarptautinius mokslinius ryšius, taip pat yra nemažai nuveikę tirdami nanodarinių savybes, jų auginimo technologiją bei taikymus. Lietuvos energetikos institute, degimo procesų laboratorijoje nuo 2004 gruodžio eksperimentiniu būdu gaminami angliniai nanovamzdeliai. Labai arti pramoninių taikymų yra deimantinės dangos, kurių gamybos technologiją kuria KTU ir VDU mokslininkai. Tačiau ir visoje Europoje didžiausias dėmesys yra skiriamas nanodarinių savybių tyrimams orientuojantis į tuos, kurių pramoninis taikymas yra perspektyvus. O tokiuose darbuose dalyvauja didelis Lietuvos mokslininkų būrys. Nuo 1994 m. Vilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų institutas ir Puslaidininkių fizikos institutas yra Europos nanomokslo ir nanotechnologijų tinklo PHANTOMS dalyviai.
Sukurta nanoklasterių auginimo lazerinio garinimo būdu technologija priverčiant nanoklasterius formuotis ant kristalo paviršiaus terasų. Tiesiogiai su nanotechnologijomis susijusios kietakūnių šviesos šaltinių technologijos. Ieškoma naujų netiesinių optinių elementų, kurių savybes nulemtų nanodariniai medžiagos paviršiuje ar tūryje, ar molekulės bei jų dariniai ant padėklo. Tai aktualu tolesnei lazerių ir optinių technologijų pažangai, todėl šiuose darbuose dalyvauja ir lazerininkai, ir medžiagotyrininkai, o teoretikai modeliuoja naujų medžiagų ar molekulinių darinių savybes, tuo pelnydami tarptautinį pripažinimą. Nepamirštami ir biologinės kilmės nanodariniai. Šiomis kryptimis, be Vilniaus universiteto Medžiagotyros ir taikomųjų mokslų bei Teorinės fizikos institutų, Fizikos fakulteto mokslininkų, darbuojasi kolegos Fizikos ir Puslaidininkių fizikos institutuose. Galima būtų nebent tik suabejoti, ar užteks pajėgų kiekvieną pradėtą darbą įvykdyti taip, kad pamatytume Lietuvai naudingą rezultatą, gal tikslinga koncentruotis keliose srityse, bet į tai atsakys mokslo ekspertai, kurie, kaip rodo ankstesnių metų patirtis, nemėgo nanotechnologinių programų projektų.Apibendrinant tai kas yra išsakyta apie nanotechnologiją galima pridurti, kad nanotechnologija kaip prioritetinė Lietuvos mokslo vystymosi kryptis netgi apimtų šiandien išryškintus ir pastoviai propaguojamus kaip būdingus Lietuvai prioritetus. Lazerinė technologija čia gali būti atspindėta, kaip vienas iš perspektyvių metodų nanodarinių tyrimui, biotechnologija, kaip nanodarinių konstravimo įrankis. Informacinės technologijos moksliniu aspektu, taip pat gali būti įjungtos į nanotechnologijų kryptį, kaip informacijos apdorojimo, kaupimo ir perdavimo prietaisų kūrimo ir realizavimo principų tyrimai nanometrinėje skalėje. Be abejonės nanotechnologiniu aspektu pilnai galėtų pasireikšti ir visos kitos Lietuvoje produktyviai dirbančios mokslininkų grupės biologijos, inžinerijos, technologijos, chemijos, fizikos ir kitose mokslų srityse. Europos šeštoje rėminėje programoje “Framework 6”, nanotechnologijai skiriamas išskirtinis dėmesys. Šalims narėms, tarp jų ir Lietuvai, atsiveria galimybė dalyvauti šioje programoje ir gauti didelę finansinę paramą. Svarbiausia, tai yra unikali proga panaudoti turimą intelektualinį potencialą (Lietuvoje ir užsienyje) ir transformuoti ji į aukščiausio lygio technologijas, produktus. Dalyvaujant šioje programoje, Lietuvos mokslas atsinaujintų ir išsiplėstų į tarpdisciplinių tyrimų lygmenį, kuriame formuojasi palankiausia terpė atradimams ir inovacijoms. Aukštųjų technologijų pramonė turėtų unikalią progą gauti modernius technologinius sprendimus ir sukurti naujus produktus. Valstybė sustiprinti savo technologinį potencialą, pritraukti investicijas ir kaip lygiavertis partneris integruotis į ES ekonomine erdvę.Grįžtant prie mokslo Lietuvoje vystymo perspektyvų norėtųsi paminėti, kad žvelgiant į ateitį, prioritetine Lietuvos mokslo kryptimi reikėtų įtvirtinti nanotechnologiją ir ją puoselėti. Lietuva, norėdama būti lygiaverte ES nare ir sėkmingai naudotis pasauliniu mokslo potencialu vystant naująsias ir perspektyviąsias technologijas bei pramonę, savo prioritetines mokslo kryptis turi suderinti su pasaulyje pripažintais mokslo prioritetais, netgi ir tuo atveju, jeigu Lietuvoje nėra pakankamai išvystytos šios mokslo kryptys ar neturime su šiomis naujomis kryptimis susijusios technologijos ir pramonės bazės. Tik aktyviai dalyvaudami pasaulyje pripažintų mokslo krypčių vystyme mes galėsime užtikrinti Lietuvos žmonių pragyvenimo lygį atitinkantį išsivysčiusių šalių standartus.8. IšvadosSpartus ekonomikos vystymasis Vakarų Europos, Pietryčių Azijos bei Amerikos šalyse dvidešimtajame amžiuje buvo labiausiai sąlygojamas aukštųjų technologijų gamybos plėtra. Kad šis tempas būtų išlaikytas, reikia pasinaudoti nanotechnologijos teikiamomis perspektyvomis.Nanotechnologijos sritis apibrėžiama, kaip molekulinių sistemų ir darinių, surenkamų atomo tikslumu, veikimo principų supratimas, jų konstravimas, pasinaudojant saviorganizacijos principu ir užkoduota informacija, stengiantis sukurti nanomašinas, atliekančias numatytas funkcijas ir galinčias gaminti produktus ir replikuoti save.Nanomokslas prasiskverbia praktiškai į visus technologijos sektorius, jame taikomi tarpdisciplininiai arba „konvergencijos“ metodai, leidžiantys sukurti naujoves, kurios gali padėti spręsti daugelį šių dienų visuomenei iškylančių problemų. Tačiau nežiūrint didelio teorinio nanotechnologijų potencialo, šiandien praktinių nanotechnologinių inovacijų pavyzdžių tėra keletas ir sunkiai apjungiamų tarpusavyje: medicinos produktai; elektroniniai komponentai; optoelektroniniai prietaisai; nesibraižantys dažai; sporto įranga; nesiglamžančios ir dėmėms neimlios medžiagos; kremai nuo saulės. Nanotechnologijos produktų rinkos vertė per ateinančius penkeris metus turi smarkiai išaugti.Daugelis specialistų tyrinėja nanotechnologijų teikiamas galimybes, tačiau tyrimų, nagrinėjančių nanotechnologijų keliamą pavojų, yra labai mažai. Iki šiol dar nėra aišku, ar anglies fulerenai, anglies nanovamzdeliai ir kitos dalelės gali sukelti negatyvių pasekmių žmonių sveikatai ir jų gyvenamajai aplinkai.Lietuvos mokslininkai, plėtodami tarptautinius mokslinius ryšius, taip pat yra nemažai nuveikę tirdami nanodarinių savybes, jų auginimo technologiją bei taikymus. Kad dar labiau paskatinti tyrimus, prioritetine Lietuvos mokslo kryptimi reikėtų įtvirtinti nanotechnologiją. Nanotechnologija padėtų Lietuvai tapti lygiaverte ES nare ir sėkmingai naudotis pasauliniu mokslo potencialu.
9. Literatūra1. R. Rotomskis. Nanotechnologija – „mokslas miniatiūroje“. Prieiga per internetą: http://www.biofotonika.ff.vu.lt/biophotonics/activities/nanotechnologija/MokslasMiniaturoje.htm.2. Nanotechnologijos istorija. Prieiga per internetą: http://www.biofotonika.ff.vu.lt/biophotonics/activities/nanotechnologija/nistorija.htm.3. E. Andreta. Nanotechnology: Innovation for tomorrow’s world. Prieiga per internetą: ftp://ftp.cordis.lu/pub/nanotechnology/docs/nano_brochure_en.pdf.4. R. Brazil. Nanotechnology – The issues. Prieiga per internetą: http://www.rsc.org/pdf/policy/nanotechnology.pdf.5. G. Reynolds. Space, Nanotechnology and Techno-Worries. Prieiga per internetą: http://www.nss.org/community/roadmap/Aapdfs/Reynolds.pdf6. W. Buckel. Nanotechnology on STN. Prieiga per internetą: http://www.stn-international.de/archive/presentations/online_information03/nanotech.pdf
7. Nanoscience and Nanotechnology. Prieiga per internetą: http://www.pacificnanotech.com/files/img_14_1068824128_0.pdf8. Plausible Future Newsletter. Prieiga per internetą: http://www.plausiblefutures.com/index.php?cat=6695a.9. Ar nanotechnologija saugi? Prieiga per internetą: http://www.rtn.lt/rtn/0302/saugi.html.10. Atsuk vandenį ir atsiras elektra. Prieiga per internetą: http://www.rtn.lt/rtn/0301/zin_nano.html.11. Nanotechnologijos užkariaus energetiką, žemės ūkį, mediciną. Prieiga per internetą: http://dalius.serveriai.lt/science/index.php?option=com_content&task=view&id=45&Itemid=9.12. S. Račkauskas. Anglinių nanostruktūrų sintezė iš organinio kuro skaidymo produktų. Prieiga per internetą: http://isag.lei.lt/~simas/images/nano.doc.13. S. Račkauskas. Angliniai nanovamzdeliai. Prieiga per internetą: http://isag.lei.lt/~simas/.14. P. Holister. Nanotubes. Prieiga per internetą: http://www.nanotrends.de/downloads/nanotubes.pdf15. Nano raštai. Prieiga per internetą: http://lms.pfi.lt/rtn/0401/nano.html.16. Kelias į Europos nanotechnologijos strategiją. Prieiga per internetą: http://europa.eu.int/eur-lex/lex/LexUriServ/ LexUriServ.do?uri=COM:2004:0338:FIN:LT:DOC .17. Siekiama sukurti naują mokslo šaką. Prieiga per internetą: http://www.medicine.lt/naujienos/uzsienio.asp?year=2004&month=9.18. J. Vaitkus. Nanomokslas ir nanotechnologijos pasaulyje ir Lietuvoje. Prieiga per internetą: http://ausis.gf.vu.lt/mg/nr/2003/10/10nano.html.19. Naujoji „Mercedes-Benz“ bespalvė lako danga su nanodalelėmis garantuoja kur kas didesnį atsparumą įbrėžimams ir stipresnį automobilio žvilgesį. Prieiga per internetą: http://www.silberauto.lt/mercedes-benz/index.php?theme=news&lang=est&nid=27&archive=1.