Нанотехнология

Нанотехнологиите са част от науката и технологиите, свързани с контрола на материята в атомен и молекулен мащаб - това означава неща с размери около 100 нанометра.

Нанотехнологиите включват създаването на продукти, в които се използват толкова малки части, като например електронни устройства, катализатори, сензори и др. За да добиете представа колко малко е това, в един инч има повече нанометри, отколкото са инчовете на 400 мили.

За да си представим колко малко е това, в един сантиметър има толкова нанометри, колкото сантиметри в 100 километра.

Нанотехнологиите обединяват учени и инженери от много различни области, като приложна физика, материалознание, наука за интерфейсите и колоидите, физика на устройствата, химия, надмолекулярна химия (която се отнася до областта на химията, която се фокусира върху нековалентните връзки между молекулите), самовъзпроизвеждащи се машини и роботика, химическо инженерство, машинно инженерство, биология, биологично инженерство и електроинженерство.

Обикновено, когато се говори за нанотехнологии, се имат предвид структури с размер 100 нанометра или по-малки. В един милиметър има един милион нанометра. Нанотехнологиите се опитват да създадат материали или машини с такъв размер.

В областта на нанотехнологиите се работи по много и различни начини. Повечето от настоящите дейности са насочени към създаване на наночастици (частици с нанометричен размер), които имат специални свойства, като например начина, по който разсейват светлината, поглъщат рентгеновите лъчи, пренасят електрически ток или топлина и т.н. В по-"научнофантастичния" край на областта се правят опити за създаване на малки копия на по-големи машини или наистина нови идеи за структури, които се правят сами. Възможни са нови материали със структури с наноразмери. Възможно е дори да се работи с единични атоми.

Много се обсъжда бъдещето на нанотехнологиите и опасностите, свързани с тях. Нанотехнологиите могат да бъдат в състояние да изобретят нови материали и инструменти, които биха били много полезни, например в медицината, компютрите и производството на чисто електричество (наноелектромеханични системи), помагат за проектирането на следващото поколение слънчеви панели и ефективно нискоенергийно осветление). От друга страна, нанотехнологиите са нови и е възможно да възникнат неизвестни проблеми. Например, ако материалите са вредни за здравето на хората или за природата. Те могат да имат лошо въздействие върху икономиката или дори върху големи природни системи като самата Земя. Някои групи твърдят, че трябва да има правила за използването на нанотехнологиите.

Типични геометрии на наноструктурите.Zoom
Типични геометрии на наноструктурите.

Началото на нанотехнологиите

Идеите за нанотехнологиите са използвани за първи път в беседата "There's Plenty of Room at the Bottom" ("Има много място на дъното"), изнесена от учения Ричард Файнман на среща на Американското физическо общество в Калтех на 29 декември 1959 г. Файнман описва начин за преместване на отделни атоми с цел изграждане на по-малки инструменти и работа в този мащаб. Свойства като повърхностното напрежение и силата на Ван дер Стейн ще станат много важни.

Простата идея на Файнман изглеждаше възможна. Думата "нанотехнология" е обяснена от професора от Токийския научен университет Норио Танигучи в статия от 1974 г. Той каза, че нанотехнологията е работа по промяна на материалите с един атом или с една молекула. През 80-те години на ХХ век тази идея е изследвана от д-р К. Ерик Дрекслер, който говори и пише за значението на събитията в наномащаб . "Двигатели на съзиданието: Настъпващата епоха на нанотехнологиите" (1986 г.) се смята за книгата, посветена на нанотехнологиите. Нанотехнологиите и нанонауката започват с две ключови събития: началото на клъстерната наука и изобретяването на сканиращия тунелен микроскоп (STM). Скоро след това бяха открити нови молекули с въглерод - първо фулерените през 1986 г. и въглеродните нанотръби няколко години по-късно. В друго развитие хората проучват как да направят полупроводникови нанокристали. Много наночастици от метални оксиди сега се използват като квантови точки (наночастици, при които поведението на единичните електрони става важно). През 2000 г. Националната инициатива за нанотехнологии на Съединените щати започна да развива науката в тази област.

Класификация на наноматериалите

Нанотехнологиите разполагат с наноматериали, които могат да бъдат класифицирани като едно-, дву- и триизмерни наночастици. Тази класификация се основава на различни свойства, които притежават, като например разсейване на светлина, поглъщане на рентгенови лъчи, пренос на електрически ток или топлина. Нанотехнологиите имат мултидисциплинарен характер, който засяга множество традиционни технологии и различни научни дисциплини. Могат да се произвеждат нови материали, които могат да се мащабират дори до атомни размери.

Факти

  • Един нанометър (nm) е 10-9 или 0,000,000,001 метра.
  • Когато два въглеродни атома се съединят в молекула, разстоянието между тях е в диапазона 0,12-0,15 nm.
  • Двойната спирала на ДНК е около 2 nm от едната до другата страна. Тя се развива в нова област на ДНК нанотехнологиите. В бъдеще ДНК може да бъде манипулирана, което може да доведе до нова революция. Човешкият геном може да бъде манипулиран в зависимост от изискванията.
  • Нанометърът и метърът могат да се разглеждат като еднаква разлика в размерите на топката за голф и Земята.
  • Един нанометър е около една двадесет и пет хилядна от диаметъра на човешки косъм.
  • Ноктите растат с един нанометър в секунда.

Физически характеристики на наноматериала

В наномащаб физическите свойства на системата или частиците се променят значително. Физическите свойства, като например ефектите на квантовия размер, при които електроните се движат по различен начин при много малки размери на частиците. Свойства като механични, електрически и оптични се променят, когато макроскопичната система се превръща в микроскопична, което е от изключителна важност.

Наноматериалите и частиците могат да действат като катализатор, за да увеличат скоростта на реакцията и да дадат по-добър добив в сравнение с други катализатори. Някои от най-интересните свойства, когато частиците се преобразуват в наномащаб, са: вещества, които обикновено спират светлината, стават прозрачни (мед); някои материали могат да се изгарят (алуминий); твърди вещества се превръщат в течности при стайна температура (злато); изолатори стават проводници (силиций). Материал като златото, който не реагира с други химикали в нормален мащаб, може да бъде мощен химически катализатор в наномащаб. Тези специални свойства, които можем да видим само в наномащаб, са едно от най-интересните неща в нанотехнологиите.

Въпроси и отговори

В: Какво е нанотехнология?


О: Нанотехнологиите са част от науката и технологиите, свързани с контрола на материята в атомен и молекулен мащаб, което включва изработването на продукти, използващи толкова малки части, като електронни устройства, катализатори, сензори и др.

В: Колко малки са нанометрите?


О: Нанометрите са невероятно малки - в един инч има повече нанометри, отколкото в 400 мили. За да си представим колко малко е това, в един сантиметър има толкова нанометри, колкото сантиметри в 100 километра.

Въпрос: Какви видове работа вършат хората в областта на нанотехнологиите?


О: Хората, работещи в областта на нанотехнологиите, се стремят да създадат наночастици (частици с нанометричен размер), които имат специални свойства, като например разсейване на светлина или поглъщане на рентгенови лъчи. Те също така се опитват да направят малки копия на по-големи машини или наистина нови идеи за структури, които се създават сами. Нови материали могат да бъдат направени със структури с наноразмери и дори е възможно да се работи с единични атоми.

Въпрос: Какви потенциални приложения имат нанотехнологиите?


О: Нанотехнологиите имат потенциални приложения в много различни области, включително медицина, компютри и производство на чиста електроенергия (наноелектромеханични системи). Тя може също така да помогне за проектирането на следващо поколение слънчеви панели и ефективно нискоенергийно осветление.

В: Има ли рискове, свързани с използването на нанотехнологиите?


О: Възможно е да има неизвестни проблеми, свързани с използването на нанотехнологиите, например ако използваните материали са вредни за здравето на хората или за природата. Те могат да имат лош ефект върху икономиката или дори върху големи природни системи като самата Земя, така че някои групи твърдят, че трябва да се въведат правила за използването им.

Въпрос: Какъв тип учени изучават нанотехнологиите?


О: Учените, които изучават нанотехнологиите, са от много различни дисциплини, включително приложна физика, материалознание, наука за интерфейса и колоидите, физика на устройствата, химия, супермолекулярна химия, самовъзпроизвеждащи се машини и роботика.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3