Mi az a nanotechnológia? Fogalom, alkalmazások és kockázatok
Nanotechnológia: alapfogalom, gyakorlati alkalmazások és kockázatok — új anyagok, orvosi és ipari lehetőségek, valamint biztonsági szempontok rövid, érthető áttekintése.
A nanotechnológia a tudomány és a technológia egy része, amely az anyag atomi és molekuláris szintű irányításával foglalkozik - ez olyan dolgokat jelent, amelyek átmérője körülbelül 100 nanométer.
A nanotechnológia magában foglalja az olyan termékek előállítását, amelyek ilyen apró alkatrészeket használnak, mint például az elektronikus eszközök, katalizátorok, érzékelők stb. Hogy érzékeltessük, hogy ez milyen kicsi, egy hüvelykben több nanométer van, mint 400 mérföldben több hüvelyk.
Hogy nemzetközi szinten is érzékeltessük, hogy ez milyen kicsi, egy centiméterben annyi nanométer van, ahány centiméter van 100 kilométerben.
A nanotechnológia számos különböző tudományterület tudósait és mérnökeit egyesíti, például az alkalmazott fizika, az anyagtudomány, a határfelületi és kolloidtudomány, az eszközfizika, a kémia, a szupramolekuláris kémia (a kémia azon területére utal, amely a molekulák nem kovalens kötési kölcsönhatásaival foglalkozik), az önreprodukáló gépek és a robotika, a vegyészmérnöki tudományok, a gépészet, a biológia, a biotechnológia és a villamosmérnöki tudományok.
Amikor nanotechnológiáról beszélnek, általában 100 nanométeres vagy annál kisebb méretű struktúrákra gondolnak. Egy milliméterben egymillió nanométer van. A nanotechnológia ilyen méretű anyagokat vagy gépeket próbál létrehozni.
Az emberek sokféle munkát végeznek a nanotechnológia területén. A legtöbb jelenlegi munka olyan nanorészecskék (nanométeres méretű részecskék) előállításával foglalkozik, amelyek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, mint például a fényszórás, a röntgensugárzás elnyelése, az elektromos áram vagy a hő továbbítása stb. tekintetében. A terület "tudományos-fantasztikusabb" végén a nagyobb gépek apró másolatainak elkészítésére irányuló kísérletek, vagy az önmagukat előállító szerkezetek valóban új ötletei állnak. A nanoméretű szerkezetek segítségével új anyagok is lehetségesek. Még az is lehetséges, hogy egyetlen atomokkal dolgozzunk.
Sok vita folyt a nanotechnológia jövőjéről és veszélyeiről. A nanotechnológia képes lehet új anyagok és eszközök feltalálására, amelyek nagyon hasznosak lennének, például az orvostudományban, a számítógépekben és a tiszta áram előállításában (nanoelektromechanikus rendszerek), segít a napelemek következő generációjának és a hatékony, alacsony energiafelhasználású világításnak a tervezésében). Másrészt a nanotechnológia új, és ismeretlen problémák merülhetnek fel. Például, ha az anyagok károsak az emberek egészségére vagy a természetre. Rossz hatással lehetnek a gazdaságra vagy akár nagy természeti rendszerekre, mint maga a Föld. Egyes csoportok amellett érvelnek, hogy a nanotechnológia használatára vonatkozó szabályoknak kellene létezniük.
Mit jelent a "nano" és hogyan kell elképzelni a méretet?
1 nanométer (nm) a méter egymilliárdod része (10-9 m). A nanoméret-skála a molekuláktól és atomoktól egészen a több tucat vagy néhány száz nanométeres struktúrákig terjed. A hétköznapi példák segítenek érzékeltetni a kicsiny méretet: egy emberi haj átlagos vastagsága körülbelül 50 000–100 000 nm, egy DNS-molekula átmérője nagyjából 2 nm. Ezért a nanotechnológia olyan rendszerekkel foglalkozik, amelyek lényegesen kisebbek, mint amit szemmel látunk.
Működési elvek: top-down és bottom-up
- Top-down megközelítés: hagyományos gyártási eljárásokból kiindulva (pl. litográfia, mechanikai megmunkálás) hoznak létre kisebb struktúrákat. Ez jól használható félvezető gyártásban és mikroelektronikában.
- Bottom-up megközelítés: atomokból és molekulákból építkeznek kölcsönhatások és önszerveződés révén (kémiai szintézis, önszerveződő monomolekuláris rétegek). Ez közelebb áll a „molekuláris gyártáshoz” és sok biotechnológiai alkalmazás alapja.
Fő alkalmazási területek
A nanotechnológia sok iparágat érint; a leggyakoribb és legígéretesebb alkalmazások:
- Orvostudomány: célzott gyógyszerszállítás nanorészecskékkel, képalkotás javítása kontrasztanyagokkal, regeneratív orvoslás és szövettervezés, bioszenzorok, diagnosztikai eszközök.
- Elektronika és információs technológia: kisebb, gyorsabb és energiahatékonyabb áramkörök, memóriák, nano-érzékelők és kvantumpontok.
- Anyagtudomány: erősebb, könnyebb anyagok (pl. carbon nanotubes, grafén), kopásálló bevonatok, speciális optikai tulajdonságú anyagok.
- Energiatechnológia: hatékonyabb napelemek, üzemanyagcellák katalizátorai, jobb akkumulátorok és energiatárolók.
- Katalízis és vegyipar: nagy felületű nanokatalizátorok, amelyek kevesebb anyagból hatékonyabb reakciókat tesznek lehetővé.
- Környezetvédelem: víztisztítás, levegőtisztítás, szennyezőanyag-eltávolítás nanométeres szűrőkkel vagy adszorbensekkel.
- Élelmiszer- és csomagolóipar: antibakteriális bevonatok, élelmiszer-biztonsági érzékelők, jobb csomagolási anyagok.
Példák nanoméretű anyagokra és eszközökre
- Nanorészecskék: arany- vagy ezüstrészecskék, amelyek eltérően viselkednek optikailag a makroszkopikus anyagoktól.
- Kvantumpontok: nanoméretű félvezetők, amelyek méretüktől függően más-más fényt bocsátanak ki (LED, bioképalkotás).
- Grafén és karbon nanocsövek: kivételes mechanikai és elektromos tulajdonságokkal.
- Nano-bevonatok: vízlepergető, karcálló vagy antibakteriális felületek.
Előnyök és potenciális kockázatok
A nanotechnológia jelentős előnyöket kínál, de kockázatokkal is jár. Fontos a felelős fejlesztés és a kockázatok előzetes értékelése.
- Előnyök: új diagnosztikai és terápiás lehetőségek, energiahatékonyság javítása, tartósabb és könnyebb anyagok, ipari innováció és új termékek.
- Kockázatok:
- Egészségügyi kockázatok – bizonyos nanorészecskék belélegezve vagy bejutva a szervezetbe toxikusak lehetnek.
- Környezeti kockázatok – nanomateriálok viselkedése a természetben eltér a makroméretű anyagokétól; bioakkumuláció, ökotoxicitás lehetséges.
- Társadalmi és gazdasági hatások – munkaerőpiaci átalakulás, egyenlőtlenségek, adat- és biztonsági kockázatok (pl. érzékelők elterjedése).
- Etikai kérdések – a technológia katonai vagy megfigyelő célú felhasználása, valamint a „molekuláris gyártás” szabályozása.
Biztonság, szabályozás és felelős kutatás
A kutatók, ipar és szabályozó hatóságok együttműködése szükséges a nanotechnológia biztonságos alkalmazásához. A hangsúly a következőkön van:
- alapos kockázatértékelés és toxikológiai vizsgálatok,
- átláthatóság a kutatásban és a termékfejlesztésben,
- szabványok és iránymutatások kialakítása (anyagok jelölése, hulladékkezelés),
- a nyilvánosság és érintett közösségek bevonása a döntéshozatalba.
Jövőbeli kilátások
A nanotechnológia várhatóan továbbra is gyorsan fejlődik. Rövid és középtávon látható előrelépések lehetnek az orvosi kezelésekben, energiarendszerekben és elektronikai eszközökben. Hosszabb távon elképzelhetők radikálisabb változások is – például új, önjavító anyagok, rendkívüli tárolási kapacitású akkumulátorok vagy molekuláris gyártási módszerek –, de ezek megvalósítása kutatás és gondos szabályozás függvénye.
Összefoglalás
A nanotechnológia olyan terület, amely atomi és molekuláris szinten tervez és hoz létre anyagokat és eszközöket. Sok területen hozhat forradalmi változásokat, ugyanakkor fontos a potenciális egészségügyi, környezeti és társadalmi kockázatok felismerése és kezelése. A felelős kutatás, a megfelelő szabályozás és az átlátható kommunikáció elengedhetetlen a technológia biztonságos és hasznos alkalmazásához.
Tipikus nanoszerkezeti geometriák.
A nanotechnológia kezdete
A nanotechnológia gondolatait először Richard Feynman tudós "There's Plenty of Room at the Bottom" című előadásában használták fel, amelyet 1959. december 29-én tartott az Amerikai Fizikai Társaság Caltech-ben tartott ülésén. Feynman leírta, hogyan lehet az egyes atomokat úgy mozgatni, hogy kisebb műszereket lehessen építeni és ilyen léptékben működni. Az olyan tulajdonságok, mint a felületi feszültség és a Van der Walls-erő nagyon fontossá válnának.
Feynman egyszerű ötlete lehetségesnek tűnt. A "nanotechnológia" szót Norio Taniguchi, a Tokiói Tudományegyetem professzora magyarázta meg egy 1974-es tanulmányában. Azt mondta, hogy a nanotechnológia az anyagok egy atom vagy egy molekula általi megváltoztatását jelenti. Az 1980-as években ezt az elképzelést Dr. K. Eric Drexler tanulmányozta, aki beszélt és írt a nanoméretű események fontosságáról. "A teremtés motorjai: The Coming Era of Nanotechnology" (1986) című könyvét tartják a nanotechnológiáról szóló willythirst könyvnek. A nanotechnológia és a nanotudomány két kulcsfontosságú fejleménnyel kezdődött: a klasztertudomány elindulásával és a pásztázó alagútmikroszkóp (STM) feltalálásával. Nem sokkal később új szénmolekulákat fedeztek fel - először a fulleréneket 1986-ban, majd néhány évvel később a szén nanocsöveket. Egy másik fejlesztés során azt tanulmányozták, hogyan lehet félvezető nanokristályokat készíteni. Számos fém-oxid nanorészecskét ma már kvantumpontokként (olyan nanorészecskék, amelyekben az egyes elektronok viselkedése válik fontossá) használnak. 2000-ben az Egyesült Államok Nemzeti Nanotechnológiai Kezdeményezése megkezdte a tudomány fejlesztését ezen a területen.
A nanoanyagok osztályozása
A nanotechnológia nanoanyagokat tartalmaz, amelyek egy, két és három dimenziós nanorészecskékre oszthatók. Ez a besorolás a különböző tulajdonságok alapján történik, mint például a fényszórás, a röntgensugarak elnyelése, az elektromos áram vagy a hő továbbítása. A nanotechnológia multidiszciplináris jellegű, több hagyományos technológiát és különböző tudományágakat érint. Új, akár atomi méretűre méretezhető anyagok állíthatók elő.
Tények
- Egy nanométer (nm) 10-9 vagy 0,000 000 001 méter.
- Amikor két szénatom molekulává egyesül, a köztük lévő távolság 0,12-0,15 nm között van.
- A DNS kettős spirál egyik oldalról a másikra körülbelül 2 nm hosszú. Ez a DNS nanotechnológia új területévé fejlődik. A jövőben a DNS manipulálható, ami új forradalomhoz vezethet. Az emberi genomot az igényeknek megfelelően lehet manipulálni.
- Egy nanométer és egy méter ugyanolyan méretkülönbségnek tekinthető, mint a golflabda és a Föld között.
- Egy nanométer körülbelül egy huszonötezred része az emberi hajszál átmérőjének.
- A körmök másodpercenként egy nanométert nőnek.
A nanoanyag fizikai jellemzői
Nanoméretben a rendszer vagy a részecskék fizikai tulajdonságai jelentősen megváltoznak. Az olyan fizikai tulajdonságok, mint a kvantumméret-hatás, ahol az elektronok másképp mozognak a nagyon kis méretű részecskék esetében. Az olyan tulajdonságok, mint a mechanikai, elektromos és optikai változások, amikor a makroszkopikus rendszer mikroszkopikusra változik, ami rendkívül fontos.
A nanoanyagok és -részecskék katalizátorként működhetnek a reakciósebesség növelésében, és ezzel együtt más katalizátorokhoz képest jobb hozamot eredményeznek. A legérdekesebb tulajdonságok közé tartozik, amikor a részecskék nano méretűvé válnak: a fényt általában megállító anyagok átlátszóvá válnak (réz); egyes anyagok elégethetők (alumínium); a szilárd anyagok szobahőmérsékleten folyadékká alakulnak (arany); a szigetelők vezetővé válnak (szilícium). Egy olyan anyag, mint az arany, amely normál léptékben nem lép reakcióba más vegyi anyagokkal, nanoszinten erőteljes kémiai katalizátor lehet. Ezek a különleges tulajdonságok, amelyeket csak nano méretekben láthatunk, az egyik legérdekesebb dolog a nanotechnológiában.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a nanotechnológia?
V: A nanotechnológia a tudomány és a technológia egy része, amely az anyag atomi és molekuláris szintű irányításával foglalkozik, és amely magában foglalja az ilyen apró részeket használó termékek, például elektronikus eszközök, katalizátorok, érzékelők stb. előállítását.
K: Milyen kicsik a nanométerek?
V: A nanométerek hihetetlenül kicsik - egy hüvelykben több nanométer van, mint 400 mérföldben több hüvelyk. Hogy nemzetközi szinten is érzékeltessük, hogy ez milyen kicsi, egy centiméterben annyi nanométer van, mint 100 kilométerben 100 centiméter.
K: Milyen típusú munkákat végeznek az emberek a nanotechnológia területén?
V: A nanotechnológia területén dolgozók olyan nanorészecskék (nanométeres méretű részecskék) előállításával foglalkoznak, amelyek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, például szórják a fényt vagy elnyelik a röntgensugarakat. Megpróbálnak nagyobb gépek apró másolatait is elkészíteni, vagy valóban új ötleteket találnak olyan szerkezetek létrehozására, amelyek önmagukat készítik el. Új anyagokat lehet készíteni nanoméretű struktúrákkal, sőt, akár egyetlen atomokkal is lehet dolgozni.
K: Milyen alkalmazási lehetőségei vannak a nanotechnológiának?
V: A nanotechnológia számos különböző területen alkalmazható, többek között az orvostudományban, a számítógépekben és a tiszta áramtermelésben (nanoelektromechanikus rendszerek). Segíthet a következő generációs napelemek és a hatékony, alacsony energiafelhasználású világítás tervezésében is.
K: Vannak-e kockázatok a nanotechnológia alkalmazásával kapcsolatban?
V: A nanotechnológia alkalmazásával kapcsolatban ismeretlen problémák merülhetnek fel, például ha a felhasznált anyagok ártalmasak az emberek egészségére vagy a természetre. Rossz hatással lehetnek a gazdaságra vagy akár olyan nagy természeti rendszerekre, mint maga a Föld, ezért egyes csoportok amellett érvelnek, hogy szabályokat kellene bevezetni a felhasználásra vonatkozóan.
K: Milyen tudósok tanulmányozzák a nanotechnológiát?
V: A nanotechnológiát tanulmányozó tudósok számos különböző tudományterületről érkeznek, többek között az alkalmazott fizika, az anyagtudomány, a határfelület- és kolloidtudomány, az eszközfizika, a kémia, a szupramolekuláris kémia, az önreprodukáló gépek és a robotika, a vegyészmérnöki tudományok, a gépészmérnöki tudományok, a biológia, a biológiai mérnöki tudományok, az elektrotechnika, stb.
Keres