Nanotehnologija 2. - Razvoj nanotehnologije

Kdaj se je nanotehnologija pojavila v znanosti? Od kod izvira? Kateri možje so prispevali levji delež v razvoju? V nekaj odstavkih - zgodovina nanotehnologije.

(Prvo dejstvo, ki bo bralcu najbrž všeč, je to, da je nanotehnologija še zelo mlada veja znanosti oziroma tehnologije, tako da zares ni veliko zgodovinskih podatkov, s katerimi bi izgubljali čas.) Poleg tega mladost te veje znanosti dodatno nakazuje na to, da ostaja še veliko novih izzivov in raziskave še zdaleč niso na koncu. Prej obratno, na začetku!

Na preprostih primerih, kot sta izdelava jekla, različnih drugih zlitin ali pa morda vulkanizacija gume, lahko ugotovimo, da so se ljudje nezavedno srečevali z nano procesi že tisoče let nazaj. Omenjeni procesi in še mnogi drugi namreč potekajo na atomarni oziroma molekularni stopnji. Pride do spremembe strukture materiala. To pa je že eno področje nanotehnologije. Atomi imajo namreč radij okoli 0,1nm.

Pravzaprav se je področje kemije že precej razvilo, ko o nanotehnologiji, ki jo poznamo danes, ni bilo ne duha ne sluha. Zakaj? Največja ovira pri raziskovanju tako majhnih delcev so bile neustrezne naprave oziroma vedno večje zahteve človeka, ki je vseskozi težil k višjim ciljem, torej najti bistvo snovi.

Maxwellov hudič

Prva pomembnejša letnica je 1867, ko si je James Clerk Maxwell prvi zamislil poskus, s katerim bi lahko ločil osnovne delce dveh zmešanih plinov. Poskus se imenuje Maxwellov hudič. Razmišljal je v smeri, da so osnovni delci posameznih plinov različno veliki. Torej morajo biti eni večji, drugi manjši. Premišljen poskus je bil zamišljen v obliki posode, ki bi bila pregrajena s tanko pregrado, ki bi imela majhno »hudičevo« loputo. V tej posodi (v obeh prostorih – A in B) bi na začetku bila zmes dveh plinov pri isti temperaturi. Potem bi naključno prišlo do trčenja nadpovprečno hitre molekule ob vratca in molekula bi prešla v drug prostor (recimo iz A v B). Na takšen način bi po Maxwellovih sklepanjih lahko prišlo do popolne ločitve posameznih plinov (malo preveč enostavno, kajne?). Vendar pa je potrebno opozoriti, da bi povprečna hitrost molekul v A padla, medtem ko bi v B narasla. Ob tem Maxwell ni upošteval drugega zakona termodinamike, saj bi v A temperatura padla, v B pa narasla. Vemo pa, da iz hladnejšega področja v toplejše delci ne morejo prehajati, tako da takšno ločevanje zmesi plinov ni mogoče.

Enoplastni epiteli

Pomembna pri raziskovanju snovi na molekularni ravni sta tudi Irving Langmuir in Katherine Blodgett, ki sta v dvajsetih letih dvajsetega stoletja predstavila koncept enoplastnih epitelov. To so enoplastni sloji zgoščenih atomov, molekul ali celic. »Monolayers«, kakor jih imenujemo v angleščini, so široko zastopani predvsem na področju biologije. Miceliji, omrežja hif, ki tvorijo podgobje gliv, so tehnično gledano enoplastni epiteli, fosfolipidni dvosloji so pravzaprav dvojni »monosloji«, v

ečplastna povrhnjica kože je sestavljena iz več med seboj povezanih »monoslojev«… Tudi pri razvoju nediferenciranih tkiv se celice vedno delijo ena ob drugo in ne ena nad drugo, saj je za vse najbolje, če imajo neposreden stik z gojiščem, a hkrati ohranjajo zadosten stik s sosednjimi celicami. Langmuir je bil nagrajen z Nobelovo nagrado za področje kemije.

Teoretska podlaga

Prva omemba nekaterih značilnih konceptov nanotehnologije je bila v govoru Richarda Feynmana There's plenty of room at the bottom (»Na dnu je veliko prostora«). O tem je spregovoril na srečanju ameriške fizikalne družbe, ki se je združila decembra 1959. Feynman je opisal postopek, s katerim bi lahko manipulirali s posameznimi atomi ali molekulam

i, pri tem pa bi uporabljali set zelo natančnih orodij za izgraditev in operacijo še manjšega seta vse do želene velikosti. V okviru tega je napovedal, da bodo težave velikosti nastale zaradi različnih fizikalnih pojavov: gravitacija bi naj postala vse manj pomembna, površinska napetost in Van der Wallsova privlačnost pa vse bolj pomembna. Ta osnovna ideja se je pokazala kot možna.

Definicija in pospešen razvoj

Strokoven izraz nanotehnologija je bil definiran s strani tokijske univerze znanost po zaslugi profesorja Norio Taniguchi-ja v letu 1974. Opredelil jo je takole: »Nanotehnologija v glavnem sestoji iz procesiranja, ločevanja, utrditve in deformiranja materialov na ravni atoma ali molekule.«

V osemdesetih je bila osnovna zamisel raziskana v globine pod nadzorom doktorja Kima Erica Drexlerja, ki je zvišal pomen pojava nanotehnologije in je še posebej uspešen na področju molekularne nanotehnologije (MNT). Svoj ugled in spoštovanje si je pridobil skozi govore in knjige: Engines of creation: The coming era of nanotechnology in Nanosystems: Molecular machinery, manufacturing and computation. Tako se je pojem pojavil v aktualni obliki.

Napredek eksperimentiranja

Nanotehnologija in nanoznanost sta se začeli v zgodnjih osemdesetih z dvema gl

avnima razvojema: cluster science (znanost majhnih delcev, ki načeloma vsebujejo med 3 in 3*10⁷ atomov) in iznajdba mikroskopa STM - scanning tunneling microscope. Ta napredek je vodil k odkritju karbonskih nanocevk malo po letu 1986. V drugem razvoju sta bila sinteza in lastnosti večprevodnih nanokristalov že raziskovana. To pa je vodilo v hitr

o naraščajočo število nanodelcev kovinskih oksidov (ki jih prištevamo k t.i. anorganski nanotehnologiji).

Perspektiva materialov, nova orodja in tehnike

V zadnjem desetletju je bil največji napredek ravno na področju materialov in njihove nanostrukture. Posegi v nano velikostna območja nam omogočajo ustvariti povsem nove materiale in doseči izjemne lastnosti materialov.