Zemlja prelestna

Ta naša prelestna Zemlja.
Skoraj uničena, v dimu in smradu in temi.
Svetloba pronica skozi temne, goste, voščene oblake.
In rastline - kot da jih ni.
Kisika primanjkuje. Bežimo iz smradu v smrad.
Kdo naj nas reši? Je tu propad?

Hrup in beton in narave ni.
Obup in žalost in Človeka ni.
Ni posluha, ušesa prazna, možgani vse manjši.
Racio zaostaja, prihodnost nas dohaja.
Prihodnost?

Električni impulzi vrejo sredi tega kaosa.
Kako brezupna je moč človeška - kakšna inteligenca!
Napetost. Eksplozija.
Tema.
Drobci prahu, ki ga še ni. Me že dražijo.
Počasi, počasi me dušijo.
Ta smrad, ta hrup, napetost.
In človeška inteligenca?

Češnjevi lasje

Čutim njen vonj.
Njen vonj brez omake.
Brez omake, ki ostane za pečenko.
Oživljena s hladno vodo.
Z vonjem po šamponu.
S češnjevim lakom v laseh.
Opojno in sladko.
Vse - njej najljubše.

Nekaj fotografij - za sprostitev in v začudenje

Na mailu sem dobil naslednje fotografije - s pripisom "U pi***!".

Nanotehnologija 5. - Nanotehnološke aplikacije (Potrošnja)

Nanotehnologija se že srečuje s poljem dobrot za potrošnike, z oskrbo novih produktov. Moderni tekstil je odporen proti gubam, trganju, vodi, madežem… Obleke bodo postale pametne preko vložene elektronike za nošenje. V uporabi so že različni nano proizvodi - posebno na področju kozmetike. Novi proizvodi imajo zagotovljen potencial.

Hrana

Nanotehnologija je lahko uporabljena za produkcijo, izvršitev in varno pakiranje hrane. Pakiranje hrane bi lahko izboljšali s premazi proti mikrobom. Lahko bi povečali ali zmanjšali plinsko permeabilnost (z različnimi filtri). Lahko bi tudi izboljšali mehanično in vročinsko odpornost in zmanjšali raven prevodnosti kisika. Trenutno izvajajo raziskavo za uporabo nanotehnologije pri zaznavanju kemičnih in bioloških substanc.

Gospodinjstvo

Najbolj izrazita aplikacija v gospodinjstvu je samo-čiščenje ali pa zelo preprosto čiščenje površin na keramiki ali steklu. Delce, ki niso iz keramike, so izboljšali (gladkost in odpornost proti vročini v pogosti gospodinjski opremi).

Optika

Prvotna sončna očala uporabljajo zaščitne in anti-refleksne ter zelo tanke prevleke. Za optiko nanotehnologija ponuja prevleke odporne proti praskam. Lahko pa pomaga tudi pri laserskih operacijah.

Tekstil

Uporaba nanovlaken (na sliki) že naredi obleko vodoodporno ali pa brez gub. Blaga, ki so dokončana z nanotehnologijo, se ne umažejo tako hitro in so lahko oprana manjkrat ter na nižjih temperaturah. Nanotehnologija je bila uporabljena za vgraditev ozkih karbonskih delcev, ki popolnoma varujejo človeka pred elektrostatičnimi naboji. Aplikacije za vojsko bi lahko bile v kamuflaži, kjer bi bile nanokamere zmešane z nano-zasloni in tako naredile nevidni plašč, ki bi se obnašal kot koža kameleona.

Kozmetika

Ena možnost se poraja v sončnih kremah. Normalna kemična UV zaščita je slaba zaradi njene časovno kratke učinkovitosti. Sončna krema, ki temelji na nanodelcih, kot je titanijev dioksid, ponuja veliko izboljšav. Titanijevi dioksidni delci imajo podobno zaščito proti UV kot standardna krema za sončenje, ampak brez kozmetične nezaželenega beljenja, ko se delci zmanjšajo.

Nanotehnologija 5. - Nanotehnološke aplikacije (Informacije in komunikacije)

Trenutni visoko tehnološki procesi so zasnovani na tradicionalnih top down procesih, kjer se je nanotehnologija potiho že predstavila. Kritična dolžina lestvice vgrajenih obsegov je že v velikosti 50nm ali celo še manj (upoštevajoč na dolžino vrat transistorjev v CPU-jih in DRAM-ih).

Nove naprave na osnovi polprevodnikov

Primer za to so spintroniki. Odvisnost upornosti materiala na zunanjem polju se imenuje magnetna upornost. Ta efekt se lahko značilno poveča za objekte nanovelikosti (npr. ko sta dve plasti feromagnetika ločena z nemagnetno plastjo, ki je debela le nekaj nanometrov). Efekt GMR (giant magneto-resistance) – prikazan na sliki – je vodil v močno povečanje shranjevanja podatkov in naredil možno, da imamo sedaj pomnilnike z več GB in celo TB... Tako imenovani TMR (tunneling magnetoresistance) je zelo podoben GMR-ju in je zasnovan na osnovi rotacijske odvisnosti elektronov, ki gredo skozi plasti feromagnetikov. GMR in TMR efekti se lahko uporabijo da dosežemo neminljive oziroma trajne spomine računalnikov, kot je tako imenovan MRAM (magnetic random acces memory).

Nove optično-elektronske naprave

V moderni komunikacijski tehnologiji se povečuje število zamenjanih analognih elektronskih naprav z novimi optično-elektronskimi napravami pristojnimi za njihovo kapaciteto. Dva obljubljajoča primera sta photonic crystlas (fotonski kristali) in quantum dots (kvantne pike).

Fotonski kristali so materiali s periodičnimi variacijami indeksa lomljenja žarkov in z zamreženo konstanto, ki je pol valovne dolžine uporabljene svetlobe. Nudijo selektivno odprtino za nadaljnjo razmnoževanje določene valovne dolžine. Namesto delcev lahko z njihovo pomočjo izbiramo točno določeno valovno dolžino svetlobe.

Kvantne pike so objekti nano velikosti, ki so lahko uporabljeni med veliko drugimi stvarmi (npr. za konstrukcijo laserjev). Prednost tega laserja pred drugimi je, da je njihova oddajna dolžina odvisna od polmera pike. Ti laserji so cenejši in nudijo večjo kvaliteto žarka kot pa navadne laserske diode.

Ekrani

Produkcija ekranov z nizko porabo se lahko doseže preko karbonskih nanocevk, ki so električno prevodne in uporabne zaradi njihove majhnosti. Lahko so uporabljeni kot polje oddajalcev z izjemno visoko učinkovitostjo. Princip operacije je podoben katodni cevi, ampak na močno manjši dolžinski lestvici.

Nanologija

Nanologija posega na področje računalniških vezij (nanočip – na sliki), ki so bila do sedaj več ali manj linearna, torej zgrajena iz zaporednih linearnih vezij. Ideja nanologije je izkoriščanje novih, bolj zapletenih vezij za izvršitev funkcij, ki se ujemajo z matematičnimi operacijami: intervali, razdeljeni intervali… Preprosti nanoelektronski krogi so lahko narejeni, da predstavijo sete in sete operacij, razporeditev takih naprav pa je določena z matematičnim procesorjem, ki je zmožen rešiti problem. Ta je lahko izražen kakor v realnem svetu. Nanologija bo najbolj pomembna za človeško pomembne probleme kot so neprepričanost, dvoumnost, morda tudi čustva…

Kvantni računalniki

Popolnoma novi pristopi izkoriščanja zakonov kvantne mehanike se odražajo tudi v naprednih kvantnih računalnikih, ki dajejo možnost uporabe kvantnih algoritmov.

Kvantni računalnik bo imel kvanten-bit spomin narejen za več ocenitev hkrati. Pričakujejo se v bližnji prihodnosti; ko prebirate te vrstice pa morda že obstajajo glede na eksponentno hiter razvoj.

Nanotehnologija 5. - Nanotehnološke aplikacije (Energija)

Najbolj napredni nano projekti, ki se povezujejo z energijo so shranjevanje in pretvorba energije, hranjenje energije kot boljša termična izolacija in povečanje obnovljivih virov.

Zmanjšanje energijske potrošnje

Zmanjšanje energije se lahko doseže z boljšimi izolacijskimi sistemi, z uporabo osvetljave, ki energijo bolje izkoristi, ter z uporabo lažjih in močnejših materialov (predvsem v sektorju prevoza). Današnje žarnice spremenijo le okoli 5% energije, ki jo dobijo, v svetlobo. Napredki v nanotehnologiji, kot so svetlobno-oddajne diode (LED) ali pa kvantni zaprti atomi, bi lahko vodili do močnega povečanja izkoristka energije.

Povečanje zmogljivosti energijske produkcije

Današnje najboljše solarne celice imajo plasti dveh različnih polprevodnikov skupaj, da bi absorbirale čim več energije na čim več nivojih (različna valovna dolžina). Ampak, še vseeno jim uspe prevesti maksimalno le okoli 30% energije v nam uporabno. Na trgu dosegljive solarne celice imajo mnogo manjši izkoristek (okoli 20%). Nanotehnologija bi lahko pomagala povečati zmogljivost teh solarnih celic s posebnimi nanomateriali. Zmogljivost izgorevanja motorjev ni večja od 15-20% sedaj, ampak nanotehnologija bi lahko pomagala povečati zmogljivost s tem, da bi naredila posebno katalizo s povečano površino objekta. Znanstveniki so trenutno razvili tetraedrično oblikovane nanodelce, ki se takoj spremenijo v solarne zbiralce, ko pridejo na površje.

Uporaba okolju bolj prijaznih energetskih sistemov

Primer okolju prijazne oblike energije je uporaba gorivnih celic, ki jih napaja vodik, ta pa je idealno pridelan z obnovljivo energijo. Verjetno so najbolj izrazit nanomaterial v gorilnih celicah katalitski karbonsko podporni železni delci s premerom okoli 1-5 nm. Primerni materiali za hranjenje vodika vsebujejo veliko število nanopor. Zato veliko nanomaterialov kot so nanocevke in zeoliti pospešeno raziskujejo. Na sliki je prototip solarnega avtomobila (avtomobila na sončno energijo).

Nanotehnologija lahko prispeva k nadaljnjemu zmanjšanju motorjev na izgorevanje, ki onesnažujejo okolje, z nanofiltri, ki lahko čistijo izpuh mehanično s katalitično pretvorbo na osnovi železnih nanodelcev ali s katalitičnim premazom na stenah cilindra in katalitičnimi delci kot dodatek gorivom.

Recikliranje baterij

Zaradi relativno majhne teže baterij je operacijski čas omejen, tako da je potrebna zamenjava ali polnjenje. Preveliko število uporabljenih baterij in akumulatorjev predstavlja velik problem. Uporaba baterij z večjim izkoristkom in večjo vsebino energije bi lahko ta problem zmanjšala. V prihodnosti se nam obetajo superkondenzatorji energije.

Nanotehnologija 5. - Nanotehnološke aplikacije (Kemija in okolje)

Kemijska kataliza in tehnike filtracije sta dva izrazita primera, kjer nanotehnologija že igra zelo pomembno vlogo. Sinteza potrebuje nove, neobičajne materiale, narejene tako rekoč po meri, hkrati pa morajo imeti ustrezne kemijske lastnosti (npr. nanodelci z izrazito močnim kemijskim vplivom na okolico ali s specifičnimi optičnimi karakteristikami). V teh primerih kemija potrebuje temeljno nanoznanost kot pripomoček v praksi. Na kratek rok kemija obljublja nove nanomateriale, dolgoročno pa še veliko več, npr. samozdruževanje, samosestavljanje in samooblikovanje delcev, kar bo priskrbelo energijo in zmanjšanje časa za določen proces.

Pravzaprav že danes lahko vse kemične sinteze razumemo na stopnji nanotehnologije zaradi naše sposobnosti izgrajevanja določenih molekul. Kemija ustvarja točno določene molekule, polimere, skupine molekul in nanodelce.

Kataliza

Kemijska kataliza pridobiva predvsem na račun nanodelcev. Kakor sem že zapisal lahko imajo delci ekstremno veliko površino glede na prostornino. Kataliza je pomembna pri pridobivanju kemikalij, nanodelci pa sodelujejo pri izboljšanju goriva in pri fotokatalizi.

Filtracija

Največji vpliv nanotehnologije je na čiščenju odpadne vode, čiščenju zraka in na energetskih izvirih. Mehanske in kemične metode so lahko uporabljene za efektivno filtracijo. Prvi razred filtracijskih tehnik bazira na membranah z ustrezno velikimi luknjicami, pri čemer je tekočina potisnjena skozi membrano. Nanopore membran so primerne za mehansko filtracijo z izjemno majhnimi porami (pod 10nm). Nanofiltracija je najpogosteje namenjena za filtracijo ionov ali ločevanje različnih tekočin. Pri večjih velikostih por se takšna filtracijska tehnika imenuje ultrafiltracija, ki deluje na velikostih med 10nm in 100nm. Ultrafiltracija je v medicini izjemnega pomena pri dializi krvi (pri bolnikih na ledvicah).

Magnetni nanodelci ponujajo učinkovito in zanesljivo metodo odstranjevanja težkih kovinskih primesi iz odpadne vode. Pri tem seveda uporabijo tehniko ločevanja na osnovi magnetnega polja. Pri uporabi nanodelcev se zviša učinkovitost čiščenja in tudi stroški so relativno nizki, če jih primerjamo s tradicionalnim usedanjem ali s tradicionalno filtracijo.

Nanotehnologija 5. - Nanotehnološke aplikacije (Medicina)

Številni biološki in zdravstveni raziskovalni inštituti ter druge organizacije s področja medicine so izkoristile unikatne lastnosti nanomaterialov za različno uporabo. Na interakcijo nanotehnologije in drugih področij nas opozarjajo termini kot so biomedicinska nanotehnologija, bionanotehnologija in nanomedicina. Vsi označujejo hibridne znanosti.

Funkcionalnost nanomaterialov se lahko znatno poveča v povezavi z živimi strukturami, npr. biološkimi molekulami, celicami… Zaradi podobne velikosti nanodelcev in bioloških molekul lahko nanodelce uporabljajo in vitro (v laboratorijih – v steklovini) ali in vivo (v organizmu).

Do zdaj so najuspešnejše raziskave potekale na področjih diagnosticiranja, protistrupov, analitičnih orodij, uporabe telesne terapije in na področju odvajanja mamil.

Poglejmo si primer uničevanja rakavih celic. Za današnja zdravljenja raka kot so kemoterapija, obsevanje in operacije vemo, da so invazivni ali slabijo telo. V nasprotju s tem pa nanotehnologija obljublja nove načine zdravljenja, ki bodo potekali skoraj brez dotika. Znanstveniki so izdelali silicijeve kroglice, obdane s tanko plastjo zlata, s premerom okoli 120nm (na sliki). Če jih vbrizgamo v krvni obtok, lahko preniknejo v tumorje. Ko nato z infrardečim laserjem tumor obsevamo, močna svetloba potuje brez škode skozi zdravo tkivo in segreje nanokroglice. Te uničijo maligne celice, sosednje zdravo tkivo pa pustijo nepoškodovano. Pri laboratorijskih testih (testiranjih) so miši ostale zdrave in brez tumorjev še več kot 90 dni po tovrstnem postopku.

Diagnostika

Nanotehnologija posega tudi v laboratorije in pomaga pri novih načinih proučevanja, testiranja. Biološki testi, s katerimi določamo prisotnost ali aktivnost izbranih substanc postanejo dosti bolj občutljivi, hitrejši in prilagodljivi, če dodamo nanodelce. Magnetni nanodelci, zvezani s prilegajočim antitelesom, so v uporabi za določanje specifičnih molekul, struktur in mikroorganizmov. Nanodelci zlata (na sliki) pripeti na kratke segmente molekule DNK lahko zaznajo gensko sekvenco v vzorcu. Večbarvno optično določanje prisotnosti molekul je bilo doseženo s pomočjo kvantnih pik. Nanodelci bodo najbrž v prihodnosti lahko zaznavali povišano prisotnost radioaktivnih elementov. Bistveni del diagnosticiranja je tudi prenos informacij v nam razumljivo obliko, bodisi elektronsko, bodisi analogno.

Učinkovitost zdravil

Splošna poraba zdravil in stranski učinki so lahko pomembno znižani z vnosom aktivnih snovi le v bolne predele telesa in v odmerkih, ki niso niti malo preveliki ali premajnhni, kakor je potrebno. Takšne močno selektivne terapije reducirajo stroške in zmanjšajo trpljenje bolnika. Primere lahko najdemo v dendrimerih (posebne, zelo razvejane molekule) in v materialih z nanoporami. Takšni materiali lahko zadržujejo majhno količino zdravila in ga prinesejo do specifičnega mesta v organizmu, kjer se počasi in konstantno sprošča. Druga verzija zviševanja učinkovitosti zdravil je v majhnih elektromehanskih sistemih (NEMS), ki so posebej pomembni kot pomoč ravno pri sproščanju zdravil. Nekateri potencialno pomembni pristopi so tudi pri zdravljenju raka z železovimi nanodelci ali z izjemno majhnimi lističi zlata…

Nanotehnologija prispeva pomemben delež tudi pri zdravljenju z implantatni, še posebej pri zdravilih, ki se vbrizgajo s pomočjo injekcij. Pogosto je namreč problem razporeditve zdravila po želenem predelu telesa. Tudi tu bodo v prihodnosti prišli v poštev nanodelci, ki bodo ustrezno razporedili zdravilo po krvi ali kakšnem drugem tkivu.

Inženiring tkiv

Nanotehnologija lahko pomaga pri reprodukciji ali popravilu poškodovanega tkiva. To se imenuje tkivski inženiring. Umetno stimulirane celice se bujno delijo ob uporabi primernih skeletnih in rastnih faktorje, ki temeljijo na nanomaterialih. Inženiring tkiv bi lahko nadomestil klasične načine zdravljenja, npr. transplantacije organov in umetne implantante. Na drugi strani se pojavlja ogromno etično–moralnih vprašanj, ki zaenkrat še kar precej zavirajo uporabo sodobnih odkritij.

Nanotehnologija 5. - Nanotehnološke aplikacije (Uvod)

Kot sem obljavil že v prejšnjih postih je bila večina materialov s pomočjo nanotehnologije spremenjena. Produkti so osnovani na spremembi fizikalnih lastnosti, ki sledijo spremembi strukture. Nanodelci na primer pridobijo svoje prednosti na račun drastičnega povečanja površine glede na volumen. Optične lastnosti se spreminjajo le glede na velikost nanodelcev in v mnogih primerih ni odvisna od nobenih drugih dejavnikov (spomnimo se na luminiscenco). Ko prenesemo in vmešamo nanodelce v drug (prostorninsko večji) material, lahko že majhen vnos precej izboljša njegove lastnosti (npr. poveča trdnost, elastičnost…). Tradicionalni polimeri so lahko ojačani s pomočjo nanodelcev in dobimo povsem nove materiale, ki lahko nadomestijo železo ali druge zlitine. Funkcionalnost novih materialov je izredna. Zaradi teh in številnih drugih razlogov lahko družba ogromno pridobi z uporabo nanodelcev in nasploh nanotehnologije. Lahko si obetamo mnogo koristnega.

Nanotehnologija 4. - Orodja in tehnike

Tehnike nanotehnologije vključujejo izdelovanje nanožic, ki se uporabljajo kot polprevodniki (npr. v ultravijolični litografiji). Vključuje tudi tehnike molekularnega zbiranja, izdelovanja ko-polimerov ipd. Vse tehnike so naredile nano dobo in lahko rečemo, da so podaljšek v znanstvenem napredku. Zanimivo je, da je morala nanotehnologija v precej večji meri kot ostale znanstvene panoge sama poskrbeti za razvijanje opreme.

Nanotehnologija in nanoznanost sta postali možni po letu 1910 z razvojem prvih orodij za merjenje in izdelovanje nanostruktur. Vendar se je sam razvoj začel z odkritjem elektronov in nevtronov, ki so pokazali znanstvenikom, da materija zares obstaja na tako majhni ravni. Elektroni so bili odkriti leta 1874, G. Johnstone Stoney pa je izraz uveljavil leta 1894. Nevtrone so prvič omenjali leta 1930, leta 1932 pa so bili uradno poimenovani in potrjeni z vrsto eksperimentov. Z odkritjem osnovnih delcev se je začelo razvijati zanimanje za nanostrukture.

Atomski mikroskop AFM (atomic force microscope) in mikroskop STM (scanning tunneling microscope) sta dve zgodnji poskušanji skeniranja, ki je pognalo nanotehnologijo še na višjo stopnjo. Sicer so tudi še drugi tipi skeniranja oziroma projiciranja nano zgradbe materialov. Na spodnji shemi je STM.

Večina tehnik mikroskopije izhaja iz idej t.i. protižariščnega mikroskopa (confocal microskope), ki je bil razvit v letu 1961 (Marvin Minsky). Pomemben je tudi mikroskop SAM, ki ga je razvil Kalvin Quate v sedemdesetih letih.

To je omogočilo videnje nanostruktur. Raziskovalno skeniranje je lahko prav tako uporabljeno za manipuliranje nanostruktur, a je to zelo počasen proces. To je vodilo k razvitju različnih tehnik nanolitografije. Llitografija je ''top-down'' tehnika izdelovanja, kjer se material zmanjša na velikost nano velikosti.

Najboljši top down pristop predvidi nanonaprave, ki morajo biti zgrajene košček za koščkom. Zelo pomembna tehnika je scanning probe microscopy za sintezo in karakterizacijo nanomaterialov.

Že omenjeni AFM in STM tehniki sta lahko uporabljeni za gledanje površja in premikanje atomov. Z načrtovanjem različnih tipov teh naprav so lahko uporabljene za izrezovanje struktur na površju, hkrati lahko pomagajo nadzorovati samo-združevalne strukture. Atomi se lahko prestavljajo naokoli s prej omenjeno scanning probe microscopy, ampak je ta dražja in časovno zapravljiva. Zaradi teh razlogov ni mogoče oblikovati nanostruktur atom za atomom. Sestavljanje milijarde čipov (tranzistorjev) na delovanju enega samega je neuporabno.

V kontrastu pa so bottom up tehnike razvile večje strukture atom za atomom ali molekulo za molekulo. Te tehnike združujejo kemično sintezo, samo-združevanje in pozicijsko združevanje. Še ena različica bottom up načina je MBE (molecular beam epitaxy). Raziskovalci iz Bell Telephone Laboratories so razvili in izvršili MBE kot raziskovalni pripomoček v šestdesetih in sedemdesetih. Vzorci, ki jih je naredil MBE, so bili bistveni za odkritje frakcijskega kvantnega Hall efekta za katerega so dobili 1988 Nobelovo nagrado iz fizike. MBE omogoča znanstvenikom, da postavijo do atoma natančne sloje atomov in v procesu gradijo zapletene strukture. MBE je prav tako zelo uporaben za pripravljanje vzorcev in naprav za novo področje t.i. spintronike (spintronics oziroma spin-based electronics). Nove tehnike kot je dual polarisation interferometry omogočajo merjenje molekularne interakcije, ki se odvijajo v nanovelikosti. Na spodnji sliki je shematsko prikazan ATM.