Vai esat kādreiz iedomājies materiālu, ar kura palīdzību lietussargi nekad nesamirktu, roboti būtu pietiekami mazi, lai tie darbotos asinsvados, un keramika būtu tikpat neplīstoša kā metāls? Šī nav zinātniskā fantastika; tā ir īsta revolūcija, ko radījuši nanomateriāli.
Kas ir nanometrs? Tā patiesībā ir garuma vienība; viens nanometrs ir tikai viena miljardā daļa no metra. Cilvēka mata diametrs ir aptuveni 50 000 līdz 100 000 nanometri. Nanomateriāli ir materiāli, kuru izmērs vismaz vienā dimensijā ir no 1 līdz 100 nanometriem.
I. Kāpēc "Mazais" ir "jaudīgs"?
Kad materiāli tiek samazināti līdz nanomērogam, tie vairs neievēro pazīstamos fizikas noteikumus, bet uzrāda daudzas pārsteidzošas īpašības.
Pirmkārt, nanomateriālu optiskās, elektriskās, magnētiskās un termiskās īpašības būtiski mainās. Piemēram, pusvadītāja kadmija sulfīda krāsa un emisijas krāsa mainās no dzeltenas uz zilu, kad daļiņu izmērs samazinās. Tas nozīmē, ka mums nav jāmaina materiāla sastāvs; vienkārši mainot tā izmēru, var izveidot jaunus materiālus ar pilnīgi atšķirīgām īpašībām. Vielu veidi ir ierobežoti, taču šķiet, ka ar nanotehnoloģiju palīdzību esam ieguvuši neskaitāmas "jaunas vielas".
Otrkārt, nanodaļiņām ir milzīgs virsmas laukums. Viena grama nanomateriālu virsmas laukums var būt futbola laukuma lielumā. Tas padara tos par ļoti efektīviem adsorbentiem un katalizatoriem ar ievērojamu pielietojumu enerģijas uzglabāšanā, ķīmiskajā ražošanā un vides aizsardzībā.
Ražošanai nanomateriāli nozīmē "vieglāku, augstāku un stiprāku".
Vieglāks: no nanomateriāliem izgatavotas ierīces var būt ievērojami mazākas, vienlaikus saglabājot vai pat uzlabojot veiktspēju. Iedomājieties, ka agrīnie datori piepildīja visas telpas, bet mūsdienu mobilie tālruņi ievērojami pārsniedz to agrāko skaitļošanas jaudu{1}}tas ir materiāla miniaturizācijas brīnums.
Augstāks: nanomateriāliem bieži ir izcilas optiskās, elektriskās un magnētiskās īpašības.
Spēcīgāks: nanokeramika var izjaukt tradicionālo priekšstatu par keramiku kā trauslu, izrādot stingrību, kas tuvojas metālu izturībai.
[AI-ģenerēts salīdzinājuma attēls: kreisajā pusē redzama makroskopiskā materiāla struktūra, labajā pusē - nanomateriāla struktūra]
II. Nanomateriāli: jau ir mūsu ikdienas dzīvē
Nanotehnoloģijas izklausās izsmalcināti, taču daži to lietojumi jau ir ienākuši ikdienas dzīvē.
1. Nano-Lietusmēteļi:-Ūdeni atgrūž kā lotosa lapas
Vai esat kādreiz apskaudis ūdens pilienus, kas ripo no lotosa lapām? Nano{0}}lietusmēteļi izmanto līdzīgu principu. Pārklājot auduma virsmu ar nanomēroga silīcija daļiņu slāni, tiek palielināts saskares leņķis starp audumu un ūdeni vai eļļu, neļaujot ūdens pilieniem iekļūt un piespiest tos noripot.
Pašlaik ir divas galvenās tehnoloģijas: viena ir videi draudzīga, bet dārga vakuuma pārklājuma tehnoloģija; otrs ir zemākas-izmaksas, bet potenciāli ūdeni-piesārņojoša iegremdēšanas pārklājuma tehnoloģija. Veiktspējas, izmaksu un vides aizsardzības līdzsvarošana joprojām ir izaicinājums apstrādes rūpniecībai.
[Attēla lejupielādes saite: augstas izšķirtspējas{0}}ūdens pilienu attēls uz auduma - Licencēts attēls 600336933 - Photostock.cn]
2. Nanorobots: nākotnes medicīnas rītausma
Lai gan patiesi nanomēroga, programmējami molekulārie roboti joprojām ir laboratorijas stadijā, nanomēroga manipulācijas ierīces strauji attīstās. Piemēram, skenējošo tunelēšanas mikroskopu (STM) un atomu spēka mikroskopu (AFM) ir zondes ar galiem, kas sasniedz atomu mērogu, kas spēj pārvietot atsevišķus atomus.
Paredzams, ka tuvākajā nākotnē nanoroboti spēs mērķēt uz zāļu piegādi, precīzi noņemt bojājumus un pat labot šūnas in vivo, radot revolūciju medicīnas un veselības jomā. To attīstība ir starpdisciplināras sadarbības paradigma starp ķīmiju, fiziku, bioloģiju, medicīnu un materiālu zinātni.
ASV zinātnieki ir salauzuši gadsimtu{0}}vecu problēmu: nanorobotus var attālināti kontrolēt asinsvados reāllaikā — Phoenix.com konceptuāls attēls ar nanorobotiem, kas darbojas asinsvados
3. Nanosponges: tīrīšanas burvība
Iespējams, esat izmantojis baltu "burvju sūkli", kas noņem traipus bez mazgāšanas līdzekļa, vienkārši to samitrinot. Šīs ir melamīna putas, kas pazīstamas arī kā nanosūkļi. Tā trīs-dimensiju sieta struktūrai ir ārkārtīgi augsta porainība, kas rada spēcīgus adsorbcijas spēkus berzes laikā, noņemot netīrumus, piemēram, īpaši-smalku smilšpapīru.
Šis materiāls ir stabils, izturīgs pret liesmu-, izturīgs pret skābēm un sārmiem, un tas ir pat pārtikas-izturīgs, padarot to par tipisku piemēru veiksmīgai nanoporainu materiālu komercializēšanai.
Enerģijas gaisma: Ķīnas{0}}Lielbritānijas nanoenerģijas materiālu pētniecības centrs — "supersūkļu" mikroskopiskais visums
III. Nākotne ir klāt: kā nanomateriāli mainīs ražošanu?
Nanomateriālu potenciāls pārsniedz to. Tās turpmākās lietojumprogrammas var pilnībā pārveidot vairākas nozares.
Nanoelektroniskās ierīces: padariet datorus mazākus, ātrākus un energoefektīvākus.
Kosmoss un izpēte: kosmosa kuģu ražošana ar vieglākiem un spēcīgākiem nanomateriāliem, ievērojami samazinot palaišanas izmaksas.
Vide un enerģija: ļoti efektīvu nanokatalizatoru un adsorbentu izstrāde piesārņojuma kontrolei un tīras enerģijas ražošanai.
Aizraujošs piemērs ir biotehnoloģijas jomā. Mēs zinām, ka DNS ir dubultās spirāles struktūra, kuras diametrs ir aptuveni desmitiem nanometru. Zinātnieki mēģina izmantot luminiscējošas pusvadītāju daļiņas dažu nanometru lielumā, lai marķētu dažādas DNS daļas. Tas ir kā "laternu" karināšana uz tumšās DNS "pagodas", ļaujot mums skaidri redzēt tās struktūru un izmaiņas, kam ir liela nozīme gēnu izpētē un slimību diagnostikā.
IV. Prātīgs skatījums: "Nano" nav panaceja
Tā kā nano jēdziens kļūst populārs, mums ir jāuzmanās arī no tā "vulgarizācijas". Pēdējos gados tirgū ir parādījušies "nano ledusskapji" un "nano veļas mašīnas". Iespējams, ka tie ir pievienojuši dažas nanodaļiņas, pievienojot dažas antibakteriālas vai viegli -tīrāmas-funkcijas, taču produkta darbības pamatprincips nav mainījies. Tā drīzāk ir mārketinga taktika.
Šobrīd nanomateriālu pielietošana lielākoties vēl ir pulvera pievienošanas sākuma stadijā, kas nav nanotehnoloģiju kodols. Īsta nanotehnoloģija ir saistīta ar precīzu manipulāciju un jaunu īpašību izmantošanu nanomērogā, lai izstrādātu pilnīgi jaunus produktus. Apstrādes rūpniecībā izrāvienu atslēga ir nanomateriālu pārveidošana no vienkāršām "piedevām" par "strukturālajiem materiāliem" vai "funkcionālajiem komponentiem", kas veic pamatfunkcijas.
Secinājums: nanomateriālu pasaule ir pilnīgi jauns lauks, kas veidots no apakšas uz augšu, sākot no atomiem un molekulām. Tas izjauc robežas starp fiziku, ķīmiju, bioloģiju un inženierzinātnēm un rada jaunas paaudzes tehnoloģisko revolūciju.
Uzlabotai ražošanai nanotehnoloģiju izmantošana nozīmē panākt kvalitatīvu lēcienu produkta veiktspējā, enerģijas patēriņā un intelektā. Tomēr tas prasa arī nepārtrauktu fundamentālo izpēti, stingru procesu attīstību un racionālas tirgus cerības.
