A nano mérettartomány A nanotudomány a nagyon kis dolgok tudománya. A „nano” a -9 mértékegységek 10 -szeresének előtagja. A nanométer a méter egy milliárdod része (egy milliméter milliomod része). A nanotartomány definíció szerint az 1 nm és 100 nm közé eső méreteket jelöli. DNS
Vörös vértest
Hajszál
Bolha
Kutya
~ 6 μm átmérő
~ 80 μm átmérő
~ 3 mm hosszúság
~1m hosszúság
~2.5nm átmérő
1 nanométer
1 milliméter
1 mikrométer
10-9
10-6
1 méter
10-3
100
Kép: M. Zhang, University of Dallas, Texas
10-9 m makromolekulák: Vírus Szén nanocsövek Fullerén (átmérő: 10 nm) (átmérő: 50 nm) (átmérő: ~1nm)
1 nm
10 nm
10-8 m Nanohuzal 10-7 m Látható fény (átmérő: 50 - 100nm) (hullámhossz: 380-740nm)
100 nm
1000 nm
A nanotudomány atomok és molekulák csoportjaival foglalkozik. Ezek olyan nanoanyaggá szerveződnek, melynek legalább egy dimenziója a nanotartományba esik.
3,5 arany atom
Nano a Természetben Tudtad? Sok állat és növény olyan kivételes tulajdonsággal rendelkezik, amit a bennük található nanostruktúráknak köszönhet! A pillangók és lepkék csodálatos színei a szárnyaik nanostruktúrájából erednek.
~2nm
~5nm
Kép forrása: S. Yoshioka, Osaka University, Japan
Kép forrása: A.Dhinojwala, University of Akron
Kép forrása : C. Mathisen, FEI Company
www.nanoyou.eu
Kép forrása: C. Mathisen, FEI Company
Kép forrása: A.Kellar, Lewis & Clark College
A gekkók fejjel lefelé is képesek sétálni, még vizes és koszos felületen is. A talpukat nem ragasztó borítja, hanem több millió nanoszál, ami lényegesen megnöveli annak felületét!
Miért különleges a nano? A nanotudomány nem csak az apró dolgok tudománya. Ide tartozik az olyan anyagok vizsgálata is, amelyek a kis mérettartomány miatt rendkívüli jelenségeket, tulajdonságokat, illetve funkcionalitást mutatnak. Látható tulajdonságok Az anyag méretének változásával változhat annak színe is. Kadmium-tellurid
Arany
NANO
CdTe nanorészecskék. A. Eychmüller , Technische Universität Dresden
MAKRO ~2nm
MAKRO
Növekvő méret
Ugyanannak az anyagnak igencsak eltérő (akár teljesen ellentétes!) tulajdonságai lehetnek a nanotartományban, mint amiket makroszkopikus méretben mutat. Mechanikus és elektromos tulajdonságok A grafit törékeny és elektromos vezető anyag. FÉLVEZETŐ FÉMES A szén nanocsövek olyanok, mint a feltekert grafén lapok… Azonban teljesen eltérő tulajdonságokkal Tudtad? A szén nanocsövek sokkal rendelkeznek. erősebbek, mint az acél, de annál sokkal könnyebbek, és még elektromos vezetők is lehetnek.
A grafit egy atomi síkját nevezzük grafénnak.
Reakcióképesség Ha veszel egy anyagtömböt és feldarabolod sok különálló egységre, nanorészecskére, akkor a teljes tömege nem változik, viszont a felületük összeadva sokkal de sokkal nagyobb lesz, mint az eredeti anyagé! A nagyobb felület azt jelenti, hogy …. Változik a katalitikus aktivitás hatásfoka
Növekvő felület
Változik a forráspont
www.nanoyou.eu
Változik az oldhatóság Változik a reakcióképesség
Nanotechnológia az orvoslásban A nanotechnológia olyan új eszközöket biztosít, amivel megérthetünk, láthatóvá tehetünk és kezelhetünk bizonyos megbetegedéseket. A nanoanyagokat olyan funkciókkal láthatjuk el, melyek segítségével kölcsönhatásba tudnak lépni a sejtekkel és azok alkotóelemeivel (fehérjék, lipidek, DNS, stb.). Ha a nanoanyagokat megfelelő tulajdonságokkal ruházzuk fel, előidézhetnek vagy megállíthatnak bizonyos metabolikus reakciókat. A nanoanyagok sokszor akkorák (vagy még kisebbek), mint a legtöbb biológiai szerkezet vagy folyamat.
Betegségek megértése A legtöbb betegségnek még mindig ismeretlenek az okai, de a nanotechnológia jelenlegi fejlettsége lehetővé teszi, hogy az eddigieknél mélyebben vizsgálhassuk a biológiai folyamatokat.
Egy amyloid szál AFM berendezéssel készült képe. Feltételezések szerint ez az anyag felelős pl. az Alzheimer kórért. [Forrás: T. Knowles, University of Cambridge]
Betegségek kezelése •Hagyományos esetben a gyógyszereket szájon át, vagy injekció formájában vesszük be. Ez esetenként problémákhoz vezethet: •A terápiás hatás csökkenhet az alatt az idő alatt, amíg a gyógyszer eléri a célterületet. •Az injekciók néha fájdalmasak, beadásuk nehézkes, drága és időnként veszélyes lehet. • A cél olyan gyógyszereket fejleszteni, amelyek kizárólag az adott megbetegedést veszik célba, gyorsan, pontosan és mellékhatások nélkül gyógyítanak. •A nanoméretű gyógyszer-célbajuttató rendszerek lehetnek: •Cél specifikusak, így az egészséges sejtek nem károsodnak és kevesebb gyógyszer szükséges. •Időzített felszívódásúak (a hatóanyagot a kezelés ideje alatt folyamatosan bocsátják ki magukból). •Hogyan? •A legtöbb nanoméretű gyógyszercélbajuttató rendszer a molekulákat biokompatibilis polimer rétegbe csomagolva, vagy pedig nanoméretű kapszulákban tárolja.
Képalkotás Figyelmesen megtervezett és szintetizált többfunkciós nanorészecskék alkalmassá tehetők arra, hogy csak a testünk egy bizonyos alkotórészéhez kötődjenek (pl. rákos sejtek, koleszterin). Ha képalkotó rendszerekkel láthatóvá tesszük ezeket, jelölőként alkalmazhatók, és az orvosok nyomon tudják követni a betegség súlyosságát és elterjedését.
Ezek a képek többmódusú képalkotó technikával készültek egy érszűkületről. A betegség megjelenítéséhez nanokristállyal módosított nagy sűrűségű lipoproteint használtak. [Forrás: Cormode et al, Nano Letters 8 (11) 3715 Copyright 2008 American Chemical Society]
www.nanoyou.eu
Sérült szövetek helyreállítása Új biokompatibilis kompozit anyagokat állíthatunk elő, amelyeket a szervezetünk a sérülések javítására használhat fel (pl. nanoporózus anyagok és biokompatibilis polimerek).
A képen egy, az agyszövet manipulációjának és az idegek regenerálódásának tanulmányozására növesztett szövetet láthatunk. A felvétel pásztázó elektronmikroszkóppal készült. [D Nisbet, Monash University, NISE Network, www.nisenet.org, licensed under NISE network terms and conditions.]
Labor a chipen és bioérzékelők •Nagy érzékenységű miniatűr diagnosztikai eszközöket fejlesztünk azért, hogy pontos, gyors diagnózist kapjunk kis mennyiségű folyadékból. •A mintákat nem kell analízis céljából laboratóriumba küldeni, ezzel időt és erőforrásokat takaríthatunk meg. •Az apró diagnosztikai eszközök bioérzékelőkből, mikroméretű érzékelőmátrixokból és chipre integrált laboratóriumból (‘labon-a-chip’, LOC) állnak. Ezeket miniatürizált teljes analitikai rendszereknek hívjuk (µTAS). Labor a chipen (lab-on-a-chip) •Ezek miniatürizált integrált laboratóriumok, amik segítségével biológiai mintákat (pl. vért) különíthetünk el és vizsgálhatunk egyetlen eszköz segítségével. •Az eszközök mikroelektronikai rendszerbe integrált mikrofluidikai rendszereket tartalmaznak, melyek kis méretű pumpákból és szelepekből állnak. Ezek a rendszerek egy vagy több érzékelőt is magukba foglalhatnak. •Nanotechnológia segítségével lekicsinyíthetjük az alkatrészeket és javíthatunk bizonyos funkciókat, pl. nanoméretű elektródák vagy nanopórusos membránok alkalmazásával. Bioérzékelők •A bioérzékelőket úgy tervezik, hogy specifikusan csak egyetlen biomolekula-fajtát ismerjen fel: képes legyen felismerni és jelezni a jelenlétét, aktivitását vagy a koncentrációját. Ilyenek például: Rezgőnyelves érzékelők Az érzékelők felületét egy nanométer-vékonyságú bevonattal funkcionalizáljuk, amit úgy terveznek, hogy egy adott biomolekulát ismerjen fel. [Forrás: M. Lorenzen, iNANO, University of Aarhus]
Nanoszálas érzékelők A nanoszálak felületét úgy lehet funkcionalizálni, hogy ahhoz bizonyos molekulák erősen kötődnek, ezzel pedig megváltoztatják az eszköz elektromos tulajdonságait. A pásztázó elektronmikroszkópos felvételen egy nano-bioszenzor szilícium nanoszálai láthatók [P Mohanty, Boston University, NISE Network, www.nisenet.org, licensed under NISE network terms and conditions.]
A gyógyítás jövője – a teranosztika •A nanotechnológia segítségével lehetségessé vált a betegség diagnosztizálásának, képi megjelenítésének, terápiájának és a változás követésének integrálása egyetlen folyamatban. Ez a teranosztika. •A gyógyszereket nanorészecskékhez (pl. kvantumpöttyökhöz) köthetjük, amik megváltoztatják valamely tulajdonságukat (pl. a színüket), amint a gyógyszer célba ért. •Ez egy lassú, célzott gyógyszer-kibocsátási folyamattal együtt is alkalmazható. Miközben a gyógyszerek kifejtik hatásukat, a nanorészecskék megváltoztatják a színüket, így az orvosok információt kaphatnak a terápia folyamatáról. •Jó példa a teranosztikára az arany nanorészecskék használata: ezek egy időben a rákos sejtek megjelenítésére és kezelésére is alkalmasak. A mikroszkóp tárgylemezére felvitt arany nanorészecskék optikai mikroszkóppal készült felvétele [G.Koeing, University of Wisconsin-Madison NISE Network, www.nisenet.org, licensed under NISE network terms and conditions.]
Energia és környezet A nanotechnológia lehetővé tette az energia-átalakítás fejlődését és csökkentette az energiafogyasztást. Miközben a világ olcsó és bőséges energiaforrásokban reménykedik, a fosszilis ásványkincsek lassan elapadnak. A nanotechnológia jelentős szerepet kaphat az energiafogyasztás csökkentésében és az energiatermelés növelésében. Ez a fejlődés az új energiaforrások kutatásának, újabb kompozit anyagok előállításának, az akkumulátor technológiák fejlődésének, valamint kisebb energiafogyasztású eszközök fejlesztésének köszönhető. Ezen túlmenően, a nanotechnológia segíthet egyes környezetvédelmi problémák megoldásában azáltal, hogy lehetővé teszi a nanokatalízis, új szűrőberendezések, vagy az antibakteriális bevonatok felhasználását.
Festék alapú napelemek: A napfényből molekuláris szinten állítanak elő elektromos áramot. Hagyományos napelemek
Festék alapú napelemek („Grätzel-cellák”)
A hagyományos szilícium alapú napelemek szendvicsszerkezetűek, bennük nagy tisztaságú kristályok helyezkednek el egymáson. Előnye: •A konverzió jó hatásfokú.
• A nanostrukturált félvezető anyag felületére fényérzékeny festéket hordanak fel (ezek fényelnyelőek és úgy viselkednek, mint egy molekuláris antenna). • A nanostrukturált félvezető anyagnak óriási a belső felülete, éppen azért, hogy a fényelnyelést maximalizálni, a cella méretét pedig csökkenteni lehessen.
Hátránya: •Drága. •A napelemek gyártásához sok energia kell. •A fényt csak bizonyos hullámhossz-tartományban hasznosítja.
• A fényt nem a félvezető anyag, hanem elsősorban a festékmolekulák fogják fel. Ez azt jelenti, hogy a napelem nagyobb spektrumot tud felhasználni.
Megoldások: • Olyan szilícium nanokristályok fejlesztése és gyártása, amelyek több napenergiát nyelnek el. • A természetes fotoszintézis folyamatát lemásoló, ún. biomimetikus megoldások kifejlesztése. A nanoszerkezetű napelemek olcsó, bőséges energiaellátást tesznek lehetővé.
Hagyományos napelem cella
Az ilyen típusú napelemben lejátszódó folyamatok a fotoszintézist másolják. Átlátszó elektróda Elektrolit
Egy általános festékalapú napelem cella sematikus ábrázolása [forrás: M. R. Jones, Wikipedia Commons]
Fény Festék Hátsó elektróda
A kép a Nanoscience Centre, University of Cambridge hozzájárulása
A nanotechnológia és a környezet A világ számos pontján, de főként a fejlődő világban, rengeteg környezetvédelmi problémát találunk. A nanotechnológia ezek közül néhányra olcsó és egyszerű megoldást tud adni, például: •Nanokatalízissel – pl. a kén eltávolítása a nyersolajból. •Nanoszűrőkkel – pl. a baktériumok és vírusok eltávolítása az ivóvízből. •Sótlanítással – a tengervízből ivóvíz előállítása. •A föld termőképességének javításával – pl. nanopórusos anyagokkal a termőföld vízvisszatartási képességének, vagy tápanyagösszetételének javítása. •Antibakteriális bevonatokkal – pl. ezüst nanorészecskék használata bevonatokban vagy textíliákban, azért, hogy megöljék a baktériumokat. Copyright © Interdisciplinary Nanoscience Centre (iNANO), Aarhus University 2008
Az energiafogyasztás csökkentése Energiafelhasználásunk számos módon csökkenthető: •Kompozit anyagokkal (nanoanyagokat hagyományos anyagokkal keverünk): • Növelhető a hőszigetelés mértéke. • Csökkenthető az üzemanyag-felhasználás, pl. a közlekedésben használt járművek súlyának, vagy a súrlódási erők csökkentésével. •Fejlett fűtési és világítási rendszerek • A hagyományos izzószálas villanykörtéket új, félvezető nanorészecskéken alapuló fénykibocsátó eszközökre cserélhetjük. •Akkumulátorok • Hosszabb élettartam és megnövekedett töltéstárolási idő. James Bendall, University of Cambridge
Nanokatalízist használnak a kén nyersolajból történő eltávolításához. A kép két molibdén-diszulfid nanoklasztert ábrázol, mindkettő 15 Mo és 42 S atomot foglal magában.
www.nanoyou.eu
A biztonságos ivóvízhez jutás óriási gond sok közösségben. Olyan termékek, mint pl. a Lifesaver palack, nanoszűrők segítségével távolítják el a vízből a vírusokat és a baktériumokat.
Szén nanocsövek felhasználásával kompozit anyagok állíthatók elő. Ezek hatszor könnyebbek, de tízszer erősebbek, mint az acél.
A. Eychmüller , Technische Universität Dresden
Az olyan anyagok, mint a kvantumpöttyök (félvezető nanorészecskék) felhasználhatók alacsony fogyasztású fénykibocsátó eszközök készítésére (light emitting devices, LED)
A nanotechnológia és az IKT CPU tranzisztor-számok változása Moore törvénye szerint (1971-2008)
A méretcsökkentés és a nanotechnológia
Újabb kihívások ösztönzik a miniatürizálást. Ahogy a felhasznált félvezetők, fémek és szigetelők méretei a nanotartományba csökkennek, a tulajdonságokat a kvantumhatások határozzák meg és uralják. A nanotechnolológia olyan megoldásokat kínál, aminek segítségével nem szükséges elkerülnünk ezeket a kvantumhatásokat, hanem éppen ellenkezőleg – kiaknázhatjuk őket az integrált áramkörök következő generációjának fejlesztésekor. A folyamatos méretcsökkentést a most használt eszközökkel és eljárásokkal nem lehet mindörökké fenntartani, új megközelítésre van szükség.
Tranzisztor darabszám
Az információs és kommunikációs technológiák (IKT) ágazata gyors bővülésen esett át, miközben munkánkat és egyéb társadalmi tevékenységeinket átalakították az új technológiák. Ehhez gyorsabb számítógépekre volt szükség, amit a kisebb méretű tranzisztorok gyártásának fejlődése tett lehetővé. A tranzisztorokból, méretük csökkenésével egy integrált áramkörben egyre többet lehet elhelyezni, ami növeli a számítógépek teljesítményét. Moore törvénye szerint az integrált áramkörön elhelyezkedő tranzisztorok száma kétévente megduplázódik.
Bevezetés éve
Az ábra az egy chipen elhelyezett tranzisztorok számának növekedését mutatja, ami Moore törvényének előrejelzését követi. [A kép felhasználását http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Wgsimon, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 licenc tette lehetővé]
Az IKT fejlődőben levő ágai Az eszközök gyorsabbak, nagyobb teljesítményűek lesznek és több funkcióval rendelkeznek majd, hála a nanotechnológiának. A hagyományos tranzisztorgyártók egymással versengenek az egyre kisebb tranzisztorok piacán. Az új architektúrák és a gyártás összetettebbé válása lehetővé teszi, hogy egyre fejlettebb áramköröket állítsanak elő.
A nanoanyagokban rejlő tulajdonságokat kihasználva végezhetünk számításokat is, így a jövő számítógépei nem szükségszerűen szilíciumtechnológiát használnak majd. Ilyenek lehetőségeket adnak pl. a nanoszálak vagy kvantumpöttyök.
Az új gyártási technológiák lehetővé teszik, hogy megfelelő tulajdonságú áramkörök felhasználásával hajlítható és nyújtható eszközöket hozzunk létre. Az eszközöket teljesítményromlás nélkül feltekerhetjük vagy összehajthatjuk.
500nm
Kép az Intel 45nm-es ''Penryn'' szeletén elhelyezkedő processzorokról.
Egy egyszerű cink-oxid nanoszál alapú memóriaegység. Minden egyes nanoszál átmérője kisebb mint 100 nm.
Gumiszerű hordozófelületre felvitt szerves félvezető molekulákból kialakított rugalmas vékonyréteg-tranzisztorok.
Élet a miniatürizálás után: A nanotechnológia eredményeinek beépülése használati tárgyainkba Az IKT szektor fejlődése lényegesen többet jelent, mint csupán az „elektronika” (vagyis azok az eszközök, amelyek helyettünk végeznek feladatokat). Új elképzelések láttak napvilágot arra vonatkozóan, hogy az elektronikus eszközöket a ruhánkba integrálva, vagy a környezetünkben elhelyezve, létrehozzunk egy eszközhálózatot, valamiféle „minket körülvevő intelligenciát”. A jövő mobilkommunikációs eszközei több feladatot is elláthatnak, jóval többet, mint a mostani modellek. Az óriás mágneses ellenállás (GMR) technológiája
Vezeték nélküli érzékelés és kommunikáció
Számos elektronikai termékben van olyan alkatrész, ami a GMR-nek hívott technológia elvén működik. A mágneses és a nem mágneses vékonyrétegekből álló szerkezet elektromos ellenállása – a vezérlő mágneses tér hatására – hirtelen és nagy mértékben változik meg.
•Új akkumulátor és tápellátási megoldások. •Alkalmazkodóképesség. •Átlátszó elektronika és új kijelzők. •Funkcionális felületek, pl. öntisztuló. •A környezet monitorozását szolgáló © Nokia Research Centre érzékelő technológiák. A Morph nevet viselő kísérleti •Textíliába integrált eszközök. mobiltelefon olyan nanotechnológiai megoldásokat alkalmaz, ami radikálisan változtathatja meg az eszközeinket.
A legújabb számítógépes merevlemezek olvasófejei már GMR-t használnak. [A kép felhasználását a : http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Mfield, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0 tette lehetővé]
Újfajta kijelzők, pl. organikus fénykibocsátó diódák (OLED)
Olyan szerves molekulából készült vékonyrétegek, amelyek egyszerűen felvihetők egy adott felületre. Előnyei •Kevesebbet fogyaszt, mint az LCD kijelző. •Jó a képminősége. •Jóval vékonyabb és könnyebb, mint az LCD panel. •Jól látható napsütésben, illetve különböző látószögből is.
www.nanoyou.eu
Hátrányai •A molekuláris bomlás miatt alacsony élettartamú. •A molekulák érzékenyek a nedvességre, emiatt drága csomagolásra van szükség. •Jelenleg költséges elektródaanyagok használata szükséges.
Kb. 200 nm vastag OLED felület. [R. Ovilla, University of Texas at Dallas, NISE Network, www.nisenet.org, licensed under NISE network terms and conditions.]
