Wstęp Nanotechnologia to ogólna nazwa całego zestawu technik i sposobów tworzenia rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych (od 0,1 do 100 nanometrów), czyli na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. Technologia ta umożliwia uzyskiwanie nowych własności urządzeń i systemów poprzez ich miniaturyzację, większą szybkość bądź efektywność działania lub też umożliwienie zintegrowania nowych funkcji w tradycyjnych elementach urządzenia. Stwarza również możliwości wytwarzania nowych urządzeń o niespotykanych dotąd funkcjach. 1 Historia nanotechnologii Historia nanotechnologii sięga lat 50. XX w. gdy Richard P. Feynman wygłosił wykład There's Plenty Room at the Bottom (w wolnym tłumaczeniu Dużo zmieści się u podstaw). Rozpoczynając od wyobrażenia sobie, co trzeba zrobić by zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannikę na łebku od szpilki, Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii mogącej operować na poziomie nanometrowym. Na koniec ustanowił dwie nagrody (zwane Nagrodami Feynmana) po tysiąc dolarów każda. Za wykonanie silnika mieszczącego się w sześcianie o boku nie większym niż 1/64 cala. Wypłacenie pierwszej nagrody było dla Feynmana rozczarowaniem, ponieważ wyobrażał sobie, że osiągnięcie postawionych przez niego celów będzie wymagało dokonania się przełomu technologicznego. Nie docenił jednak możliwości współczesnej mikroelektroniki, bo nagroda została zdobyta przez 35-letniego inżyniera Williama H. McLellana już w roku 1960. Jego silnik ważył 250 mikrogramów i miał moc 1 mw. Za zmniejszenie strony z książki do rozmiaru w skali 1/25 000. Strona taka mogłaby być przeczytana tylko mikroskopem elektronowym. W 1985 na Uniwersytecie Stanford Thomas Newman odtworzył pierwszy akapit Opowieści o dwóch miastach Karola Dickensa w zadanej przez Feynmana skali, wykorzystując w tym celu wiązki elektronowe. Lata 80. i 90. XX w. to okres gwałtownego rozwoju technik litograficznych oraz produkcji ultracienkich warstw kryształów (technologie MOCVD, MBE). Do ważnych osiągnięć technologicznych zaliczyć można: wykonanie napisu IBM przez dwóch fizyków Donalda M. Eiglera i Erharda Schweizera za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego, używając do tego celu 35 atomów; odkrycie fulerenów; metody wiązek molekularnych i wykorzystanie do tworzenia studni kwantowych, drutów kwantowych i kropek kwantowych; odkrycie i badanie właściwości nanorurek. 2 Nanotechnologia a organizmy żywe Warto zwrócić też uwagę, że "nanotechnologię" uprawiają już od dawna wszystkie organizmy żywe. Wiele struktur występujących wewnątrz komórek to rodzaje mikromaszyn, struktura takich naturalnych materiałów, jak drewno, łodygi roślin, kości czy skóra to tworzywa, których struktura jest kontrolowane na poziomie pojedynczych cząsteczek. 1
3 Nanotechnologia obecnie Nanotechnologia jest obecnie bardzo modnym i obiecującym działem nauki o materiałach, bardzo często jest też jednak "słowem-wytrychem", przy pomocy którego próbuje opisać niemal każde badania w dziedzinie technologii materiałowej. Do struktur nanotechnologicznych można zaliczyć: studnie, druty i kropki kwantowe, tworzywa sztuczne, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek można w ten sposób uzyskiwać np. materiały o niespotykanych właściwościach mechanicznych, włókna sztuczne o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, które również posiadają niespotykane właściwości mechaniczne, nanorurki czyli bardzo długie i puste w środku cząsteczki, oparte na węglu w wiązaniach o hybyrydyzacji sp2, nowoczesne układy scalone produkowane np. w wymiarze 45 nanometrów, które charakteryzuje wielkość elementów logicznych (ich ilość w jednym mikroprocesorze sięga setek milionów), materiały rozdrobnione do postaci pyłu o ziarnach będących np. klasterami atomów metalu (na masową skalę wykorzystywane jest srebro w tej postaci, które ma silne właściwości anty bakteryjne). 3.1 Nanorurki Nanorurki węglowe (Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.) są zbudowanymi z węgla strukturami nadcząsteczkowymi, mającymi postać walców ze zwiniętego grafenu (jednoatomowej warstwy grafitu). Najcieńsze mają średnicę rzędu jednego nanometra, a ich długość może być miliony razy większa. Wykazują niezwykłą wytrzymałość na rozrywanie i unikalne własności elektryczne, oraz są znakomitymi przewodnikami ciepła. Te własności sprawiają że są badane jako obiecujące materiały do zastosowań w nanotechnologii, elektronice, optyce i badaniach materiałowych. Rys. 1 Trójwymiarowe struktury jednowarstwowych nanorurek węglowych 2
3.2 Studnie, druty i kropki kwantowe Studnia kwantowa to jednowymiarowy potencjał w kształcie studni powodujący ograniczenie cząstek w jednym wymiarze przez bariery potencjału. W zależności od kształtu funkcji potencjału mamy do czynienia z różnymi rodzajami studni kwantowych. Rys. 2 Nieskończona studnia kwantowa Rys. 3 Skończona prostokątna studnia kwantowa Rys. 4 Paraboliczna studnia kwantowa Rys. 5 Schodkowa studnia kwantowa Druty kwantowe to jednowymiarowe struktury, w których ruch elektronów jest ograniczony w kierunkach poprzecznych, i pozbawiony ograniczeń w kierunku podłużnym. Ograniczeniem tym są najczęściej bardzo niewielkie rozmiary poprzeczne drutu. Taka struktura 3
charakteryzuje się tym, że energie elektronów związane z ruchem poprzecznym są skwantowane, natomiast ruch elektronów w kierunku podłużnym odbywa się tak jak w krysztale masywnym (w szczególnym przypadku jest to ruch swobodnych nośników). To z kolei powoduje, że opór przewodnika i jego przewodność są skwantowane (formuła Landauera). Rys. 6 Drut kwantowy w trójwymiarze Kropka kwantowa niewielki rejon przestrzeni ograniczony w 3 wymiarach barierami potencjału, nazywany tak gdy wewnątrz spułapkowana jest cząstka o długości fali porównywalnej z rozmiarami kropki. Oznacza to, że opis zachowania cząstki musi być przeprowadzony z użyciem mechaniki kwantowej. Ograniczenie ruchu cząstki w trzech wymiarach oznacza kwantyzację w każdym z poszczególnych kierunków. Prowadzi to do sytuacji gdy cząstka może znajdować się jedynie w pewnych stanach, określonych równaniem Schroedingera. Tylko dobrze określone, dyskretne poziomy energetyczne mogą być zajęte przez cząstkę. Z tego powodu kropki kwantowe nazywa się czasem sztucznymi atomami Rys. 7 Kropki kwantowe rosnące na bazie indu, galu i arsenu 4 Nanotechnologia futurologia Terminem nanotechnologia określany jest także nurt zapoczątkowany przez K. Erika Drexlera. Podstawową różnicą między nanotechnologicznymi prądami w nauce końca XX w. i początku XXI wieku a tym nutem jest mechanistyczne podejście do przedmiotu. Wyznawcy nurtu rozpatrują nanotechnologię w kontekście budowania świata cząsteczka po cząsteczce, atom po atomie. Podstawę stanowią nanoroboty mogące działać na poziomie nanometrów (a więc prawie atomowym). Początki nanotechnologii sięgają połowy lat 70. Idea nanotechnologii w tym wydaniu sprowadza się do manipulowania pojedynczymi atomami i strukturami atomowymi (cząsteczkami), przy czym istotne tutaj jest klasyczne podejście do tej manipulacji. 4
Nanorobot (ang. assembler) miałby wyglądać podobnie do klasycznego (wielkości rzędu metrów) robota, posiadać manipulatory, a podstawową różnicą byłby jego rozmiar. Podstawą do konstrukcji tychże robotów miałyby być supercząsteczki oparte na węglu i pierścieniach węglowych. Zaprogramowany robot byłby w stanie tworzyć nowe roboty, a te z kolei następne. W ten sposób armia nanometrowych robotów mogłaby wykonywać pożyteczne czynności. W swoich licznych publikacjach (w tym kilku książkach) K. Eric Drexler wykłada podstawy swojej wizji przyszłej nanotechnologii. W książkach zaprezentowane jest wiele hipotetycznych cząsteczek wieloatomowych mających tworzyć nanotechnologiczne fragmenty urządzeń (np. przekładnia planarna). Wśród pomysłów nanotechnologów znajdują miejsce takie jak: Inteligentna mgła zastępująca pasy bezpieczeństwa w samochodzie. Składać się na nią ma mnóstwo małych nanorobotów z haczykami, które w razie niebezpieczeństwa na drodze chwytają się ze sobą haczykami tworząc gęstą substancję łagodzącą skutki kolizji. Mechaniczny nanokomputer. Komputer oparty na prętach wielkości nanometrów, w którym operacje i stany logiczne są uzyskiwane przez zmianę położeń tychże prętów. Maszyna do robienia dowolnej rzeczy. Skoro możemy zamieniać miejscami atomy i tworzyć nowe cząsteczki, to możemy kazać nanorobotom wykonać np. kawałek upieczonego steku wołowego, wystarczy dostarczyć odpowiednio dużo atomów odpowiednich pierwiastków. Nanotechnologia w tej postaci nie doczekała się jak na razie realizacji i mimo, że w obecnej chwili jest technologicznie możliwe np. sztuczne syntetyzowanie białek, to trudno powiedzieć, że odbywa się to na gruncie tzw. mechanochemii, w której robot dokleja kolejne aminokwasy do powstającej cząsteczki białka. Wynika to głównie stąd, że zachowanie materii na poziomie nanometrów kontrolowane jest przez mechanikę kwantową. Nanotechnolodzy-futurolodzy powołują się na odkrycia technologiczne dokonane w ostatnich latach (np. jednoelektronowy tranzystor, sztuczne atomy kropki kwantowe, fullereny, nanorurki) jednak sposób ich otrzymywania i zastosowania daleko różnią się od tego, co wyobrażają sobie ortodoksyjni przedstawiciele tego nurtu. Bibliografia 1. Nanotechnologia, narodziny nowej nauki, czyli świat cząsteczka po cząsteczce, Ed Regis, Prószyński i S-ka, 2001 2. http://pl.wikipedia.org/wiki/nanotechnologia, 2007-10-17 3. http://pl.wikipedia.org/wiki/nanorurka, 2007-10-17 4. http://pl.wikipedia.org/wiki/studnia_kwantowa, 2007-10-17 5. http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.nist.gov/public_affairs/update/qu antumdots.jpg&imgrefurl=http://www.nist.gov/public_affairs/update/quantumdots.htm &h=298&w=300&sz=98&hl=pl&start=9&um=1&tbnid=5j5cjru27epotm:&tbnh=115&tbn w=116&prev=/images%3fq%3dquantum%2bdots%26svnum%3d10%26um%3d1%26hl% 3Dpl%26rlz%3D1T4HPNN_en PL208%26sa%3DN, 2007-10-17 5
SPIS ILUSTRACJI RYS. 1 TRÓJWYMIAROWE STRUKTURY JEDNOWARSTWOWYCH NANORUREK WĘGLOWYCH 2 RYS. 2 NIESKOŃCZONA STUDNIA KWANTOWA 3 RYS. 3 SKOŃCZONA PROSTOKĄTNA STUDNIA KWANTOWA 3 RYS. 4 PARABOLICZNA STUDNIA KWANTOWA 3 RYS. 5 SCHODKOWA STUDNIA KWANTOWA 3 RYS. 6 DRUT KWANTOWY W TRÓJWYMIARZE 4 RYS. 7 KROPKI KWANTOWE ROSNĄCE NA BAZIE INDU, GALU I ARSENU 4 6
SPIS TREŚCI WSTĘP... 1 1 HISTORIA NANOTECHNOLOGII... 1 2 NANOTECHNOLOGIA A ORGANIZMY ŻYWE... 1 3 NANOTECHNOLOGIA OBECNIE... 2 3.1 NANORURKI... 2 3.2 STUDNIE, DRUTY I KROPKI KWANTOWE... 3 4 NANOTECHNOLOGIA FUTUROLOGIA... 4 BIBLIOGRAFIA... 5 SPIS ILUSTRACJI... 6 7