Wspólnotowe badania naukowe KOMISJA EUROPEJSKA Nanotechnologia Innowacje dla świata przyszłości INFORMACJE OGÓLNE NANOTECHNOLOGIE I NANONAUKA, WIELOFUNKCYJNE MATERIAŁY OPARTE NA WIEDZY ORAZ NOWE PROCESY I URZ ĄDZENIA
Czy jesteś zainteresowany europejskimi badaniami naukowymi? RTD info to nasz kwartalnik, który umożliwia zapoznanie się z najistotniejszymi nowinami (wynikami, programami, wydarzeniami, itp.). Magazyn dostępny jest w języku angielskim, francuskim i niemieckim. Istnieje możliwość otrzymania próbnego egzemplarzaj lub darmowej prenumeraty, wysyłając zamówienie na podany poniżej adres: European Commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit B-1049 Brussels Fax (32-2) 29-58220 E-mail: research@ec.europa.eu Internet: http://ec.europa.eu/research/rtdinfo/index_en.html Wydawca: KOMISJA EUROPEJSKA Dyrekcja Generalna ds. badań naukowych Dyrekcjat G Technologie przemysłowe Jednostka G.4 Nanonauka i nanotechnologia Kontakt: Dr. Renzo Tomellini, Dr. Angela Hullmann E-mail: renzo.tomellini@ec.europa.eu, angela.hullmann@ec.europa.eu Url: cordis.europa.eu/nanotechnology/
KOMISJA EUROPEJSKA Nanotechnologia Innowacja dla świata przyszłości Niniejsza broszura powstała w wyniku projektu finansowanego przez niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF), a realizowanego przy udziale Centrum Technologii Niemieckiego Stowarzyszenia Inżynierów (VDI-TZ). Komisja Europejska wyraża wdzięczność niemieckiemu ministerstwu za wyrażenie zgody na przetłumaczenie tej publikacji i udostępnienie jej społeczności europejskiej. Chcielibyśmy wyrazić szczególne podziękowania dla Dr Rosity Cottone (BMBF) i Dr Wolfganga Luthera (VDI-TZ) za ich wsparcie podczas koordynacji działań. Wydawca: Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Badań Naukowych Opracowanie: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, Berlin Koordynacja: Dział Technologii Przyszłości, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf Auhor: Dr. Mathias Schulenburg, Kolonia Opracowanie graficzne: Suzy Coppens, BergerhofStudios, Kolonia Dyrekcja Generalna ds. Badań Naukowych 2007 Nanonauka i Nanotechnologia EUR 21152PL
Serwis Europe Direct umożliwia pomoc w uzyskaniu odpowiedzi na pytania dotyczące spraw związanych z Unią Europejską Bezpłatny telefon kontaktowy: 00 800 6 7 8 9 10 11 INFORMACJA DOTYCZĄCA KWESTII PRAWNYCH: Zarówno Komisja Europejska, jak i żadna inna osoba działająca w imieniu Komisji, nie ponosi odpowiedzialności za wykorzystanie zamieszczonych tu informacji. Wyłączną odpowiedzialność za poglądy wyrażane w niniejszej publikacji ponosi jej autor. Poglądy te nie muszą odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej. Wiele informacji dodatkowych na temat Unii Europejskiej można uzyskać za pośrednictwem internetu. Są one dostępne na serwerze Europa (http://ec.europa.eu). Dane katalogowe zamieszczono na końcu niniejszej publikacji. Luksemburg: Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, 2007 ISBN 92-79-00885-4 Wspólnoty Europejskie, 2007 Powielanie dozwolone jest pod warunkiem podania źródła. Printed in Belgium WYDRUKOWANO NA BIAŁYM PAPIERZE BEZ ZAWARTOŚCI CHLORU
Przedmowa Nanotechnologia jest nowym podejściem badawczym, które odnosi się do zrozumienia i doskonalenia właściwości materii w skali nano: jeden nanometr (jedna miliardowa metra) to długość małej cząsteczki. W takim wymiarze materia wykazuje zupełnie inne, częstokroć zaskakujące właściwości, w wyniku czego tradycyjnie wyznaczone granice pomiędzy dyscyplinami naukowymi i technicznymi ulegają zatarciu. Dlatego działania w zakresie nanotechnologii mają charakter wyrażnie interdyscyplinarny. Często twierdzi się, że nanotechnologia posiada potencjał destruktywny bądź rewolucyjny w sensie możliwości wpływu na przemysłowe techniki produkcji. Nanotechnologia oferuje potencjalne rozwiązania wielu bieżących problemów poprzez wykorzystanie mniejszych, lżejszych, szybszych i bardziej wydajnych materiałów, podzespołów i systemów, co prowadzi do powstawania nowych szans tworzenia dobrobytu i nowych miejsc pracy. Oczekuje się również, że nanotechnologia wniesie istotny wkład w proces rozwiązywania problemów globalnych i zmagania się z wyzwaniami ekologicznymi poprzez opracowywanie produktów i realizację procesów o bardziej konkretnych zastosowaniach, przyczyni się do oszczędzania zasobów i zmniejszenia emisji zanieczyszczeń. Obecnie na całym świecie rozwój nanotechnologii nabiera znacznego tempa. Stosunkowo wcześnie, bo już w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku, środowiska europejskie zaczęły inwestować w liczne programy w zakresie nanonauki. Z czasem opracowano solidne podstawy naukowe, a obecnie niezbędne jest zapewnienie przemysłowi i społeczności europejskiej możliwości czerpania korzyści wypływających z tej wiedzy poprzez opracowywanie nowych produktów i procesów. Nanotechnologia jest tematem najnowszej publikacji Komisji Europejskiej ( W kierunku europejskiej strategii w zakresie nanotechnologii ). W publikacji tej nie tylko zasugerowano, iż należy promować badania w zakresie nanonauki i nanotechnologii, lecz wskazano także kilka innych, niezależnych czynników, jakie powinniśmy wziąć pod uwagę: Lepsza koordynacja krajowych programów badawczych i inwestycji służąca także temu, żeby Europa dysponowała odpowiednimi zespołami i właściwą infrastrukturą ( bieguny doskonałości ), mogącymi konkurować na szczeblu międzynarodowym. Jednocześnie do osiągnięcia odpowiedniej masy krytycznej niezbędna jest współpraca pomiędzy organizacjami badawczymi reprezentującymi sektor publiczny i prywatny w całej Europie. Nie można pominąć innych czynników konkurencyjności, takich jak odpowiednia metrologia, przepisy i prawa własności intelektualnej, przygotowujące grunt dla innowacji przemysłowej i prowadzące do osiągania korzyści w zakresie konkurencyjności, zarówno dla dużych, jak i małych i średnich przedsiębiorstw. Niezwykle istotne są działania związane z edukacją i szkoleniem, w szczególności Europa powinna podjąć działania zmierzające do zwiększenia przedsiębiorczości naukowców i pozytywnego nastawienia technologów w odniesieniu do zmian. Realizacja prawdziwie interdyscyplinarnych badań poświęconych nanotechnologii może wymagać także opracowania nowego podejścia do edukacji i szkolenia w zakresie badań naukowych i przemysłu. Aspekty społeczne (takie jak informacja i komunikacja w obrębie danej społeczności, zagadnienia związane ze zdrowiem i środowiskiem oraz ocena ryzyka) stanowią dalsze istotne czynniki dla zapewnienia odpowiedzialnego kształtowania rozwoju nanotechnologii i spełniania oczekiwań społecznych. Dla długotrwałego rozwoju nanotechnologii i jej skutecznego zastosowania decydująca będzie wiara społeczeństwa i inwestorów w tę dziedzinę. Celem niniejszej publikacji jest ukazanie istoty nanotechnologii i potencjalnych korzyści, jakie ma do zaoferowania Europejczykom. Nicholas Hartley p.o. dyrektora jednostki Technologie przemysłowe Dyrekcja Generalna ds. badań naukowych Komisja Europejska
Spis treści 3 Przedmowa 4-5 Spis treści Podróż w nanokosmos 6-7 Atom: Dawna idea i nowa rzeczywistość 8-13 Nanotechnologia w przyrodzie Narzędzia i procesy 14-15 Oczy dla nanokosmosu 16-17 Przyrządy do pisania 18-19 Impulsy dla nauki 20-21 Projektowanie materiałów w nanoskali
Nanotechnologia dla społeczeństwa 22-27 Świat w sieci: nonoelektronikaoelektronika 28-29 Nanotechnologia w przyszłej codzienności 30-33 Motoryzacja 34-37 Zdrowie 38-41 Energia i środowisko 42-43 Nanotechnologia dla sportu i rekreacji 44-45 Wizje 46-47 Szanse i niebezpieczeństwa Dalsze informacje 48 Jak zostać nanoinżynierem? 49 Osoby do kontaktu, linki, bibliografia 50-51 Słownik 52 Wykaz ilustracji
Podróż w nanokosmos Amedeo Avogadro (1776-1856), profesor fizyki w Turynie, dzięki któremu kropla deszczu stała się obliczalna. Atom: Dawna idea i nowa rzeczywistość Nasz świat materialny składa się z atomów. Stwierdził to już około 2400 lat temu grecki myśliciel Demokryt. Współcześni Grecy podziękowali mu za to wizerunkiem na dziesięciodrachmowej monecie. Monet tych było bardzo wiele w obiegu, podobnie jak atomów. Kropla deszczu zawiera ich aż 1.000.000.000.000.000.000.000, ponieważ atomy są maleńkie, mają rozmiary rzędu jednej dziesiątej nanometra, a nanometr to jedna milionowa milimetra. Stosunek średnicy atomu magnezu do średnicy piłeczki tenisowej jest równy stosunkowi średnicy piłeczki tenisowej do średnicy Ziemi. Pomyślmy o tym, gdy będziemy połykać kolejną tabletkę magnezu! Lukrecjusz, rzymski literat, kilka wieków później napisał wiersz o atomach: "Kosmos składa się z nieskończonej przestrzeni i nieskończonej liczby nierozkładalnych cząstek, atomów, których różnorodność form też jest nieskończona.... Atomy różnią się tylko kształtem, wielkością i ciężarem, są nieprzenikalnie twarde, niezmienne, są granicą fizycznej podzielności " Wiedziano więc już wtedy bardzo wiele, choć tylko na podstawie czystej spekulacji. Później przez długi czas nie myślano o takich sprawach. W siedemnastym wieku słynny astronom Johannes Kepler zastanawiał się nad płatkami śniegu, o których napisał w 1611 roku, że swoją regularną formę mogą zawdzięczać jedynie prostym, jednolitym cegiełkom. Pojęcie atomu odzyskało popularność. 6 Duch Demokryta unosi się nad nano-sceną, morzem nieskończenie wielu możliwości.
Uczeni, którzy zajmowali się minerałami i kryształami, coraz częściej traktowali atomy jako coś oczywistego. Jednak dopiero w 1912 roku na uniwersytecie w Monachium udało się przeprowadzić bezpośredni dowód: kryształ chalkantytu rozdzielał światło rentgenowskie podobnie jak materiał parasola rozdziela światło latarni kryształ musiał składać się z atomów, tworzących uporządk o w a n ą strukturę, jak włókno materiału parasola albo pryzma pomarańczy na straganie. Nowoczesne przyrządy analityczne umożliwiają obecnie oglądanie tych bardzo złożonych nanoskopowych elementów żywej materii. Wreszcie w latach osiemdziesiątych XX wieku opracowano narzędzie w postaci skaningowego mikroskopu tunelowego, który umożliwia nie tylko obrazowanie poszczególnych atomów w krysztale, ale nawet ich przesuwanie (chociaż wiele osób pierwsze obrazy uznało za oszustwo). Przygotowano tym samym scenę dla radykalnie nowego podejścia naukowego: nanotechnologii. Strukturę nanomaszyn, takich jak rybosomy, odtworzyła krystalograficznie Ada Yonath, DESY. Powód, dla którego atomy w krysztale układają się tak regularnie, jest prosty: materia zapewnia sobie jak najwięk szą wygodę, a najwygodniejsza jest struktura uporząd- kowana. N a w e t orzechy w misce, gdy się n i m i potrząśnie, tworzą regularne wzory, a atomom przychodzi to znacznie łatwiej. Atomy manganu zostały wykorzystane przez profesora Berndta z Kilonii do odtworzenia logo Uniwersytetu Christiana Albrechta. Proste wzory nie zawsze jednak są najłatwiej powielane. Napędzana siłą samoporządkowania, materia Ziemi przez miliardy lat przybrała formy fantastycznie skomplikowane, a w niektórych przypadkach nawet ożywione. 7
Nanotechnologia w przyrodzie Nanotechnolodzy bardzo lubią przyrodę ożywioną. W ciągu czterech miliardów lat swego istnienia natura znalazła wiele zadziwiających rozwiązań problemów, jakie napotykała. Cecha charakterystyczna: życie uporządkowuje materię aż do najdrobniejszych szczegółów, do poziomu atomów. I to również jest celem nanotechnologów. Atomy nie są lubiane. Słysząc o nich, myślimy o gwałtownych wybuchach albo niebezpiecznym promieniowaniu. Dotyczy to jednak wyłącznie technik, które zajmują się jądrem atomowym. Nanotechnologia zajmuje się powłokami atomowymi jej rola rozgrywa się w tej właśnie skali. Aby jednak usunąć wszelkie wątpliwości co do tego, że atomy naprawdę są tworem całkiem zwyczajnym, a w odpowiednich połączeniach nawet mogą dobrze smakować, jako miejsce startu w nanokosmos wybraliśmy najnormalniejszy ser. Gatunek Mimolette pochodzi z Flandrii. Powierzchnia pokryta małymi dziurkami każe przypuszczać, że ser jest zamieszkały. Producenci Mimolette odkryli, że aktywność roztoczy poprawia aromat tego sera. Roztocza mają wielkość jednej dziesiątej milimetra. Specjalny skaningowy mikroskop elektronowy, ESEM, umożliwia obserwowanie ich na żywo. Jak każdy żywy organizm, roztocza są zbudowane z komórek. Komórki te maja rozmiary w skali mikrometrowej. W komórce znajduje się bardzo skomplikowana maszyneria. Jej ważną częścią są rybosomy, które tworzą wszystkie możliwe cząsteczki białka zgodnie z kodem substancji dziedzicznej DNA. Rząd wielkości rybosomów to 20 nanometrów. Fragmenty struktury rybosomów poznano już aż do pojedynczych atomów. Pierwszymi owocami tego rodzaju badań nanobiotechnologicznych są nowe leki, blokujące rybosomy bakterii. 10 nm Podróż w nanokosmos 1 m 10 cm 1 mm 0,1 mm 10 mm 8
Kwiat lotosu oczyszcza liście, wykorzystując tak zwany efekt lotosu. Kropelki wody na liściu nasturcji widziane pod specjalnym mikroskopem elektronowym (ESEM) na Uniwersytecie w Bazylei. Efekt lotosu i jego zastosowania Nasturcja utrzymuje liście w czystości dzięki tzw. efektowi liścia lotosu. Elektronowy mikroskop skaningowy ESEM pokazuje, jak kropelki wody oddzielają się od powierzchni liścia. Dzieje się tak dzięki pokrytej meszkiem powierzchni, która powoduje, że kropelki wody szybko spływają, zabierając ze sobą brud z powierzchni liścia Efekt lotosu zbadany szczególnie dokładnie przez profesora Barthlotta i współpracowników z Uniwersytetu w Bonn znalazł już zastosowanie w wielu produktach, na przykład w farbach do elewacji, po których woda spływa zabierając ze sobą brud. Również ceramika sanitarna o strukturze wykorzystującej efekt lotosu łatwo da się utrzymać w czystości. Liście roślin wykorzystują jeszcze inny rodzaj nanotechnologii. Ich gospodarkę wodną często regulują forysomy. Są to mikroskopijne mięśnie, które w układzie kapilarnym rośliny otwierają kanały lub zamykają je, gdy roślina zostanie uszkodzona. Trzy Instytuty Frauenhofera oraz Uniwersytet w Gießen próbują znaleźć techniczne zastosowanie owych mięśni roślinnych, na przykład w mikroskopijnych silnikach liniowych czy też w kompletnych systemach laboratoryjnych na płytce chipowej lab on a chip. 10 m m 50 m m 1 cm 1 m Najbardziej wyrafinowaną technologią w skali atomów jest proces fotosyntezy, który gromadzi energię do życia na Ziemi. Tutaj liczy się każdy pojedynczy atom. Ktoś, komu uda się skopiować ten proces metodami nanotechnologii, zdobędzie na zawsze nieograniczone zasoby energii. 1 m m 10 nm 9
Podróż w nanokosmos Tajemnice przyczepności chrząszczy, much, pająków i gekonów zostały odsłonięte w Instytucie Metalurgii Maxa Plancka w Stuttgarcie. Przytwierdzają się one do podłoża za pomocą włosków, które tworzą wiązanie van der Wasala z powierzchnią kontaktu. Im cięższe zwierzę, tym mniejsze i liczniejsze musza być włoski. Nanotechnologia w przyrodzie Nanotechnologia na suficie: gekon Gekony wdrapią się na każdą ścianę, potrafią biegać po suficie z głową w dół, a nawet zwisać z niego, przytrzymując się tylko jedną nogą. Jest to możliwe oczywiście dzięki nanotechnologii. Stopa gekona jest pokryta maleńkimi włoskami, które są tak giętkie, że mogą na dużym obszarze zbliżyć się do podłoża na odległość kilku nanometrów. Wówczas zaczyna działać tak zwane oddziaływanie van der Waalsa, które właściwie jest bardzo słabe, lecz utrzymuje ciężar ciała gekona dzięki milionom punktów zaczepienia. Wiązanie można łatwo zerwać na podobnej zasadzie, jak odrywa się taśmę klejącą. W ten sposób gekon może biegać po suficie. Materiałoznawcy mają nadzieję wyprodukować wkrótce syntetycznego gekona. Trzymanie się życia Życie istnieje, ponieważ jego elementy łączą się ze sobą za pomocą wyrafinowanej nanotechnologicznej sztuki spajania. Widać to na przykładzie skaleczeń, jak choćby ukąszenie komara: w miejscu ukąszenia powstaje zaczerwienienie wskutek rozszerzania się najmniejszych naczyń krwionośnych, przez które przepływają duże ilości leukocytów, białych ciałek krwi. Komórki w miejscu ukąszenia wydzielają substancję chemiczną. W zależności od jej stężenia, wyściółka komórkowa naczyń krwionośnych i leukocyty wydzielają lepkie cząsteczki, które opóźniają przemieszczanie się leukocytów wzdłuż ściany naczynia. Przy najwyższym poziomie tej substancji leukocyty mocno przywierają do siebie, inne lepkie cząsteczki przeciągają wtedy ciałka krwi przez ścianę naczynia do miejsca ukąszenia, gdzie unieszkodliwiają one wszelkich intruzów. Na tym polega sztuka perfekcyjnego klejenia. Trwają obecnie badania nad opracowaniem sztucznie wytworzonych nanotechnologicznych imitacji tego zjawiska pod hasłem sklejanie na rozkaz (ang. bonding on command ). Małże jako mistrzowie sklejania Zwykłe małże te, które podaje się w restauracji gotowane z warzywami to mistrzowie nanotechnologicznego sklejania. Aby przyczepić się do skały, małż otwiera skorupę i wysuwa stopę, którą wygina w kształt przyssawki. Przez maleńkie kanaliki wyrzuca z siebie strumienie klejących kropelek, miceli, w wytworzony w ten sposób obszar podciśnienia, gdzie micele rozrywają się, wydzielając mocny klej podwodny, który natychmiast spienia się, tworząc poduszeczkę.małż przytwierdza się do tego amortyzatora za pomocą elastycznych nici bisiorowych, zabezpieczając się w ten sposób przed porywami fal morskich. 10 Odnóża muchy w zbliżeniu
Omułek z nićmi bisiorowymi i stopą Instytut Frauenhofera IFAM w Bremie prowadzi badania nad zmodyfikowanymi klejami z małży, dzięki którym nawet najdelikatniejsza porcelana nadawałaby się do mycia w zmywarce. Zespół roboczy Nowe tworzywa użytkowe i biomateriały w Rostocku i w Greifswaldzie także prowadzi badania nad małżami. Biomineralizacja Małże mają jednak jeszcze większe możliwości. Ich masa perłowa składa się z niezliczonych drobnych kryształków wapnia w postaci minerału argonitu. Kryształki te same w sobie byłyby bardzo kruche, jednak w muszli są ze sobą połączone bardzo elastycznymi białkami w kształcie śrubek. Trzy procenty wagowe tego białka w zupełności wystarczą, aby muszla uchowca stała się trzy tysiące razy twardsza w porównaniu do czystego kryształu kalcytu. Jeże morskie również używają tej technologii do wzmocnienia swoich 30 cm kolców, które dzięki temu mogą wytrzymać uderzenia fal morskich. Koszyczek kwiatowy Wenus jest uważany za arcydzieło biomineralizacji. Podstawowe elementy budulcowe z krzemionki (dwutlenek krzemu) o średnicy trzech nanometrów łączą najpierw komórki gąbki w cieniutkie plastry. Następnie są one zwijane tak, aby utworzyć igły krzemionkowe, stanowiące podstawowy element plecionki, wytrzymałej na duże zmiany ciśnienia. Koszyczek kwiatowy Wenus ta gąbka głębinowa jest obecnie badana jako biologiczny model dla światłowodu. Trójwymiarowy splot biomineralny w szkliwie trzonowego zęba nornika chroni powierzchnię żucia przed uszkodzeniem. Biomineralizacja może również tworzyć bardzo delikatne struktury. Na niewielkim obszarze dna morskiego w pobliżu wysp filipińskich żyje gąbka, nazywana koszyczkiem kwiatowym Wenus. Stworzenie to jest wygięte jak pochwa tureckiego kindżału, tyle że zaokrąglone wokół osi podłużnej. Nazwę swoją zawdzięcza strukturze wewnętrznego szkieletu swojej otoczki. Składa się on z tkanki drobnych igiełek krzemionkowych, ażurowej jak wiklinowa plecionka na oparciu krzesła. Tkanka ta jest poprzeplatana zarówno w sieci prostokątnej jak i po przekątnej. Techniczna biomineralizacja: Nanocząsteczki naprawiają zęby. Gdy zęby stają się bardzo wrażliwe na zimno albo kwaśne jedzenie,może być to przyczyna bólu i jest zazwyczaj spowodowane przez drobne kanaliki, odkryte rureczki w szkliwie zęba. Stosując nanocząsteczki fosforanu wapnia (apatytu) i i białka produkowane przez firmę SusTech kanaliki te można zakleic dziesięciokrotnie szybciej niż przy pomocy zwykłych preparatów apatytowych. remineralizowana warstwa materiału zachowuje się w jamie ustnej tak samo, jak własne szkliwo. 11
Podróż w nanokosmos Okrzemki powyżej kształt przypominający gąbkę Mengera (zob. też s. 21) mają dzięki optymalnym kształtom największą trwałość przy najmniejszej wadze i prawdopodobnie posiadaja systemy gromadzenia światła dla aparatów fotosyntezy, chloroplastów. Nanotechnologia w przyrodzie Strategiczne znaczenie miała niegdyś biomineralizacja okrzemek. Te mikroskopijne stworzenia zabezpieczają się pancerzem krzemionkowym, którego głównym składnikiem jest SiO 2, czyli dwutlenek krzemu. Podobnie jak szkło kwarcowe, które również składa się z dwutlenku krzemu, pancerze krzemionkowe są stosunkowo odporne na wiele roztworów kwaśnych i zasadowych. Z tego powodu nanotechnolodzy widzą możliwość wykorzystania ich jako naczyń reakcyjnych dla wytworzania kryształów o rozmiarach nanometrycznych. Jeden ze sposobow otrzymywania nanocząstek polega na ograniczeniu objętości reakcji. Po zużyciu materiału reakcyjnego kryształki uzyskane w wyniku reakcji nie będą się powiększać. Pancerzyki okrzemek posiadają wiele takich nanoskopowych otworów, pełniących rolę nanoreaktorów. W jaki sposób powstają te czasami niezwykle piękne okrzemki? Pierwsze wskazówki są już znane. Badacze z uniwersytetu w Regensburgu stwierdzili, że poliaminy, należące do znanej grupy białek, mogą wytwarzać przy odpowiednim stężeniu kwasu krzemowego nanocząstki o zadanej średnicy w granicach od 50 do 900 nanometrów. Dzieje się to zupełnie samoistnie, pod wpływem sił samoporządkowania. Według prostych modeli wzrostu okrzemki powstają w równie samoistny sposób. Dlaczego mówimy, że pancerze okrzemek miały znaczenie strategiczne? W 1867 roku Szwed Alfred Nobel odkrył, że ziemia okrzemkowa, powstała ze skamieniałych pokładów pancerzy okrzemek, wchłania nitroglicerynę i tym samym powstrzymuje samoistną eksplozję tego materiału wybuchowego. Otrzymaną mieszaninę Nobel nazwał dynamitem, a obfite zyski z jej sprzedaży dały początek fundacji, która dzis finansuje Nagrody Nobla. Rozgwiazda "Ophiocoma wendtii " jest wyposażona w doskonały system mikrosoczewek, umożliwiających widzenie optyczne. U góry: Wygląd w dzień, u dołu: wygląd w nocy. Łuska pancerza jest zarazem polem mikrosoczewki. Nanotechnologia w przyrodzie: Ophiocoma wendtii, kosmata rozgwiazda o wielkości talerza, przez długi czas stanowiła zagadkę. Stworzenie to, o opancerzonym korpusie w kształcie krążka, z którego wyrasta pięć ramion, chowa się przed zbliżającym się niebezpieczeństwem, choć na pozór nie ma oczu. Odkryto je w końcu w wapiennym pancerzu stworzenia, który wysadzany jest skupiskami doskonałych mikrosoczewek, zamieniając całe ciało kosmatej rozgwiazdy w jedno złożone oko. Nanotechnologia? Poszczególne soczewki są tak skrystalizowane, że nie występuje zjawisko charakterystyczne dla kalcytu: podwójny obraz. Mamy tu do czynienia z kontrolą krystalizacji na poziomie nanometrycznym. Soczewki są również skorygowane pod względem aberracji sferycznej, poprzez nieznaczny dodatek magnezu, co pozwala uniknąć niepożądanych kolorowych prążków. Ophiocoma wykorzystuje więc nanotechnologiczną precyzję, która niegdyś przyniosła sławę Carlowi Zeissowi. 12
Instytut Nowych Materiałów, INM, w Saarbrücken opracował oparty na nanoczasteczkach proces powlekania elementów metalowych nieścieralnymi hologramami, zabezpieczającymi przed fałszerstwem. Nawet przyroda tego nie potrafi: Ceramika z dodatkiem nanosadzy dla odpornych na korozję zapalników iskrowych, na przykład w termach gazowych. Dzięki regulowanemu przewodnictwu ceramiki transformator jest niepotrzebny. Poznawanie granic natury Nanotechnologia jest oparta na przyrodzie, ale możliwości przyrody ożywionej są ograniczone, nie może ona funkcjonować ani w wysokich temperaturach, jakie są wymagane dla ceramiki, ani w połączeniu z przewodnikami metalicznymi. Nowoczesna technika dysponuje natomiast szeroką gamą sztucznie wytworzonych warunków ekstremalną czystością, niskimi temperaturami, próżnią w których materia ujawnia zaskakujące właściwości. W szczególności należą do nich zjawiska kwantowe, które niekiedy wydają się zaprzeczać prawom rządzącym w naszym codziennym życiu. Na przykład, cząstki w nanokosmosie uzyskują czasem właściwości falowe. Atom, który wydaje się być tworem stałym, może jak fala przechodzić równocześnie przez dwie szczeliny, wyłaniając się po drugiej stronie znowu jako całość. Gdy rozmiar cząstek zbliża się do nanometra, uzyskują one całkiem inne właściwości: metale stają się półprzewodnikami lub izolatorami. Niektóre substancje, jak tellurek kadmu (CdTe) wykazują w nanokosmosie fluorescencję we wszystkich kolorach tęczy, inne zaś przetwarzają światło na prąd elektryczny. Gdy cząstki osiągają wielkości nanoskopijne, znacznie zwiększa się proporcja atomów powierzchniowych w stosunku do tych znajdujących się wewnątrz. Atomy powierzchniowe mają jednak często inne właściwości niż atomy znajdujące się wewnątrz cząsteczki, zwykle są bardziej reaktywne. Nanoskopowe cząsteczki złota są na przykład dobrym katalizatorem w ogniwach paliwowych (zob. też Motoryzacja). Nanocząstki można również powlekać innymi substancjami, co pozwala na uzyskanie materiałów łączących wiele własności cząstek kompozytowych. Przykład: nanocząstki ceramiczne z powłokami organicznymi, obniżającymi napięcie powierzchniowe wody zabezpieczają lustra łazienkowe przed parowaniem. Specjalnie powlekane nanocząstki tlenku żelaza, magnetytu, tworzą z olejem magnetycznie formowalną ciecz zwaną ferrofluidem. Ferrofluidy znajdują coraz więcej zastosowań, między innymi w środkach uszczelniających do uszczelek pojemników próżniowych i osłon twardego dysku lub w regulowanych amortyzatorach maszyn i samochodów. Nie trzeba jednak obawiać się złożoności nanotechnologii, jabłko też ma skomplikowaną budowę komórki, rybosomy, DNA a mimo to jest bardzo lubianym owocem. Nanocząstki magnetytu w oleju. Ciecz można formować magnetycznie. Magnetotacticum bavaricum Bakteria magnetyczna, może syntetyzować łańcuchy nanomagnetytów i być wykorzystana jako igła kompasowa. Cząstki tellurku kadmu fluoryzują w kolorach zależnych od wielkości cząstki. 13
Narzędzia i procesy Oczy dla nanokosmosu Nanotechnologia w przestrzeni kosmicznej: Zwierciadła europejskiego teleskopu rentgenowskiego Newton są wypolerowane do średniej gładkości 0,4 nanometra, umożliwiając obserwację źródeł promieniowania rentgenowskiego w mgławicy Andromedy. Sensacja naukowa: błysk promieni gamma wypala kręgi w chmurze pyłu galaktycznego. Co ma wspólnego z nanotechnologią europejski teleskop rentgenowski Newton? Urządzenie to wychwytuje promieniowanie rentgenowskie z odległych obiektów za pomocą 58 reflektorów wielkości koszy na śmieci, wciśniętych jeden w drugi jak łuski cebuli i pokrytych naparowaną warstwą złota. Chropowatość ich powierzchni wynosi średnio zaledwie 0,4 nanometra. Jest to technologiczne arcydzieło, w którym największy udział miała firma Carl Zeiss AG. Precyzyjne zwierciadła rentgenowskie do spektroskopii i mikroskopii rentgenowskiej zbudowane są z kilkuset warstw dwóch różnych pierwiastków ciężkich. Wymagania, jakim muszą sprostać takie zwierciadła, są ogromne: warstwy mogą odbiegać od idealnej gładkości tylko o ułamki średnicy atomu. Technika ta jest opracowywana w Instytucie Fraunhofera Techniki Materiałowej i Radiacyjnej w Dreźnie. Sztuczkę z reflektorem warstwowym w zakresie widma światła widzialnego odkryła również natura: prowadząca nocny tryb życia kałamarnica Euprymna scolopes kieruje w dół za pomocą lusterek zbudowanych z białek zwanych reflektynami światło emitowane przez bakterie świetlne. W ten sposób udaje kawałek gwieździstego nieba, oszukując pływające pod nią drapieżniki. Ten przykład biologicznej nanotechnologii został odkryty niedawno na Uniwersytecie Hawajskim. Sondy skaningowe Sondy skaningowe jako oczy dla nanokosmosu wydają się mniej spektakularne, a przecież za wynalezienie protoplasty wszystkich sond skaningowych skaningowego mikroskopu tunelowego, przyznano Nagrodę Nobla. W elektronowych sondach skaningowych piezokryształy wielokrotnie przeprowadzają głowicę skanującą nad przedmiotem obserwacji, takim jak na przykład pola atomów. Za każdym razem położenie jej jest lekko przesunięte, ruchy są Zagroda kwantowa (ang. Quantum Corral ) Dona Eiglera, IBM. Fale wewnątrz zagrody odzwierciedlają prawdopodobieństwo napotkania elektronu. 14
Kryształ bromku potasu z tarasami atomowymi. Podobnie wygląda sól na jajku, które zjadamy na śniadanie. Krzem w powiększeniu, kontury gęstości elektronowej pod skaningowym mikroskopem sił atomowych. Szczytowy atom głowicy skanującej wysyła dwie chmury elektronowe, krążące po orbicie, zupełnie jak w podręczniku. Schematyczne przedstawienie klasycznej głowicy skaningowego mikroskopu tunelowego. Skaningowy mikroskop sił atomowych: odchylenie igły odczytującej jest przekazywane do fotokomórki przez promień laserowy. Sondy pojemnościowe mogą być również wykorzystane do obrazowania procesów przełączania na chipie. minimalne a odległość głowicy od pola atomów zazwyczaj mniejsza niż średnica atomu. Coś się przy tym dzieje: raz przepływa prąd, innym razem wykrywane są słabe pola magnetyczne. Komputery graficznie interpretują te pomiary na płaszczyźnie, tworząc obraz z dokładnością do pojedynczego atomu, w zależności od zasady pomiaru. Proces ten umożliwia oglądanie powłok elektronowych atomu odkrywając tajemnice na podstawowym poziomie materii. Dotychczasowy rekord świata w rozdzielczości należy do Uniwersytetu w Augsburgu. Szczególnie subtelny proces jest wykorzystywany w skaningowym mikroskopie sił atomowych, który wykrywa minimalne siły, wywierane przez atomy pola atomowego na najbliższy atom głowicy skanującej. Zakrzywione zwierciadło wielowarstwowe do zaawansowanej analizy rentgenowskiej. Euprymna scolopes oszukuje swoich wrogów, posługując się wielowarstwowymi lusterkami, zbudowanymi z białek, zwanych reflektynami. Światło pochodzi od świecących bakterii. 15
Narzędzia i procesy Przybory do pisania Proces litograficzny: Chip jest strukturą trójwymiarową, w której wszystkie elementy przełącznikowe obwodu ułożone są w pojedynczych warstwach. Nowoczesny wysoko wydajny chip wymaga 25 do 30 takich warstw, z których każda wymaga własnej maski litograficznej. Struktury maski są przenoszone na krążek za pomocą światła i systemu soczewek steppera, aparat ten przypomina rzutnik do przezroczy. Każda nowa maska w zestawie nadaje układowi nową funkcjonalność i zwiększa jego złożoność. Litografia W świecie komputerów litografia oznacza technikę wytwarzania chipów komputerowych za pomocą światła. W tym celu dokładnie wypolerowana powierzchnia materiału półprzewodnikowego, (krążka krzemowego), powlekana jest światłoczułą warstwą ochronną, którą naświetla się obrazem układu scalonego. Wywołanie warstwy ochronnej odsłania naświetlone (lub nienaświetlone) miejsca krążka, którym nadaje się pożądane właściwości elektryczne za pomocą procesów takich jak wytrawianie, implantacja obcych atomów i osadzanie. Powtarzanie tego procesu stosując coraz to nowe wzorce masek, ostatecznie prowadzi do powstania najbardziej skomplikowanych struktur, jakie człowiek kiedykolwiek wytworzył: obwodów scalonych o wysokiej skali integracji, czyli chipów. Gęstość upakowania tranzystorów zwiększyła się obecnie do tego stopnia, że na powierzchni kropki zrobionej czubkiem ołówka można zmieścić pół miliona lub więcej tranzystorów. Nowoczesne chipy mają struktury mniejsze niż długość fali światła, używanego do litografii, do wytworzenia ich stosuje się lasery kryptonowo fluorowe których długość fali wynosząca 193 nanometry pozwala na wytworzenie struktur o szerokości 130, a wkrótce również 90 nanometrów. Jest to jest możliwe dzięki zastosowaniu pewnych sztuczek optycznych, takich jak korekcja przybliżenia optycznego i przesuniecie fazowe. Obecnie opracowuje się podstawy litografii w dalekim ultrafiolecie (litografia EUV), która wykorzystuje fale o długości 13 nanometrów i ostatecznie ma doprowadzić do uzyskania w krzemie struktury o szerokości zaledwie 35 nanometrów. Wymagania wobec materiału maski są bardzo wysokie. Płytka długości 10 centymetrów po ogrzaniu o jeden stopień Celsjusza może rozciągnąć się tylko o parę dziesiątych nanometra, czyli o kilka średnic atomu. Wymagana gładkość nieprzekraczająca kilku średnic atomowych stanowi również granicę możliwości tego co jest w ogóle wykonalne. 16