Zadziwiający świat nanotechnologii

Każdy wie, że określenie „nano” oznacza „małe”, jednakże wiąże się to jednocześnie z szerokimi właściwościami osiągniętymi dzięki manipulacji na poziomie molekularnym, dzięki którym uzyskuje się całkowicie nowe materiały, procesy czy produkty.
Ilość informacji związanych z nanotechnologią jest wręcz niesamowita. Jeżeli zaczniesz szukać informacji na ten temat za pomocą przeglądarki Google, znajdziesz ponad milion wpisów. Zainteresowanie badaczy tą dziedziną nie podlegadyskusji. Dodatkowo, cały ten „szum” wokół nanotechnologii podsycany jest przez media oraz autorów nowel science-fiction jak Michael Crichton.
Narzędzia firmy FEI Co. pomagają wszystkim tym, którzy na co dzień pracują z nanotechnologiami. Dzięki nim możliwa jest manipulacja w nanoskali oraz oglądanie wszystkiego tego, co gołym okiem jest nieosiągalne. Na rysunku: a) elektronowy mikroskop skanujący/transmitujący Titan 80-300 kv (S/TEM), b) 3-D TEM – rekonstrukcja półprzewodnika,

Jednak czym jest nanotechnologia? A co ważniejsze, czym jest nanotechnologia dla automatyzacji i sterowania?
Pojęcie nanotechnologii nie jest niczym nowym. Jeden z eksponatów British Museum, nazwany Lycurgus Cup, rzymski szklany puchar, pochodzi z czwartego wieku. Puchar ten zmienia barwę pod wpływem padających promieni słonecznych; pokryty jest drobinkami złota i srebra wielkości około 70 nm! Czy Rzymianie wiedzieli, co oznacza i jak wykorzystywać nanotechnologię? Zapewne nie, jednakże faktem pozostaje, że nanomateriały miały olbrzymi wpływ na obraz świata od wielu wieków. 
– Określenie „nano” istnieje od początku wszystkiego – twierdzi Asish Gosh, wicedyrektor działu doradztwa w wytwarzaniu, w firmie ARC Advisory Group. – Jest to opracowywanie nowej technologii – nowe jej rozumienie, nowy obraz istniejących problemów, możliwy dzięki nowym, zaawansowanym możliwościom. To, co między innymi popchnęło nanotechnologię w rozwoju, według mnie, to było wynalezienie około 10 lat temu, skanującego mikroskopu tunelującego.
Wykorzystując to urządzenie, badacze odpowiednio manipulując położeniem atomów krzemu, uformowali napis „IBM”, następnie go sfotografowali i pokazali światu, twierdząc, że „nanotechnologia jest niczym innym, jak techniką manipulowania poszczególnymi atomami”. To właśnie doświadczenie oraz kolejne publikacje na ten temat doprowadziły do tego, że świat nauki zaczął zajmować się „rzeczami w nanoskali”.
Bardziej niż małe
Nanotechnologia operuje zwykle rozmiarami poniżej 100 nm. Nano, greckie słowo określa coś miniaturowego – nanometr to milionowa część milimetra. Angstrom to 1/10 nanometra. Atomy zwykle mają wielkość od 2 do 10 nanometrów. Średnica ludzkiego włosa to około 200 000 nm.
– Wielu ludzi myli nanotechnologię z miniaturyzacją – mówi Ghosh. – To nie to samo. „Nano” nie oznacza „mniejsze”. Jest to technologia układania atomów w taki sposób, aby coś utworzyć, coś nowego – jest to sztuka manipulowania rzeczami na poziomie atomowym czy molekularnym.
Manipulowanie molekułami nadaje im nowe właściwości. Skutkiem tego mogą być całkowicie nowe właściwości, zachowania uzyskanych w ten sposób materiałów. Przykładowo podaje Ghosh: – Jeżeli połączymy atomy węgla w określonym porządku, wtedy uzyskany materiał ma znacznie większą wytrzymałość, aniżeli atomy węgla połączone w zwykły sposób. Za ich pomocą możemy skonstruować kij golfowy znacznie mocniejszy i/lub lżejszy od zwykłego, tradycyjnego kija.
Firma Rockwell Automation definiuje pojęcie nanotechnologii w podobny sposób. Dr Sujeet Chand, starszy wicedyrektor do spraw zaawansowanych technologii oraz główny technik oraz dr Ram Pai, dyrektor laboratorium zaawansowanych technologii – definiują pojęcie nanotechnologii jako: manipulację, precyzyjne umiejscowienie, pomiar, modelowanie i wreszcie budowę „materii” w nanoskali. – Jakkolwiek, dodałbym coś do tej definicji – twierdzi pan Pai – a mianowicie jeden dodatkowy wymiar. Pytanie brzmi: który? Węglowe nanorurki, przykładowo, mogą być bardzo długie i bardzo cienkie. Charakter materiału ma bardzo duże znaczenie.
 – Kiedy przechodzimy do nanoskali – dodaje pan Pai – chropowatość (określana jako stosunek powierzchnido amplitudy zmian poziomu) powierzchni rośnie gwałtownie. Prawa fizyczne, rządzące zachowaniami w nanoskali, są tym samym zupełnie inne, niż w przypadki mikro- czy makroskali. 
Od laboratorium do linii produkcyjnej
Nanotechnologia znajduje się w początkowym stadium swojego rozwoju. Nie jest szeroko skomercjalizowana, jednakże postęp, jaki obserwujesię w tej dziedzinie techniki, jest na tyle duży, że niektóre rozwiązania przeszły już od fazy laboratoryjnej do fazy produkcji. Roger Grace, prezes firmy doradczej Roger Grace Associates ds. zaawansowanych technologii, określa nanotechnologię „nową granicą”.
– Wszyscy jesteśmy częścią procesu odkrywania i rozwoju nanotechnologii – mówi Grace. – Większość nanoproduktów dostępnych obecnie na rynku wykorzystuje węglowe nanorurki. Są one budulcem wielu nanoproduktów, dostępnych współcześnie w sprzedaży.
Panowie Chand i Pai z firmy Rockwell zauważają, że nanotechnologia rozwija się w trzech różnych kierunkach:
Nanomateriały i obudowy/osłony. – Zauważamy użycie nanomateriałów głównie w rozwiązaniach komercyjnych, w produktach takich jak: piłki tenisowe, kije golfowe oraz różnego rodzaju obudowy/osłony – mówi Chand. – Użycie nanomateriałów bardzo wpływa na zwiększenie ich wytrzymałości.
Nanoobudowy/osłony spotykane są w wielu rozwiązaniach przemysłowych, takich jak obudowy urządzeń elektrycznych, chroniące przed wpływem promieniowania elektromechanicznego.
Nanoczujniki. Nanoczujniki mogą znaleźć wiele zastosowań w automatyzacji procesów przemysłowych. Pośród korzyści, płynących z ich stosowania, znaleźć można m.in. większą dokładność oraz rozdzielczość pomiaru. Dzięki nim możliwe będzie wykrywanie narkotyków, materiałów niebezpiecznych, szkodliwych gazów i wszystko to z bardzo dużą dokładnością. Firmy opracowują czujniki, dzięki którym możliwe będzie wykrywanie raka; inne czujniki wykrywać mają niebezpieczne czynniki w powietrzu, zanim wywrą one swój szkodliwy wpływ na zdrowie i życie człowieka. Wiele nanourządzeń jest już dostępnych na rynku.
Nanoelektronika. Dzięki nanotechnologii możliwe będzie podwojenie obecnej prędkości procesorów. – Przechodząc do nanoskali, uzyskujemy możliwość nie tylko zmniejszenia obudowy, ale jednocześnie zwiększenia wydajności – stwierdza pan Chand. – Dzięki temu możliwe będzie zagnieżdżanie elektroniki na dużo niższym niż do tej pory poziomie.
Narzędzia, służące do manipulacji w nanoskali i poniżej rozwijają się równolegle z technologią. Urządzenia te pozwalają inżynierom i naukowcom podglądać strukturę, układ atomów, jak również tworzą interfejs, dzięki któremu są w stanie określić właściwości – co jest przydatne następnie do opracowania nowych nanoproduktów. Mikroskopy elektronowe firmy FEI Co. oraz inna aparatura są znane wśród badaczy i producentów nanotechnologii – uważane są przy tym za bardzo pomocne podczas operacji dokonywanych w nanoskali.
Matt Haris, wicedyrektor działu marketingu światowego w firmie FEI Co. przytacza kilka przykładów: – Przemysł półprzewodnikowy wykorzystuje narzędzia nanotechnologiczne od wielu lat – głównie do prowadzenia diagnostyki i kontroli jakości swoich produktów. Dzięki tym narzędziom są w stanie prowadzić szczegółowe badania, których wyniki są następnie wykorzystywane w pełnowymiarowej produkcji. Transmisyjne mikroskopy elektronowe pozwalają na dogłębne badania samych materiałów, ich właściwości oraz struktur; dzięki badaniom tym opracowuje się nowe materiały, obudowy/osłony oraz modyfikuje już istniejące. Sprawdza się przykładowo, czy struktura kryształów materiału ma kształt odpowiedni dla danego rodzaju krzemu? Czy warstwa tlenku krzemu w danym produkcie jest wystarczająco gruba? Czy taki produkt będzie spełniał wymogi procesu, dla którego jest przeznaczony?
– Wyposażenie linii produkcyjnych przeznaczone do pracy nad nanotechnologią obecnie w większości służy do kontroli jakości. Przykładowo, płytki półprzewodnikowe „przepuszczane” są przez system mierzący grubość wybranych warstw. Jeżeli wartość kontrolowana mieści się w założonych granicach, płytka jedzie dalej. Jeżeli nie, system modyfikuje parametry produkcji.
Potencjalne aplikacje nanotechnologii znaleźć można również w przemyśle farmaceutycznym oraz chemicznym. Nanodrobiny, jak mówi pan Harris, stosuje się przykładowo podczas procesu produkcji leków. W przemyśle chemicznym naukowcy poszukują dodatków, dzięki którym reakcje chemiczne przebiegać będą efektywniej.
Długa, kręta droga
Pomimo tych wszystkich zalet, o których już powiedziano, istnieje wiele czynników powstrzymujących upowszechnienie się nanotechnologii. Według Harrisa z firmy FEI brak norm i standardów jest głównym z nich. – W sytuacji gdy brak jest jakichkolwiek standardów, przemysł napotyka na znaczące trudności podczas opracowywania metodologii procedur kontroli jakości czy szacowania ryzyka wprowadzenia na rynek nowego produktu – dodaje Harris.
Nanodrobiny są obecne na rynku jako dodatki do paliw, w farbach, w kosmetykach, w oponach, w kijach golfowych czy baseballowych oraz wielu innych produktach. Czy istnieje zatem jakiekolwiek ryzyko stosowania nanotechnologii?
Oczywiście, że tak. Jak podaje pan Ghosh z frimy ARC: – Wyobraźmy sobie, że opracowaliśmy nanosrebro lub nanowęgiel o właściwościach całkowicie odbiegających od właściwości zwykłego węgla czy srebra. Jak produkt, zrobiony z takiego materiału, oddziaływałby na ludzką skórę? Co stanie się, jeżeli ktoś połknie taki produkt? Dzisiaj nie jesteśmy w stanie na te pytania odpowiedzieć. Prace nad opracowaniem standardów trwają, jednakże jest to temat stosunkowo niejasny.
Rahul Nayar, analityk z firmy Frost&Sullivan zgadza się z tym, że standardy są wymagane: – Tak naprawdę nikt nie wie, czego nanodrobiny (nanododatki) są w stanie dokonać. Węglowe nanorurki na przykład w pewnych określonych warunkach wywołały patologiczne zmiany w płucach szczurów. W innym przypadku pojawiły się śladowe ilości substancji toksycznych. Przemysł wymaga pewnych regulacji, jednakże zbyt wiele obostrzeń mogłoby wstrzymać rozwój nanotechnologii.
– Równowaga pomiędzy bezpieczeństwem a rozwojem musi być głównym punktem opracowywanych w przyszłości standardów – ostrzega Rahul Nayar.
Według Harrisa z FEI: – Przemysł i sfery rządowe muszą współpracować podczas opracowywania wspomnianych norm. Wydaje się, że pojawienie się wymaganych standardów jest kwestią niezbyt odległego czasu. Węglowe nanorurki, jeden z najwcześniejszych wytworów nanotechnologii, wykorzystywany jest obecnie w wielu rodzajach działalności przemysłowej: od półprzewodników po farby i obudowy/osłony. Producenci węglowych nanorurek z pewnością ustalą standardy dla swoich produktów, gdy tylko te produkty pojawią się.
Kolejnym czynnikiem hamującym rozwój nanotechnologii jest brak dostępnych na rynku narzędzi do taniego wielkonakładowego powielania stworzonych produktów.
– Potrzebujemy inwestycji i niemałych wysiłków w dziedzinie nanowytwarzania, dzięki którym możliwe będzie dalsze budowanie urządzeń czy wytwarzanie produktów – zauważa Roger Grace. – Potrzebujemy jakiegoś sposobu na przejście od nanoświata do mikro- i makroświata – wtedy dopiero możliwe będzie wytworzenie czegoś użytecznego i praktycznego.
– Innymi słowy, nanotechnologia wymaga większej komercjalizacji. Nanotechnologia co prawda jest wielce pociągająca, jednakże musi być praktyczna – mówi Grace. – Prawdziwym wyzwaniem jest wytwarzanie. Aby wytwarzać przydatne, niedrogie rozwiązania, musimy mieć możliwość manipulowania nanodrobinami i nanomateriałami na skalę przemysłową. Jeżeli rozwiązanie jest zbyt drogie lub zbyt trudne do powiązania jego funkcjonalności ze światem zewnętrznym, wtedy staje się nieosiągalne, a co gorsza, pomimo swoich niewątpliwych zalet – bezużyteczne. 
Przyszłość nanotechnologii…
Jak będzie wyglądać przyszłość nanotechnologii? Harris z firmy FEI odpowiada na to pytanie, wskazując jednocześnie na aktualne dane rynkowe: – Głównym warunkiem stałego rozwoju jakiejś konkretnej, wybranej technologii jest wzrost prywatnych inwestycji w danej dziedzinie. Inwestycje publiczne mogą doprowadzić do rozpoczęcia prac nad jakimś problemem, jednakże to właśnie inwestorzy z sektora prywatnego sprawiają, że technologia rozwija się. Obecnie prywatne fundusze znacznie przewyższają inwestycje publiczne w dziedzinie nanotechnologii i wydaje się, że trend ten będzie utrzymywał się. Wskazuje to zatem na długoterminową obecność nanotechnologii.
Panowie Chand i Pai z firmy Rockwell dodają do tych stwierdzeń kilka liczb. Teraźniejszość pokazuje, według nich, że około 5 mld USD rocznie wydawanych jest na badania związane z nanotechnologią. Poziom ten powinien, według nich, osiągnąć wartość 6 mld USD już w 2006 roku.
Pan Nayar z firmy Frost&Sullivan twierdzi, że nanotechnologia jest pojęciem na tyle podstawowym, że żadna z gałęzi przemysłu nie zostanie przez nią pominięta: – Głównymi korzyściami płynącymi ze stosowania nanotechnologii będzie znaczący wzrost jakości działania, przy jednoczesnym olbrzymim obniżeniu poziomu kosztów. Już niebawem nanotechnologia doprowadzi do poprawy działania istniejących aplikacji, a w dalszej przyszłości sprawi, że na rynku pojawią się zupełnie nowe produkty i rozwiązania.
Nanotechnologia, według Harrisa, może sprawić, iż rzeczy staną się o 10% lżejsze, około 5% efektywniejsze czy też ogólnie do 15% doskonalsze. – A kiedy coś staje się zarówno tańsze, lżejsze i dodatkowo można na tym bardziej polegać, wtedy wszyscy wygrywają – dodaje Roger Grace.
ce
Artykuł pod redakcją
Krzysztofa Pietrusewicza,
Politechnika Szczecińska


Nanotechnologia w praktyce: gromadzenie energii

Wyspecjalizowany smar, opracowany z dodatkiem nanodrobin, redukuje tarcie pomiędzy powierzchnią magnetyczną a niemagnetyczną do pomijalnego wręcz poziomu, 50 razy mniejszego od tarcia pomiędzy dwoma powierzchniami teflonowymi. Technologia ta, opracowana przez dział Badań i Rozwoju Nanotechnologii w firmie Rockwell Scientific Co. (RSC), wykorzystywana jest do gromadzenia energii elektrycznej, pochodzącej z różnych odmian ruchu: ruchu człowieka, fal oceanu czy wielu innych.

Energia elektryczna generowana jest w myśl zasady Faradaya, którą to zasadę wykorzystano w latarkach elektrycznych, ładowanych poprzez potrząsanie. Potrząsanie latarką powoduje, że magnes porusza się w poprzek cewki, generując w ten sposób prąd elektryczny, ładujący następnie kondensator. Dzięki nanotechnologii magnes porusza się po powierzchni praktycznie bez tarcia, co umożliwia ruch wielokrotnie szybszy (częstszy), a przez to na wytworzenie znacznie większej energii, pochodzącej np. od potrząsania latarką.

Firma RSC zaadaptowała tę technologię do ładowania urządzeń ręcznych (takich jak np. latarka elektryczna). W ramach projektu rządowego Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych (Agencji ds. Zaawansowanych Projektów Obronnych DARPA) firma RSC aktualnie opracowuje urządzenia do gromadzenia energii z fal (jak na rysunku), zainstalowanych następnie na bojach, pływających po oceanie – zastąpią tam dotychczasowe baterie o ograniczonej żywotności.



 Nanotechnologia w praktyce: półprzewodniki, mikrowyświetlacze

 Firma Kopin Corp. opracowała nową nanotechnologię (GAIN-HBT – od składu chemicznego produktu) wytwarzania wzmacniaczy mocy do telefonów komórkowych. Tranzystory poprawiły wydajność wzmacniacza, redukując jednocześnie poziom napięcia, zwiększając jakość oraz poprawiając stabilność temperaturową.

Dzięki nanotechnologii uzyskano znacznie szerszy zakres temperatur pracy oraz potencjalnie większą sprawność. Zwiększona jakość nowego produktu jest wynikiem precyzyjnej produkcji, dzięki której udało się umieścić wszystkie elementy składowe na 50 nm warstwie półprzewodnika. 



 Nanotechnologia w praktyce: epoksydacja z węglowych nanorurek

Węglowe nanorurki (CNT od angielskiego carbon nanotubes) są to cylindryczne molekuły węglowe o właściwościach, które sprawiąją, że stają się one atrakcyjnym składnikiem współczesnych nanomateriałów i aplikacji. Wśród nich należy wyróżnić ponadprzeciętną wytrzymałość oraz charakterystyki elektryczne – wszystko to sprawia, że są nanorurki świetnymi przewodnikami ciepła. Nanorurki są obecnie jednymi z najczęściej wykorzystywanych w nanotechnologii materiałów. Wśród produktów firmy Zyvex Corp. znajduje się wiele opartych na technologii CNT koncentratów epoksydowych, łączących kilka rodzajów standardowych epoksydów z jedno- i wielościennymi nanorurkami lub też węglowymi nanowłóknami, dzięki którym uzyskuje się większą zarówno elektryczną, jak i cieplną przewodność, przy jednoczesnej poprawie właściwości mechanicznych produktu.