hDescoperiţi secretele

lumii Nanolumii Nano

Image courtesy of Dr James Bendall, University of

Cambridge, UK.

‘Nano’ a devenit un termen la modă în cultura

populară şi înseamnă ‘mic’.

Pentru a înţelege nanotehnologia trebuie

să ne gândim mai întâi la scală.să ne gândim mai întâi la scală.

Un nanometru este unitatea de

măsură folosită în nanoscală.

C este o

Destul de puţini nanometri aici!

C60 este o nanoparticulă deoarece diametrul său are puţin peste 1 nm

Lungimea unui purice este

de 10-3 m sau 1,000,000 nm

Diametrul celulelor sângelui este

de 10-5 m sau 6000 nm

Lungimea unui câine este de

100 m sau 1,000,000,000 nm.

de 10 m sau 6000 nm

Diametrul ADN-ului

este de 10-8 m sau

2.5nm.

O nanoparticulă are 10-9 m.

O dimensiune între 1 şi 100

nm.

O moleculă de apă care măsoară

aproximativ 0,5 nm este la fel de mare în

raport cu un măr, aşa cum este un măr în

raport cu planeta Pământ.

E drum lung până la scala nanometrică!

Nanoparticulele sunt doar bucăţi

mici dintr-un material mai mare,

dar ce se întâmplă când creezi

aceste bucăţi mici? aceste bucăţi mici?

Images of gold nanoparticles courtsey of Paul Rhatigan,

Cambridge University.

Bucăţi mici = mai multă…….

Aria suprafeţei

4cm

2cm

1cm

1cm

3cm12cm2

3cm6cm2

Nanoparticulele au o suprafaţă mai mare. Acest lucru le face mai reactive, deoarece reacţiile chimice au loc pe suprafaţă. Mai reactiveînseamnă potenţial mai utile.

Într-un centimetru cub de material, unul din 10

milioane de atomi se află pe suprafaţă, dar în cazul unui nanometru cub, 80%

din atomi se află pe suprafaţă şi sunt gata să suprafaţă şi sunt gata să

reacţioneze.

Images courtesy of Dr Colm Durkan, Cambridge University.

Aici cheia este mărimea! Pe scala nanometrică proprietăţile unui material se pot schimba dramatic. Acestea ar putea fi punctele lor de fierbere, solubilitatea sau activitatea catalitică. Doar prin reducerea mărimii lor, materialele pot Doar prin reducerea mărimii lor, materialele pot avea noi proprietăţi, proprietăţi pe care ele nu le au atunci când sunt la o scală mai mare sau la o macro scală. Legile normale ‘clasice’ ale fizicii nu se mai aplică!

MACRO

• De exemplu, uneori doar schimbarea mărimii

unei particule îi poate modifica culoarea.

Schimbarea culorilor

Telurură de Cadmiu

AurMACRO

Mărirea dimensiuniiNanoparticule de CdTe.

A. Eychmüller , Universitatea Tehnică, Dresda

Aur

MACRO

Chiar şi proprietăţile mecanice şi electrice pot fi

influenţate de mărime!

Grafena este

casantă şi

neconductoare

Nanotuburile de carbon sunt ca

şi foile grafenice, dar făcute sul...

totuşi ele au proprietăţi total

diferite.

Ştiaţi? Nanotuburile de carbon sunt mult

mai puternice decât oţelul, dar mai uşoare şi

pot fi conductoare.

Aşadar, cum lucrează oamenii de ştiinţă la o scală atât de mică? scală atât de mică?

În primul rând, datorită faptului că microscoapele au devenit mai

sofisticate. Primele microscoape au fost create în jurul anului 1665 şi au deschis o lume cu totul nouă pentru oamenii de cu totul nouă pentru oamenii de ştiinţă. Pentru prima dată celulele şi structurile din natură cu care suntem familiarizaţi, au devenit acum vizibile. Opinia publică se temea de acest voiaj în lumea microscopică nevăzută. Micrographia 1665.

Acum avem microscoape care pot vedea chiar în profunzimea acestei lumi, de fapt până la nivelul atomilor, care reprezintă chiar unitatea de bază a lumii vii.

Aceste microscoape mai sofisticate sunt cunoscute de sofisticate sunt cunoscute de toată lumea ca microscoape cu sonde de scanare sau SPM-uri.

Un microscop cu sondă de scanare foloseşte o sondă cu vârful extrem de fin (uneori terminându-se în doar câţiva atomi) şi trece peste o suprafaţă atingând contururile şi formele.

Vârful sondei

www.tut.fi

Vârful sondei

atingând formele

Exemplele includ:

Microscopul cu Forţă

Atomică,

Microscopul de Scanare cu

efect de Tunel

Un laser se reflectă din spatele consolei. În cazul în care consola deviază, atunci şi raza laser

Laserdetector

O consolă, asemănătoare cu o trambulină, este ataşată la vârful unui Microscop cu Forţă Atomică sau AFM. Totul se mişcă în sus şi în jos, deoarece vârful se mişcă peste dealurile şi văile la scară atomică de pe suprafaţa unui eşantion.

atunci şi raza laser deviază. Un detector dintr-un computer înregistrează mişcarea laserului şi transformă datele într-o imagine, ca în imaginile din dreapta.

computer Sample

Probe tip

Aceasta este diagrama unui Microscop cu Forţă Atomică sau

AFM

Images courtesy of T. Oppenheim,

Cambridge University

Microscop de scanare cu efect de tunel

Un microscop de scanare cu efect de tunel

funcţionează cu o sondă mică ce scanează de-a

lungul unei suprafeţe, detectând variaţiile fluxului de

sarcină electrică ce trece între ea şi atomii de pe

suprafaţă. Această sondă este fabricată dintr-un

material conductor (de obicei, Tungsten), iar capătul

ei nu este mai mare decât 1 atom!

Images courtesy of Cambridge university, Nanoscience Centre.

ei nu este mai mare decât 1 atom!

Un vârf de tungsten pentru imagistica STM

Aceste variaţii ale fluxului de

sarcină electrică sunt

transformate în imagini ca cele

din dreapta.

Vârfurile sondelor pot fi folosite şi la mişcarea atomilor individuali.

Imaginea arată atomi de fier

care au fost mutaţi individual. Imagine

creată iniţial

de Don

Eigler,de la

corporaţia

IBM.

Această idee de a construi lucruri pornind de la atomi şi de a le dezvolta este

interesantă pentru cercetători.Computerele şi telefoanele devin mai mici, dar mai puternice. Această tendinţă necesită componente din ce în ce mai mici, ajungând să fie făcute la scală nanometrică. Este logic să se poată crea aceste nano-dispozitive pornind de

‘TOP DOWN’

poată crea aceste nano-dispozitive pornind de la abordarea de tip ‘bottom up’, de jos în sus, decât de la abordarea de fabricare mai tradiţională de tip ‘top down’, de sus în jos.

Fabricarea ‘de jos în sus’ ar însemna mai puţină energie şi mai puţine deşeuri.

‘BOTTOM UP’

Deplasarea individuală a atomilor nu este încă o tehnică viabilă pentru crearea nanostructurilor, deoarece este prea lentă.Cu toate acestea, mai există un proces numit ‘AUTO-ASAMBLARE’, văzut deseori în natură, pe care oamenii de ştiinţă îl pot exploata.

Atomii, moleculele sau nanoparticulele se vor aranja singure în structuri mai mari dacă vor aranja singure în structuri mai mari dacă vor avea proprietăţile şi mediile potrivite. Acest proces joacă un rol esenţial la construirea ADN-ului, celulelor, oaselor şi virusurilor. Toate acestea se auto-asamblează singure.

Un alt mod prin care oamenii de ştiinţă pot crea dispozitive de mărime nanometrică este procesul numit litografie. El este folosit la fabricarea cipurilor pentru computere şi acţionează într-un mod foarte asemănător imprimării sau ca şi cum am pulveriza vopsea pe un şablon. Dar litografiafoloseşte lumină sau electroni în loc de tuş sau vopsea.

Aceasta este o structură finisată, creată cu ajutorul litografiei cu fascicul de electroni.

Foto-litografia foloseşte lumina şi astfel se pot crea

electroni. lumina şi astfel se pot crea structuri miniscule care au în jur de 20 nm. Dacă oamenii de ştiinţă vor să creeze structuri mai mici decât acestea (în jur de 5nm), folosesc electroni în loc de lumină, acest proces numindu-se litografie cu fascicul de electroni.

Images courtesy of Dr Atif Aziz and Dr Colm Durkan., Cambridge University.

Sunt mai puternice, dar considerabil mai uşoaredecât oţelul şi sunt flexibile. Se pot comporta ca metalele,dar şi ca semi-conductorii,

În această imagine fiecare literă este creată din sute de nanotuburi!

Sunt o descoperire interesantă care ar putea

revoluţiona materialele viitorului.

dar şi ca semi-conductorii, fiind foarte bune transmiţătoare de căldură şi sunt asamblate din atomi de carbon. Cu astfel de proprietăţi ele ar putea juca

un rol esenţial în crearea de noi materiale şi electronice.

Chiar şi în cazul în care nanotuburile sunt complet

crescute, fiecare entitate este mai mică decât o celulă

de sânge uman.

Sursa imaginilor Stephan Hoffman,Universitatea

Cambridge

Natura este expertă în a crea structuri la scală nanometrică. De aceea,oamenii de ştiinţă caută în natură modele de inspiraţie atunci când cercetează modul în care să poată cercetează modul în care să poată construi la o scală atât de mică.

BioimitaţiaBio-mimetismul este termenul care desemnează faptul că

oamenii de ştiinţă copiază natura. Datorită studierii frunzelor

de lotus şi a structurii lor, oamenii de ştiinţă au creat materiale

impermeabile şi ferestre care se spală singure.

Datorită studierii aripilor

fluturilor şi a nanostructurilor

lor, oamenii de ştiinţă au

explicat cum interacţionează explicat cum interacţionează

lumina în mod diferit cu

suprafeţele. Acest lucru a

ajutat la crearea

hologramelor de securitate şi

a produselor pentru îngrijirea

părului!

Chiar şi nanostructura

ciocului unui Toucan a

oferit un mod de a

înţelege felul în care sunt

create componentele

ultra-uşoare ale unui

avion.

Aripile unui fluture

văzute la microscop

Picioarele şopârlei Gecko au nanostructuri

Picioarele unei şopârle Gecko sunt acoperite

cu structuri minuscule, ca firele de păr, numite

setaes. Aceste structuri pot ajunge atât de

aproape de suprafaţă încât interacţiunile

slabe, ‘lipicioase’ dintre molecule devin

semnificative. Rezultatul este aderenţa

puternică care se datorează în întregime Image credit: A.Dhinojwala, University of Akron

puternică care se datorează în întregime

forţelor Van der Waals. Oamenii de ştiinţă s-au

inspirat de la această nanostructură şi au creat

pansamente interne care aderă chiar şi într-un

mediu umed.

Natura are experienţă în a lucra la scală nanometrică, iar noi putem învăţa

multe din succesul ei în crearea nanotehnologiei naturale.

Image credit: A.Dhinojwala, University of Akron

Image credit: C. Mathisen, FEI Company

Image credit: A.Kellar, Lewis & Clark College

Nanotehnologia este deja în vieţile noastre.

Nanoelectronica a permis

miniaturizarea dispozitivelor

electronice care sunt

folosite zilnic.

Unele mingii de tenis

sunt rezistente mai mult

timp, datorită unui strat

interior nano-structurat. interior nano-structurat.

Unele rachete de tenis

sunt făcute dintr-un

nanocompozit pe bază

de carbon, care le

face mai puternice şi

mai uşoare decât au

fost vreodată.

Se crede că şosetele care

conţin nanoparticule de argint

antibacterian vă ţin picioarele

sănătoase şi fără să miroasă.

Unele textile sunt fabricate să fie foarte hidrofobe,

folosindu-se nanostructuri impermeabile care le

permit să fie rezistente la apă şi la pete.

Cosmeticele şi

Ochelarii de soare care

au un strat nano-

structurat sunt mai uşor

de curăţat, mai greu de

zgâriat, sunt antistatici,

Nanotehnologia este deja în vieţile noastre..

Cosmeticele şi

loţiunile pentru plajă

care conţin

nanoparticule pot

ajuta la o mai bună

protecţie şi confort.

zgâriat, sunt antistatici,

anti-ceaţă şi

antibacterieni.

Nanotehnologia este o materie multidisciplinară deoarece include mai multe domenii diferite ale ştiinţei şi industriei:

Chiar potenţialul Nanotehnologiei este cel care o face atât de interesantă. Unele domenii unde Nanotehnologia ar putea avea un impact mare sunt: Aplicaţiile Medicale ex. terapia cancerului Tehnologia Informaţiei ex. computere mai rapideSoluţii privind Energia ex. celule de combustibil şi Soluţii privind Energia ex. celule de combustibil şi celule solare mai economice

Domenii care au un impact asupra vieţilor noastre.

www.nanoyou.eu