Wykład 3

Aktualne trwają prace nad tzw Projektem Minimalnego Genomu, czyli stworzeniem sztucznego życia. Przedmiotem tych badań jest bakteria Mycoplasma genitalium, żyjąca w drogach moczowych i w układzie oddechowym człowieka. Jest to najprostszy żywy, samodzielny organizm wyposażony w zaledwie 470 genów, z czego 330 jest tej bakterii naprawdę potrzebnych do życia. Stąd się wziął pomysł, aby sztucznie zsyntetyzować ów minimalny zestaw genów i połączyć jej w nić DNA.

Następnie to syntetyczne DNA umieszcza się w kulce tłuszczu, dodajemy enzymy odczytujące informację genetyczną, uruchamiamy syntezę białka i otrzymujemy jednokomórkowego Frankenstiena.

Na razie jeszcze sukcesu publicznie nie ogłoszono, ale problem sztucznego życia jest dla rozwoju nanotechnologii zagadnieniem kluczowym.

Do struktur manometrycznych można zaliczyć

- studnie, druty i kropki kwantowe

- tworzywa sztuczne – ich 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

Kropka kwantowa – niewielki obszar przestrzeni ograniczony w 3 wymiarach barierami potencjału

Do metod wytwarzania kropek kwantowych w laboratorium można zaliczyć:

- kropki spontaniczne – powstające na granicy faz półprzewodników, hodowanych metodą MBE (tzw. self-assembled quantum dots, SQAD), gdzie geometryczne nierówności służą relaksacji napięcia spowodowanego różnicą stałych sieci (tzw. metoda Stranskiego-Krastanowa)

- nanokryształy (ograniczenie elektronu przez granice kryształu)

- kropki elektrostatyczne – w których w 2-wymarym gazie elektronowym na granicy faz półprzewodnikowych ogranicza się ruch poprzez lokalne zubożenie materiału poprzez przyłożenie napięcia do bramek metalicznych, znajdujących się w pobliżu (nie nadają się do konstrukcji laserów, bo chwytają tylko elektron, albo tylko dziurę, więc nie jest możliwe spułapkowanie ekscytonu)

- trawione kropki kwantowe – struktury zawierające studnie kwantową, wytrawione do postaci np.: za pomocą litografii elektronowej

- lokalizacja naprężeniowa – powstają one w wyniku pojawienia się naprężeń w związku z nakładaniem materiałów prowadzących do powstania naprężenia ( w związku z tym występuje lokalna zmiany struktury energetycznej)

Do struktur manometrycznych można zaliczyć:

- nanorurki – bardzo długie i puste w środku cząsteczki, oparte na węglu w wiązaniach o hybrydyzacji sp²

- 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 antybakteryjne.

- elementy tranzystorów w mikroprocesorach wykonywane fotolitograficznie i maski fotolitograficzne

- fulereny

Postęp w dziedzinie technologii żywności, biotechnologii, materiałoznawstwie, towaroznawstwie i technologii opakowań wpływa na potrzebę opracowania nowych opakowań, które odpowiadałyby wymaganiom stawianym zarówno przez producentów, jak i konsumentów. Głównym zadaniem opakowania jest ochrona zapakowanej żywności i zachęcenie potencjalnego klienta do zakupu.

Generalnie termin nanotechnologia dotyczy 3 różnych dziedzin techniki i oznacza hipotetyczną metodę budowania skomplikowanych struktur z pojedynczych atomów, zaawansowaną miniaturyzację w elektronice oraz naśladowanie procesów syntezy zachodzących w organizmach żywych.

Trójwymiarowe struktury

Opracowano nową metodę tworzenia trójwymiarowych struktur, wiernych kopii i materiałów biologicznych, np.: mikro czy Nano struktur drewna, skrzydeł motyla, czy włókien wełny. Metoda ta pozwala na formowanie elementów utworzonych z tlenku manganu w kształcie niemal identycznym, jak biologiczne pierwowzory.

Technika ta może być zastosowana przy projektowaniu nowoczesnych materiałów, żeby te jeszcze lepiej spełniały swe zadania, poprzez naśladowanie lub wręcz wierne kopiowanie rozwiązań przez miony lat doskonalonych przez naturę (Langmuir)

Opracowana procedura jest dość prosta i wymaga zastosowania 2 etapów przygotowawczych by próbkę biologiczną można było wykorzystać jako formę „odlewu”. Najpierw materiał biologiczny, np. skrzydło motyla lub fragment drewna nasączany jest HCl, po czym po przemyciu wodą destylowaną jest suszony. Kolejny etap wymaga nasączenia materiału NaOH, lub ro-rem H₂O_{2 ­}i NaOH, przemycia i dokładnego wysuszenia w podwyższonej temperaturze. Tak wstępnie przygotowany materiał jest w dalszej kolejności zanurzany ostrożnie w ro-rze KMnO₄, gdzie jednocześnie jest poddawany działaniu ultradźwięków. Po powolnym osuszeniu, ostatnim etapem jest długotrwałe i powolne wyprażenie próbki w temperaturze dochodzącej do 500-800 stopni C.

Proces ten ma na celu krystalizację teków manganu oraz całkowite usunięcie matrycy biologicznej, z której wytwarzany był „odlew”.