Nanometry we współczesnym świecie.

Nanotechnologia – interdyscyplinarna nauka łącząca osiągnięcia chemii, mechaniki, fizyki oraz informatyki i biologii.

Obejmuje badanie i użycie materiałów w skali „nano”. Wiele z nich ma inne właściwości w ultramałej w porównaniu z normalną skalą. Jest to wielce obiecująca technologia operująca okruszynami, które są niewidoczne nawet pod najsilniejszym mikroskopem optycznym. Ujawniają się dopiero one, np. w elektronowych mikroskopach skaningowych (SEM) i transmisyjnych (TEM).

Nanometr – to jedna miliardowa część metra (10^-9), jednomilionowa łebka od szpilki (10^-6), jedna tysięczna długość bakterii (10^-3), 10 atomów wodoru łożonych jeden za drugim.

Nanometry w naturze (np. sieć pajęcza):

• wytrzymałość na rozerwanie 5x większa niż dla stali;

• wysoka elastyczność – możliwe rozciąganie nici o 30 – 300%;

• typowe średnice nici 150 – 3000nm, najcieńsze 20nm;

• przykłady: kwiat i liście lotosu – dwojaka struktura widoczna pod mikroskopem.

Potencjał materiałów ze względu na wymiarowość:

• 0D – zerowymiarowe (np. pojedyncze atomy);

• 1D – jednowymiarowe (np. łańcuchy lub druty);

• 2D – dwuwymiarowe (najbardziej typowe cienkie warstwy);

• 3D – trójwymiarowe (materiał typu objętościowego).

Wytwarzanie nanostruktur (istnieją dwa odrębne podejścia do tego w jaki sposób nanostrukturalne materiały mogą być wytwarzane):

• od dołu do góry (bottom-up) pozwala uzyskiwać niezwykle skomplikowane obiekty, np. na drodze łączenia pojedynczych atomów (szeroko reprezentowane w świecie naturalnym);

• z góry do dołu (top-down), w którym startuje się z obiektów trójwymiarowych i dochodzi do nanostrukturalnych na drodze zmniejszania ich rozmiarów (podejście za pomocą metod fizycznych) – podejście ukształtowane przez człowieka.

Top-down – aby uzyskać produkt końcowy usuwamy niepotrzebne kawałki – dużo odpadków, nieoszczędne gospodarowanie materiałem.

Różne nanostruktur węglowe:

• grafen (odkryty po 2000 roku);

• fuleren (ten kształt ma piłka nożna);

• nanorurka węglowa (mogą być jedno- i wielościenne);

• grafit;

• diament;

• fulereny egzohedralne;

• fulereny endohedralne;

• heterofulereny.

Kompozyty – to różne kombinacje.

Nanostruktury węglowe:

• baterie;

• rakiety tenisowe;

• spraye i farby.

Nanocząstki Cd₃P₂ – barwa proszku zależy od wielkości ziaren;:

• nanocząstki (1,5nm), przerwa energetyczna – 4eV;

• mikrokrystaliczne cząstki – przerwa energetyczna 0,5eV;

• zmiana koloru roztworu (w świetle UV i białym).

Produkcja materiału typu bottom-up:

• synteza chemiczna nanocząstek (np. Co);

• Nanocząstki magnetytu w oleju – ciecz można formować magnetycznie (Fe₃O₄).

Samoorganizacja:

• uporządkowanie-nieuporządkowanie;

• uporządkowanie-uporządkowanie.

Samoorganizacja organizmów żywych (nanocząstki mogą ulegać samoorganizacji):

• rozety;

• cząstki;

• warstwy różne.

Inteligentne materiały:

• inteligentny płyn;

• sensorowe;

• samoorganizująca się nanowarstwa, która przewodzi prąd elektryczny;

• dwuwarstwowa lipidowa.

Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM):

• działa na zasadzie mikroskopu optycznego.

Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM):

• nie pozwala na poznanie struktury wewnętrznej, widzimy tylko budowę zewnętrzną.

Skaningowy mikroskop optyczny sił bliskiego pola (SNOM):

• rodzaj mikroskopu optycznego

• źródłem światła jest laser.

Skaningowy mikroskop tunelowy (STM):

• działa na zasadzie przepływu prądu tunelowego między igłą skanującą a próbką

• wykorzystuje zjawisko tunelowania elektronów

• umożliwia badanie pojedynczych atomów.

Mikroskop sił atomowych (ATM):

• działa na zasadzie oddziaływań siłami Van der Vaalsa

• gorsza rozdzielczość niż STM.

Mikroskop magnetyczny sił atomowych (MFM):

• igła jest pokryta materiałem magnetycznym.

MBE – materiały są odparowywane i osadzane na odpowiednich podkładkach.

Litografia – sposób wycinania nanostruktur i większych materiałów, np. 10nm słupki, dziury i kropki otrzymywane w wyniku repliki masek.

Zastosowanie nanomateriałów: technika, medycyna (nanolekarze – np. sztuczna krew), rolnictwo, przemysł spożywczy, kryminalistyka, nanodruku, nanoukłady, nanoprzewodniki, nanołożysko, szkło, implanty, kosmetyki, materiałoznawstwo, BHP, środowisko naturalne, informatyka, energetyka, kryształy fotoniczne, powierzchnie samoczyszczące się, nanorurka, nanotranzystor.

Ciemna strona nanotechnologii:

• biokinetyczny efekt nanocząstek;

• efekty kardiologiczne towarzyszące ekspozycji na Nanocząstki;

• efekty pneumonologiczne związane z nanorurkami węglowymi;

• inhalacje nanomateriałów;

• toksyczność nanopolimerów;

• ekotoksykologia środowiska;

• ryzyko zawodowe związane z nanomateriałami.