17.03.2006 16:32:02
Nanotechnologie včetně nanochemie

Ještě v polovině minulého století nebylo zřejmé, že bychom někdy byli schopni ovládat hmotu na atomární či molekulární úrovni. Převládala především Schrödingerova představa, že atomy nelze přesně v prostoru lokalizovat, protože „atomy nelze pokládat za individuality, které lze identifikovat“. O něco později Heisenberg doplnil, že atomy„jsou forma potenciality či možnosti, spíše než jedna z věcí nebo skutečnosti“. Ve světle těchto prohlášení byla většina vědců přesvědčena o praktické nemožnosti využívat atomy záměrně jako stavební jednotky prakticky použitelných zařízení.Koncem padesátých let 20. století se však našli jednotlivci, kteří předpověděli možnost konstrukce zařízení o molekulárních rozměrech, tak jak to od pradávna dělá příroda. Pravděpodobně prvním byl von Hippel, elektroinženýr z Massachussetts Institute of Technology (MIT), který zavedl pojem „molekulární inženýrství“ a poté fyzikR. Feynman, nositel Nobelovy ceny za fyziku, který v roce 1959 svojí památnou přednáškou „There`s Plenty Room at the Bottom“, přednesenou na výročním zasedání American Physical Society v Pasadeně, California, upozornil na možnost manipulace s objekty o nepatrných rozměrech. Hovořil tehdy o mikrotechnologii. Řekl mj.: „Zákony fyziky, jak mohu posoudit, nejsou proti možnosti manipulovat s věcmi atom po atomu. Není to pokus porušit žádný zákon, je to něco, co může být v zásadě uděláno“. Uplynulo přibližně dvacet let, kdy na uvedené průkopníky navázal K. E. Drexler, který uveřejnil článek o molekulárním inženýrství a upozornil na možnost použít jako základní stavební kameny proteiny. K. E. Drexler svoje představy rozvinul ve svých dalších pracích, přičemž upozornil na pozitivní i negativní stránky molekulární nanotechnologie, jak nazval technologie vytváření komplexních struktur na molekulární úrovni.Jelikož molekuly mají rozměry řádově v nanometrech, vžil se postupně pro molekulární inženýrství či molekulární technologie termín nanotechnologie, který jako první použil v roce 1974 Taniguchi ve zcela jiné technické oblasti, když popisoval výrobní způsoby a měřicí techniku, při kterých je možné dosáhnout přesnost výroby součástí v nanometrech. Souběžně s uvedenými úvahami probíhaly v druhé polovině 20. století s rostoucí intenzitou výzkumné práce zaměřené na poznání vlastností základních stavebních prvků hmoty a jevů, které se na atomové a molekulární úrovni projevují, které mj. prokázaly, že atomy jsou dostatečně robustní, takže je můžeme izolovat, počítat, pozorovat a manipulovat s nimi. Výzkumné práce se orientovaly na poznání způsobů jak konstruujestruktury příroda a jak se chovají biologické entity o rozměrech na úrovni molekul.V osmdesátých letech bylo postupně rozvinuto zkoumání možnosti syntézy a vlastností částic, krystalů, povrchů atd. o rozměrech řádově v nanometrech. Průlomovou událostí bylo vynalezení nových přístrojů umožňující nejen pozorování, ale i manipulaci s jednotlivými atomy a molekulami (rastrovací tunelový mikroskop, mikroskop atomových sil). Strojní inženýři započali obrábět povrchy s nanometrickou přesností a výroba čipů velké integrace se začala blížit rozměru 100 nm. Možnosti využití vlastností stavebních prvků a zařízení o rozměrech nanometrů byly rozpoznány i biology a začal výzkum jejich aplikace v medicíně, farmacii a biotechnologiích. Zrodil se nový interdisciplinární obor nanotechnologie, který má způsobit novou průmyslovou i sociální revoluci. Svět v rozměru nanometrů je velmi malý.

Všechny materiály a systémy mají své „základy“ v malých rozměrech. Molekula vody má průměr cca 1 nm, jednostěnná uhlíková nanotrubice má průměr cca 1,2 nm, biomolekulární zařízení mají velikost v rozsahu několika nanometrů, kvantová tečka germania na křemíkové podložce je asi 10 nm široká a 1,5 nm vysoká, nejmenší tranzistory měří dnes pouze cca 20 nm. Molekula DNA je asi 2,5 nm široká, typický protein má velikost 1-20 nm a ATP syntáza - biochemický motor - má průměr cca 10 nm.V předložené práci jsou podány pro širokou veřejnost základní všeobecné informace o nanotechnologii, jejím významu pro technický pokrok, o možných směrech jejího vývoje i o potenciálním nebezpečí, které v sobě skrývá.

CO JE NANOTECHNOLOGIE?
Kvantová mechanika a standardní model fyziky částic jsou velmi úspěšné vědní oblasti popisující chování elementárních částic v atomu a jednotlivých atomů v molekulách. Klasická fyzika je rovněž úspěšná v popisu vlastností hmoty ve větších objemech, v rozměrech, se kterými máme každodenní zkušenosti. Mezi světem atomů a současným reálným světem leží oblast nanosvěta, území částic a struktur v rozměrovém oboru od cca 1 nm do cca 100 nm, která nebyla v minulosti středem přílišné pozornosti. Nanostruktury, které jsou základními prvky nanomateriálů, jsou dostatečně malé na to, aby se v nich mohly uplatňovat kvantové jevy. Jsou však i tak rozměrné, že aplikace zákonů kvantové mechaniky při zkoumání jejich vlastností nemá význam. Dnes rozumíme individuálním vlastnostem atomů, ale prozatím málo rozumíme tomu jak se chovají jejich seskupení a tomu, jak vznikají jejich leckdy neočekávané vlastnosti. Zkoumání těchto jevů je předmětem nanovědy, vědní oblasti na průsečíku fyziky pevné fáze, chemie, inženýrství a molekulární biologie. V současné době však nejde jen o poznání a charakterizování jevů, které se v nanosvětě projevují, ale i o praktické využití nových a neobvyklých vlastností nanomateriálů, nanosystémů a nanozařízení, které se snažíme cílevědomě vytvářet a spojovat je s objekty větších rozměrů. Je málo odborných výrazů v chemii a fyzice, které by se tak často používaly (a zneužívaly) v posledních létech, jako jsou „nanoscience“ (nanověda) a „nanotechnology“(nanotechnologie). Nanotechnologie je interdisciplinární a průřezová technologie. Rozvíjí se v řadě oblastí, např.: Oblast nanomateriálů je zaměřena na zkoumání a vývoj nových druhů materiálových systémů, jejichž podstatné vlastnosti vyplývají z rozměrů jejich složek v nanometrech.Nanochemie se zabývá vytvářením a modifikací chemických systémů, jejichž funkčnost pramení z jejich nanorozměrů. Supramolekulární funkční systémy představují materiálový základ nových látek.Nanoelektronika zkoumá různé strategie využití elektronických vlastností nanostruktur v celé řadě aplikací budoucích informačních technologií. Nanooptika pokládá základy optických vysokorychlostních komunikačních technologií, nových zdrojů laserového světla a optických systému pro široká použití. Nanovýroba zkoumá a vyvíjí metody technologie výroby struktur, vrstev a systémů v nanorozměrech.Nanobiotechnologie se zabývá využitím biologických nanosystémů v technických systémech, od senzorové technologie po fotovoltaika. Používá též nanotechnologické postupy při zkoumání biologických systémů, z čehož budou mít velký prospěch zejména oblasti lékařské techniky a molekulární diagnostiky. Nanoanalytika zabezpečuje analytické metody a nástroje pro porozumění základních jevů a pro charakterizování výrobků. V současné době neexistuje všeobecně uznávaná definice nanotechnologie. Nanotechnologie, jak vyplývá z výše uvedeného, není nová vědecká disciplína, je to spíše nová oblast soustřeující klasické vědecké obory jako jsou fyzika, kvantová mechanika, chemie, biochemie, elektronika atd. při vývoji materiálů, zařízení a funkčních systémů s výjimečnými vlastnostmi, vyplývajícími z kvantové podstaty a schopnosti samoorganizace hmoty v rozměru nanometrů. V současnosti existuje mnoho definic nanotechnologie, které se více nebo méně liší. Z mnoha definic uvedeme dvě, které se nejvíce líbily respondentům v nedávné anketě provedené v České republice.
Za prvé je to definice používaná v americkém programu „Národní nanotechnologická iniciativa (NNI)“, ve znění z března 2004 /10/: Nanotechnologie je výzkum a technologický vývoj na atomové, molekulární nebo makromolekulární úrovni, v rozměrové škále přibližně 1—100 nm. Je to též vytváření a používání struktur, zařízení a systémů, které mají v důsledku svých malých nebo intermediárních rozměrů nové vlastnosti a funkce. Je to rovněž dovednost manipulovat s objekty na atomové úrovni.
Za druhé jsou to dvě definice zformulované v rámci zpracovávání studie „The Nanotechnology Study“ v britské The Royal Society v roce 2003 /11/ Nanověda je studium hmoty na atomové a molekulární úrovni (obvykle od 0,1 do 100 nm), kde se vlastnosti výrazně liší od vlastností při větších rozměrech. Nanotechnologie je aplikací těchto znalostí při vytváření užitečných materiálů, struktur a zařízení a pojem „nanotechnologie“ je v této práci používán v jednotném čísle jako společný pojem, který zahrnuje různé obory nanovědy a nanotechnologií.

Podrobnější informace na http://csnmt.fme.vutbr.cz/nano/

[nahoru][nanochemie][orbitaly][atomové jádro][chemická fyzika a fyzikální chemie][go home]