17.03.2006 20:57:14
P. Klusoň: "Vítejte v nanosvětě"
Český rozhlas 2 - Praha, populárně naučný
cyklus Meteor. 9.5.2005,
16.5.2005,
24.5.2005
Nanosvět, nanotechnologie, slova, která se začala vkrádat do naší doby, aby ji v budoucnu ovládla. Slova obsahují předponu nano-, která vyjadřuje miliardtou část. Tedy deset na minus devátou. V případě délkových jednotek, o kterých budeme dnes hovořit, představuje 1 nm jednu miliardtinu metru. Tak malý úsek je ovšem jen velmi těžko představitelný. Uvažujme tedy spíše 1mm, tedy jednu tisícinu metru. Tu rozdělme na milion stejných dílků. Jinými slovy, když nejmenší dílek na školním pravítku - 1 milimetr rozdělíme na tisíc stejných úseků, získáme jeden mikrometr, jestliže rozdělíme jeden mikrometr na dalších tisíc dílků, získáme jeden nanometr.
Zkusme uvést příklad. Lidský vlas má průměr desetinu až dvě desetiny milimetru, tedy 100 až 200 mikrometrů, hrubší částice prachu 20 mikrometrů, buňky červených krvinek jsou velké přibližně 5 mikrometrů. Tloušťka jednotlivých vláken asbestu nepřesahuje 3 mikrometry. Jemné částice sazí nebývají větší než 2 mikrometry.
Velikost většiny bakterií je asi 1 mikrometr, ale virů okolo 100 nm. Barevná vrstva oleje na kaluži je silná přibližně 50 nm. Takzvané kvantové tečky, budeme o nich hovořit, jsou velké 2 až 20 nm, průměr molekuly DNA, nositelky genetické informace se pohybuje v rozmezí 2 a půl až 12 nm. Kdybychom molekulu methanu vložili do koule, její průměr by byl asi dvě desetiny nanometru a atomů vodíku by se do jednoho nanometru vešlo přibližně deset.
Nanotechnologie jsou tedy postupy, které pracují s útvary nebo částicemi, molekulami o velikostech nanometrů. Do konce devadesátých let minulého století se nanotechnologie nedařilo zcela přesně vymezit, neboli, nebylo zcela jasné, co lze za nanotechnologii označit a co nikoli.
Termínem nanotechnologie lze označit takový postup, který splňuje tři základní kritéria.
První - nanotechnologie je výzkumná činnost nebo technologický vývoj provozovaný na atomární, molekulární nebo makromolekulární úrovni v rozsahu přibližně 1 až 100 nanometrů. Slovo přibližně je na místě, protože mezi nanotechnologie spadají za určitých okolností i činnosti manipulující s útvary o velikosti až několika mikrometrů.
Druhým kritériem je, že se musí vytvářet nebo používat při těchto činnostech struktury, zařízení nebo systémy, které mají nové vlastnosti a funkce vyplývající mimo jiné právě z jejich malé velikosti.
A za třetí - za nanotechnologický postup je možné označit pouze takovou metodiku, která umožňuje kontrolovat částice a manipulovat s nimi na atomární a molekulární úrovni.
První kritérium je jistě velmi důležité. Vymezuje oblast, nebo spíš vymezuje částice podle jejich velikosti, se kterými nanotechnologie pracují. Je to vcelku jasné. Ovšem pokud by oblast nanotechnologií vymezovalo pouze toto hledisko, spadaly by sem všechny experimenty chemické, biochemické, pokusy z oblasti materiálového inženýrství i mnoho experimentů fyzikálních. Ale tak tomu není.
Chceme-li v této oblasti úspěšně pracovat, musíme přijmout zcela nová pravidla a zákonitosti. Ty jsou odlišné od těch, na které jsme zvyklí z běžné experimentální praxe ve fyzice, chemii nebo biochemii. S touto vědomostí nebo spíše často s touto představivostí, se pokoušíme navrhnout a vytvářet nové struktury, které se podle těchto pravidel chovají. Výrazem "nové struktury" však nemyslíme např. odlišnost chemického složení, ta se lišit nemusí, zcela odlišné jsou však jejich vlastnosti, funkce a chování vyplývající z jejich velikosti, případně dokonalé uspořádanosti nebo vysoké orientovanosti.
Bude tedy možné vytvářet něco, co současnými postupy získat nemůžeme. To se už podařilo na řadě úspěšných nanotechnologických aplikací potvrdit. O některých z nich budeme hovořit. Musíme přijmout jako skutečnost, že na nanoúrovni se částice a vytvářené struktury chovají opravdu jinak než jsme zvyklí. I tak jednoznačné hodnoty, jako jsou třeba bod tání, se pro nanočástice liší od známých hodnot. Běžné fyzikální zákony neplatí a naopak, mnoho těch, které se uplatňují, neznáme. Je to dáno mimo jiné tím, že hlavními faktory, které ovlivňují chování nanočástic, jsou atomární síly, vlastnosti chemických vazeb a především kvantové jevy. U velmi malých částic se začíná projevovat jejich vlnová povaha. Velikostí připravované nanostruktury můžeme řídit vzdálenosti kvantových hladin. To jinými slovy znamená, že můžeme ovlivňovat řadu významných makroskopicky pozorovatelných a užitečných (využitelných) vlastností.
A třetí hledisko je zcela konkrétní. Abychom mohli z nanočástic vytvářet funkční systémy a celky, musíme být schopni objektivními postupy jejich funkčnost nastavovat, kontrolovat a regulovat. Musíme být schopni s nimi manipulovat. Zní to velmi jednoduše, ale právě toto kritérium je jednoznačně tím hlediskem, které rozhoduje definitivně o tom, zdali můžeme v konkrétním případě hovořit o nanotechnologickém postupu, nebo nikoli. Například částice platiny nebo rhodia o velikosti několika nanometrů rozptýlené na povrchu vhodného nosiče mají vlastnosti vynikajícího katalyzátoru. Kritérium první, obvykle i druhé je splněno, ovšem právě proto, že není naplněno hledisko třetí, nelze standardní heterogenní katalýzu označit v žádném případě za nanotechnologický postup.
Minule jsme se při návštěvě v nanosvětě pokusili vymezit oblast lidské činnosti, kterou můžeme označit za nanotechnologie. Tedy jen stručně: Nanotechnologie se zabývají částicemi přibližně v rozsahu 1 až 100 nm. S takto malými útvary je nutné umět manipulovat, za jistých okolností kontrolovat jejich tvar, velikost a uspořádání a cílenými zásahy ovlivňovat, nastavovat a regulovat jejich funkčnost. Vlastnosti struktur složených z jednotlivých nanočástic jsou odlišné od běžných struktur, které však z hlediska chemického složení mohou být stejné. Tyto nové vlastnosti vyplývají z jejich malé velikosti, případně vysoké uspořádanosti nebo prostorové orientovanosti.
Na malé částice se ale musí především s velkými penězi. Tady neplatí "Je to malé, je to levné". Nanotechnologie ale patří k prioritním oblastem výzkumu a vývoje a vynaložené prostředky jsou enormní. Posuďte sami: V roce 2001, tedy pouhý rok po vyhlášení programu Národní nanotechnologické iniciativy, dosáhly subvence vlády Spojených států do výzkumu nanotechnologií pět set milionů dolarů. Pro rok 2004 schválil kongres USA už 961 milionů dolarů a na léta 2005 až 2008 přislíbili členové kongresu sumu 3 tisíce 700 milionů dolarů.
Evropská unie není v žádném případě pozadu. V akademickém roce 2003-2004 byla na tuto oblast vyčleněna částka téměř jeden a půl miliardy dolarů.
Investice v soukromém sektoru byly oproti státním podporám na celém světě poněkud opožděny, ale rok 2004 byl ve znamení významného přílivu prostředků právě od soukromých firem. Odhaduje se, že státní prostředky na nanotechnologie vynaložené v roce 2004 dosáhly celosvětové úrovně téměř pěti miliard dolarů, soukromý sektor dodal dalších 2 a půl miliardy dolarů.
To jsou těžko představitelné sumy peněz. Tuto nebývalou štědrost si lze vysvětlit tím, že nanotechnologie zasahují a především budou zasahovat prakticky do všech oblastí lidské činnosti. Nanomateriály se budou vyskytovat v hračkách, v kuchyni, na vesmírných stanicích, v lidském těle, v léčivech, v analytických přístrojích, významná část energie se bude získávat nanotechnologickými postupy. Nanomateriály nalezneme v počítačích, v telefonech, v automobilech a bohužel i ve výzbroji armád. Tak jako do našich životů vstoupily v padesátých letech minulého století plasty, v prvních dvou desetiletích tohoto století to budou nanomateriály. Jenom s tím rozdílem, že jejich uplatnění bude komplexnější.
Výzkum a vývoj v oblasti nanotechnologií se rozvíjí nesmírně rychle. Jestliže manipulujeme cíleně s hmotou na atomární a molekulární úrovni, dochází k významným změnám optických, magnetických, elektrických a jiných vlastností této hmoty. Díky tomu se objevují nové vlastnosti, jejichž technologické využití je nezměrné. Je možné připravit složené materiály o tvrdosti, s jakou jsme se doposud nesetkali. Je možné získat paměťové obvody s kapacitou a rychlostí převyšujících parametry současných médií o několik řádů.
Bude možné vyrobit solární panel s účinností 3x vyšší, než jaké dosahují jaderné elektrárny. Tyto fotovoltaické články budou propojeny s vysokokapacitními zařízeními pro uchovávání a přenos energie. Nanotechnologicky připravené distributory léčiv a tzv. nanopasti na viry se uplatní ve farmakologii. Lékařská diagnostika velmi pokročí díky zařízením na bázi kvantových teček; budeme o nich v naší encyklopedii hovořit. Opravy poruch chromozomů budou bezpochyby využívat nanotechnologické postupy, už se objevují nanotechnologicky připravované tkáňové náhrady. Velmi se rozvíjí oblast nanosenzorů pro detekci znečišťujících látek, výbušnin, pro ochranu osob i majetku, a mohl bych pokračovat dál a dál. Proto tolik zájmu a tolik peněz.
Ani situace v České republice není špatná. Jsme malá země, a tak se spojujeme s partnery v rámci evropských a světových projektů. Ovšem i přímá podpora státu, a dokonce i menších soukromých firem není v této oblasti zanedbatelná. Rozhodně se domnívám, že i v České republice platí, že projekty zaměřené na nanotechnologie se berou vážně.
Řekli jsme si, že na malé částice potřebujeme především velké peníze. Také práce v této oblasti se liší od toho, na co jsme v laboratořích zvyklí. A to jak v rovině experimentální, tak teoretické. Je jasné, že není možné vzít atom do pinzety nebo ho nabrat pipetou a skládat z něj nějaké zařízení nebo struktury, které jsme si vymysleli. Měřítko tedy neodpovídá, ale je to, jako kdybychom do ramene osmdesát metrů vysokého jeřábu umístili jehlu s navlečenou bavlnkou a požádali jeřábníka, aby nám vyšil ozdobným stehem vzor do kousku plátna.
Příklad: V případě běžného experimentu musíme vzorek vzít do laboratoře, kde s ním dále pracujeme. V případě nanotechnologií musíme vzít laboratoř a tu přenést do vzorku. Což zní stále jako science fiction, ale uvidíte, že to je dnes už běžná praxe. Ta druhá rovina, teoretická, je neméně vzrušující. Většina matematických modelů popisuje idealizované systémy, které se od reality dost liší.
Nanotechnologicky však lze připravit modelový systém, který je na jednu stranu ideální, tedy odpovídá oné idealizované modelové struktuře, a na druhé straně skutečně objektivně existuje. Je možné tedy praktickými testy současně zkoumat jeho vlastnosti a zároveň jej teoreticky předpovídat. Navíc jsou takové struktury obvykle poměrně jednoduché, a proto není třeba rovnice používané v kvantové fyzice příliš zjednodušovat.
Počátky nanotechnologií jsou spjaty se jménem nositele Nobelovy ceny za fyziku z roku 1965 Richardem Feynmanem. Ten na každoročním setkání Americké fyzikální společnosti, v prosinci roku 1959, na půdě kalifornské techniky proslovil přednášku, jejíž téma o několik desetiletí předběhlo svou dobu. Odvážil se přednést vizi technologií, které umožní manipulaci s velmi malými částicemi.
Název jeho přednášky v originále zněl "There is Plenty of Room at the Bottom", což můžeme volně přeložit snad jako "Tam dole je hodně místa".
V čem byla Feynmanova přednáška tak pozoruhodná?
Prakticky v každém odstavci je na jedenácti stranách textu nějaký nápad. Psal se rok 1959 a Feynman tu hovoří s naprostou jistotou o tom, co se začalo v hrubých rysech uskutečňovat o třicet čtyřicet let později. Nemusím zdůrazňovat, že ho řada jeho současníků považovala za fantastu.
Podívejme se na názvy některých kapitol a
odstavců:
Už z názvů kapitol vyplývá, že Feynman měl pravdu. Předpověděl,
že v budoucnu bude možné cíleně manipulovat s atomy a
sestavovat systémy a zařízení neobyčejných vlastností a
funkcí.
Ano. Richard Feynman si totiž byl vědom, že na stejné úrovni, podle jistých algoritmů, pracuje živá příroda. Inspirující je pak především rozmanitost, se kterou se jí to daří. Feynman se jednoznačně vyjádřil, že člověk by se měl pokusit napodobit přírodu při vytváření velmi malých funkčních systémů. V přírodě jde o postup opravdu běžný. Každá buňka je příkladem nanotechnologie. Získává nezávisle energii, ale také produkuje od základů molekuly s jasnou funkcí, např. přenašeče nervového vzruchu, enzymy nebo hormony, a to podle algoritmu zakódovaného v DNA.
Jestliže to zvládne příroda, proč ne my? Přesně tak to Feynman onoho prosincového dne na sklonku roku 1959 řekl. Jenom trochu podcenil dobu, po kterou ještě bude trvat, než se alespoň některé jeho vize stanou skutečností. On sám to odhadoval na deset let. A vidíte, ke skutečnému rozvoji nanotechnologií došlo až po jeho smrti v roce 1988.
Dalším, kdo přispěl k rozvoji tohoto vědního oboru, je bezpochyby fyzik Eric Drexler, muž, který pro popularizaci nanotechnologií vykonal nesmírně mnoho. Ten v knize "Stroje stvoření - nástup éry nanotechnologie" z roku 1986 předznamenal myšlenku nanotechnologické revoluce. On je prvním návrhářem tzv. nanostrojů a nanorobotů, které se dokáží samy replikovat a jsou použitelné pro prakticky jakoukoli činnost ve prospěch člověka. Od stavby makroskopických celků až po údržbu lidského těla tak říkajíc zevnitř. Jeho náměty nejsou docela zcestné, například různé nanomotory pro pohon velmi malých systémů už byly navrženy a některé i vyzkoušeny.
Nedávno skupina vědců z Mnichova představila jednoduchou funkční pohonnou jednotku, která se skládá z molekuly polymeru organické látky azobenzenu. Molekula azobenzenu obsahuje pár dusíkových atomů s benzenovým jádrem navázaným na každé straně. Dusíkový můstek mezi jádry je zkroucený, ale jakmile na něj začne působit světlo určité vlnové délky, narovná se a tím prodlouží molekulu. Světlo o jiné vlnové délce jej opět vrátí do staženého stavu. Takto lze opakovaně přepínat mezi zkráceným a prodlouženým stavem. Připojením zátěže v okamžiku, kdy se molekula zkracuje, a odpojením v okamžiku, kdy se prodlužuje, dokáže mechanismus konat práci. Nanomotorek podává samozřejmě extrémně nízký výkon, přesto se v měřítcích nanosvěta jedná o skutečnou pohonnou jednotku.
Uvažujeme o stavbě nanostrojů na úrovni atomů. Těch technik je několik a převážně souvisejí s objevem skenovacího mikroskopu využívajícího tzv. tunelový efekt (STM) z roku 1981. O pět let později za něj dvojice vědců Gerd Binning a Henrich Rohrer obdržela Nobelovu cenu. Mezi významné milníky oblasti nanotechnolgií patří i objev fullerenů. S důkazem existence této přírodní uspořádané formy čistého uhlíku přišli v roce 1985 Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley.
Hovoříme o uhlíku. Uhlíkové nanotrubice jsou s nanotechnologiemi spjaty velice úzce. Jejich dvě základní verze spatřily světlo světa v letech 1991 a 1993. Jejich objevitelem byl Japonec Sumio Iijima. Počátek devadesátých let byl rovněž ve znamení rozvoje tzv. self-assembly procesů. Z těch se stal další základní konstrukční nástroj nanotechnologií při vytváření organizovaných struktur tvořených nanočásticemi. Od poloviny 90. let minulého století objev stíhal objev.
Rok 1997 přinesl první funkční molekulární diody - vědci demonstrovali vedení elektrického proudu jedinou molekulou, jejich spojením byly vytvořeny nanovodiče. Podařilo se sestrojit první skutečné nanomechanismy, např. ozubené kolečko, jehož "zuby" jsou tvořeny jednotlivými atomy. Objevily se supravodiče z fullerenů. Své praktické uplatnění nalezly miniaturní polovodičové systémy, tzv. kvantové tečky. Novinkou roku 2003 byl světelný zdroj v podobě nanotrubičky 50 000 x tenčí než lidský vlas ...
Nanotechnologie také vtrhla do počítačové techniky. Na počátku nového století byly navrženy nanotranzistory 500krát menší než standardní součástky tohoto druhu. V případě molekulárních nanopamětí se reálně uvažuje o hustotě 250 miliard bitů na jediném čtverečním centimetru. První nanočip - molekulární paměť - představila firma IBM v roce 2002.
[nahoru][nanochemie][orbitaly][atomové
jádro][chemická fyzika a fyzikální
chemie][go home]