NanotechnologiaInnowacje dla świata przyszłości

NANOTECHNOLOGIE I NANONAUKA,

WIELOFUNKCYJNE MATERIAŁY OPARTE NA WIEDZY

ORAZ NOWE PROCESY I URZ ĄDZENIA

INFO

RMA

CJE

OG

ÓLN

E

KOMISJA EUROPEJSKA

Wspólnotowe badania naukowe

Czy jesteś zainteresowany europejskimi badaniami naukowymi?

RTD info to nasz kwartalnik, który umożliwia zapoznanie się z najistotniejszymi nowinami (wynikami, programami,

wydarzeniami, itp.). Magazyn dostępny jest w języku angielskim, francuskim i niemieckim. Istnieje możliwość otrzymania

próbnego egzemplarzaj lub darmowej prenumeraty, wysyłając zamówienie na podany poniżej adres:

European Commission

Directorate-General for Research

Information and Communication Unit

B-1049 Brussels

Fax (32-2) 29-58220

E-mail: research@ec.europa.eu

Internet: http://ec.europa.eu/research/rtdinfo/index_en.html

Wydawca: KOMISJA EUROPEJSKA

Dyrekcja Generalna ds. badań naukowych

Dyrekcjat G – Technologie przemysłowe

Jednostka G.4 – Nanonauka i nanotechnologia

Kontakt: Dr. Renzo Tomellini, Dr. Angela Hullmann

E-mail: renzo.tomellini@ec.europa.eu, angela.hullmann@ec.europa.eu

Url: cordis.europa.eu/nanotechnology/

KOMISJA EUROPEJSKA

Nanotechnologia

Innowacja dla świata przyszłości

Niniejsza broszura powstała w wyniku projektu finansowanego przez

niemieckie Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych (BMBF),

a realizowanego przy udziale Centrum Technologii Niemieckiego

Stowarzyszenia Inżynierów (VDI-TZ). Komisja Europejska wyraża wdzięczność

niemieckiemu ministerstwu za wyrażenie zgody na przetłumaczenie tej

publikacji i udostępnienie jej społeczności europejskiej. Chcielibyśmy wyrazić

szczególne podziękowania dla Dr Rosity Cottone (BMBF) i Dr Wolfganga

Luthera (VDI-TZ) za ich wsparcie podczas koordynacji działań.

Wydawca: Komisja Europejska, Dyrekcja Generalna ds. Badań Naukowych

Opracowanie: Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, Berlin

Koordynacja: Dział Technologii Przyszłości, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf

Auhor: Dr. Mathias Schulenburg, Kolonia

Opracowanie graficzne: Suzy Coppens, BergerhofStudios, Kolonia

Dyrekcja Generalna ds. Badań Naukowych

2007 „Nanonauka i Nanotechnologia” EUR 21152PL

INFORMACJA DOTYCZĄCA KWESTII PRAWNYCH:

Zarówno Komisja Europejska, jak i żadna inna osoba działająca w imieniu Komisji, nie ponosi odpowiedzialności

za wykorzystanie zamieszczonych tu informacji.

Wyłączną odpowiedzialność za poglądy wyrażane w niniejszej publikacji ponosi jej autor. Poglądy te nie muszą

odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej.

Wiele informacji dodatkowych na temat Unii Europejskiej można uzyskać za pośrednictwem internetu.

Są one dostępne na serwerze Europa (http://ec.europa.eu).

Dane katalogowe zamieszczono na końcu niniejszej publikacji.

Luksemburg: Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich, 2007

ISBN 92-79-00885-4

© Wspólnoty Europejskie, 2007

Powielanie dozwolone jest pod warunkiem podania źródła.

Printed in Belgium

WYDRUKOWANO NA BIAŁYM PAPIERZE BEZ ZAWARTOŚCI CHLORU

Serwis Europe Direct umożliwia pomoc w uzyskaniu odpowiedzi na pytania

dotyczące spraw związanych z Unią Europejską

Bezpłatny telefon kontaktowy:

00 800 6 7 8 9 10 11

Przedmowa

Nanotechnologia jest nowym podejściem badawczym, które odnosi się do zrozumienia i doskonalenia

właściwości materii w skali nano: jeden nanometr (jedna miliardowa metra) to długość małej

cząsteczki. W takim wymiarze materia wykazuje zupełnie inne, częstokroć zaskakujące właściwości,

w wyniku czego tradycyjnie wyznaczone granice pomiędzy dyscyplinami naukowymi i technicznymi ulegają

zatarciu. Dlatego działania w zakresie nanotechnologii mają charakter wyrażnie interdyscyplinarny.

Często twierdzi się, że nanotechnologia posiada potencjał „destruktywny” bądź „rewolucyjny” w sensie

możliwości wpływu na przemysłowe techniki produkcji. Nanotechnologia oferuje potencjalne rozwiązania

wielu bieżących problemów poprzez wykorzystanie mniejszych, lżejszych, szybszych i bardziej wydajnych

materiałów, podzespołów i systemów, co prowadzi do powstawania nowych szans tworzenia dobrobytu i

nowych miejsc pracy. Oczekuje się również, że nanotechnologia wniesie istotny wkład w proces rozwiązywania

problemów globalnych i zmagania się z wyzwaniami ekologicznymi poprzez opracowywanie produktów

i realizację procesów o bardziej konkretnych zastosowaniach, przyczyni się do oszczędzania zasobów i

zmniejszenia emisji zanieczyszczeń.

Obecnie na całym świecie rozwój nanotechnologii nabiera znacznego tempa. Stosunkowo wcześnie, bo już

w drugiej połowie lat dziewięćdziesiątych dwudziestego wieku, środowiska europejskie zaczęły inwestować

w liczne programy w zakresie nanonauki. Z czasem opracowano solidne podstawy naukowe, a obecnie niezbędne

jest zapewnienie przemysłowi i społeczności europejskiej możliwości czerpania korzyści wypływających z tej

wiedzy poprzez opracowywanie nowych produktów i procesów.

Nanotechnologia jest tematem najnowszej publikacji Komisji Europejskiej („W kierunku europejskiej strategii

w zakresie nanotechnologii”). W publikacji tej nie tylko zasugerowano, iż należy promować badania w zakresie

nanonauki i nanotechnologii, lecz wskazano także kilka innych, niezależnych czynników, jakie powinniśmy

wziąć pod uwagę:

• Lepsza koordynacja krajowych programów badawczych i inwestycji służąca także temu, żeby Europa

dysponowała odpowiednimi zespołami i właściwą infrastrukturą („bieguny doskonałości”), mogącymi

konkurować na szczeblu międzynarodowym. Jednocześnie do osiągnięcia odpowiedniej masy krytycznej

niezbędna jest współpraca pomiędzy organizacjami badawczymi reprezentującymi sektor publiczny i prywatny

w całej Europie.

• Nie można pominąć innych czynników konkurencyjności, takich jak odpowiednia metrologia, przepisy

i prawa własności intelektualnej, przygotowujące grunt dla innowacji przemysłowej i prowadzące do osiągania

korzyści w zakresie konkurencyjności, zarówno dla dużych, jak i małych i średnich przedsiębiorstw.

• Niezwykle istotne są działania związane z edukacją i szkoleniem, w szczególności Europa powinna podjąć

działania zmierzające do zwiększenia przedsiębiorczości naukowców i pozytywnego nastawienia technologów

w odniesieniu do zmian. Realizacja prawdziwie interdyscyplinarnych badań poświęconych nanotechnologii

może wymagać także opracowania nowego podejścia do edukacji i szkolenia w zakresie badań naukowych

i przemysłu.

• Aspekty społeczne (takie jak informacja i komunikacja w obrębie danej społeczności, zagadnienia związane ze

zdrowiem i środowiskiem oraz ocena ryzyka) stanowią dalsze istotne czynniki dla zapewnienia odpowiedzialnego

kształtowania rozwoju nanotechnologii i spełniania oczekiwań społecznych. Dla długotrwałego rozwoju

nanotechnologii i jej skutecznego zastosowania decydująca będzie wiara społeczeństwa i inwestorów w tę

dziedzinę.

Celem niniejszej publikacji jest ukazanie istoty nanotechnologii i potencjalnych korzyści, jakie ma do zaoferowania

Europejczykom.

Nicholas Hartley

p.o. dyrektora jednostki „Technologie przemysłowe”

Dyrekcja Generalna ds. badań naukowych

Komisja Europejska

3 Przedmowa

4-5 Spis treści

6-7 Atom: Dawna idea i nowa rzeczywistość

8-13 Nanotechnologia w przyrodzie

14-15 Oczy dla nanokosmosu

16-17 Przyrządy do pisania

18-19 Impulsy dla nauki

20-21 Projektowanie materiałów w nanoskali

Spis treści

Podróż w nanokosmos

Narzędzia

i procesy

Nanotechnologia dla społeczeństwa

oelektronika

w przyszłej codzienności

22-27 Świat w sieci: nonoelektronika

28-29 Nanotechnologia w przyszłej codzienności

30-33 Motoryzacja

34-37 Zdrowie

38-41 Energia i środowisko

42-43 Nanotechnologia dla sportu i rekreacji

44-45 Wizje

46-47 Szanse i niebezpieczeństwa

Dalsze informacje

48 Jak zostać nanoinżynierem?

49 Osoby do kontaktu, linki, bibliografia

50-51 Słownik

52 Wykaz ilustracji

6

Podróż w nanokosmos

Atom: Dawna idea i nowa rzeczywistość

Nasz świat materialny składa się z atomów. Stwierdził

to już około 2400 lat temu grecki myśliciel Demokryt.

Współcześni Grecy podziękowali mu za to wizerunkiem na

dziesięciodrachmowej monecie. Monet tych było bardzo wiele

w obiegu, podobnie jak atomów. Kropla deszczu zawiera

ich aż 1.000.000.000.000.000.000.000, ponieważ atomy są

maleńkie, – mają rozmiary rzędu jednej dziesiątej nanometra,

a nanometr to jedna milionowa milimetra.

Amedeo Avogadro (1776-1856), profesor

fizyki w Turynie, dzięki któremu kropla deszczu

stała się obliczalna.

Stosunek średnicy atomu magnezu do średnicy piłeczki tenisowej jest

równy stosunkowi średnicy piłeczki tenisowej

do średnicy Ziemi. Pomyślmy o tym, gdy

będziemy połykać kolejną tabletkę magnezu!

Duch Demokryta unosi się nad nano-sceną, morzem nieskończenie wielu możliwości.

Lukrecjusz, rzymski literat, kilka wieków

później napisał wiersz o atomach:

"Kosmos składa się z nieskończonej przestrzeni i

nieskończonej liczby nierozkładalnych cząstek, atomów,

których różnorodność form też jest nieskończona. ...

Atomy różnią się tylko kształtem, wielkością i ciężarem,

są nieprzenikalnie twarde, niezmienne, są granicą

fizycznej podzielności …"

Wiedziano więc już wtedy bardzo wiele, choć tylko na

podstawie czystej spekulacji. Później przez długi czas

nie myślano o takich sprawach.

W siedemnastym wieku słynny astronom Johannes

Kepler zastanawiał się nad płatkami śniegu, o których

napisał w 1611 roku, że swoją regularną formę mogą

zawdzięczać jedynie prostym, jednolitym cegiełkom.

Pojęcie atomu odzyskało popularność.

7

Nowoczesne przyrządy analityczne umożliwiają

obecnie oglądanie tych bardzo złożonych

nanoskopowych elementów żywej materii.

Wreszcie w latach osiemdziesiątych XX wieku

opracowano narzędzie w postaci skaningowego

mikroskopu tunelowego, który umożliwia nie tylko

obrazowanie poszczególnych atomów w krysztale, ale

nawet ich przesuwanie (chociaż wiele osób pierwsze

obrazy uznało za oszustwo).

Przygotowano tym samym scenę dla radykalnie

nowego podejścia naukowego: nanotechnologii.

Atomy manganu zostały wykorzystane przez profesora Berndta z Kilonii do odtworzenia logo Uniwersytetu Christiana Albrechta.

Uczeni, którzy zajmowali się minerałami i kryształami,

coraz częściej traktowali atomy jako coś oczywistego.

Jednak dopiero w 1912 roku na uniwersytecie w

Monachium udało się przeprowadzić bezpośredni

dowód: kryształ chalkantytu rozdzielał światło

rentgenowskie podobnie jak materiał parasola

rozdziela światło latarni – kryształ musiał

składać się z atomów,

t wor z ą c ych uporząd-

k o w a n ą strukturę,

jak włókno materiału

p a r a s o l a albo pryzma

pomarańczy na straganie.

Powód, dla którego atomy

w krysztale układają się tak regularnie, jest prosty:

materia zapewnia sobie jak najwięk–

szą wygodę, a najwygod-

niejsza jest struktura

up orząd- kowana.

N a w e t orzechy

w misce, gdy się

n i m i potrząśnie,

t w o r z ą regularne

wzory, a atomom

przychodzi to znacznie łatwiej.

Proste wzory nie zawsze jednak są najłatwiej

powielane. Napędzana siłą samoporządkowania,

materia Ziemi przez miliardy lat przybrała formy

fantastycznie skomplikowane, a w niektórych

przypadkach nawet ożywione.

Strukturę nanomaszyn, takich jak rybosomy, odtworzyła krystalograficznie Ada Yonath, DESY.

8

Nanotechnologia w przyrodzie

Nanotechnolodzy bardzo lubią przyrodę ożywioną. W ciągu czterech

miliardów lat swego istnienia natura znalazła wiele zadziwiających

rozwiązań problemów, jakie napotykała. Cecha charakterystyczna:

życie uporządkowuje materię aż do najdrobniejszych szczegółów,

do poziomu atomów. I to również jest celem nanotechnologów.

Atomy nie są lubiane. Słysząc o nich,

myślimy o gwałtownych wybuchach albo

niebezpiecznym promieniowaniu. Dotyczy

to jednak wyłącznie technik, które zajmują się jądrem

atomowym. Nanotechnologia zajmuje się powłokami

atomowymi – jej rola rozgrywa się w tej właśnie skali.

Aby jednak usunąć wszelkie wątpliwości co do tego,

że atomy naprawdę są tworem całkiem zwyczajnym,

a w odpowiednich połączeniach nawet mogą dobrze

smakować, jako miejsce startu w nanokosmos

wybraliśmy najnormalniejszy ser.

Gatunek Mimolette pochodzi z Flandrii.

Powierzchnia pokryta małymi dziurkami każe

przypuszczać, że ser jest zamieszkały. Producenci

Mimolette odkryli, że aktywność roztoczy poprawia

aromat tego sera. Roztocza mają wielkość jednej

dziesiątej milimetra. Specjalny skaningowy mikroskop

elektronowy, ESEM, umożliwia obserwowanie ich

na żywo. Jak każdy żywy organizm, roztocza są

zbudowane z komórek. Komórki te maja rozmiary w

skali mikrometrowej. W komórce znajduje się bardzo

skomplikowana maszyneria. Jej ważną częścią są

rybosomy, które tworzą wszystkie możliwe cząsteczki

białka zgodnie z kodem substancji dziedzicznej DNA.

Rząd wielkości rybosomów to 20 nanometrów.

Fragmenty struktury rybosomów poznano już aż

do pojedynczych atomów. Pierwszymi owocami tego

rodzaju badań nanobiotechnologicznych są nowe leki,

blokujące rybosomy bakterii.

Po

dró

ż w

na

no

ko

smo

s

1 m

10 c

m1

mm

0,1

mm

10 m

m10

nm

9

Efekt lotosu i jego zastosowania

Nasturcja utrzymuje liście w czystości dzięki

tzw. efektowi liścia lotosu. Elektronowy

mikroskop skaningowy ESEM pokazuje, jak

kropelki wody oddzielają się od powierzchni liścia.

Dzieje się tak dzięki pokrytej meszkiem powierzchni,

która powoduje, że kropelki wody szybko spływają,

zabierając ze sobą brud z powierzchni liścia Efekt

lotosu – zbadany szczególnie dokładnie przez

profesora Barthlotta i współpracowników z

Uniwersytetu w Bonn – znalazł już zastosowanie

w wielu produktach, na przykład w farbach do

elewacji, po których woda spływa zabierając ze sobą

brud. Również ceramika sanitarna o strukturze

wykorzystującej efekt lotosu łatwo da się utrzymać

w czystości.

Liście roślin wykorzystują jeszcze inny rodzaj

nanotechnologii. Ich gospodarkę wodną często

regulują forysomy. Są to mikroskopijne mięśnie, które

w układzie kapilarnym rośliny otwierają kanały lub

zamykają je, gdy roślina zostanie uszkodzona. Trzy

Instytuty Frauenhofera oraz Uniwersytet w Gießen

próbują znaleźć techniczne zastosowanie owych mięśni

roślinnych, na przykład

w mikroskopijnych silnikach liniowych czy też w

kompletnych systemach laboratoryjnych na płytce

chipowej – „lab on a chip”.

Najbardziej wyrafinowaną technologią w skali atomów

jest proces fotosyntezy, który gromadzi energię do

życia na Ziemi. Tutaj liczy się każdy pojedynczy atom.

Ktoś, komu uda się skopiować ten proces metodami

nanotechnologii, zdobędzie na zawsze nieograniczone

zasoby energii.

1 m

1 cm

50 m

m10

m m

1 m

m10

nm

Kwiat lotosu oczyszcza liście, wykorzystując tak zwany efekt lotosu.

Kropelki wody na liściu nasturcji widziane pod specjalnym mikros-

kopem elektronowym(ESEM) na Uniwersytecie

w Bazylei.

10

Nanotechnologia na suficie: gekon

Gekony wdrapią się na każdą ścianę, potrafią

biegać po suficie z głową w dół,

a nawet zwisać z niego, przytrzymując się

tylko jedną nogą. Jest to możliwe – oczywiście – dzięki

nanotechnologii. Stopa gekona jest pokryta maleńkimi

włoskami, które są tak giętkie, że mogą na dużym

obszarze zbliżyć się do podłoża na odległość kilku

nanometrów. Wówczas zaczyna działać tak zwane

oddziaływanie van der Waalsa, które właściwie jest

bardzo słabe, lecz utrzymuje ciężar ciała gekona dzięki

milionom punktów zaczepienia. Wiązanie można

łatwo zerwać na podobnej zasadzie, jak odrywa się

taśmę klejącą. W ten sposób gekon może biegać po

suficie. Materiałoznawcy mają nadzieję wyprodukować

wkrótce syntetycznego „gekona”.

Trzymanie się życia

Życie istnieje, ponieważ jego elementy łączą

się ze sobą za pomocą wyrafinowanej

nanotechnologicznej sztuki spajania.

Widać to na przykładzie skaleczeń, jak choćby

ukąszenie komara: w miejscu ukąszenia powstaje

zaczerwienienie wskutek rozszerzania się

najmniejszych naczyń krwionośnych, przez które

przepływają duże ilości leukocytów, białych ciałek

krwi. Komórki w miejscu ukąszenia wydzielają

substancję chemiczną.

W zależności od jej

stężenia, wyściółka

komórkowa naczyń

krwionośnych i

leukocyty wydzielają

lepkie cząsteczki, które opóźniają przemieszczanie się

leukocytów wzdłuż ściany naczynia. Przy najwyższym

poziomie tej substancji

leukocyty mocno

przywierają do siebie,

inne lepkie cząsteczki

przeciągają wtedy

ciałka krwi przez

ścianę naczynia do

miejsca ukąszenia,

gdzie unieszkodliwiają one wszelkich intruzów. Na tym

polega sztuka perfekcyjnego klejenia. Trwają obecnie

badania nad opracowaniem sztucznie wytworzonych

nanotechnologicznych imitacji tego zjawiska pod hasłem

„sklejanie na rozkaz” (ang. „bonding on command”).

Małże jako mistrzowie sklejania

Zwykłe małże – te, które podaje się w

restauracji gotowane z warzywami – to

mistrzowie nanotechnologicznego sklejania.

Aby przyczepić się do skały, małż otwiera skorupę

i wysuwa stopę, którą wygina w kształt przyssawki.

Przez maleńkie kanaliki wyrzuca z siebie strumienie

klejących kropelek, miceli, w wytworzony w ten

sposób obszar podciśnienia, gdzie micele rozrywają się,

wydzielając mocny klej podwodny, który natychmiast

spienia się, tworząc poduszeczkę.Małż przytwierdza

się do tego amortyzatora za pomocą elastycznych nici

bisiorowych, zabezpieczając się w ten sposób przed

porywami fal morskich.

Odnóża muchy w zbliżeniu

Nanotechnologia w przyrodzie

Po

dró

ż w

nan

ok

osm

os

Tajemnice przyczepności

chrząszczy, much, pająków i gekonów

zostały odsłonięte w Instytucie Metalurgii

Maxa Plancka w Stuttgarcie.

Przytwierdzają się one do podłoża za pomocą włosków,

które tworzą wiązanie van der Wasala z powierzchnią

kontaktu. Im cięższe zwierzę, tym mniejsze

i liczniejsze muszabyć włoski.

11

Omułek z nićmi bisiorowymi i stopą

Instytut Frauenhofera IFAM w Bremie prowadzi

badania nad zmodyfikowanymi klejami z małży,

dzięki którym nawet najdelikatniejsza

porcelana nadawałaby się do mycia w zmywarce.

Zespół roboczy „Nowe tworzywa użytkowe

i biomateriały” w Rostocku i w Greifswaldzie

także prowadzi badania nad małżami.

Biomineralizacja

Małże mają jednak jeszcze większe

możliwości. Ich masa perłowa składa się

z niezliczonych drobnych kryształków

wapnia w postaci minerału argonitu. Kryształki te

same w sobie byłyby bardzo kruche, jednak w muszli

są ze sobą połączone bardzo elastycznymi białkami

w kształcie śrubek. Trzy procenty wagowe tego białka

w zupełności wystarczą, aby muszla uchowca stała się

trzy tysiące razy twardsza w porównaniu do czystego

kryształu kalcytu. Jeże morskie również używają tej

technologii do wzmocnienia swoich 30 cm kolców,

które dzięki temu mogą wytrzymać uderzenia

fal morskich.

Biomineralizacja może również tworzyć bardzo

delikatne struktury. Na niewielkim obszarze dna

morskiego w pobliżu wysp filipińskich żyje gąbka,

nazywana „koszyczkiem kwiatowym Wenus”.

Stworzenie to jest wygięte jak pochwa tureckiego

kindżału, tyle że zaokrąglone wokół osi podłużnej.

Nazwę swoją zawdzięcza strukturze wewnętrznego

szkieletu swojej otoczki.

Składa się on z tkanki

drobnych igiełek

krzemionkowych, ażurowej

jak wiklinowa plecionka

na oparciu krzesła.

Tkanka ta jest

poprzeplatana zarówno

w sieci prostokątnej

jak i po przekątnej.

Trójwymiarowy splot biomineralny w szkliwie trzonowego zęba nornika chroni powierzchnię żucia przed uszkodzeniem.

Koszyczek kwiatowy Wenus jest uważany za arcydzieło

biomineralizacji. Podstawowe elementy budulcowe

z krzemionki (dwutlenek krzemu) o średnicy trzech

nanometrów łączą najpierw komórki gąbki w cieniutkie

plastry. Następnie są one zwijane tak, aby utworzyć

igły krzemionkowe, stanowiące podstawowy element

plecionki, wytrzymałej na duże zmiany ciśnienia.

Koszyczek kwiatowy Wenus – ta gąbka głębinowa jest obecnie badana jako biologiczny model dla światłowodu.

Techniczna biomineralizacja: Nanocząsteczki naprawiają zęby.

Gdy zęby stają się bardzo wrażliwe na zimno albo kwaśne jedzenie,może

być to przyczyna bólu i jest zazwyczaj spowodowane przez drobne kanaliki –,

odkryte rureczki w szkliwie zęba. Stosując nanocząsteczki fosforanu wapnia (apatytu) i i białka produkowane przez firmę SusTech kanaliki te można zakleic dziesięciokrotnie

szybciej niż przy pomocy zwykłych preparatów apatytowych. remineralizowana warstwa materiału zachowuje się w jamie

ustnej tak samo, jak własne szkliwo.

12

Strategiczne znaczenie miała niegdyś biomineralizacja

okrzemek. Te mikroskopijne stworzenia zabezpieczają

się pancerzem krzemionkowym, którego głównym

składnikiem jest SiO2, czyli dwutlenek krzemu.

Podobnie jak szkło kwarcowe, które również składa

się z dwutlenku krzemu, pancerze krzemionkowe są

stosunkowo odporne na wiele roztworów kwaśnych i

zasadowych.

Z tego powodu nanotechnolodzy widzą możliwość

wykorzystania ich jako naczyń reakcyjnych dla

wytworzania kryształów o rozmiarach

nanometrycznych.

Jeden ze sposobow otrzymywania nanocząstek

polega na ograniczeniu objętości reakcji. Po zużyciu

materiału reakcyjnego kryształki uzyskane w wyniku

reakcji nie będą się powiększać. Pancerzyki okrzemek

posiadają wiele takich nanoskopowych otworów,

pełniących rolę nanoreaktorów.

W jaki sposób powstają te czasami niezwykle piękne

okrzemki? Pierwsze wskazówki są już znane.

Badacze z uniwersytetu w Regensburgu stwierdzili,

że „poliaminy”, należące do znanej grupy białek,

mogą wytwarzać – przy odpowiednim stężeniu

kwasu krzemowego – nanocząstki o zadanej

średnicy w granicach od 50 do 900 nanometrów.

Dzieje się to zupełnie samoistnie, pod wpływem sił

samoporządkowania. Według prostych modeli wzrostu

okrzemki powstają w równie samoistny sposób.

Nanotechnologia w przyrodzie: Ophiocoma wendtii,

kosmata rozgwiazda o wielkości talerza, przez

długi czas stanowiła zagadkę. Stworzenie to, o

opancerzonym korpusie w kształcie krążka, z którego

wyrasta pięć ramion, chowa się przed zbliżającym

się niebezpieczeństwem, choć na pozór nie ma

oczu. Odkryto je w końcu w wapiennym pancerzu

stworzenia, który wysadzany jest skupiskami

doskonałych mikrosoczewek, zamieniając całe

ciało kosmatej rozgwiazdy w jedno złożone oko.

Nanotechnologia? Poszczególne soczewki są

tak skrystalizowane, że nie występuje zjawisko

charakterystyczne dla kalcytu: podwójny obraz.

Mamy tu do czynienia z kontrolą krystalizacji na

poziomie nanometrycznym. Soczewki są również

skorygowane pod względem „aberracji sferycznej”,

poprzez nieznaczny dodatek magnezu, co pozwala

uniknąć niepożądanych kolorowych prążków.

Ophiocoma wykorzystuje więc nanotechnologiczną

precyzję, która niegdyś przyniosła sławę Carlowi

Zeissowi.

Okrzemki – powyżej kształt

przypominający „gąbkę Mengera”

(zob. też s. 21) – mają dzięki optymalnym

kształtom największą trwałość przy

najmniejszej wadze i prawdopodobnie posiadaja systemy

gromadzenia światła dla aparatów

fotosyntezy, chloroplastów.

Łuska pancerza jest zarazem polem mikrosoczewki.

Dlaczego mówimy, że pancerze okrzemek miały

„znaczenie strategiczne”? W 1867 roku Szwed

Alfred Nobel odkrył, że ziemia okrzemkowa,

powstała ze skamieniałych pokładów pancerzy

okrzemek, wchłania nitroglicerynę i tym samym

powstrzymuje samoistną eksplozję tego materiału

wybuchowego. Otrzymaną mieszaninę Nobel

nazwał dynamitem, a obfite zyski z jej sprzedaży

dały początek fundacji, która dzis finansuje

Nagrody Nobla.

Nanotechnologia w przyrodzie

Po

dró

ż w

nan

ok

osm

os

Rozgwiazda "Ophiocoma wendtii " jest wyposażona w doskonały system mikrosoczewek, umożliwiających widzenie optyczne. U góry: Wygląd w dzień, u dołu: wygląd w nocy.

13

Poznawanie granic natury

Nanotechnologia jest oparta na przyrodzie,

ale możliwości przyrody ożywionej są

ograniczone, nie może ona funkcjonować

ani w wysokich temperaturach, jakie są wymagane

dla ceramiki, ani w połączeniu z przewodnikami

metalicznymi. Nowoczesna technika dysponuje

natomiast szeroką gamą sztucznie wytworzonych

warunków – ekstremalną czystością, niskimi

temperaturami, próżnią w których materia ujawnia

zaskakujące właściwości. W szczególności należą do

nich zjawiska kwantowe, które niekiedy wydają się

zaprzeczać prawom rządzącym w naszym codziennym

życiu. Na przykład, cząstki w nanokosmosie uzyskują

czasem właściwości falowe. Atom, który wydaje się

być tworem „stałym”, może jak fala

przechodzić równocześnie przez

dwie szczeliny, wyłaniając się po

drugiej stronie znowu jako całość.

Gdy rozmiar cząstek zbliża się

do nanometra, uzyskują one

całkiem inne właściwości: metale

stają się półprzewodnikami lub

izolatorami. Niektóre substancje,

jak tellurek kadmu (CdTe)

wykazują w nanokosmosie

fluorescencję we wszystkich

kolorach tęczy, inne zaś

przetwarzają światło na prąd

elektryczny. Gdy cząstki osiągają

wielkości nanoskopijne, znacznie

zwiększa się proporcja atomów

powierzchniowych w stosunku do

tych znajdujących się wewnątrz.

Atomy powierzchniowe mają

jednak często inne właściwości

niż atomy znajdujące się wewnątrz

cząsteczki, zwykle są bardziej

reaktywne.

Instytut Nowych Materiałów, INM, w Saarbrücken opracował oparty na nanoczasteczkach proces powlekania elementów metalowych nieścieralnymi hologramami, zabezpieczającymi przed fałszerstwem.

Nanoskopowe cząsteczki złota są na przykład dobrym

katalizatorem w ogniwach paliwowych (zob. też

Motoryzacja). Nanocząstki można również powlekać

innymi substancjami, co pozwala na uzyskanie materiałów

łączących wiele własności cząstek kompozytowych.

Przykład: nanocząstki ceramiczne

z powłokami organicznymi, obniżającymi

napięcie powierzchniowe wody zabezpieczają

lustra łazienkowe przed parowaniem.

Specjalnie powlekane nanocząstki tlenku

żelaza, magnetytu, tworzą z olejem

magnetycznie formowalną ciecz zwaną

ferrofluidem. Ferrofluidy znajdują coraz

więcej zastosowań, między innymi w

środkach uszczelniających do uszczelek

pojemników próżniowych i osłon twardego

dysku lub w regulowanych amortyzatorach

maszyn i samochodów.

Nie trzeba jednak obawiać się złożoności

nanotechnologii, jabłko też ma skomplikowaną

budowę – komórki, rybosomy, DNA –

a mimo to jest bardzo lubianym owocem.

Nawet przyroda tego nie potrafi: Ceramika z dodatkiem nanosadzy dla odpornych na korozję zapalników iskrowych, na przykład w termach gazowych. Dzięki regulowanemu przewodnictwu ceramiki transformator jest niepotrzebny.

Nanocząstki magnetytu w oleju. Ciecz można formować magnetycznie.

Cząstki tellurku kadmu fluoryzują w kolorach zależnych od wielkości cząstki.

„Magnetotacticum bavaricum” Bakteria magnetyczna, może syntetyzować łańcuchy nanomagnetytów i być wykorzystana jako igła kompasowa.

14

Narzędzia

i procesy

Co ma wspólnego z nanotechnologią europejski

teleskop rentgenowski „Newton”? Urządzenie

to wychwytuje promieniowanie rentgenowskie

z odległych obiektów za pomocą 58 reflektorów wielkości

koszy na śmieci, wciśniętych jeden w drugi jak łuski

cebuli i pokrytych naparowaną warstwą złota.

Chropowatość ich powierzchni wynosi średnio

zaledwie 0,4 nanometra. Jest to technologiczne arcydzieło,

w którym największy udział miała firma Carl Zeiss AG.

Precyzyjne zwierciadła rentgenowskie do spektroskopii

i mikroskopii rentgenowskiej zbudowane są z kilkuset

warstw dwóch różnych pierwiastków ciężkich.

Wymagania, jakim muszą sprostać takie zwierciadła,

są ogromne: warstwy mogą odbiegać od idealnej

gładkości tylko o ułamki średnicy atomu. Technika ta

jest opracowywana w Instytucie Fraunhofera Techniki

Materiałowej i Radiacyjnej w Dreźnie.

Sztuczkę z reflektorem warstwowym w zakresie

widma światła widzialnego odkryła również natura:

prowadząca nocny tryb życia kałamarnica Euprymna

scolopes kieruje w dół za pomocą lusterek zbudowanych

z białek zwanych reflektynami światło emitowane

przez bakterie świetlne. W ten sposób udaje

kawałek gwieździstego nieba, oszukując pływające

pod nią drapieżniki. Ten przykład biologicznej

nanotechnologii został odkryty niedawno na

Uniwersytecie Hawajskim.

Sondy skaningowe

Sondy skaningowe jako oczy dla nanokosmosu

wydają się mniej spektakularne, a przecież za

wynalezienie protoplasty wszystkich sond

skaningowych – skaningowego mikroskopu tunelowego,

przyznano Nagrodę Nobla. W elektronowych sondach

skaningowych piezokryształy wielokrotnie przeprowadzają

głowicę skanującą nad przedmiotem obserwacji,

takim jak na przykład pola atomów. Za każdym

razem położenie jej jest lekko przesunięte, ruchy są

Sensacja naukowa: błysk promieni gamma wypala

kręgi w chmurze pyłu galaktycznego.

Oczy dla nanokosmosu

Nanotechnologia w przestrzeni kosmicznej:

Zwierciadła europejskiego teleskopu rentgenowskiego „Newton” są wypolerowane

do średniej gładkości 0,4 nanometra,

umożliwiając obserwację źródeł promieniowania

rentgenowskiego w mgławicy Andromedy.

„Zagroda kwantowa” (ang. „Quantum Corral”) Dona Eiglera, IBM. Fale wewnątrz zagrody odzwierciedlają prawdopodobieństwo napotkania elektronu.

minimalne a odległość głowicy od pola atomów

zazwyczaj mniejsza niż średnica atomu. Coś się

przy tym dzieje: raz przepływa prąd, innym razem

wykrywane są słabe pola magnetyczne. Komputery

graficznie interpretują te pomiary na płaszczyźnie,

tworząc obraz z dokładnością do pojedynczego

atomu, w zależności od zasady pomiaru.

Szczególnie subtelny proces jest wykorzystywany

w skaningowym mikroskopie sił atomowych, który

wykrywa minimalne siły, wywierane przez atomy

pola atomowego na najbliższy atom głowicy skanującej.

Szczytowy atom głowicy skanującej wysyła dwie chmury elektronowe, krążące po

orbicie, zupełnie jak w podręczniku.

Proces ten umożliwia oglądanie powłok elektronowych

atomu – odkrywając tajemnice na podstawowym

poziomie materii. Dotychczasowy rekord świata w

rozdzielczości należy do Uniwersytetu w Augsburgu.

15

Kryształ bromku potasu z tarasami atomowymi. Podobnie wygląda sól na jajku, które zjadamy na śniadanie.

Krzem w powiększeniu, kontury gęstości elektronowej pod skaningowym mikroskopem sił atomowych.

Sondy „pojemnościowe” mogą być również wykorzystane do obrazowania procesów

przełączania na chipie.

Skaningowy mikroskop sił atomowych: odchylenie igły odczytującej jest przekazywane do fotokomórki przez promień laserowy.

Schematyczne przedstawienie klasycznej głowicy skaningowego mikroskopu tunelowego.

„Euprymna scolopes” oszukuje swoich wrogów, posługując się wielowarstwowymi lusterkami, zbudowanymi z białek, zwanych reflektynami. Światło pochodzi od świecących bakterii.

Zakrzywione zwierciadło wielowarstwowe do zaawansowanej analizy rentgenowskiej.

16

Nowoczesne chipy mają struktury mniejsze niż długość

fali światła, używanego do litografii, do wytworzenia

ich stosuje się lasery kryptonowo – fluorowe których

długość fali wynosząca 193 nanometry pozwala na

wytworzenie struktur o szerokości 130, a wkrótce

również 90 nanometrów. Jest to jest możliwe dzięki

zastosowaniu pewnych „sztuczek” optycznych, takich

jak korekcja przybliżenia optycznego i przesuniecie

fazowe. Obecnie opracowuje się podstawy litografii

w dalekim ultrafiolecie (litografia EUV), która

wykorzystuje fale o długości 13 nanometrów

i ostatecznie ma doprowadzić do uzyskania w krzemie

struktury o szerokości zaledwie 35 nanometrów.

Wymagania wobec materiału maski są bardzo wysokie.

Płytka długości 10 centymetrów po ogrzaniu o jeden

stopień Celsjusza może rozciągnąć się tylko o parę

dziesiątych nanometra, czyli o kilka średnic atomu.

Wymagana gładkość nieprzekraczająca kilku średnic

atomowych stanowi również granicę możliwości tego

co jest w ogóle wykonalne.

Litografia

W świecie komputerów litografia oznacza

technikę wytwarzania chipów komputer-

owych za pomocą światła. W tym celu

dokładnie wypolerowana powierzchnia materiału

półprzewodnikowego, (krążka krzemowego),

powlekana jest światłoczułą warstwą ochronną,

którą naświetla się obrazem układu scalonego.

Wywołanie warstwy ochronnej odsłania naświetlone

(lub nienaświetlone) miejsca krążka, którym nadaje

się pożądane właściwości elektryczne za pomocą

procesów takich jak wytrawianie, implantacja obcych

atomów i osadzanie. Powtarzanie tego procesu stosując

coraz to nowe wzorce masek, ostatecznie prowadzi

do powstania najbardziej skomplikowanych struktur,

jakie człowiek kiedykolwiek wytworzył: obwodów

scalonych o wysokiej skali integracji, czyli chipów.

Gęstość upakowania tranzystorów zwiększyła się

obecnie do tego stopnia, że na powierzchni kropki

zrobionej czubkiem ołówka można zmieścić pół

miliona lub więcej tranzystorów.

Przybory do pisania

N

arzę

dzi

a

i p

roce

sy

Proces litograficzny: Chip jest strukturą trójwymiarową, w której wszystkie elementy przełącznikowe obwodu ułożone są w pojedynczych warstwach. Nowoczesny wysoko wydajny chip wymaga 25 do 30 takich warstw, z których każda wymaga własnej maski litograficznej. Struktury maski są przenoszone na krążek za pomocą światła i systemu soczewek steppera, aparat ten przypomina rzutnik do przezroczy. Każda nowa maska w zestawie nadaje układowi nową funkcjonalność i zwiększa jego złożoność.

17

Nanodruki dla średnich

przedsiębiorstw

Myśląc o nanoelektronice wyobrażamy sobie

zazwyczaj inwestycje o milionowej, a nawet

miliardowej wartości, które umożliwiają

produkcję dostępnych cenowo produktów właśnie

dzięki dużej skali produkcji. Niektóre ścieżki

nanokosmiczne są jednak otwarte także dla średnich

przedsiębiorstw. Metody te wydają się na pierwszy rzut

oka archaiczne. Na przykład, taki proces jak nanodruk

światłem UV polega na dosłownie mechanicznym

wtłaczaniu nanostruktur w warstwę powlekającą materiał

będący nośnikiem elektronów, takim jak krzem.

Matryca zawierająca delikatne nanostruktury jest

wykonana ze szkła kwarcowego, przepuszczającego

promienie UV. Po zetknięciu pieczęci z warstwą

powlekającą, impuls światła UV powoduje polimeryzację,

prowadzącą do utwardzenia światłoczułej powłoczki.

Następnie matryca zostaje usunięta, a zarys wytłoczony

w warstwie powlekającej poddaje się wytrawianiu.

Odsłonięty krzem można następnie przetwarzać

zgodnie z potrzebą: przez wielokrotne powtórzenie

procesu z różnymi matrycami otrzymuje się

Prototyp steppera do litografii EUV, umożliwiającej produkcję chipów przyszłej generacji.

Zerodur do masek litograficznych, ta specjalna ceramika zachowuje stałe własności, nawet przy rozmiarach nanoskopowych.

ostatecznie złożoną strukturę obwodu scalonego

z tranzystorami, ścieżkami przewodzącymi itd.

W próbach laboratoryjnych udało się już uzyskać

niewielkie struktury, wielkości zaledwie 10 nanometrów.

Zastosowanie tego procesu nie ogranicza się do

elementów elektronicznych, można posługiwać się

nim równie dobrze do rzeźbienia struktur w metalu

lub plastiku. Można też w ten sposób tworzyć

zminiaturyzowane laboratoria, tzw. struktury „lab on

a chip”. Koszty maszyny do nanodruku światłem UV

szacuje się obecnie na mniej niż milion euro, czyli

ułamek tego, ile kosztują odpowiednie urządzenia

nowoczesnej konwencjonalnej wytwórni układów

scalonych. Tym niemniej, nanodruk światłem UV

niekoniecznie prowadzi do uzyskania tańszych

produktów, ponieważ jego moc przerobowa jest

znacznie mniejsza. Można jednak rozważyć

zastosowanie tej metody w przypadku specjalnych

mini-serii – „mini” w porównaniu z dużymi

seriami producentów procesorów.

Powstanie centrum elektronicznego w Dreźnie jest sukcesem

niemieckiego programu wspierania badań naukowych. W regionie

powstało około 16 000 miejsc pracy przyczyniających się do

innowacyjności całej gospodarki niemieckiej. W projektach

wspieranych przez niemieckie Ministerstwo Oświaty i Nauki

(BMBF) 44 partnerów z przemysłu i państwowych instytucji

badawczych, w tym 21 przedsiębiorstw średniej wielkości,

wypracowało standard przyszłego wykorzystania trzystumili-

metrowych krążków z kryształów krzemu do produkcji bardzo

skomplikowanych obwodów scalonych. Kluczową rolę odgrywa

przy tym Ośrodek Technologii Masek w Dreźnie, gdzie

opracowywane są sposoby tworzenia struktur przyszłych

chipów nanoelektronicznych.

Nadruk w skali nano: W Instytucie Technik Półprzewodnikowych (IHT) Politechniki w Akwizgranie otrzymuje się już metodami mechaniczno-optycznymi chipy o szerokości struktury 80 nanometrów. Zastosowanie: małe serie bardzo złożonych obwodów.

18

Laser rentgenowski XFEL – wiodące

światło dla nanotechnologii

Jeśli wszystko będzie przebiegać zgodnie

z planem, w roku 2012 kilka miliardów elektronów

doświadczy czegoś niezwykłego. Na terenie DESY

w Hamburgu-Bahrenfeld nabiorą przyspieszenia

w nadprzewodzącym akceleratorze elektronów, a po

uzyskaniu bardzo wysokiej energii będą 3,3 kilometra

dalej systematycznie odchylone za pomocą magnesów

z toru liniowego na tory kręte. Powstanie przy tym

krótkofalowe promieniowanie rentgenowskie

szczególnego rodzaju: promieniowanie laserowe.

Będzie to najcenniejsze promieniowanie,

jakim kiedykolwiek dysponowali uczeni.

Dzięki niemu za jednym pociągnięciem

będzie można oznaczyć strukturę

pojedynczej (!) biocząsteczki. Dostępne

obecnie źródła promieniowania

rentgenowskiego wymagają dobrze

uformowanych kryształów

biocząsteczki, co nie zawsze

jest wykonalne. Błyski

rentgenowskie są tak

krótkie, że różne fazy

ruchu cząsteczki

można dobrze

sfilmować.

Efekty kwantowe

Na Uniwersytecie Ludwika Maximiliana

w Monachium rutynowo poddaje się materię

warunkom ekstremalnym, z punktu widzenia

nanotechnologii, w których może ona ujawnić zaskakujące

cechy. Kiedy na przykład para składająca się z setek

tysięcy atomów rubidu zostanie schłodzona do jednej

milionowej stopnia powyżej zera bezwzględnego

(-273 °C) i uporządkowana przez pole magnetyczne,

atomy łączą się w kondensat Bosego-Einsteina,

w którym tworzą jeden blok, jak oddział

maszerujących żołnierzy. Monachijscy

optycy kwantowi potrafią wcisnąć

taki blok w trójwymiarowy splot

stojących fal laserowych i poddać

manipulacji, na przykład do tego

stopnia wzmocnić pułapki świetlne, że

jedność bloku rozpada się w kondensat

Motta. Badania te zostały nagrodzone

nagrodą Nobla w 2001r. Dlaczego?

Eksperymenty tego rodzaju ożywiają

teorię kwantową, która ma w nanokosmosie

wiele do powiedzenia. Ten, kto ją dobrze

zrozumie i opanuje, będzie na przykład mógł

opracować dokładniejsze standardy czasu.

Z kolei dokładniejsze zegary pomogą przyspieszyć

przepływ danych w Internecie – zatem ta na

pozór ezoteryczna wiedza może okazać się

bardzo opłacalna.

Nowe impulsy

dla nauki

N

arz

ędzi

a

i p

roce

syPodziemny tor wyścigowy dla szybkich elektronów.

Konwencjonalny spektrometr do strukturalnej analizy rentgenowskiej. Takim instrumentom nauka zawdzięcza znaczną część swojej wiedzy o nanokosmosie.

„Kondensat Motta” – egzotyczna materia do ultradokładnego pomiaru czasu.

Nadprzewodzące elementy do przyspieszania elektronów.

19

To, co przy użyciu innych metod wyglądałoby jak

zamazany obraz trąby powietrznej, odzwierciedlone

za pomocą lasera rentgenowskiego nabiera

rozpoznawalnych kształtów.

Możliwe jest rozwiązanie zagadek tarcia. Przyczyny

powstawania tarcia są określone przez nanowymiarowe

wysepki złożone z kilkuset atomów. Również

właściwości poszczególnych klasterów, skupisk

kilkuset atomów, można przy pomocy XFEL zbadać

lepiej niż każdym innym instrumentem.

Krótko mówiąc, nauka i technika otrzymały potężne

wsparcie w postaci największego w Europie projektu

nanotechnologicznego. Zaplanowane na ten cel koszty

ogólne w wysokości 684 milionów euro (stan na rok 2003)

najprawdopodobniej zwrócą się z nawiązką, i to bynajmniej

nie tylko w formie czystej wiedzy, ale również w gotówce.

Femtosekundowe błyski lasera rentgenowskiego umożliwiają obserwację i zrozumienie dokładnego przebiegu reakcji chemicznych. Reakcje te – nanotechnologia w najmniejszej skali – znajdują zastosowanie na przykład w optoelektronice, ogniwach fotowoltaicznych, paliwowych i słonecznych.

Laser wolnych elektronów w budowie.

Tak będzie wyglądać podziemna trasa przyspieszania elektronów.

20

Procesy zolowo-żelowe do

otrzymywania nowych materiałów

Sos Béarnaise został nazwany na cześć Henryka

IV, króla Francji, który pochodził z Béarn. Sos

ten jest bardzo dobrym (i bardzo smacznym)

przykładem układu koloidalnego. Określenie koloid

oznacza układ, w którym wiele drobnych cząstek

jakiegoś materiału jest trwale zawieszonych w innej

substancji.

Projektowanie materiałów w nanoskali

N

arzę

dzi

a

i p

roce

sy

W sosie Béarnaise są to kropelki octu w roztopionym

maśle. Koloidami są również kremy i farby. Poprzez

technologię zolowo-żelowej koloidy prowadzą wprost

w dziedzinę zaawansowanych technologii.

W metodzie zolowo-żelowej, z rozpuszczalnych

związków, na przykład związków krzemu, otrzymuje

się (zazwyczaj koloidalny) zol, w którym krople

zawierające krzem pływają w roztworze nośnym.

Po rozpyleniu na blachę i podgrzaniu, roztwór nośny

wyparowuje, a krzemowe kropelki żelują się tworząc

strukturę sieciową.

Ta zżelowana sieć następnie twardnieje tworząc

twardą warstwę ceramiczną, która zabezpiecza blachę

przed korozją i zarysowaniem. Metodę zolowo-żelową

stosuje się w setkach odmian dla najróżniejszych

substancji. Zżelowane zole można formować w kształcie

nici, które po wypaleniu przekształcają się we włókna

ceramiczne. Z zoli można wytwarzać proszki o

nanoskopowych ziarnach, które spiekają się znacznie

łatwiej (i w niższych temperaturach) niż tradycyjne

proszki, tworząc produkty ceramiczne wytrzymujące

nawet najwyższe ciśnienia i temperatury.

Metoda zolowo-żelowa nadaje się również do

wytwarzania skomplikowanych elementów optycznych,

jak światłowody, podwajacze częstotliwości, pola

mikrosoczewek itp. Ten rodzaj nanotechnologii

obiecuje wręcz rewolucję w materiałoznawstwie.

Rozpuszczalnik żelu można też w odpowiednich

warunkach usunąć w taki sposób, że zostanie zachowana

pierwotna objętość żelu. Powstaje w ten sposób bardzo

porowaty materiał o wyjątkowo małej gęstości, zwany

aerożelem.

Królewski zol -żel: sos Bearnaise nazwany tak na cześć

Henryka IV, króla Francji.

Na miarę najmniejszych cząstek: reaktor cząstek

zolowo-żelowych.

21

Aerożele

Aerożele spotykamy na co dzień, od dawna

można znaleźć je w cukierni pod nazwą

bezy. Jest to zapieczone białko ubite

z cukrem. Biorąc takie ciastko do ręki, czujemy, jak

rozgrzewają nam się palce. Dzieje się tak dlatego,

że powietrze w bezach jest zamknięte w milionach

mikroskopijnych pęcherzyków. Ze względu na brak

cyrkulacji nie następuje wymiana ciepła, co sprawia

że beza jest doskonałym izolatorem, tak jak styropor.

Doskonałymi izolatorami ciepła są również podobnie

zbudowane aerożele, wykonane ze spienionego szkła.

Białko jest bezbarwne, a beza biała. Przyczyną

tego zabarwienia jest zamknięcie ubitego białka

w pęcherzykach wielkości paru mikrometrów.

W strukturach w skali mikrometrycznej światło

rozprasza się na wszystkie barwy, dając w sumie

białą, natomiast pory o wymiarach nanoskopijnych

nie rozpraszają światła. Przez piankę z nanoporami

wykonaną z materiału podobnego do szkła można

widzieć niemal równie dobrze, jak przez normalną

szybę w oknie. Z podwójnych szyb wypełnionych

ową pianką otrzymuje się doskonałe szkło okienne

o znakomitych właściwościach zatrzymywania ciepła.

Ponieważ takie pianki składają się niemal wyłącznie

z powietrza, nazywamy je aerożelami. Nazwę „żel”

zawdzięczają procesowi produkcji: do wodnego

roztworu odpowiedniego materiału dodaje się katalizator,

który powoduje powstawanie maleńkich, pustych

w środku, cienkościennych kuleczek, które łączą się

w łańcuchy i skupiska łańcuchów, stanowiące żel.

Po wysuszeniu otrzymuje się lekki jak piórko aerożel.

Najdalej podróżujący aerożel znajduje się w analizatorze

pyłu CIDA firmy Hoerner & Sulger, który w styczniu

2004 r. po pięciu latach podróży i przebyciu trasy 3,22

miliardów kilometrów zebrał pył z komety „Wild 2”.

Materiał usiany pęcherzykami ma dużą powierzchnię

wewnętrzną. Największą możliwą powierzchnię, bo

nieskończoną, ma gąbka Mengera, której objętość

wynosi zero. Gąbka ta istnieje tylko w umysłach

matematyków. Rzeczywista powierzchnia wewnętrzna

aerożeli jest jednak wystarczająco duża, aby wywoływać

zadziwiające efekty. Aerożel węglowy wielkości

kostki cukru może mieć aż 2000 m2 powierzchni

wewnętrznej. Ta i inne właściwości zapewniają

aerożelom węglowym pewną pozycję w przyszłościowych

technologiach energetycznych. Można z nich budować

kondensatory o pojemności do 2500 faradów do

zastosowania w urządzeniach o bardzo dużym

zapotrzebowaniu na energię elektryczną, na przykład

do pojazdów napędzanych prądem. Ta genialna piana

umożliwi również udoskonalenie baterii litowych,

nowoczesnych ogniw paliwowych itd.

Rzadko się zdarza, aby coś tak niepozornego miało

tak wielki potencjał. Typowa nanotechnologia.

Podwójne szyby wypełnione aerożelem zmniejsza straty ciepła.

Kometę „Wild 2” odwiedził aerożel.

Gąbka Mengera służy matematykom jako „uniwersalna krzywa”. Powstaje, gdy opisana poniżej procedura jest powtarzana w nieskończoność.

Aerożel jako naukowo udoskonalony zbieracz pyłu. Cząstki są bezpiecznie zamykane w stopionej masie aerożelowej.

22

Nanotechnologia dla społeczeństwa

Świat w sieci: nanoelektronika

Od notatnika w studiu nagrań do studia nagrań w notebooku –

stan techniki

mikrofonu. Za pomocą programu dźwiękowego

wszystkie odgłosy nagrywa się na różne ścieżki.

Samolot przelatuje z lewej strony na prawą, co

można ustawić za pomocą krzywych panoramy.

Warkot silnika nasila się i cichnie, co można ustawić

za pomocą krzywych natężenia dźwięku. I udało

się: Flyer One z Orvillem Wrightem na pokładzie

przelatuje przy odgłosach przypływu i traw szumiących

na wydmach nad Kill Devil Hills, zupełnie jak

17 grudnia 1903, a wszystko to w notebooku. (Inni

pionierzy lotnictwa, jak Niemiec Gustav Weißkopf,

wzbili się w powietrze już 1901 roku, ale nie potrafili

wykorzystać swojego wynalazku w praktyce).

Jeszcze dwadzieścia lat temu pojedyncza osoba nie

byłaby w stanie zrealizować takiego zadania. Poza tym

wymagałoby ono kilku ton sprzętu i wyposażenia.

Dzisiaj wystarczy notebook, małe biureczko i parę

godzin czasu. Encyklopedia zmieściła się na płycie

DVD, która zastępuje trzydzieści tomów i umożliwia

nieporównywalnie wygodniejsze szybkie wyszukiwanie

haseł niż jej wersja papierowa. Program dźwiękowy,

umieszczony na twardym dysku w postaci całkowicie

niematerialnej, oferuje nieskończoną liczbę efektów

ze swoich licznych wirtualnych półek. Wynalezienie

nowoczesnego komputera wywołało falę dematerializacji,

której zawdzięczamy również ograniczenie zużycia

energii. Spadek cen sprzętu i oprogramowania sprawił,

że twórcy z dobrymi pomysłami dostali do dyspozycji

wymarzone narzędzie pracy, niewymagające wielkich

nakładów finansowych.

W przyszłości biblioteka noszona na nadgarstku

nie będzie niczym nadzwyczajnym, tak samo jak

przenośne interaktywne narzędzia porozumiewania się.

Zlecenie: czteroipółminutowe słuchowisko o

pierwszym locie motorowym braci Wright,

odzwierciedlające atmosferę tego zdarzenia.

Jak zabierze się do tego autor, który

chce stworzyć coś ciekawego?

Najpierw obejrzy miejsce akcji.

Wirtualny globus pokazuje

miejscowość Kitty Hawk, położoną

na kilkukilometrowym skrawku

lądu nad północnym Atlantykiem

w otoczeniu wydm Kill Devil Hills,

a więc bracia Wright musieli słyszeć

huk morskich fal. Można je znaleźć

w archiwum dźwięków, tak samo jak

ostrą bryzę, która towarzyszyła im przy pierwszym

locie, o czym pisze Encyclopaedia Britannica, a

także szelest traw na wydmach. Silnik pracował z

prędkością 1200 obrotów na minutę, w archiwum

dźwięków jest Chrysler-Oldtimer, który też wydaje

przyjemny niski warkot. Syntetyzer częstotliwości

w programie dźwiękowym proponuje podobne,

możliwe do przyjęcia częstotliwości. Pierwszy lot

trwał dwanaście sekund, wybrano fragment, w

którym ton obniża się na końcu ze względu na

efekt Dopplera, gdy samolot przelatuje w pobliżu

Nanotechnologia w najbliższych latach

Stosowana w dzisiejszych procesorach

komputer owych technologia tranzystorowa

nazywa się CMOS (skrót od Complementary

Metal Oxide Semiconductor). Została opracowana

między innymi dla pierwszych zegarków elektronicznych,

ponieważ zużywała o wiele mniej prądu niż jej

poprzedniczki. Od lat siedemdziesiątych zeszłego

wieku specjaliści ostrzegali, że w ciągu kilkunastu lat

wyczerpią się możliwości techniczne i aż do tej pory

wciąż tak twierdzą. Tym razem wydaje się jednak, że

przemysł elektroniczny naprawdę ma pilne powody,

aby spróbować zerwać z tradycją postępującej

miniaturyzacji swoich struktur: na drodze w

mikrokosmos stopniowo uwidocznia się atomowa

struktura materii. Powłoki elektronowe atomów są

najmniejszymi elementami, które w normalnych

warunkach można włączyć do trwałych struktur

technicznych. Widać już więc nieprzekraczalną granicę.

Ścieżka przewodząca nie może być przecież węższa

niż atom.

Technologia CMOS już od dłuższego czasu napotyka

ograniczenia, które czasami są zaskakujące. Na przykład

ścieżki przewodzące, które łączą ze sobą tranzystory

w obwodzie scalonym, są już tak małe, że atomy glinu

tracą stabilność i są zwyczajnie wypłukiwane ze

strumienia elektronów, jak piasek z potoku. Fachowo

nazywa się ten proces „migracją elektronów”.

Skuteczny środek zaradczy to ścieżki przewodzące

z miedzi, która jest jeszcze lepszym przewodnikiem

i przyspiesza przepływ sygnałów w chipie. Oprócz tego,

ścieżki przewodzące są już tak gęsto upakowane że

powstaje zauważalna pojemność, jak w kondensatorze.

Jeżeli przy projektowaniu chipów nie uwzględni się

tego zjawiska, to chip może wypaść z rytmu.

Niektóre struktury tranzystorów chipowych osiągają

stopniowo wymiary kilkunastu nanometrów.

Tym samym wkraczają w dziedzinę teorii kwantowej,

zaczyna działać efekt tunelowy: przepływają prądy,

których nie powinno być w większych tranzystorach

– elektroniczna śluza staje się nieszczelna.

Wprawdzie są to bardzo słabe prądy, ale ich suma

z milionów tranzystorów powoduje znaczące straty

i przegrzewanie się procesora. Ponadto niekontrolowany

przepływ ładunków powoduje błędy logiczne, które

mogą okazać się fatalne.

Wreszcie, w bardzo małych strukturach zaczyna się

uwidaczniać falowa natura elektronu, jak opisuje to

mechanika kwantowa. Ta okoliczność według wielu

uczonych jest jednak również szansą na stworzenie

zupełnie innego typu elektroniki, która może nawet

doprowadzić do powstania komputera kwantowego,

otwierającego dla nas zupełnie nowe światy

matematyczne.

23

Studio telewizyjne wielkości paznokcia: multimedialny chip sterujący wyświetlaczem wysokiej rozdzielczości ma zapotrzebowanie na energię nie większe niż latarka kieszonkowa.

64-bitowy procesor AMD przeznaczony do komputerów osobistych, zawierający 106 milionów tranzystorów i wykorzy stujący technologię 130 nm.

24

Granice prawa Moore'a

Już w 1965 roku Gordon

Moore, współzałożyciel

firmy Intel, stwierdził,

że pojemność mikrochipów

podwaja się co 18 miesięcy.

„Prawo” to obecnie przestaje

obowiązywać ze względu na

typowo ludzkie ograniczenia.

Rzeczywiście osiąga się rocznie

około pięćdziesięcioprocentowy

wzrost liczby tranzystorów na

jednym chipie, lecz analitycy

narzekają że liczba nowych

projektów układów scalonych

zwiększa się jedynie o 20

procent. Przemysł starał się

temu zaradzić, powiększając

nieustannie zespoły projektantów.

Obecnie, zespoły projektantów

składają się z 250 do 300 ludzi, co stanowi grupę

o takiej wielkości którą trudno już zarządzać.

Ciągłemu wzrostowi sprzeciwia się też drugie prawo

Moore'a, zgodnie z którym zmniejszenie struktur

wiąże się ze zwiększeniem kosztów miejsca produkcji.

Do momentu, kiedy ograniczenia te poważnie

utrudnią dalszy rozwój, nanotechnologia będzie

odgrywać coraz większą rolę w nanoelektronice.

N

ano

tech

no

log

ia d

la s

po

łecz

eńst

wa

Już dzisiaj najmniejsze struktury CPU mają mniej

niż 100 nm i zawierają ponad 100 milionów

tranzystorów. Jeśli wierzyć prognozom przemysłu

półprzewodnikowego, które na ogół opierają się na

realnych danych technicznych, za kilka lat (w 2010)

powinniśmy spodziewać się struktur wielkości 45 nm,

zawierających ponad miliard tranzystorów na jednym

chipie. Tym samym otworzą się możliwości

zastosowań, o jakich dzisiaj możemy tylko marzyć.

Atomy manganu na srebrze, Uniwersytet im. Christiana Albrechta w Kilonii. Elektrony ogrodzone atomami manganu tworzą wzory rozkładu, które zależą od zastosowanego napięcia prądu. Takie zjawiska będą wykorzystywane w elektronice przyszłości.

Świat w sieci: nanoelektronika

Mała wysepka krzemowa

na krysztale krzemowym

powoli rozpuszcza się w 450 stopniach.

Znajomość takich procesów jest istotna dla

zapewnienia jakości cienkich

warstw.

25

Pamięć fazowozmienna

(Phase Change RAM)

Współczesne urządzenia do przechowywania

danych wykorzystują różne technologie,

z których każda ma pewne wady i zalety.

Twardy dysk magneto-mechaniczny (powszechnie

wykorzystywany w komputerach osobistych) ma

bardzo dużą gęstość zapisu, gromadzi dane również

bez ciągłego dopływu prądu, ale jest bardzo powolny.

Pamięć DRAM jest szybsza, ale zanika, jeżeli nie jest

ciągle odświeżana przez impulsy prądu elektrycznego.

Pamięć flash, używana w odtwarzaczach MP3,

telefonach komórkowych i aparatach cyfrowych,

zachowuje dane również bez dopływu prądu, ale jest

wolniejsza od DRAM i może być zapisana tylko około

miliona razy. Przyszłe nanotechnologiczne koncepcje

przechowywania danych, łączące w sobie wszystkie

wymienione wyżej zalety: dużą gęstość zapisu, szybkość,

przechowywanie danych bez dopływu prądu oraz

długą trwałość, to z dzisiejszego punktu widzenia

pamięć MRAM (Magnetic Random Access Menory)

i opisana poniżej Phase Change RAM.

Substancje stałe mogą występować w dwóch skrajnych

stanach: w stanie krystalicznym, gdzie atomy są

ściśle uporządkowane w regularnej strukturze, lub

w stanie amorficznym, w którym atomy układają

się nieregularnie. Wśród znanych amorficznych ciał

stałych można wymienić szkła, na przykład szkło

kwarcowe. Ta sama substancja, dwutlenek krzemu,

jest znana w mineralogii w postaci krystalicznej, jako

kryształ górski. Krystaliczny i amorficzny, o tych

dwóch stanach materii będzie w przyszłości głośno,

bo prawdopodobnie od nich będzie zależeć przyszłość

pamięci masowych. Niektóre ciała stałe dają się dość

dowolnie przeprowadzać ze stanu amorficznego

w stan krystaliczny i odwrotnie. Zmiana faz, następująca

przeważnie pod wpływem ciepła, znalazła szerokie

zastosowanie w urządzeniach z pamięcią optyczną.

Gdy na przykład powstaje zapis na płycie DVD

wielokrotnego użytku, specjalna powłoka płyty pod

wpływem ciepła impulsu laserowego przechodzi

miejscowo z fazy krystalicznej w amorficzną,

zmieniając tym samym współczynnik odbicia światła,

co pozwala na zapisanie czytelnego wzorca bitowego.

Dłuższe i silniejsze działanie lasera powoduje, że

miejsca amorficzne z powrotem ulegają krystalizacji,

dzięki czemu płyta może być zapisana na nowo.

Najprawdopodobniej materiały zmieniające fazę mają

teraz przed sobą dalszą karierę w elektronicznych

pamięciach opartych na zmianie fazy, czyli Phase Change

RAM. Tutaj zmiana fazy nie będzie przeprowadzana

optycznie, lecz elektronicznie. Przy zastosowaniu

krótkich impulsów elektrycznych otrzymuje się materiał

amorficzny o dużym oporze elektrycznym, pod

wpływem dłuższych impulsów powstaje na nowo

materiał krystaliczny o mniejszym oporze. Informacje

są odczytywane po sprawdzeniu oporu elementów

pamięci.

Pamięć Phase Change RAM powinna zapewnić

gęstość zapisu, umożliwiającą przechowywanie

jednego terabita danych na powierzchni wielkości

znaczka pocztowego, co oznacza dziesięć godzin

nieskompresowanych informacji wideo najlepszej

jakości. Notebooki wykorzystujące tę technologię,

będą włączały się po prostu tam, gdzie użytkownik

skończył pracę – ładowanie systemu będzie

niepotrzebne.

Z prawej: Za pomocą warstwy fazowozmienne Warstwy fazowozmienne (PC-Layer) używane do zapisu bitowego można przełączać pomiędzy stanem krystalicznym a amorficznym stosując różnej długości impulsy prądu i ciepła. Opatentowany wzór Instytutu IHT Politechniki w Akwizgranie umożliwia szybkie zachowywanie danych przy niewielkim zapotrzebowaniu energii.

Z lewej: Konkretne wykonanie pamięci fazowozmiennej.

26

Postęp w trójwymiarze – chipy rosną

w górę

Drapacze chmur na niewielkim obszarze

Manhattanu były najbardziej ekonomicznym

rozwiązaniem, gdy zaistniała potrzeba

stworzenia nowych pomieszczeń biurowych

i mieszkalnych. Oczywiście również projektanci

układów scalonych już dawno myśleli o trzecim

wymiarze, jednak wysiłki te spełzły na niczym ze

względu na różnego rodzaju trudności.

Możliwe jednak, że drogę do trzeciego wymiaru

udało się ostatnio odkryć firmie Infineon AG,

z Monachium. Jej pracownikom udało się umieścić

węglowe nanorurki (Carbon Nanotubes – CNT) na

wypolerowanym krążku krzemowym, na którym

powstają chipy. Węglowe nanorurki znakomicie

przewodzą prąd, zatem nie przegrzewają się, a poza

tym mogą być wykorzystane jako wytrzymałe na

obciążenia mechaniczne połączenia (VIA) pomiędzy

różnymi płaszczyznami obwodów. Badacze z Infineonu

uważają, że z czasem CNT znajdą zastosowanie

w technologii wytwarzania trójwymiarowych chipów,

zwłaszcza, że jako doskonałe przewodniki ciepła mogą

znakomicie odprowadzać jego nadmiar z wnętrza

trójwymiarowego układu.

Świat w sieci: nanoelektronika

Celowy wzrost nanorurek węglowych na uprzednio wyznaczonych miejscach

krzemowego krążka dzięki zastosowaniu

procesu kompatybilnego z mikroelektroniką.

10 μ m

Najnowocześniejsza sztuka: eksperymentalne struktury dla pamięci spintronicznej.

N

ano

tech

no

log

ia d

la s

po

łecz

eńst

wa

27

Spintronika – obliczenia

z zastosowaniem wirujących

elektronów

Prawdziwą rewolucję, która prawo Moora

przeniosłaby w daleką przyszłość, mogą

wywołać elementy, które oprócz właściwości

elektrycznych elektronu wykorzystują jego

właściwości magnetyczne, czyli spin. Spin elektronu

jest niewielkim momentem magnetycznym, który

oddziaływuje w sposób złożony z otoczeniem

magnetycznym, co może znaleźć zastosowanie

w elektronice. Jedno z zastosowań owej spintroniki czy

magnetoelektroniki weszlo już do zycia codziennego:

nowe twarde dyski wyposażone są w cienkowarstwowe

głowice czytające typu „zawór spinowy”, które –

w oparciu o ogromny opór magnetyczny – są w stanie

rozróżnić bardzo małe domeny magnetyczne,

co umożliwia gęstsze upakowanie informacji.

W chipach pamięci magnetycznej, MRAM, informacje

są przechowywane w spinie warstw magnetycznych.

Wynalazek ten budzi zainteresowanie w kontekście

pamięci nieulotnej i z czasem może przyczynić

się do wycofania twardych dysków poruszanych

mechanicznie.

O spintronice mówi się również jako o technologii

dla komputerów kwantowych, między innymi na

Uniwersytecie w Würzburgu.

Sprzężone tunelowo druty kwantowe – elektrony pokonują przejścia, które według klasycznej teorii powinny być zamknięte. Eksperymenty nano -techno logiczne zaczynają prześcigać teorię.

Spinowo spolaryzowana sonda magnetyczna skaningowego mikroskopu tunelowego skanuje właściwości magnetyczne poszczególnych atomów.

Skomplikowane jak miniaturowe miasto – wytrawione obwody miedziane na chipie (IBM), obraz pod elektronowym mikroskopem skaningowym. Nowoczesne chipy mogą mieć do dziewięciu płaszczyzn obwodów.

Przymiarka do komputera kwantowego – interferometr Aharonova-Bohma na Uniwersytecie w Bochum ze skaningowym mikroskopem siłowym.

Pojedyncze cząsteczki organiczne na silikonie. Obraz uzyskany za pomocą tunelowego mikroskopu skaningowego, Uniwersytet w Bochum.

Nowe efekty zwiększające wydajność twardych dysków: głowica czytająca z elementem półprzewod-nikowym złożonym z ponad dwudziestu warstw o wymiarach mano metrycznych wykor-zystuje gigantyczny opór magnetyczny.

28

Nanotechnologia w przyszłym życiu codziennym

Gdy nanotechnologia wkroczy w nasze

życie codzienne, nie musi wcale nastąpić

dramatyczna zmiana zewnętrzna. Ludzie

będą nadal chętnie przesiadywać w ulicznych

kawiarenkach, może nawet chętniej niż teraz, bo hałas

silników spalinowych zastąpiony zostanie łagodnym

szumem i szelestem, jaki słyszymy, gdy w pojeździe

kosmicznym Enterprise zamykają się drzwi grodziowe.

Zamiast smrodu spalonego paliwa od czasu do czasu

poczujemy słabą woń metanolu, używanego do

ogniw paliwowych. Obsługa będzie bardzo szybka:

wprowadzenie zamówienia na elektronicznej karcie

dań zautomatyzuje nawet kuchnię. Rachunek będzie

można zapłacić przez dotknięcie kartą płatniczą znaku

euro wydrukowanego w rogu jadłospisu. Napiwki

pozostaną w gotówce, która wydaje tak przyjemny

dźwięk. Tyle że, ze względów higienicznych monety

będą powleczone antybakteryjnymi nanocząstkami.

Okna kawiarni będą dość kosztowne z powodu

licznych funkcji użytkowych, jakie będą spełniać, co

ostatecznie jednak sprawi, że w sumie będą tańsze.

Będą więc odporne na brud i zadrapania, oraz

automatycznie przyciemniane, gdy będzie

zbyt jasno. Będą też mogły przetwarzać światło

w prąd elektryczny i na życzenie działać jak ogromny

wyświetlacz. Miło będzie siedząc w kawiarni lub na

zewnątrz oglądać z innymi ludźmi mistrzostwa świata.

Dojrzała nanoelektronika umożliwi powstanie urządzeń

o wyrafinowanej elegancji, jak prawdziwy PDA (Personal

Digital Assistant) o wymiarach karty kredytowej (można

zrobić i mniejszy, ale wtedy byłyby nieporęczny).

Przedmiot ten mógłby być wykonany jako matowy,

czarny monolit bez widocznych struktur – czarna

powierzchnia gromadzi światło słoneczne i przetwarza

je na prąd. Byłby odporny na zarysowania dzięki

cieniutkiej powłoczce diamentowej, pod którą

znajdowałaby się cienka warstwa ceramiki

piezoelektrycznej, przetwarzająca dźwięk na

sygnał elektryczny i odwrotnie, umożliwiając

porozumiewanie się za pomocą głosu. Naturalnie

miałby tez możliwość przesyłania danych za pomocą

fal świetlnych i radiowych.

Piezomaty zapobiegają uciążliwym drganiom

Ogniwa paliwowe dostarczają prądu do telefonów komórkowych i pojazdów

Warstwy magnetyczne w miniaturowych pamięciach

Szkło termochromowe do regulowania dopływ światła

Farba zawierająca nanocząstki zabezpieczająca przed korozją

Kask utrzymuje kontakt z użytkownikiem

Inteligentna odzież mierzy tętno i oddech

Stawy biodrowe z materiałów biokompatybilnych

Rama wykonana w technologii nanorurek

jest bardzo lekka i trwała

N

ano

tech

no

log

ia d

la s

po

łecz

eńst

wa

29

Nanocząsteczki w nanoroztworach fluoryzują w świetle UV, poza tym

są całkiem niewidoczne. Drobno rozproszone w cieczy dają się nanosić metodą drukowania atramentowego,

nie zmieniając wyglądu i funkcji znakowanego przedmiotu.

Nanobarwniki doskonale nadają się jako zabezpieczenie przed

fałszerstwem.

Tkanina z powłoką zabezpieczająca przed brudem

Diody świecące jako konkurencja dla żarówek

Urządzenie będzie też odbierało obrazy za pomocą

płaskiego obiektywu i chipowego przetwornika

obrazów o wysokiej rozdzielczości, na życzenie

będzie też włączało się jako wyświetlacz. Będzie to

więc jednocześnie magnetofon, aparat fotograficzny,

odtwarzacz wideo, telewizor, telefon komórkowy,

a za pośrednictwem Europejskiego Systemu

Pozycjonowania Galileo – również nowoczesny

kompas. Na żądanie będzie czytać, tłumaczyć i

objaśniać kartę dań w paryskiej kawiarni, grzecznie

składać zamówienie po francusku i płacić rachunek.

Naturalnie będzie odróżniało głos i odciski palców

swojego użytkownika, zabezpieczając się tym samym

przed wykorzystywaniem przez osoby nieuprawnione.

Elektroniczna karta dań

Organiczne diody świecące (Organic Light Emitting Diodes – OLED) do wyświetlaczy

Folie fotowoltaiczne przekształcają światło w prąd elektryczny

Szyby odporne na zadrapania, wykorzystujące efekt lotosu

Nanorurki do nowych wyświetlaczy w notebookach

Szkło fotochromowe. Przepuszczalność światła w tego typu szkłach jest sterowana elektronicznie – możliwość przyszłego zastosowania do klimatyzacji pomieszczeń biurowych.

Wirtualna klawiatura: dotknięcie wyświetlanego elementu klawiatury jest rozpoznawane przez system jako naciśnięcie klawisza.

30

Nanotechnologia w samochodzie

Przednie szyby można zabezpieczyć przed

zarysowaniem dzięki powłokom ochronnym

wykonanym metodą zolowo-żelową, zawierającym

twarde nanocząstki. Zachowuje się przy tym całkowitą

przejrzystość szyby, bo nanocząsteczki są tak maleńkie,

że nie rozpraszają światła. Zasadę tę wykorzystuje się

już w szkłach okularowych, mimo że to zastosowanie

wymaga jeszcze dopracowania. Lakier samochodowy

może posiadać strukturę liści lotosu, dzięki której

brud nie będzie przywierał.

Przednie szyby zawierające nanocząsteczki

mogą wspomóc klimatyzowanie samochodu

gdyż odbijają raz mniej, raz więcej światła

dzięki elektronicznemu sterowaniu.

Zastosowanie tej metody w pomieszczeniach

biurowych pozwoliłoby na znaczną

oszczędność energii.

Światło potrzebne w samochodzie jest już dzisiaj

w dużej mierze wytwarzanie z zastosowaniem

nanotechnologii. Tak jak wszystkie diody świecące

(LED), diody wysokiej jakości zastosowane

w światłach hamowania zawierają skomplikowane

systemy warstwowe o rozmiarach nanometrycznych,

które bardzo wydajnie przekształcają prąd w światło.

Dalsza zaleta: diody świecące przekształcają prąd

w światło widoczne dla ludzkiego oka właściwie

natychmiast, światła hamowania z żarówkami działają

nieco wolniej. Różnica ta może przekładać się na kilka

metrów drogi hamowania. Diody świecące dają obecnie

tak silne światło, że ich zespoły mogą w przednich

reflektorach zapewnić światło do jazdy dziennej.

Tak jak w innych maszynach, również i w samocho-

dzie jakość zastąpi ilość dzięki nanotechnologii.

Korzyść z technologii jest taka, że zużywa się mniej

materiału – technika pojednała się z naturą.

Niewielkie struktury zapewniają lepsze pole widzenia. Regularne

mikroskopijne struktury zapobiegają uciążliwym

odbiciom światła na wyświetlaczu i na

szybach samocho-dowych. Naturalnym

wzorcem jest oko ćmy, która w nocy chce

zobaczyć możliwie dużo, a sama pozostać

niewidoczna.

Motoryzacja

Nan

ote

chn

olo

gia

dla

sp

ołe

czeń

stw

a

Diody świecące w sygnalizacji ulicznej pozwalają na oszczędność energii i czasu przeznaczonego na konserwację. Koszty zamortyzują się w ciągu roku.

Dzięki nanotechnologii lakier samochodowy mógłby

nawet pełnić funkcję ogniwa słonecznego (możliwość

jeszcze nie wykorzystana). Uzyskany w ten sposób

prąd można by wykorzystywać podczas parkowania

do ładowania akumulatora -konwencjonalne ogniwa

słoneczne są już używane do tego celu. Mógłby być

też używany do chłodzenia wnętrza przez pompę

cieplną. Taka pompa mogłaby z kolei składać się

Dysza wtryskiwacza do pojazdów z silnikiem Diesla. W przyszłości systemy będą wyposażone w diamentopodobne powłoki ochronne grubości kilkudziesięciu nanometrów.

z półprzewodnikowego układu warstw wytworzonego

metodami nanotechnologii, bez żadnych części

ruchomych. W przypadku procesu odwrotnego,

kiedy to przez półprzewodnik przepływa duża ilość

ciepła wytwarzanego przez silnik spalinowy może ono

zostać przetworzone z powrotem w prąd – zobacz też

„termoelektryczność” w rozdziale „Energia i środowisko”.

Ogniwa paliwowe (zob. s. 33) zamienią samochody w całkowicie wolny od zanieczyszczeń środek transportu. Gdy paliwo wodorowe będzie pochodzić z odnawialnych źródeł energii, ten rodzaj napędu stanie się wyjątkowo przyjazny dla środowiska.

31

Systemy ABS lub ESP uruchamiają się w krytycznych sytuacjach podczas jazdy, przyszłe systemy pozwolą automatycznie zapobiec niebezpieczeństwu

Z prawej: Elektronika dla bezpieczeństwa jazdy. Czujnik przyspieszenia do przedniej poduszki powietrznej.

Białe diody świecące dają obecnie tak silne światło, że w przyszłości będą mogły być używane jako źródła światła do jazdy dziennej w przednich reflektorach.

Krzemowe narządy równowagi: czujnik szybkości obrotów zapewniający stabilizację pojazdu.

32

Katalizatory ze złota

Nanotechnologia może się też przyczynić do

nowej kariery złota. Podczas gdy „zwykłe”

złoto jako katalizator zostało wyparte przez

platynę, nanocząstki złota na porowatym nośniku

okazały się bardzo skutecznym katalizatorem, który

już przy zimnym starcie rozkłada tlenki azotu i tlenek

węgla na nieszkodliwe substancje. Cząstki złota są

również obiecującym kandydatem do zastosowań

w katalizatorach ogniw paliwowych.

Oczywiście, wszystkie te osiągnięcia znajdą również

zastosowanie w środkach transportu innych niż

samochód. Na przykład rower skorzysta z osiągnięć

nanotechnologii, zwłaszcza z rozwoju ogniw

paliwowych i słonecznych, co doprowadzi do

stworzenia samonapędzającego się pojazdu, który

będzie przemierzał świat poruszany światłem,

powietrzem i wodą, lekki jak piórko dzięki ramie

z nanowłókien, wyposażony w diody świecące

i wiele innych udoskonaleń.

Złoto w zapobieganiu nieprzyjemnym zapachom

Katalizatory z nanocząsteczkami złota

wypróbowuje się obecnie jako pochłaniacze

zapachów. W małych urządzeniach

klimatyzacyjnych, na przykład takich jakie znajdują

się w samochodzie, mogą one usuwać nieprzyjemny

zapach znajdujących się tam bakterii. W Japonii są już

nawet wykorzystywane w toaletach.

Nanotechnologia na stacji benzynowej

Kierowcy mogą spotkać się już z technologią

mikrosystemów na stacjach bezynowych.

Pisuary w nowoczesnych toaletach są

wyposażone w czujniki, które sygnalizują każdy

wzrost temperatury uruchamiając połączoną z

nimi elektronikę, co powoduje spłukiwanie. Energii

elektrycznej dostarcza miniturbina wodna uruchomiana

przez proces spłukiwania. W przeciwieństwie do

urządzeń z czujnikami podczerwieni system ten

nie zostanie wyłączony z powodu gumy do żucia.

Nanotechnologicze pisuary działają w sposób jeszcze

bardziej udoskonalony i prosty. Dzięki efektowi lotosu

płyny ze ścianek pisuaru ściekają w postaci perełek,

przechodzą przez płynną warstwę pochłaniającą zapach

i znikają bez śladu – praktyka pokaże na ile to będzie

prawdą. Takie rozwiązania będą mogły oczywiście być

zastosowane również w prywatnych domach.

Motoryzacja

Nanokapsułki zapachowe nadają skórze przyjemne

własności.

Nanocząsteczki złota do nowych katalizatorów.

Pisuar na stacji benzy-nowej z mikro systemem

zabezpieczonym przed wandalizmem.

Warstwa powlekająca wykorzystująca nano-skopowy efekt lotosu

ułatwi również utrzymanie czystości.

N

ano

tech

no

log

ia d

la s

po

łecz

eńst

wa

Ogniwo paliwowe – urządzenie o tysiącu zastosowań

Ogniwa paliwowe przypominają baterie:

dostarczają prądu. Jednak

w baterii niezbędne składniki

chemiczne po pewnym czasie wyczerpują

się, natomiast do ogniwa paliwowego

ciągle dopływa materiał energetyczny.

Może to być czysty wodór lub inny

gaz, bądź ciecz zawierająca wodór,

na przykład gaz ziemny albo

olej rzepakowy. W tych dwóch

ostatnich przypadkach wodór

musi być najpierw oddzielony

w odpowiednim urządzeniu,

zanim będzie mógł być

zastosowany w ogniwie.

Gdy wodór łączy się

tlenem, elektrony z wodoru

przechodzą do tlenu. W ogniwie

paliwowym elektrony te są

wypychane do zewnętrznego

obwodu elektrycznego, który może

dzięki nim napędzać silnik czy

inne urządzenie. Produktem tej

reakcji jest po prostu czysta woda.

Ogniwa paliwowe mają dużą

wydajność, która – w zależności

od typu – jest w dużym stopniu niezależna od

wielkości. Produkuje się je w różnych wariantach.

Nanotechnologia może dołożyć ze swej strony

ceramiczne folie, teksturowane powierzchnie

i katalizatory z nanocząsteczkami.

W ostatnich latach na technologie ogniw paliwowych

wydano na świecie 6-8 miliardów dolarów

i nie ma powodu aby wątpić, że jest to

technologia obiecująca. Te ciche źródła

energii elektrycznej mają wielkość od

znaczka pocztowego aż do kontenera

okrętowego i oczywiście mogą być

zastosowane nie tylko w samochodach.

Dla drobnych użytkowników źródłem

wodoru mogłaby być niepalna

mieszanina metanolu z wodą,

którą użytkownicy „tankowaliby”

w supermarkecie.

Ogniwo paliwowe

może pomóc silnikom

elektrycznym odzyskać

uprzywilejowaną pozycję

najlepszego ze wszystkich silników

(pierwszy samochód elektryczny

pojawił się w Paryżu w 1881 roku).

Tylko silnik elektryczny może

działać z ponad dziewięćdziesięcio

procentową wydajnością i tylko on

może pełnić funkcję generatora,

a jednocześnie przetwarzać energię

dynamiczną, wyzwoloną na przykład przy

hamowaniu auta, w energię elektryczną.

Doskonałe materiały magnetyczne stosowane

w nowych silnikach elektrycznych

i generatorach są oczywiście również

wykonane z nanokryształów.

Metalowe „nanokostki”, otrzymane w BASF, mogą dzięki swojej porowatości magazynować wodór w dużych ilościach.

Ogniwa paliwowe będą również stosowane w gospodarstwach domowych jako źródło zarazem prądu i ciepła.

33

34

naturalnego budulca zębów, które pomagają im

odzyskać stan naturalny (zob. też „biomineralizacja”).

Krem na dzień (dostępny już dzisiaj) zawiera

nanocząstki tlenku cynku który chroni przed

szkodliwym wpływem promieniowania UV. Cząstki

o rozmiarach nanoskopowych są niewidoczne, więc

krem nie jest biały, ale całkowicie przezroczysty.

Szpiedzy na czubku palca

Nanotechnologia, nanoelektronika, technika

mikrosystemów itp. zapewniają dostęp do

skomplikowanych urządzeń analitycznych,

których zakup nie przekracza możliwości finansowych

prywatnych gospodarstw domowych. Jedno ukłucie

w palec wystarczy do przeprowadzenia analizy krwi.

Czy poziom cholesterolu jest w porządku? Cukier

w normie? Wyniki można wysłać przez internet

do najbliższego centrum nanomedycznego, gdzie

można będzie uzyskać dokładniejszą analizę lub

lek dostosowany do indywidualnych potrzeb,

przygotowany w mikroreaktorach. Lek w organizmie

jest transportowany przez nanocząstki, powlekane w

ten sposób, że substancja lecznicza dociera dokładnie

do źródła choroby. Jest to bardzo precyzyjne

podawanie leku. Lekarze z wielkim zainteresowaniem

oczekują dalszych postępów w tej dziedzinie.

Możliwy jest również czujnik zewnętrzny,

który badając palce trzymające

opakowanie wykrywa niedobór wapnia

i inne braki, które można uzupełnić dzięki „żywności

funkcjonalnej”. Lub konsumując zwykły ser kozi –

etykietka na opakowaniu wyposażona w diodę OLED

wskazałaby właściwy wybór.

Lustro łazienkowe jest wyposażone w nanoelektronikę

– nie tylko można się w nim przejrzeć, ale dostarcza

ono również pożądanych informacji. Do soku

pomarańczowego odnosi się jednak z pewną rezerwą,

gdyż zawiera on cukier, który przyspiesza rozwój

próchnicy. Znowu przydaje się nanotechnologia:

w paście do zębów (dostępnej już dzisiaj) znajdują

się nanoskopijne cząstki drobiny apatytu i białka,

Śniadanie przyszłości, rok 2020:

Jest jeszcze kawa? Oczywiście, a sok pomarańczowy? Naturalnie,

ale opakowanie mogłoby zawierać coś szczególnego, na przykład

„elektroniczny język” od wewnętrznej strony, sprawdzający czy sok

nadaje się jeszcze do spożycia.

Zdrowie

Nan

ote

chn

olo

gia

dla

sp

ołe

czeń

stw

a

Inteligentne środowisko – lustro

z interaktywną elektroniką udziela lekcji mycia zębów.

U góry z lewej: dzięki foliom z nanocząste-

czkami żywność dłużej zachowuje świeżość.

U góry po prawej: inteligentne opakowanie

z transponderem chipowym na bazie

polimerowej.

35

Supramolekularne kapsułki lecznicze

Podawane leki mogą być bardzo wyrafinowane.

Będą one przenoszone w supramolekularnych

cząsteczkach, które są puste w środku i

stanowią nanopojemniki transportowe (badania

w toku). Pojemniki te wyposażone są w anteny, na

których umocowane są przeciwciała podobnych białek

sensorycznych. Wchodząc w kontakt ze strukturami

charakterystycznymi dla czynnika chorobotwórczego,

jak otoczki komórek nowotworowych lub bakterie,

zatrzymują się i wysyłają sygnał do cząsteczki

z lekiem, która otwiera się i uwalnia swoją zawartość.

Dzięki takiemu zastosowaniu nanotechnologii

można dostarczać leki w wysokich dawkach wprost

do ogniska choroby, nie obciążając innych części

organizmu i minimalizując efekty uboczne.

Cząstki magnetyczne w leczeniu raka

Za pomocą podobnych sztuczek można też

kierować nanocząsteczki magnetyczne do

ognisk nowotworowych, które następnie

rozgrzewa się przy użyciu zmiennego pola

elektromagnetycznego, niszcząc nowotwór.

Nanocząsteczki mogą też przenikać przez system

filtrujący, zwany barierą krew-mózg, dzięki czemu

można je stosować w zwalczaniu nowotworów mózgu.

Metodę hipertermii cieczowomagnetycznej opracował

zespół pod kierunkiem biologia Andreasa Jordana.

Obecnie rozpoczynają się próby kliniczne.

Bramy na chipie

Technika mikrosystemów i nanotechnologia

– granice miedzy nimi są płynne – opłacą się

w sektorze medycznym już choćby dlatego, że

zminiaturyzują znane techniki i zmniejszą ich koszty,

niekiedy sto tysięcy razy i więcej. Dotyczy to między

innymi skomplikowanych urządzeń, które w tempie

tysięcy na sekundę badają miliony komórek, na

przykład ciałek krwi, pod względem określonych

Diagnostyka jutra. Coraz droższe metody staną się finansowo dostępne dzięki nanotechnologii.

Komórki glejaka, nowotworu mózgu: aż do samej granicy ze zdrową tkanką nasyciły się specjalnie powlekanymi nanocząsteczkami magnetytu. Gdy następnie pole elektromagnetyczne rozgrzeje cząstki, nowotwór będzie można poddać dalszym zabiegom. Metoda ma być zatwierdzona do użytku medycznego już w 2005 roku.

36

cech i sortują je w stanie żywym. Może się to

odbywać w następujący sposób: do krwi dodawane

są przeciwciała, które przywierają wyłącznie do tych

komórek, które są przedmiotem zainteresowania.

Przeciwciała są jednocześnie nośnikami barwnika,

który fluoryzuje w świetle lasera. W sortowniku,

komórki zamknięte w kropelkach byłyby przepuszczane

przez światło lasera. Gdy pojawia się sygnał

fluorescencyjny, pola elektryczne kierują kropelkę

z komórką do odpowiedniego zbiornika – podobną

metodę stosuje się w drukarkach atramentowych.

Sortowniki komórek są urządzeniami bardzo

skomplikowanymi, w których współdziałają ze sobą

mikromechanika, optyka i najbardziej precyzyjna

elektronika, co przekłada się na wysoką cenę

aparatury. Dzięki nanotechnologii będzie można

zmniejszyć sortowniki, które dziś mają wielkość

bramy, do wymiarów znaczka pocztowego, a być

może nawet uczynić je przedmiotami jednorazowego

użytku. Znacznie przyspieszy to postęp w medycynie.

Jeszcze bardziej zaawansowanej nanotechnologii

wymagać będą systemy typu „lab on a chip”.

Wynalazcy twierdzą, że będą one składać się

z milionów nanourządzeń, które w skoordynowany

sposób będą pracowały nad wspólnym zadaniem.

Takie chipy miałyby kilka centymetrów powierzchni,

ogromnie dużo w porównaniu z wymiarami

nanoaparatów, jakie się na nich znajdują. Wynika to

z konieczności zapewnienia krążenia płynów, które

w nanokosmosie są gęste jak miód i dlatego wymagają

więcej miejsca do obiegu. Laboratoria na chipach

zrewolucjonizują biologię, gdyż umożliwią śledzenie

krok po kroku, co się dzieje w poszczególnych

komórkach. Pozwoliłoby to na zrekonstruowanie

obrazu życia w formie filmu wideo. Uczeni nie

zadowolą się zresztą samą obserwacją komórki, będą

ją drażnić, żeby zobaczyć, jak reaguje i w ten sposób

rozwiązywać zagadki życia.

Neuroprotetyka

Niezwykle trudnym zadaniem dla techniki

mikrosystemów i nanotechnologii jest

uzyskanie ”inteligentnego” implantu

siatkówki oka. Obecnie wynalazek jest na etapie

prób. Dzięki niemu niewidomi, którzy stracili wzrok w

wyniku zwyrodnienia barwnikowego siatkówki będą

Implant siatkówki

Zdrowie

Nan

ote

chn

olo

gia

dla

sp

ołe

czeń

stw

a

Małe lecz doskonałe, lab on chip, laboratorium

mieszczące się na czubku palca.

Nanoproszki moga być użyte do spiekania niezawodnych

produktów ceramicznych (do wykorzystania np.

w implantach).

37

Z lewej: połączenie komórek nerwowych ze stykami elektrycznymi.

Z prawej: cienkie chipy krzemowe na elastycznym nośniku, np. do inteligentnych etykiet, które można zastosować w opakow-aniach żywności lub w ubraniach.

mogli częściowo odzyskać wzrok. System składa

się z miniaturowej kamery umieszczonej w oprawce

okularów, kierującej obrazy do specjalnego

„inteligentnego” procesora sygnałów. Procesor

bezprzewodowo przekazuje dane w postaci obrazów

do wnętrza chorego oka, gdzie znajduje się elastyczna

folia ze zminiaturyzowanymi elektrodami, które

stykając się z siatkówką, odpowiednio ją stymulują.

Jeśli wynalazek ten odniesie sukces, będzie to

pierwszy na świecie interfejs pomiędzy człowiekiem

a maszyną, przeznaczony dla zmysłu wzroku.

Od dłuższego czasu można już pomóc ludziom

głuchym, wszczepiając im implant ślimaka. Dzięki

nanotechnologii protezy tego rodzaju będą ciągle

doskonalone.

Opieka domowa

Lepsze odżywianie i udoskonalona opieka

zdrowotna pozwalają coraz większej liczbie

osób dożyć podeszłego wieku. Ten zasadniczo

bardzo pożądany fakt ma jednak pewną naturalną

wadę: coraz więcej ludzi wymaga stałej opieki.

W pewnej mierze przyjdzie im z pomocą nano-

elektronika, proponując na przykład czujniki

i minikomputery wplecione w tkaninę ubrania, które

umożliwiają ciągłą kontrolę stanu zdrowia starszych

ludzi: tętna, oddychania, przemiany materii. W razie

pojawienia się zaburzeń „kamizelka medyczna” sama

powiadomi lekarza lub rodzinę. Miejsce pobytu chorego

określi – również wszyty w ubranie – moduł systemu

GPS lub Galileo. (Galileo to przyszły europejski

wariant GPS).

Automatyczne pielęgniarki

W „starej Europie” do automatycznych

opiekunów wciąż podchodzi się raczej

z rezerwą, a tymczasem w Japonii

samodzielnie poruszające się roboty będą wkrótce

produkowane na skalę masową. Całkiem możliwe, że

wynalazek ten znajdzie powszechne zastosowanie

w codziennej opiece nad chorymi – podejmowane są

już wysiłki w tym kierunku. Robotyka będzie mogła

bez trudu wykorzystać liczne możliwości wynikające

z ciągle rosnącej mocy obliczeniowej nanoelektroniki.

Inteligentna odzież: zintegrowana elektronika odtwarza pliki MP3, prowadzi przez miasto i kontroluje tętno – dodatkowa korzyść odczuwana na własnej skórze.

Roboty zdolne do empatii z Uniwersytetu w Oxfordzie. Do pilnowania gęsi to już wystarczy, od automatycznej pielęgniarki oczekuje się więcej.

38

W Europie około 10 procent wytwarzanego

prądu zużywa się na oświetlenie. Obecnie

diody świecące, LED, emitują również

białe światło, mogą więc zastąpić tradycyjną technikę.

Przyczyniłoby się to do znacznych oszczędności,

ponieważ diody świecące do wytworzenia takiej samej

ilości światła jak normalna żarówka potrzebują tylko

około 50 procent energii. Stanowi to interesujący

potencjał wprowadzenia oszczędności w sektorze

oświetleniowym.

W gospodarstwach domowych miliony telewizorów

z lampami katodowymi będą wkrótce zastąpione przez

urządzenia, wykorzystujące technikę LCD, a w dalszej

przyszłości również OLED. Obie te techniki mogą

ograniczyć zużycie energii o 90 procent. Diody LED

i OLED wytwarza się metodami nanotechnologii.

Gdy w milionach gospodarstw domowych zaoszczędzi

się po kilka kilowatów, w sumie uzyska się gigawaty –

wydajność kilku dużych elektrowni.

Wydajność ogniw paliwowych można łatwo i szybko

regulować. Obecnie pojawiają się w mieszkaniach

pierwsze grzejniki na gaz ziemny z ogniwami paliwowymi,

które w kontrolowany sposób wytwarzają zarówno

prąd, jak i ciepło. Gdy wyposaży się w nie miliony

gospodarstw domowych, będzie można owe grzejniki

za pośrednictwem sieci krajowej i Internetu połączyć

w ogromne wirtualną elektrownie o teoretycznej

maksymalnej mocy rzędu setek gigawatów.

Inaczej niż w dotychczasowej historii techniki, nano-

technologia może łączyć ze sobą wzrost gospodarczy

z mniejszym zużyciem surowców.

Gospodarka nanotechnologiczna to większe korzyści

przy niższych kosztach materiałowych.

Rewolucyjna wydajność dzięki diodom świecącym

Energia i środowisko

Nan

ote

chn

olo

gia

d

la s

po

łecz

eńst

wa

Prognoza Shell AG: Dla energii odnawialnych

nanotechnologia jest najlepszym wyborem.

39

W dalszej przyszłości gaz ziemny będzie można

zastąpić wodorem z odnawialnych źródeł.

Nanotechnologia oferuje tutaj nowe materiały

i katalizatory.

Membrany ceramiczne o porach nanoskopowych

zyskują coraz większe znaczenie w oczyszczaniu

cieczy, zwiększając zasoby czystej wody pitnej.

Bakterie i wirusy mogą być przez takie membrany

po prostu odfiltrowane.

Dzięki nanotechnologii energia słoneczna stanie się

niezwykle opłacalna. Półprzewodniki zawierające

iryd, gal i azot wykazują parametry umożliwiające

ogniwom słonecznym osiągnięcie ponad pięćdziesię

cioprocentowej skuteczności. Skuteczność jest tylko

jednym z kryteriów, nanotechnologia dąży ponadto

do radykalnego obniżenia kosztów kolektorów

słonecznych dzięki wykorzystaniu cienkich warstw

lub nanocząstek. Próbki laboratoryjne folii do ogniw

słonecznych, wytwarzane metodami powlekania

podobnymi do tych, jakie stosuje się w produkcji

diod LED i OLED, umożliwiają uzyskanie 100 watów

energii elektrycznej z materialu o wadze zaledwie

30 gramów. Takie radykalne zmniejszenie potrzeb

materiałowych do produkcji energii osiągnął Solarion

z Lipska.

Badacze z Siemensa reklamują najnowsze organiczne

ogniwa słoneczne o pięcioprocentowej wydajności,

drukowane na folii plastikowej i niezwykle tanie.

Fotoaktywna warstwa ma zaledwie około 100 nano-

metrów grubości, a uzyskana obecnie trwałość

ogniwa wynosi kilka tysięcy godzin nasłonecznienia.

Pierwszych produktów wytworzonych tą metoda

można oczekiwać w 2005 roku.

Szerokie spektrum: Szklana fasada hotelowego hallu nad jeziorem Lucerneńskim, oświetlona 84 000 diod świecących firmy Osram we wszystkich kolorach tęczy.

Organiczne diody świecące, OLED, będą w przyszłości wykorzystywane w różnego rodzaju wyświetlaczach.

40

Jest bardzo wiele znanych od dawna, godnych

uwagi zjawisk fizycznych, które prawie

niedostrzegane przez ogół społeczeństwa,

znajdują sobie skromne miejsce w niszach rynkowych.

Należy do nich torba chłodnicza, która – przyłączona

do instalacji elektrycznej samochodu – rzeczywiście

doskonale chłodzi. Wewnątrz działa niewidoczny

wynalazek Jeana-Charlesa-Athanasego Peltiera,

francuskiego uczonego, który w 1834 roku odkrył

efekt, nazwany jego nazwiskiem i polegający na tym,

że prąd elektryczny, przepływający przez złącze dwóch

różnych metali z jednej strony wytwarza ciepło,

a z drugiej zimno. Trzynaście lat wcześniej Niemiec

Johann Seebeck odkrył odwrotne zjawisko, polegające

na wytwarzaniu prądu przez strumień

ciepła, przepływający przez złącze dwóch

różnych metali. Obaj panowie ponownie

stali się sławni dzięki nanotechnologii

umożliwiającej obecnie stworzenie nowych

materiałów, które wreszcie wykorzystują

obydwa zjawiska z bardzo dużą skutecznością.

Do produkcji tych materiałów używa się

takich samych maszyn, jak do produkcji

diod świecących. Maszyny te na warstwę

tellurku bizmutu o grubości jednego

nanometra nakładają pięcionanometrową

warstwę tellurku antymonu i powtarzają

ten proces do momentu powstania folii

półprzewodnikowej, którą zachwyciliby

Nanotechnologia tchnie nowe życie w wiele starych

pomysłów, które nie zostały zrealizowane z powodu

niedoskonałości dostępnych materiałów. Jednym z takich

pomysłów jest termoelektryczne wytwarzanie prądu:

Prąd z ciepła, ciepło z prądu, czyli termoelektryczność

Energia i środowisko

Nan

ote

chn

olo

gia

dla

sp

ołe

czeń

stw

aKonwencjonalny moduł termo-elektryczny: strumień ciepła jest przetwarzany na energię elektryczną za pośrednictwem bloku półprzewodników. Nanostruktury umożliwiają dużą wydajność tej techniki i zdobywają dzięki temu nowe rynki.

Technika mikroreakcji chemicznych do wytwar-zania najdziwniejszych

substancji.

41

się panowie Peltier i Seebeck: gdy przepływa przez

nią prąd, jedna strona uwarstwienia rozgrzewa się,

a druga ochładza. Folii można nadawać bardzo

precyzyjną strukturę, tak aby mogła służyć do ściśle

zlokalizowanego schładzania chipów. Może ona być

również zastosowana do napędzania minireaktorków

w laboratorium na chipie, w których przez szybkie

zmiany temperatury powiela się DNA. Można sobie

łatwo wyobrazić, że stale rosnąca wydajność sprawi,

że ogniwa Peltiera staną się bezkonkurencyjną

technologią w całym przemyśle chłodniczym.

Z drugiej strony, dysponując tanimi źródłami ciepła,

jak ciepło geotermiczne, można za pomocą takich

warstw termoelektrycznych wytwarzać tani prąd.

Dzięki elektrolitycznie produkowanemu wodorowi

Islandia mogłaby stać się energetycznym Krezusem.

W przemyśle chemicznym, tego rodzaju techniki

umożliwią przemianę ogromnych ilości ciepła

odpadowego w prąd elektryczny – bezgłośnie,

prawie niewidocznie, skutecznie. Jednym słowem –

nanotechnologicznie.

Termofotowoltaika

T ermoelektryczność nie jest jedynym

sposobem zamiany ciepła odpadowego na

prąd elektryczny. Termofotowoltaika (TPV)

wykorzystuje (niewidzialne) promieniowanie cieplne

rozgrzanych przedmiotów, czyli promieniowanie

podczerwone.

Nanotechnologia

tkwi w strukturach

emiterów, które

dostosowują widmo

źródła ciepła do

czułości widmowej

ogniw termofoto-

woltaicznych.

Reaktory firmy Aixtron do badań naukowych (z lewej) i do precyzyjnej produkcji cienkich warstw półprzewodników (z prawej).

Emitery wolframowe o powierzchni z nanostrukturą do adaptacji widma podczerwieni.

Światło świecy wystarczy w ogniwach termofotowoltaicznych aby wytworzyć energię potrzebną do zasilania radia.

42

W czerwcu 1979 Bryan Adams na

mięśniolocie Gossamer Albatros,

poruszanym wyłącznie za pomocą

pedałów, przeleciał nad kanałem La Manche,

zdobywając Nagrodę Cremera w wysokości 100 000

funtów. Nowe materiały umożliwiły Paulowi Cready

wykonanie lekkiej jak piórko konstrukcji tego statku

powietrznego. W 1981 roku powiódł się także dłuższy

lot z wykorzystaniem wyłącznie napędu słonecznego,

pomimo że Solar Challenger był niezmiernie kruchy.

Na początku lat dziewięćdziesiątych miasto Ulm dla

uczczenia pechowego pioniera lotnictwa Albrechta

Ludwiga Berblingera („Krawiec z Ulm”) ogłosiło

konkurs na skonstruowanie samolotu słonecznego,

który można by zastosować w praktyce. W lipcu

1996 roku niekwestionowanym zwycięzcą został

motoszybowiec Icaré II, zaprojektowany przed

badaczy Uniwersytetu w Stuttgarcie.

Opracowany przez NASA słoneczny samolot

eksperymentalny HELIOS, który ma zastąpić satelity,

jest napędzany w ciągu dnia energią słoneczną,

a w nocy utrzymuje się w powietrzu dzięki agregatowi

„samoładujących się” ogniw paliwowych. Maksymalny

pułap jaki ten pojazd może osiągnąć wynosi prawie

30 kilometrów.

W 2003 roku spotkali się w Szwajcarii specjaliści

od termodynamiki, aerodynamiki, systemów

elektrycznych, tworzyw zespolonych, fotowoltaiki,

przetwarzania energii i symulacji komputerowych –

nanotechnologia ma duże znaczenie w każdej

z tych dziedzin – w celu omówienia projektu, który

wylansowałby nowe technologie zapewniające rozwój

a jednocześnie przyjazne środowisku. Ten ambitny

projekt zamierza około 2009 roku ponownie wysłać

Bertranda Piccarda i Briana Jonesa, którzy w 1999

okrążyli świat balonem, jeszcze raz w lot dookoła

świata. Tym razem samolotem, napędzanym wyłącznie

energią słoneczną – i to bez przerwy!

Ciągłe doskonalenie technologii, obecnie już

w nanoskali, ożywia z powrotem zapomniane

pomysły, które wcześniej nie dały się

zrealizować. Należą do nich między innymi

samoloty napędzane energią słoneczną.

Icaré II, słoneczny motoszybowiec, który

może wytrzymac obciążenie takie

jak zwyczajny szybowiec a do

tego samodzielnie startuje z ziemi.

U góry: Po zakończeniu lotu ze Stuttgartu do Jeny, w którym

został ustanowiony nieoficjalny rekord.

Nanotechnologia dla sportu i rekreacji

N

ano

tech

no

log

ia d

la s

po

łecz

eńst

wa

Projekt ten zdobyłby dla nowych technologii

uznanie, na jakie naprawdę zasługują, a dodatkowo

przyczyniłby się do powstania całego szeregu nowych

pojazdów, takich jak samoloty słoneczne sterowane

przy pomocy komputerów, czujników i systemu

GALILEO, którymi mogą latać nawet niedoświadczeni

amatorzy – w dodatku bez hałasu i spalin. Swoboda

w przestworzach będzie nieograniczona. Być może

na Pojezierzu Meklemburskim pojawią się wkrótce

katamarany słoneczne, a rowery elektryczne pomogą

poruszać się starszym ludziom, którzy mają trudności

z jazdą na normalnym rowerze.

Nad małymi pojazdami

elektrycznymi pracuje się

intensywnie w wielu miejscach,

między innymi dla ratowania

tonących w spalinach miast

w regionach silnie

uprzemysłowionych.

43

Jacht napędzany przez ogniwa paliwowe, skonstruowane w MTU Friedrichshafen, jezioro Bodeńskie. Nanotechnologia pozwala takim żaglówkom połączyć skuteczność z elegancją. Można sobie również wyobrazić żagle z elastycznych tekstylnych ogniw słonecznych, choć materiał w takim przypadku musiałby być ciemny.

„Powietrzny robak” z uniwersytetu w Stuttgarcie. Planuje się jego zastosowanie w roli stacji przekaźnikowej w radiotelefonii.

Propozycja firmy Fuseproject, skuter napędzany ogniwem paliwowym bezgłośnie porusza się po mieście.

Katamaran słoneczny zbudowany przez firmę Kopf Solardesign GmbH krąży po okolicach Hamburga.

Nanorurki węglowe do windy

orbitalnej

Przepis pochodzi z kosmosu: w powłokach

starych gwiazd, takich jak czerwony olbrzym

Betelgeza, krąży wiele różnych pierwiastków.

W wyniku reakcji chemicznych pomiędzy nimi

powstają między innymi nanokryształy z węglika

krzemu, tlenku krzemu, korundu, a nawet diamentu,

co wiadomo na podstawie badań meteorytów,

powstałych z takiego pyłu. Aby poznać to lepiej,

naukowcy odtworzyli w laboratorium warunki

panujące w powłokach tych gwiazd i w 1985 roku

trafili na ślady zupełnie nieznanej substancji, która

okazała się ciekawym związkiem węgla. Jest to pusta

w środku cząsteczka, swoim wyglądem bardzo

przypominająca piłkę. Najnowsze badania nieba

wykazały, że takie cząsteczki powstają również

w otoczkach gwiazd.

Wizje

Ulica palców

Dzięki nanotechnologii możliwe do

zrealizowania są nawet najbardziej utopijne

systemy transportowe, takie jak „ulica

palców”. Kiedy sztuczne mięśnie staną się praktycznie

dostępne – a prace w tym kierunku już trwają – będzie

można wyobrazić sobie drogę wyłożoną elementami,

jakby „palcami”, które swoim ruchem będą popychać

znajdujące się na niej przedmioty podobnie jak rzęski

komórek, które falując, wypychają zanieczyszczenia

z płuc albo umożliwiają przemieszczanie się

pantofelka. Pomysł ten można realizować na

wiele sposobów: poważnie brane są pod

uwagę silniczki liniowe działające na tej

zasadzie – współpracowałyby one z mięśniami

roślinnymi, forysomami. Do roli sztucznych

mięśni pretendują też tworzywa z fulerenów.

A pomysł wcale nie jest tak fantastyczny jak

winda międzyplanetarna, nad którą NASA

prowadzi już całkiem poważne badania,

a wymyślił ją tak naprawdę rosyjski pionier

kosmonautyki, Konstanty Edwardowicz Ciołkowski.

Konstanty Edwardowicz Ciołkowski

44

Nanorurki i Betlegeza, gwiezdny olbrzym, w którego atmosferze występują fulereny.

Fulereny, puste przestrzenie utworzone przez sieci węglowe, nadzieja w poszukiwaniach egzotycznych tworzyw.

Dzisiaj znamy już wiele wariantów sieciowo

połączonego węgla, między innymi nanorurki

węglowe, maleńkie wężyki węglowe, które można

splatać w bardzo mocne tworzywa. Problem produkcji

masowej takich nanorurek jest w zasadzie rozwiązany.

Wykształconym włóknom złożonym z nanorurek

przypisuje się obecnie astronomiczną rozciągliwość

i wytrzymałość na zerwanie. NASA rozważa z całą

powagą projekt, którego wynikiem miałaby być

„winda do gwiazd”, wykorzystująca coś w rodzaju

indiańskiej sztuczki z liną. W jednej wersji taśmę

szerokości jednego metra i cieńszą niż papier,

wykonaną z tworzywa złożonego z nanorurek

rozciąga się w przestrzeń kosmiczną za pomocą

konwencjonalnych rakiet i satelitów. Jeden koniec

znajdowałby się w kosmosie na wysokości około

100 000 kilometrów, drugi byłby zakotwiczony na

Pacyfiku w pobliżu równika. Siła ciążenia skierowana

do Ziemi i siła „dośrodkowa”, skierowana w przeciwnym

kierunku zapewniałyby naprężenie taśmy, po której

mogłyby się przemieszczać kilkutonowe ładunki na

orbitę okołoziemską, a nawet na orbity pomiędzy

Wenus a pasem asteroidów. Korzystnym produktem

ubocznym tej wizji są bardzo wytrzymałe materiały

budowlane znajdujące zastosowanie przy konstrukcji

wieżowców, mostów i oczywiście wind.

45

Wizja: winda międzyplanetarna.

Robert Curl ma na czubkach palców fulereny, za które otrzymał

Nagrodę Nobla.

Cząsteczki-olbrzymy jako

doskonałe komputery:

nanorurki mogą w

przyszłości stanowić podstawę

bardzo wydajnych

układów scalonych.

46

Szanse i zagrożenia

Nanotechnologia ma niewątpliwie wielkie

możliwości wytwarzania dobra, a w każdym

razie przynoszenia zysków. Ze względu na

innowacje w wielu obszarach zastosowań przypisuje

się jej znaczny potencjał komercyjny. Już dzisiaj

w Europie setki przedsiębiorstw zajmują się

komercyjnymi zastosowaniami nanotechnologii,

dając zatrudnienie kilkudziesięciu tysiącom,

w większości wysoko wykwalifikowanych specjalistów.

Co do jednego naukowcy i przedsiębiorcy są zgodni:

nanotechnologia to coś więcej niż chwilowa moda.

Zbyt piękne, aby mogło być prawdziwe? Superkolonia,

która wydaje się możliwa, przynajmniej teoretycznie,

trafiła już do literatury. W bestsellerze Michaela

Crichtona „Rój” sprytne nanocząsteczki skupiają się

w gromady półinteligentnych istot, które zwracają

się przeciwko swoim twórcom. Inna ponura wizja

stworzona przez amerykańskiego „nano-proroka”

dostrzega zagrożenie dla świata w postaci „szarej

mazi” (gray goo)

niesfornych

nanorobotów.

Eric Drexler

uważa za możliwe

skonstruowanie

nanoskopijnych

robotów, których

wielkość wynosiłaby

kilka milionowych

milimetra i które,

odpowiednio

zaprogramowane,

mogłyby

z dostarczonych surowców budować coś nowego

i większego. Gdyby jednak proces ten wymknął

się spod kontroli, powstawałaby zamiast czegoś

wspaniałego szara masa, która mogłaby być zakaźna

i niebezpieczna dla ludzi i maszyn.

Większość ekspertów nie traktuje poważnie tej teorii.

Na przykład Richard Smalley, laureat Nagrody Nobla

w dziedzinie chemii z 1996 roku, wskazuje na inne,

specyficzne właściwości wiązań chemicznych, które

właśnie nie pozwalają każdemu atomowi i każdej

cząsteczce na połączenie się ze sobą.

Już ten argument sprawia, że idea nano-botów czyli

nanoskopijnych robotów, wydaje się nieprawdopodobna.

Przede wszystkim jednak, gdyby taki robot zespalał

materię atom po atomie, musiałby robić to „palcami”,

które przecież też składają się z atomów i muszą mieć

pewną minimalną grubość.

Nie można by uchwycić tylko wybranego atomu bez

oddziaływania na wszystkie atomy w nanometrze

sześciennym, a wtedy palce musiałyby sobie przeszkadzać.

Ze względu na problem grubych i lepkich palców,

scenariusz „szarej mazi” sugerowany

przez Erica Dexlera jest tak samo

niepraw dopodobny jak wyobrażenie,

że z powodu nano-technologii świat

zamieni się w galaretkowego misia.

47

Tyle o problemie grubych palców. Jest jeszcze

problem lepkich palców. Złapane atomy, w zależności

od ich rodzaju, nie dałyby się dowolnie podnosić

i odkładać, lecz wiązałyby się ze sobą. Zjawisko to

jest znane z codziennego doświadczenia: niełatwo

jest zdjąć z palca przyklejoną lepką kuleczkę. I to

są zasadnicze argumenty, których nie da się obejść.

Mechaniczne nano-boty są wiec niemożliwe. Richard

Smalley może mieć rację: nie ma powodu obawiać

się, że tłumy krnąbrnych nanomaszyn rozszaleją się

świecie, zmieniając go w szarą maź.

Bardziej uzasadniona jest raczej obawa, że nano-

cząsteczki będą miały niekorzystny wpływ na

człowieka i środowisko. Na przykład mogą one

mieć niekorzystne skutki dla zdrowia ze względu

na swoją wielkość, która umożliwia im przenikanie

do komórek organizmu, a nawet przekraczanie

biologicznych barier (jak np. bariera krew-mózg).

Jako że nanocząsteczki, tak jak inne bardzo drobne

pyły – na przykład sadza w spalinach z silników

Diesla – są substancjami, które mogą mieć nieznane

działania uboczne, powinny być przeprowadzone

badania naukowe, które potwierdziłyby ich

bezpieczeństwo. Do tej pory niewiele wiadomo o

bezpieczeństwie nanocząsteczek, zatem niewyjaśnione

pytania powinny jak najszybciej znaleźć odpowiedź

na drodze odpowiednich eksperymentów

przeprowadzonych przez nanotechnologów i toksyko-

logów. Ryzyko wydaje się jednak możliwe do opanowania,

ponieważ nanocząsteczki znajdujące się w przyrodzie

są wyjątkowo „lepkie”. Dlatego wiążą się szybko tworząc

większe grudki, których organizm łatwo może się

pozbyć. Wiadomo już dzisiaj, że niektóre nanocząsteczki

z pewnością nie są szkodliwe dla zdrowia.

Są one używane w kremach do opalania jako filtry

przeciwsłoneczne lub dodawane do innych materiałów

w postaci ściśle z nimi związanej, tak że użytkownik

nie ma w ogóle kontaktu z pojedynczymi nano-

cząsteczkami. Przemysł również stosuje odpowiednie

środki bezpieczeństwa, aby zminimalizować ryzyko

zarówno dla klienta, jak i dla pracowników.

Podczas gdy wizje nano-botów są w dalszym ciągu jedynie

hipotetyczne, obietnice nanotechnologów wydają się

całkiem realne. Pojawiły się już pierwsze produkty, na

przykład bardzo czułe głowice twardych dysków

z powłokami o grubości dwudziestu lub mniej

nano metrów. Z nanoelektroniką można się spotkać

w każdym notebooku. Jako potężna technologia

ma ona również skutki uboczne w postaci

wyeliminowania wielu prostych czynności. Powstają

jednak nowe dziedziny działania. Uczenie się przez

całe życie staje się coraz bardziej istotne, ale może

też sprawiać radość – dzięki nanotechnologii.

Richard Smalley, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii uważa – jak większość naukowców – że zagrożenia nanotechnologii można opanować.

48

Dalsze informacje

Jak zostać nanoinżynierem?

Odwiedzając ośrodek badawczy, w którym

intensywnie pracuje się nad nanotechnologią,

można zobaczyć obok siebie przedstawicieli

właściwie wszystkich nauk ścisłych: biologów,

chemików, inżynierów najróżniejszych specjalności,

krystalografów, mineralogów, fizyków – wspólnym

mianownikiem jest poziom atomu, a podstawowym

wspólnym językiem – matematyka. Do nanotechnologii

mogą więc prowadzić wszystkie klasyczne kierunki

studiów przyrodniczych, choć ostatnio zaczyna się

ona wyodrębniać jako samodzielna dyscyplina, jak na

przykład na Uniwersytecie w Würzburgu. Nikt, kto

zajmuje się nanotechnologią, nie musi się obawiać,

że jest to tylko krótkotrwały trend – twierdzi Alfred

Forchel z Katedry Fizyki Uniwersytetu w Würzburgu

(fragmenty informatora dla maturzystów nr 10/2003).

"Ponieważ tendencja do miniaturyzacji nie jest jedynie

modnym trendem naukowym, lecz ugruntowaną

rzeczywistością, można spodziewać się, że rozwiązania

techniczne będą proponowane w coraz mniejszej skali,

przechodząc od mikro- do nanowymiarów w wielu

dziedzinach, od technologii informatycznej do chemii.

Nie trzeba być jasnowidzem aby przewidzieć, że

wszystko będzie się kurczyć – przykładem są tutaj

elementy budowlane – i to do jak najmniejszych

możliwych rozmiarów."

Fizycy, chemicy i inni przyrodoznawcy mają rację

twierdząc, że zawsze zajmowali się nanotechnologią.

Przedmioty klasycznej fizyki atomowej, cząsteczki

badane przez chemików stanowią przecież elementy

nanokosmosu. Dzięki dzisiejszym możliwościom

eksperymentalnym, takim jak strukturyzacja klastrów,

warstw, chipów z dokładnością atomową, jak również

dzięki dostępności substancji najwyższej czystości oraz

badaniom najdrobniejszych struktur biologicznych,

otworzyła się obfitość całkiem nowych możliwości, z

których może korzystać również inżynieria stosowana.

Alfred Forchel ocenia dość korzystnie perspektywy

zawodowe nanoinżynierów.

"Naturalnie szanse znalezienia pracy również w

tej branży zależą od koniunktury. Czasami jednak

decydują sprawy stosunkowo błahe. Kiedy firmy

otrzymują sterty aplikacji, trudno zostać zauważonym.

Dzięki naszym praktykom przemysłowym student

pozna bliżej przynajmniej jedną firmę. Nasi studenci

mogą też pisać prace dyplomowe, pracując w przemyśle,

co jest kolejnym krokiem zbliżającym ich do zatrudnienia.

Ponadto każdy z nich musi wybrać przynajmniej

jeden dodatkowy nietechniczny przedmiot studiów, na

przykład zarządzanie, dzięki czemu zdobywa również

w tej dziedzinie podstawy wiedzy ważnej w życiu

zawodowym."

Ale dla przyszłych nanoinżynierów, zarówno

w Würzburgu jak i w każdym innym miejscu,

niezbędne jest również solidne wykształcenie

przyrodnicze, w tym matematyka.

"Nie wystarczy zamarzyć o zbudowaniu maleńkiej łodzi

podwodnej, która mogłaby przepływać żyłami. Zanim

do tego dojdzie, trzeba zainwestować mnóstwo czasu

i pracy. Trzeba nauczyć się opisu matematycznego,

opanować fizykę i chemię, czyli zdobyć solidne i trudne

podstawy. Nie należy jednak być onieśmielonym: wasze

fantazje o nanoświecie na pewno wam pomogą

w pokonywaniu trudności."

Historia z łodzią podwodną w żyłach była tylko

filmem. Nanotechnologia wygląda trochę inaczej,

ale mogą w niej być prawdziwe pieniądze.

49

Osoby do kontaktu, linki, bibliografia

Możliwości studiowania

nanotechnologii

Kierunek: Technika nanostruktur w Würzburgu Universität WürzburgWebsite: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/nano/Kontakt: ossau@physik.uni-wuerzburg.de

Bio- i Nanotechnologie w IserlohnFachhochschule SüdwestfalenWebsite: http://www2.fh-swf.de/fb-in/studium.bnt/bnt.htmKontakt: Werner@fh-swf.de

Molecular Science w ErlangenUniversität Erlangen-NürnbergWebsite: http://www.chemie.uni-erlangen.de/Molecular-ScienceKontakt: hirsch@chemie.uni-erlangen.de

Mikro- i Nanotechnika w Monachium, tryb studiów MasterFachhochschule MünchenWebsite: http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb06/studiengaenge/mikro_nano/home.htmKontakt: sotier@physik.fh-muenchen.de

Nanomolecular Science w BremieInternational University BremenWebsite: http://www.faculty.iu-bremen.de/plathe/nanomolKontakt: f.mueller-plathe@iu-bremen.de

Nauka o nanostrukturach – Nanostructure andMolecular Sciences w KasselUniversität KasselWebsite: http://www.cinsat.uni-kassel.de/studiengang/studiengang.html

Eksperymentalny tryb studiów licencjackich zakończony uzyskaniem tytułuBachelor of Science in Biophysik lubNanonauki w BielefeldUniversität BielefeldWebsite: http://www.physik.uni-bielefeld.de/nano.htmlKontakt: masseli@physik.uni-kassel.de

Tryb studiów dyplomowych „Mikro-i nanostruktury” w SaarbrückenUniversität des SaarlandesWebsite: http://www.uni-saarland.de/fak7/physik/NanoMikro/InfoMikroNano.htmKontakt: wz@lusi.uni-sb.de

Bibliografia

BMBF-Programm IT-Forschung 2006 – FörderkonzeptNanoelektronikWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, marzec, 2002.

Vom Transistor zum Maskenzentrum Dresden,Nanoelektronik für den MenschenWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, październik, 2002.

Nanotechnologie erobert Märkte- Deutsche Zukunftsoffensivefür NanotechnologieWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, marzec, 2004.

Bachmann, G.Innovationsschub aus dem Nanokosmos: Analyse &Bewertung Zukünftiger Technologien (Band 28)Wyd.: VDI-Technologiezentrum im Auftrag des BMBF; 1998.

Luther, W.Anwendungen der Nanotechnologie inRaumfahrtentwicklungen und –systemenTechnologieanalyse (Band 43)Wyd.: VDI-Technologiezentrum im Auftrag des DLR; 2003.

Wagner, V; Wechsler, D.Nanobiotechnologie II: Anwendungen in der Medizinund PharmazieTechnologiefrüherkennung (Band 38)Wyd.: VDI-Technologiezentrum im Auftrag des BMBF; 2004.

Hartmann, U.Nanobiotechnologie – Eine Basistechnologie des21.JahrhundertsZPT, Saarbrücken, 2001.

Rubahn, H.-G.Nanophysik und NanotechnologieTeubner Verlag 2002.

Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft-WINGWyd.: Bundesministerium für Bildung und Forschung;Bonn, Oktober 2003.

Adresy internetowe

Fundacja nanotechnologiczna UE www.cordis.lu/nanotechnology

Europejski Portal Nanotechnologicznywww.nanoforum.org

Nanotruck- Podróż w nanokosmoswww.nanotruck.net

Internetowa wyprawa poza przecinek dziesiętnywww.nanoreisen.de

Wiadomości i fora dyskusyjne o nanotechnologiiwww.nano-invests.de

Fundacja nanotechnologiczna BMBFhttp://www.bmbf.de/de/nanotechnologie.php

Portal nanotechnologiczny VDI-TZwww.nanonet.de

Niniejsza broszura pochodzi z niemieckiego Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) i została napisana z myślą o niemieckich Czytelnikach. Aby uzyskać informację na temat nanotechnologii w Europie, linków do literatury i stron internetowych (innych niż niemieckie), proszę odwiedzić portal internetowy Komisji Europejskiej dotyczący nanotechnologii (www.cordis.lu/nanotechnology).

Słownik

Dal

sze

info

rmac

jeCNT: Carbon Nano-Tubes, nanorurki węglowe.

Diatomy: Okrzemki, małe organizmy jednokomórkowe,

żyjące w wodach słodkich i słonych, o bardzo

oryginalnym pancerzu z dwutlenku krzemu i wody.

Diatomy mają zdolność fotosyntezy, dlatego są

wyposażone w struktury przewodzące światło.

DNA: kwas dezoksyrybonukleinowy: Cząsteczka-

olbrzym w kształcie podwójnej spirali, zawierająca

informacje określające budowę organizmu i wzory

niezliczonej liczby białek.

ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope –

specjalny skaningowy mikroskop elektronowy, który

dopuszcza obecność pozostałości powietrza i wilgoci

w pojemniku z badaną próbką. Soczewki nie muszą

być preparowane na przykład parami złota.

Faza: Tutaj: stan, na przykład: uporządkowany/

nieuporządkowany, krystaliczny/amorficzny.

Fotosynteza: Rośliny zielone, algi i cyjanobakterie

(sinice) pozyskują energię przez fotosyntezę. Za pomocą

światła słonecznego przekształcają dwutlenek węgla

i wodę w cukier i tlen. Fotosynteza ma zadziwiająco

wysoką wydajność energetyczną – ponad 80 procent.

Forysomy: Od łacińskiego słowa oznaczającego

„skrzydło drzwi”, białka roślinne, które bada się pod

względem przydatności jako materiał do nanoskopijnych

sztucznych mięśni.

Klastery: Skupiska małych cząstek, tutaj atomów. Klastery

mają przeważnie inne właściwości niż formy o większej

objętości z tego samego materiału, m. in. dlatego, że

klastery zawierają wiele atomów powierzchniowych.

Komputer kwantowy: Wykorzystuje prawa mechaniki

kwantowej na przykład do rozwiązywania problemów

kodowania informacji, których nie da się praktycznie

rozwiązać przy użyciu zwykłego komputera. Dotychczas

w fazie projektów.

Lab-on-a-Chip: Bardzo złożone chipy, znajdujące

się obecnie w końcowym stadium projektu.

Dzięki procesom mikromechaniki, mikrofluidyki,

nanosensoryki i nanoelektroniki mogą one wykonywać

złożone badania komórek, zastępując wyposażenie

dzisiejszych instytutów badawczych. Nazwy tej

używa się też w odniesieniu do stosunkowo prostych

mikroskopijnie strukturalizowanych nośników

obiektów.

Laser swobodnych elektronów: Wytwarza światło

laserowe dzięki przyspieszonemu strumieniowi

elektronów, poruszających się w lampie próżniowej.

Leukocyty: Białe ciałka krwi, które bronią organizm,

wchłaniając ciała obce, takie jak wirusy i bakterie,

oraz pozostałości martwych komórek i komórki

nowotworowe lub też – jako limfocyty – wytwarzając

przeciwciała. Przeciwciała są bardzo wyspecjalizowanymi

cząsteczkami adhezyjnymi.

Litografia: Tutaj: sztuka wytwarzania mikroskopijnych

struktur, najczęściej przy pomocy światłoczułej

powłoki, która zostaje oznakowana wiązką światła

lub elektronów, a następnie wywołana, zakrywając lub

odsłaniając zaprojektowane fragmenty powierzchni

w celu wytrawienia bądź poddania innym procesom.

Maska: Rodzaj przezroczystej błony zawierającej

projekt struktury chipa komputerowego, który

następnie jest przenoszony metodą fotolitograficzną

na płytkę podłoża.

Micele: Małe, kuliste struktury, które przyroda –

w tym wypadku małże –wykorzystuje jako pojemniki

transportowe.

Nici bisiorowe: zwane również „jedwabiem

małżowym” lub „brodą małż”. Z punktu widzenia

materiałoznawstwa bardzo ciekawe włókna, którymi

małże przytwierdzają się do podłoża. Nici te są

z jednej strony elastyczne jak guma, a z drugiej

sztywne jak nylon.

Ogniwo paliwowe: Urządzenie, w którym wodór

i tlen (zazwyczaj z powietrza) reagują bez spalania

tworząc wodę, wytwarzając jednocześnie energię

elektryczną z dużą wydajnością.

Piezokryształy: Piezoelementy wytwarzają

elektryczność, gdy są rozciągnięte lub ściśnięte,

na przykład w postaci iskry zapłonowej w

„elektronicznych” zapalniczkach. I odwrotnie,

kryształ piezoelektryczny może bardzo precyzyjnie,

z dokładnością do ułamków średnicy atomu

zmieniać kształt pod wpływem prądu elektrycznego.

Podwajacz częstotliwości: Tutaj: materiał, który

podwaja częstotliwość światła, powodując na przykład,

że światło podczerwone zmienia się w zielone.

Pola mikrosoczewek: Elementy mikrooptyczne,

wykorzystywane m.in. do przenoszenia informacji

za pomocą światła.

Półprzewodnik: Materiał, którego właściwości

elektryczne można celowo zmieniać, dzięki czemu

jest on raz izolatorem, a raz przewodnikiem.

Półprzewodniki stały się najważniejszymi elementami

nowoczesnych produktów przemysłowych, jak

komputery, telefony komórkowe itp.

Prąd tunelowy: Prąd, który w zasadzie nie powinien

płynąć, ponieważ napotyka na izolowaną przerwę,

w nanokosmosie może jednak przepływać, choć jest

ściśle uzależniony od wielkości przerwy. Efekt ten

umożliwił opracowanie skaningowego mikroskopu

tunelowego.

Proteiny (białka): Duże cząsteczki, złożone z rybosomów

aminokwasów, które w komórce pełnią rolę z jednej

strony nanoskopijnych narzędzi, z drugiej zaś

materiałów budulcowych, tworzących różne części

organizmu – od soczewki oka do paznokci. Próby

rozszyfrowania proteomu, czyli sumy wszystkich

protein i ich wzajemnych oddziaływań w komórce,

znajdują się dopiero w fazie początkowej.

Promieniowanie rentgenowskie: Krótkofalowe

promieniowanie elektromagnetyczne, które m. in.

w analizie struktury kryształów służy do określania

nanoskopijnego kształtu cząsteczek.

Promieniowanie UV: Promieniowanie krótkofalowe,

umożliwiające wytwarzanie bardzo precyzyjnych

struktur chipowych.

Reflektyny: Specjalne proteiny, wykorzystywane przez

organizmy do budowy struktur odbijających światło.

Rybosomy: Nanomaszyny wytwarzające niezliczoną

liczbę białek, sterowane przez wstęgę cząsteczki DNA

zawierającą informacje substancji dziedzicznej.

Światłowód: Przewodzi światło przez materiał

o wyjątkowej przejrzystości, wykorzystywany do

przesyłania na duże odległości głównie danych,

ale coraz częściej również energii.

Wiązanie van der Waalsa: Słabe wiązanie chemiczne

pomiędzy cząsteczkami, którego podstawową przyczyną

są właściwości pustych przestrzeni w cząsteczce.

Wiązania van der Waalsa determinują właściwości

wody, a tym samym procesy życiowe.

52

Źródła ilustracji

S.4, u góry: Kompetenzzentrum Nanoanalytik, Uniwersytet w HamburguHamburg

S.4, u dołu: Lambda Physik AG, GetyngaS.5, u góry: Infineon Technologies AG, MonachiumS.5, u góry: BergerhofStudios, KoloniaS.6, u góry z lewej: Chemical Heritage FoundationS.6, u góry+u dołu z prawej, u dołu z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.7, u góry z lewej: NASA/ESAS.7, u góry z prawej: DESY, HamburgS.7, pośrodku z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.7, u dołu z prawej Instytut Fizyki Eksperymentalnej i Stosowanej,

Uniwersytet w KiloniiS.8, u góry z lewej: Laboratorium REM, Uniwersytet w BazyleiS.8, sekwencja zdjęć, od góry BergerhofStudios, Kolonia; jw.; jw.;

Laboratorium REM, Uniwersytet w Bazylei; Komitet Noblowski w Sztokholmie (opracowanie); DESY, Hamburg

S.9, u góry z lewej: Instytut Botaniczny Uniwersytetu w BonnS.9, u góry z prawej: Laboratorium REM, Uniwersytet w BazyleiS.9, sekwencja zdjęć, od góry, von oben: BergerhofStudios, Kolonia; jw.;

Fraunhofer Gesellschaft; Instytut Botaniczny Uniwersytetu w Bonn; jw; TU Berlin, FU Berlin

S.9, tło: BASF AGS.10, u góry z lewej + z prawej: MPI für Metallforschung, StuttgartS.10, środek z prawej: ESAS.10, u góry z lewej: MPI für Metallforschung, StuttgartS.11, u góry z lewej: Ostseelabor Flensburg, obok: BergerhofStudios,

KoloniaS.11, u góry z prawej: Uniwersytet we FlorencjiS.11, pośrodku z prawej: Instytut Paleontologiczny, Uniwersytet

w BonnS.11, u dołu z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.11, u góry z prawej: SusTech, DarmstadtS.12, z prawej, pośrodku i z lewej: Bell Laboratories, USAS.12 z lewej: Katedra Biochemii, Uniwersytet w RegensburguS.13, u góry: Institut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.13, pośrodku z prawej: Degussa AG Advanced NanomaterialsS.13, u dołu z prawej: Instytut Geofizyki Uniwersytetu w MonachiumS.13, u dołu: Instytut Chemii Fizycznej, Uniwersytet w HamburguS.14, u góry + u dołu po prawej: ESAS.14, u góry po prawej: IBM CorporationS.15, u góry + pośrodku z lewej: Wydział Fizyki IV, Uniwersytet

w AugsburguS.15, pośrodku z prawej+pośrodku: Kompetenzzentrum Nanoanalytik,

Uniwersytet w HamburguS.15, rysunek u góry z prawej: BergerhofStudios, KoloniaS.15, u dołu: Uniwersytet Hawajski, HonoluluS.16, z lewej: Carl Zeiss SMT AG, OberkochenS.17, u góry z prawej: Carl Zeiss SMT AG, OberkochenS.17, u dołu z lewej: IHT RWTH AkwizgranS.17, u dołu z prawej: Schott AG, MoguncjaS.18, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.18, u dołu z lewej: MPI für Quantenoptik, GarchingS.19, wszystkie zdjęcia: DESY, HamburgS.20, u góry z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.20, u dołu z prawej: Instytut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.21, u góry z lewej: HILIT, Program Unii Europejskiej Joule IIIS.21, u góry z prawej: NASA/ESAS.21, u dołu z prawej: Uniwersytet w StuttgarcieS.22, wszystkie zdjęcia: BergerhofStudios, KoloniaS.23, u góry z lewej: National Semiconductor, FeldafingS.23, u dołu z prawej: Advanced Micro Devices, DreznoS.24, u góry z prawej: rycina: BergerhofStudios, KölnS.24, pośrodku z lewej: Wydział Fizyki Eksperymentalnej IV RUB,

BochumS.24, u dołu: Instytut Fizyki Eksperymentalnej i Stosowanej,

Uniwersytet w Kilonii

S.25, u góry z prawej: rycina BergerhofStudios, KoloniaS.25, u dołu: IHT RWTH AkwizgranS.26, u góry z prawej: IBM CorporationS.26, u dołu po lewej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.26, u dołu z prawej: IBM/Infineon, MRAM Developement AllianceS.27, u góry: Wydział Fizyki Eksperymentalnej IV, RUB BochumS.27, pośrodku: Kompetenzzentrum Nanoanalytik, Uniwersytet w

HamburguS.27, z prawej: Katedra Nanoelektroniki, RUB BochumS.27, u dołu: IBM Speichersysteme Deutschland GmbH, MoguncjaS.28: Siemens AG, MonachiumS.29, u góry z prawej: Nanosolutions GmbH, HamburgS.29, pośrodku: Instytut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.30, u dołu: Siemens AG, MonachiumS.30, u góry: DaimlerChryler AGS.30, u dołu z lewej: Fraunhofer Allianz Powierzchnie Optycznie

FunkcjonalneS.30, u góry z prawej: Uniwersytet Wisconsin-MadisonS.31, u góry: Robert-Bosch GmbH, StuttgartS.31, pośrodku: Audi/Volkswagen AGS.31, u dołu z lewej: archiwum prasowe VW S.31, u dołu z prawej: Robert-Bosch GmbH, StuttgartS.32, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.32, u góry z prawej: Institut Nowych Materiałów, SaarbrückenS.32, u dołu z lewej: Keramag AG, RatingenS.33, u góry: BASF AG, LudwigshafenS.33, pośrodku: MTU FriedrichshafenS.33, u góry z prawej: Siemens AG, MonachiumS.34, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.34, u góry z prawej: Siemens AG, MonachiumS.34, u dołu: Infineon Technologies AG, MonachiumS.35, u góry z lewej: Siemens AG, MonachiumS.35, u góry z prawej: Siemens AG, MonachiumS.35, pośrodku: Charité Berlin /Institut Nowych Materiałów,

SaarbrückenS.36, u góry z prawej: BergerhofStudios, KoloniaS.36, z lewej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.36, z prawej: IIP Technologies, BonnS.37, u góry z lewej: Siemens AG, MonachiumS.37, u góry z prawej: Fraunhofer ISITS.37, pośrodku z prawej: Oxford UniversityS.37, u dołu z lewej, z prawej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.38, u dołu z lewej: OSRAM Opto Semiconductors GmbH,

RegensburgS.38, u dołu, rycina: BergerhofStudios, KoloniaS.39, u góry: Park Hotel Weggis, SzwajcariaS.39, u dołu: Siemens AG, MonachiumS.40, u góry z lewej: BergerhofStudios, KoloniaS.40, u góry z lewej: Bayer AG, LeverkusenS.41, u góry: AIXTRON GmbH, AkwizgranS.41, z prawej: Fraunhofer Instytut Energetycznych Systemów

Słonecznych, FreiburgS.42, Institut Budowy Samolotów, Uniwersytet w StuttgarcieS.43, u góry z lewej, z prawej: MTU FriedrichshafenS.43, pośrodku z lewej: Instytut Konstrukcji Lotniczych i Kosmicznych

Uniwersytetu w StuttgarcieS.43, pośrodku z prawej: FuseprojectS.43, u dołu: Kopf Solardesign GmbH, HamburgS.44, u góry z lewej, kolaż: BergerhofStudios, KoloniaS.44, u góry z prawej: RWTH AkwizgranS.45, u góry z lewej: Siemens AG, MonachiumS.45, u góry z prawej: Infineon Technologies AG, MonachiumS.45, u dołu: NASAS.46, pośrodku: BergerhofStudios, KoloniaS.47, IBM Corporation, wstawka: Siemens AG, München

Komisja Europejska

EUR 21152 — Nanotechnologia – Innowacja dla świata przyszłości

Luksemburg: Urząd Oficjalnych Publikacji Wspólnot Europejskich

2007 - 56 stron - 21,0 x 29,7 cm

ISBN 92-79-00885-4

SPRZEDAŽ I PRENUMERATA

Les publications payantes éditées par l'Office des publications sont disponibles auprès de nos bureaux de vente répartis

dans le monde.

Jaka jest procedura nabycia dowolnej publikacji?

Po otrzymaniu listy biur sprzedaży należy wybrać odpowiednie biuro i skontaktować się z nim w celu złożenia zamówienia.

Jak dotrzeć do listy biur sprzedaży?

• Można ją przejrzeć na stronie internetowej Urzędu http://publications.europa.eu/

• Bądź wysłać faksem zamówienie pod numer (352) 2929-42758, aby otrzymać jej wersję papierową.

Nanotechnologia uważana jest za kluczową technologię XXI wieku. Oferuje ona możliwe rozwiązania wielu

bieżących problemów, dostarczając mniejszych, lżejszych, szybszych i bardziej wydajnych materiałów,

podzespołów i systemów. Nanotechnologia jest źródłem nowych szans rynkowych oraz w znacznym stopniu

może przyczynić się do ochrony środowiska i zdrowia.

Celem niniejszej publikacji jest przedstawienie społeczeństwu istoty nanotechnologii i sprowokowanie

dyskusji na jej temat. Poprzez opisanie podstaw naukowych, osiągnięć technologicznych, zakresu zastosowań

i kierunków rozwojowych, niniejsza broszura przedstawia pełny obraz nanotechnologii z perspektywy dnia

dzisiejszego.

15

KI-5

9-0

4-9

68

-PL-C