Nanotehnologija Ugljikove Nanocijevi Eticki Problemi e17

8/2/2019 Nanotehnologija Ugljikove Nanocijevi Eticki Problemi e17

1/51

NANOTEHNOLOGIJAUGLJIKOVE NANOCIJEVI

ETIKI PROBLEMI

Prof.emer. Zijad Haznadar, Sveuilite u Zagrebu

Inozemni lan ANUBiHRedoviti lan HATZ


2/51

LITERATURA

[1] Z. Haznadar, Mogunosti primjene nanotehnologije uelektrotehnici, FER, Institut Konar, Zagreb, 2004.

[2] Z. Haznadar, Suvremeni tehnoloki izazovi,Elektroenergetika br.3, Zagreb, 2006.

[3] Z. Haznadar, B. Trkulja, Suvremeni tehnoloki izazovi,Meunarodni EE Simpozij, ibenik, 2007.[4] Z. Haznadar, Kvantni kompjutor, Meunarodni

EE Simpozij, ibenik 2008.[5] Z. Haznadar, Memristor, Meunarodni

EE Simpozij, ibenik 2009.[6] T. Filetin, Primjena nanomaterijala u tehnici, Bilten

HAZU 2003.


3/51

[7] N. Hey, Nanorevolucija, IEE Review, April 2003.[8] A. Chen, The Etic of Nanotehnology, 2009.[9] J.D. Posner, Engineered nanomaterials: Where they

go, nobody knows, Science Direct, Elsevier, 2009.

[10] K.E. Drexler, Unbounding the Future, NY, Quill, 1991.[11] P. Avouris, Supertubes, IEEE Spectrum, August 2004.[12] H. Goldstein, Race to the Bottom, IEEE Spectrum,

March 2005.

[13] A. Vinjevac, ongliranje atomima do superipova, Poslovnidnevnik, V. 2005.[14] S.K. Moore, The Nanoteh Patent Trup, IEEE Spectrum, July, 2005.


4/51

1. UVOD

Andrew Chen nam u lanku The Ethic ofNanotehnology [8] predlae da si pokuamo zamislitisvijet u kojem na pr.:

automobili mogu biti sastavljeni molekulu pomolekulu,

otpad razgraen i pretvoren u hranu, ljudi se mogu lijeiti pomou robota veliine

stanice, moemo nainiti ipove (elektronike logike

sklopove) veliine 10 nanometara (reda veliine do100 atoma), smo sposobni razvijati raunala i robote

molekularnih dimenzija, itd.


5/51

Multidisciplinarni timovi po svijetu otkrivaju nove tehnikeistine, kako bi potkrijepili tvrdnju amerikog nobelovcaRicharda Feynmana iz 1959. godine da principi fizike negovore protiv mogunosti manevriranja atomima, t.j.

atom po atom.

Moemo jednostavno rei:

Nanotehnologija se temelji na sposobnostimanipuliranja materijalima, ureajima i sustavima

u nanometarskim razmjerama.


6/51

Nanotehnologija je jo u stadiju djetinjstva, ali seveoma brzo razvija.

Predvia se da e u budunosti doi do

stvaranja cijele nove klase materijala, a mnogotoga e nastati od oponaanja prirode.

Treba napomenuti da su svojstva materijala

dramatino razliita na nano razini.


7/51

Danas se u brojnim sveuilitima, kao naUniversity of Washington, te NorthwesternUniversity i drugima osnivaju centri i instituti zastudij nanotehnologije.

Vlada SAD je osnovala NationalNanotechnology Initiative (NNI), koja eusmjeravati istraivanja.

Defeuse Advanced Research Projects Agency(DARPA) i National Science Foundation (NSF)su trenutno dva najjaa izvora financiranjananotehnolokih istraivanja u SAD.


8/51

2. PRIMJENA NANOTEHNOLOGIJE

Nanotehnoloki postupci i procesi omoguujustvaranje organsko-anorganskih materijala uobliku prahova, vlakana, membrana, slojeva,kompozitnih struktura i drugih oblika punogvolumena.

Za izradu nanostrukturiranih materijala postojive itav niz razraenih tehnolokih postupaka usvijetu.

Nanostrukturirani (nanofazni) materijali punogvolumena imaju faze veliine do 100nanometara (1nm = 10-9 m), [6] i [9].


9/51

Takvi materijali su na pr.: nanokristalne legure eljeza, nanokristalni polimeri i kompozitni materijali,

nanostrukturni alatni materijali, nanomaterijali za automobile (od guma, konica,

stakla, lakova, svjeica itd.)

ilava keramika,

nanomaterijali za dijelove zrakoplovnihkonstrukcija itd.


10/51

Tu su takoer i biomimetiki nanomaterijali napr. za:

sintetike miie,

umjetne kosti i tkiva (koa), materijali za ivanje rana, materijali za membrane za dijalizu itd.


11/51

U elektrotehnici naroito u elektronici najavljuju serevolucionarne promjene primjenom nanomaterijala,posebno ugljikovih nanocijevi, i to za:

nano FET tranzistore,

nanomemorije, mikroelektroniku, superkapacitete (do nevjerojatnih 5.000 F), baterije i akumulatore visoke gustoe energije,

solarne stanice, zaslone visoke rezolucije (TV i PC i druge), visoko osjetljive senzore, itd


12/51

Veliki nanotehnoloki potencijalni dobitci najavljuju se u: preciznosti i minijaturizaciji industrijske

proizvodnje,

farmaceutskoj proizvodnji lijekova, medicini u tretmanu bolesti, kirurgiji s nanostrojevima, u zatiti okolia:

ienjem otrova, reciklaom otpada, smanjenjem potronje prirodnih resursa, itd.


13/51

K.E. Drexler s MIT-a 1986. godine navijestio je dolazakmolekularnih strojeva u knjizi Engines of Creation.

Danas se najavljuju, [6] i [8], Mikro elektromehanikisustavi, MEMS u vidu siunih mehanikih naprava kaoto su:

senzori, ventili,

zupanici, zrcala, aktuatori ugraeni u poluvodike ipove, itd.


14/51

Treba upozoriti i na mogue nanotehnolokepotencijalne opasnosti u :

minijaturizaciji oruja i eksploziva

poveanim mogunostima promatranja,traganja i slijeenja,

moguoj proizvodnji samoobnavljajuih

nanostrojeva, itd.


15/51

3. NANOTEHNOLOGIJA I PATENTNEPRIJAVE SU U SAD DO 2004. GOD.

Prema [14] postoji nekoliko kljunihnanopodruja, koja se mogu saeti u petprincipijelnih nanotehnolokih platformi:

ugljikove nanocijevi, kvantni doti,

fulereni, nanoice, i dendrimeri.


16/51

Zanimljiv je pregled patentnih prijava uSAD od 1985. do 2004. godine u poljimaenergetike, elektronike i medicine.Podatci su dani u tabeli koja slijedi, tako

da su navedeni ukupan broj patenata i brojpatenata u elektronici za svako podruje.


17/51

Patentne prijave u SAD

Nanotehnologija Opis USA patent

Ugljikove nanocijeviMrea nanocijevi od ugljika

koje se mogu ponaatikao poluvodii ili kao

metali

293/146

Kvantni dotiKristali poluvodia

nanometarske veliine,kao npr. kadmij-selenid

319/109

Fulereni Sferni kavezi od ugljika 215/34

Nanoice

ice i tapovi napravljeni odjednog ili vie

poluvodia, kao npr.galij-arsenid ili indij-

fosfid

51/24

Dendrimeri

Sferni polimeri koji seeksperminetalno koriste

za prijenos lijekova i kaoemiteri svjetla

229/6


18/51

Iz tabele je vidljivo da se od oko ukupno1100 patenata, skoro treina koristi uelektronici.

U elektronici se najvie koriste ugljikovenanocijevi, a najmanje dendrimeri.Ugljikove nanocijevi su glavna mogua

zamjena za silicij, koji u pogleduminijaturizacije ipova dosie svojegranice.


19/51

4. UGLJIKOVE NANOCIJEVI U ELEKTRONICI

Najavljuje se da e ugljikove nanocijevi bitiudo od materijala 21. stoljea.

One mogu biti mnogo vre od elika,lake od aluminija i mnogo vodljivije odbakra.


20/51

4.1. STRUKTURA UGLJIKOVIH NANOCIJEVI

Ugljik (C) postoji u dva kristalna oblika:grafit i dijamant.

Grafit je sainjen od C-atoma poredanih u heksagone,

tako da ine sae. Nanocijevi su strukturno sline grafitu.Moe ih se promatrati kao jednoslojne grafitne ravne

strukture savijene u beavne cijevi, [1], [11].


21/51

Slika 1. Ugljikova nanocijev


22/51

Prvi je nanocijevi 1991. god. opazio SumioIijima (NEC) kada je elektronskimmikroskopom promatrao elektrine izboje

izmeu ugljikovih elektroda.Primjetio je molekule od C atoma, koje

su bile: cilindrinog oblika, izvanredno tanke, veoma duge, u obliku cilindara u cilindrima


23/51

Godine 1993. Iijima (NEC) i Bethune (IBM) suneovisno nali da dodavanjem malog iznosametalnog katalizatora k ugljikovim elektrodamamogu proizvesti nanocijevi koje nisu jedna udrugoj.

Svaka nanocijev bila je jedna makromolekulakoja ini jednu stijenku sastavljenu od atoma C.

Nanocijevni tranzistori i sklopovi rabeiskljuivojednostjenane nanocijevi.

To je bilo kljuno otkrie.


24/51

Temeljno svojstvo ugljikovih nanocijevi je da imse elektrine karakteristike mogu mijenjatisamo promjenom fizikih osobina nanocijevi.

Karakteristike im odreuju: Dijametar nanocijevi Orijentacija saa (u odnosu na os cijevi)

Sae moe biti u smjeru osi, ili pak u oblikuspirale oko osi cijevi.

Kombinacija dijametra i zakretanja reetkeodreuju karakter nanocijevi: vodljivi, ili poluvodiki.


25/51

Dijametar odreuje koliinu energije potrebne da seelektron oslobodi valentnih veza, koje ga veu za atomC, i prijee u slobodno podruje (da se giba).

Ovdje je potrebno ui u podruje kvantno-mehanikihsvojstava elektrona

Elektroni nisu samo sitne nabijene estice, nego imaju ivalna svojstva.

Zakljuno: Elektronski val koji se po oploju nanocijevi giba du osi

cijevi, mora zadovoljiti kljuni uvjet: opseg nanocijevi mora biti djeljiv s cijelim brojem

valnih duljina elektrona. U protivnom dolazi do smetnji i elektron ne prolazi.


26/51

4.2. ELEKTRIKE KARAKTERISTIKENANOCIJEVI

Ugljikove nanocijevi imajujedinstvene elektrikekarakteristike, koje do sada nisu opaene ni u jednommaterijalu.

Budui imaju reduciran efekt rasprenja (scattering),

njihov elektrini otpor je vrlo mali.Gibanje elektrona u nanocijevima je balistiko. Elektron se u njima moe gibati nekoliko mikrometara

bez sudara (kolizije), ak pri sobnoj temperaturi.

Za usporedbu, elektroni u bakru imaju slobodan put odsamo 40 nanometara (to je 50-100 puta krai put).


27/51

Veoma je bitno da C-nanocijevi i u poluvodikomreimu rada su takoer s balistikim gibanjemelektrona, i s putom od nekoliko stotina nanometara dosudara.

To je izvrsno svojstvo za nanocjevne fild-efekttranzistore. Energija koja se gubi u nanocjevnom tranzistoru je vrlo

mala, gotovo zanemariva. S druge strane, vodljive nanocijevi mogu voditi 100 do

1000 puta jau struju za dani popreni presjek uusporedbi s bakrom.

To ih stavlja u rang supervodia.


28/51

Bit svega je upotrijebiti ugljikove nanocijevi zaizradu field-effect tranzistora (FET).

Ti tranzistori e postati gradivni blokovi CMOS

IC-a (Complementary Metal-OxideSemiconductor Integrated Circuits).Da bi objasnili zato su nanocijevi obeavajui

kandidati za izradu FET-ova analizirajmoimbenike koji ograniavaju miniturizacijukonvencionalnih (silicijskih) FE naprava.


29/51

KONVENCIONALNI SILICIJSKI FIELD EFFECT TRANZISTORI-MINIJATURIZACIJA

Na slici 2. prikazana je principijelna shemajednog field effect tranzistora (MOSFET).

Slika 2. Prikaz strukture MOSFET-a

Slojsilicijevogoksida

Izvor Upravljaka

elektroda Odvod

P kanal stvoren negativnimpotencijalom na upravljakojelektrodi

Silicijev supstrat


30/51

Napon na upravljakoj elektrodi (G) djeluje kao ventilkoji kontrolira struju izmeu elektroda S i D.

Struja tee kroz kanal tanki sloj silicija ispodupravljake elektrode (G), elektriki izoliran od nje.

Da bi se tranzistor uinio manjim (minijaturizirao),simultano su mu se smanjivale glavne dimenzije, i takomijenjali parametri ureaja.

Tako na pr.:a) da bi se S i D elektrode pribliile 30%, to zahtijevab) promjenu napona

c) promjenu debljine izolacije izmeu G i kanalad) promjenu debljine ica (koje spajaju tranzistore)

Sve ove redukcije nisu lako ostvarive sa Sitransistorima.


31/51

Tako izolacijski sloj (SiO2) prema dananjemstanju tehnologije za duljinu kanala od 100 nmima debljinu tek 1,5 nm.

Ako izolacija postane pretanka, elektroni e moiproi kroz nju, zahvaljujui kvantno-mehanikomfenomenu zvanom tunel-efekt.

Isti fenomen ograniava i blizinu elektroda izvorai odvoda, tj. duinu kanala.


32/51

Zakljuno:

Nepoeljni tijek elektrona zbog tunel-efekta potkopava funkciju tranzistora kaoprekidaa i dodatno zagrijava ureaj nanedopustiv nivo.Smanjenjem debljine ica (koje povezuju

tranzistore), raste im otpor, a to usporavabrzinu prekidanja IC krugova, itd.


33/51

4.3. NANOCIJEVNI FIELD EFFECTTRANZISTORI

Prvi primitivni ugljini nanocijevni ureajrazvijen je, prema [3], 1998. g. u dvaodvojena projekta na Delft-University i u

IBM-u.Prototip je izgraen tako da je silicijska

ploa prekrivena tankim oksidom, (SiO2filmom) i na nju su standardnimpostupkom privrene zlatne elektrode,slika 3.


34/51

Slika 3. Rani prototip FET-a s nanocijevi


35/51

Ugljikova nanocijev je postavljena tako dapremouje elektrode.

Elektrode su postale izvor (uvod) i odvod

tranzistora, a nanocijev je imala ulogu kanala.Donja silicijeva ploa sluila je kao

upravljaka elektroda (gate).Primjenom odgovarajueg napona na

upravljaku elektrodu ukljuuje se ili iskljuujestruja kroz nanocijev.


36/51

Bitna razlika prema konvencionalnom silicijskomFET-u je da se nanocijevnom ureajutranzistorsko djelovanje dogaa na kontaktnimtokama izmeu metalnih elektroda i ugljikove

nanocijevi.Energetska barijera koja spreava elektrone da

prelaze izmeu metalne elektrode i poluvodljivenanocijevi, upravo je Schottkyeva barijera.

Pod utjecajem napona na upravljakoj elektrodi,barijera tako oslabi, da elektroni mogu prolazitikroz nju, zahvaljui tunel-efektu.


37/51

Prvi IBM-ov nanocijevni tranzistor bio je obian prekida. Imao je slabu struju i visoki otpor izmeu kontakata i

nanocijevi.Godine 2001. uinjen je napredak, nainjen je

nanocijevni tranzistor druge generacije, slika 4. Umjesto silicijske ploe kao upravljake elektrode

stavljena je s gornje strane posebna upravljakaelektroda.

Ona je od nanocijevi izolirana (odvojena) tankom filmomoksida SiO2, ili pak nekim drugim materijalom visokerelativne dielektrinosti.

Time je postignuto da se mogao bitno smanjiti prelazniotpor kontakata.


38/51

Slika 4. Nanocijevni tranzistor drugegeneracije


39/51

Posljednji prototipovi (2004.g.) sadravalisu dvostruku upravljaku strukturu, koja jeomoguila da nanocijevni tranzistori

djeluju tono kao silicijski MOSFET-i.


40/51

4.4. SPOSOBNOST ZRAENJA SVJETLA

Sposobnost zraenja i detektiranja svjetla slijedea jeprednost nanocijevi.

Ovo svojstvo upuuje na mogunost budueoptoelektronike tehnologije temeljene na ugljikovimnanocijevima.

Pod odreenim uvjetima, zbog ambipolarnostinanocijevi, elektroni i upljine ulaze u kanal simultanosa suprotnih strana i pri njihovom susretu oslobaa seenergija u obliku topline ili svjetla.

IBM je 2003. godine proizveo prvi jednomolekularni

elektriki kontrolirani izvor svjetla. To je nanocijevni tranzistor koji emitira svjetlo, slika

5.


41/51

Slika 5. Tranzistor s nanocijevi emitirasvjetlo


42/51

5. NANOMEMORIJE

Pakiranjem Brobdingnagianovih memorija uliliputanske pakete nastali su prvi novi pogonisupervelikih kapaciteta pohranjivanja podataka [4].

Ogromni kapacitet novog sustava moe se, na primjer,

prikazati kao 125 sati vremena video snimanja, a sveveliine depnog ureaja.

Na razvoju novog sustava nanomemorija radi viekompanija: IBM, Nanochip, Seagate, Samsung, Hewlett-

Packard, Hitachi, Philips i drugi.


43/51

6. PREGLED OTKRIA NANOCIJEVNOGTRANZISTORA

1991. U NEC-u u Japanu prvi puta opaeneugljikove nanocijevi.

1993. U NEC-u i IBM-u izraene jednostjenane

nanocijevi.1998. Izraen primitivni FET s nanocijevi (na Delftui u IBM-u).

2001. Nainjen nanocijevni tranzistor druge

generacije (IBM).2003. IBM proizveo prvi jednomolekularni izvor svjetla snanocijevima.


44/51

7. ETIKI PROBLEMI I PROPISI

Poznata je bioloka i ekoloka toksinostnanomaterijala.

Studije [9] pokazuju da tehniki nanomaterijalimogu biti toksini za biljke, ljude, ivotinje imikrobe.

Toksinost za pojedine organizme je samojedan dio problema, a konana ekolokazagaenost tehnikim nanomaterijalima bit eodreena intenzitetom kontaminacije, nainomkako se bude kretala kroz okoli, i vremenomizloenosti biljaka i ivotinja.


45/51

Nanomaterijal proizveden od izvora koji putuje,mijenja se i akumulira na svome putu (na pr.kroz atmosferu, ili po povrini zemlje, ili krozotpadne vode itd.)

Poto su izvori nanomaterijala rasprostranjeni,to receptori (mikrobioloki, bilje, ivotinje, ljudskanaselja) ne mogu biti jednostavno premjeteni izatieni.

Transportni procesi ostavljaju strukture i svojstvananomaterijala nepromijenjenim.


46/51

Budui da pored tehnikih nanomaterijalapostoje i prirodni nanomaterijali, problemi zatitepostaju jo vei.

Prirodni nanomaterijali, takvi kao fulerenipostojali su u zemlji prije priblino 2 milijardegodina.

Bili su uobiajeni sastojci u izgarajuoj razmjeniu to vrijeme.

Mogli su biti proizvedeni s velikom raznolikousastava, oblika, morfologije, istoe itd.


47/51

U ovo vrijeme ve vie od 800 komercijalnihproizvoda sadri nanomaterijale [9].

Dosadanja istraivanja nisu bila usmjerena

toliko na tehnike nanomaterijale koji imajuiroku skalu struktura, morfologije i kemijskeaktivnosti.

Vie smo bili fokusirani na prirodne

nanomaterijale, a i to vrlo povrno i neredovito.


48/51

Klasina koloidalna znanost (o dispergnim sustavima sfazama veliine do 0,1 mikrona) i pristup preko kemijeokolia ne mogu odgovoriti na pitanja, kao:

Mogu li nanomaterijali posluiti kao nosioci za

organske zagaivae u organizmima istanicama, slino kao Trojanski konj?

Takvi postupci se ve koriste za nananoesticama temeljen prijenos lijekova.

Veliko je takoer pitanje moe li nanomaterijal ui ulanac hrane i kakav e to uinak imati?


49/51

Moe se zakljuiti, da su etike implikacijerazvoja nanotehnologije jo neistraene i da ihtreba istraiti to prije.

U svijetu se organiziraju savjetovanja ikonferencije o etikim problemima povezanim srazvojem nanotehnologije, [8] i [10].

injenica je da mnogi istraivai pripisuju

nanomaterijalima kljunu ulogu u 21. stoljeu.


50/51

No nezaobilazna su etika i ekoloka pitanjapovezana s razvojem nanotehnologije.

Moramo formulirati i donijeti etike propise prijenego nanotehnologija bude prihvaena.

Ti nas propisi trebaju tititi tako da eliminiraju ilina kraju minimiziraju opasne utjecajenanotehnologije na drutvo.

Pogotovu, kada smo s nekim primjenama umedicini i genetici na granici intervencije u ivestanice, to otvara mogunosti za manipulacije.


51/51

BUDIMO SIGURNI DA VRIJEMENANOTEHNOLOGIJE DOLAZI !

Documents

Nanotehnologija Ugljikove Nanocijevi Eticki Problemi e17