Transcript nanotehnologija1 97

NANOTEHNOLOGIJA
Stane Arh
marec 2012
»Operacijo delno financira Evropska unija iz Evropskega socialnega sklada ter Ministrstvo za izobraževanje,
znanost, kulturo in šport. Operacija se izvaja v okviru Operativnega programa razvoja človeških virov
za obdobje 2007–2013, razvojne prioritete: Razvoj človeških virov in vseživljenjskega učenja;
prednostne usmeritve: Izboljšanje usposobljenosti posameznika za delo in življenje v družbi
temelječi na znanju.«
21 STOLETJE

http://www.youtube.com/watch?v=7hZ5hinf9vo
Včasih smo vedeli iz časa so izdelki, danes
nimamo več pojma. Snovi za uporabne izdelke,
hrano, zdravila, so tako raznovrstne, da nad
njimi nimamo pregleda. Tudi naše znanje o
njihovi proizvodnji je ničevo.
 Ali kdo ve, iz česa je sestavljen navadni prenosni
telefon?


Slika SUN 175
UPOGLJIVI PRENOSNI TELEFON, NOKIA
POLIAMID
Poliamid PA6 – za najlonke in za kljuke.
Kot tehnolog v Julonu sem si prizadeval, da bi bil
materijal bolj elastičen in trden, bolj odporen za
nadaljno predelavo. Njegova slabost je bila hitro
staranje. V enem letu je trdnost padla za okoli 50%
- ženske so to vedele. V mojem času smo previdno
začeli dodajati barvila med granulate.
Danes je PA6 z dodajanjem nanodelcev (silikatnih
ploščic) bolj trden in elastičen, počasneje se stara.
Zato lahko pletejo nenavadne vzorce pri najlonkah.
Postal je celo 30 krat manj paroprepusten.

STARANJE PA6
PROGRAM PREDAVANJA
Kaj je nanotehnologija?
 Nanodelci v naravi.
?

KAJ JE NANOTEHNOLOGIJA?
Nanotehnologija raziskuje lastnosti in
uporabnost materialov na molekularnem in
atomskem nivoju.
 Velikosti struktur, naprav in aplikacij so reda
velikosti nanometra (nm), to je milijardinka
metra (0,000000001 m).
 V mednarodni praksi se je uveljavilo merilo, da je
v nanotehnologiji vsaj ena stranica
proučevanega predmeta velikosti med 100 in
enim nanometrom.

NANOTEHNOLOGIJA
Nov, nam neznan svet. Bil je tukaj, a neviden.
 Obljublja novo industrijsko revolucijo (kovine ->
plastika -> novi materijali.
 Izzivi (so že kar fantastika):







zgodnja diagnostika in učinkovito zdravljenje,
detekcije ene same rakave celice in njeno uničenje,
minimizacije elektronskih komponent ,
izgradnje računalnika, ki bi deloval na osnovi enega
elektrona, atoma ali molekule,
izboljšanja površinskih lastnosti materiala,
Pametni in funkcionalni materijali (odpravljanje
napak, fotokataliza, samoočiščenje, zatemnitve, ...)
NANOMETER
Nano – škrat po grško
 0,1 – 0,4 nm
- atomi
 0,7 nm
- fuleren - molekula C60
 2 nm
- DNA
 150 nm
- virus
 200 nm
- najmanjša bakterija
 1000 – 6000 nm - prašni delec
 8 000 nm
- rdeča krvnička
 25 000 nm
- celica
 100 000 nm
- debelina lasu

RAZMERJE POVRŠINA/PROSTORNINA

Nenavadne lastnosti materijalov so posledica, da
je veliko atomov na površini, kjer so bolj
reaktivni. Proste kemijske vezi ali električni
naboj določajo lastnosti delca.
Premer delca
(nm)
Štev. vseh
atomov
Štev.atomov na
površini
% površinskih
atomov
0,7
10
8
80
3,4
1000
400
40
15
100 000
10 000
10
73
10 000 000
100 000
1
ČUDEŽI NANOSVETA
Zniža se temperatura tališča (zlato za 800o C )
 Poveča se trdnost (C-nanocevke so 100 krat trše
od jekla in dvakrat bolj kot diamant)
 Poveča se prevodnost. Supraprevodniki pri višjih
temperaturah (poliacetilen, anilin, pirol, tiofen).
 Prevodniki (kovine) postanejo polprevodniki ali
celo izolatorji.
 Magnetne lastnosti – supermagneti brez
histereze.
 Svetlobo lahko spreminjajo v elektriko in
obratno.
 Uporabni so kot odličen katalizator (zlato, srebro,
TiO2 )

ČUDEŽI NANOSVETA
Snov postane superfluidna – viskoznost je 0 (He4)
 V magnetnem polju se jim prevodnost poveča
(tudi za1000 krat)
 Menjajo barvo z: velikostjo delcev, temperaturo,
tlakom, napetostjo.
 Fluorescirajo v različnih barvah, odvisno le od
velikosti delcev (kadmijev telurit, CdTe).


Nanodelci so sposobni samogradnje in
samopopravila.
UPORABA V PRETEKLOSTI
Izkustvena tehnološka uporaba:
 Keramični izdelki (4000 let) - silikati
 Gumarska industrija (150 let) – saje
 Fotografija (150 let) – srebrov bromid
 Avdio in video kasete (50 let) – nano magneti
Intenzivni razvoj:
 Od leta 1981 - Nobelova nagrajenca H. Rohrer
in G. Binning skonstruirala in razvila rastrski
elektronski mikroskop s tunelskim efektom
(Scanning Tunneling Microscope, STM), ki je
omogočil gledanje nanodelcev in celo posameznih
atomov v kristalni strukturi.
Sledil je razvoj elektronskega mikroskopa na
atomsko silo (Atomic force microscopy, AFM). Z
njegovo pomočjo so kmalu lahko premikali
posamezne atome v vzorcu.
 Intenziven razvoj od leta 2000 (vlaganja v
nanotehnologijo - ZDA).
 Ključ razvoja je možnost natančnega
kontroliranja kemijske in fizikalne strukture
materijalov.

PREDNOSTI
Manjša poraba materijalov.
 Manjša obremenitev okolja z odpadki.
 Novi materijali.

NARAVA OBVLADA NANOTEHNOLOGIJO
Neživa narava: zeoliti, nekatere gline,dim.
 Lepila


Hrošči, muhe, pajki, gekomi imajo na nogi tanke in
mehke dlačice. Na razdalji nekaj nanometrov začne
delovati Van-der-Waalsova sila.
NARAVA OBVLADA NANOTEHNOLOGIJO
Lepljenje celic pri poškodbah (levkociti).
 Lepjive molekule prenašajo obrambna telesca na
mesto pika. Ribosoni, ki proizvajajo razne
beljakovinske molekule, so veliki le 40 nm.


Klapavica izbrizga curke lepljivih kapljic (micel), ki
se kot močno lepilo razpeni. Na tem dušilcu vibracij
je prilepljena in ji valovi ne škodijo.
NARAVA OBVLADA NANOTEHNOLOGIJO

Biomineralizacija (lupine školjk, kosti, bodice)
Morski ježki – apnenčasti kristali aragonita so
povezani z visokoelastičnimi proteini. Trdnost se
poveča za 1000 krat glede na kristal.
 Hišice diatomej iz SiO2 imajo veliko por velikosti nm.
Uporabljajo za reakcijske posode v nanomerilu, ker so
odporne na kisline in luge.
 Morska zvezda je posejana s polji mikroleč iz kalcita.

NARAVA OBVLADA NANOTEHNOLOGIJO


Lotosov učinek (samočiščenje). Mikroskopsko
majhne mišice (forizoni) odpirajo poti v
kapilarnem sistemu rastline.
Fotosinteza. Če jo uspemo posnemati, bomo imeli
dovolj energije.
NARAVA OBVLADA NANOTEHNOLOGIJO

Nanostrukture so: pajčevina, svila, hemoglobin,
holesterol, kosti z nanokristali mineralov, fosfolipidne
membrane, ...
Življenje je v 4 milijardah let svojo snov marsikje
strukturiralo do popolnosti, vse do atomov. Zato
nanotehnologi intenzivno raziskujejo rešitve v
naravi in jih posnemajo.
 Sodobna tehnika nam omogoča celo več, da pod
umetnimi pogoji (visoke ali nizke temperature,
visoki tlaki ali skoraj vakuum, ... ) spoznavamo
nove, presenetljive lastnosti snovi.

BARVNI PREMAZI









Med prvimi začeli uporabljati nanodelce.
Nanodelci imajo veliko površino, zato so bolj
učinkoviti. Manjša poraba barvil (do 10 krat).
Odbijajo do 90 % svetlobe.
Dodajajo nano-srebro in biocidne nano delce (plesen).
Zagotavljajo hidrofobnost in prost pretok pare.
Spreminjajo barvo (optično ali glede na kot).
Nano SiO2 poveča odpornost za praske in obrabo.
Visoko elastična polnila preprečujejo razpoke pri
udarcih.
Mikrokapsule za samopopravljivo korozijsko zaščito.
UPORABA PREMAZOV

Avtomobilizem






Odpornost barv proti staranju in praskam.
Spreminjanje barve.
Pretvarjanje svetlobe v drugo energijo.
Preprečevanje rosenja stekel.
Optična zatemnitev oken.
Samoočiščevanje nesnage.
Fasade hiš, barvanje pohištva, ....
SAMOOČIŠČEVANJE POVRŠIN
Najpogosteje uporabljeni nanodelci. Učinek
temelji na: lotosovem efektu, fotokatalizi in na
fotoinducirani superhidrofilnosti. Uporaba:
avtomobilizem, optiki, displeji, fotovoltika.
 Lotosov efekt
http://www.youtube.com/watch?v=5RZht6WUHjI

Lotosov efekt je znan pri okoli 200 rastlinah.
Kapljice se kotalijo in ne polzijo.
Površina mora biti hidrofobna (voski, teflon) in
močno nagubana površina na mikrometrski skali
(nanocevke nanesli pravokotno na površino).
Kapljice imajo obliko skoraj popolne krogle.
SAMOOČIŠČEVANJE POVRŠIN
Fotokataliza (titanovi oksidi)
Fotoni ustvarijo proste elektrone in vrzeli.
Reaktivni delci (ion, H2O2 in OH) pretvorijo
organske snovi v vodo in CO2. Razgradijo tudi
dušikove okside.
 Fotoinducirana superhidrofilnost (TiO2).
UV svetloba povzroči redukcijo titana, če
primešamo še kremen. Kisik zapusti površino
materijala, na njegovo mesto se vgradi voda. Kot
omakanja je blizu nič stopinj, zato voda ne tvori
kapljic – steklo se ne zarosi.

UPORABA SAMOČIŠČENJA

Površine v kopalnicah in sanitarijah, zavese,
javna razsvetljava, prometni znaki, ogledala,
avtomobili, steklene površine, optične naprave,
NANODELCI V PREHRANI
nanosrebro uporabljajo zaradi njegove
antibakterijske aktivnosti, na primer v embalaži
za hrano, v hladilnikih, lončkih za otroško hrano
in čaj, kuhinjski posodi;
 nanodelci silicijevega oksida so dodani
polimernim kompozitom, da povečajo njihovo
gostoto in preprečijo prepustnost plastike za kisik
ter tako podaljšajo obstojnost hrane;
 nanokroglice škroba z velikostjo od 50 do 150
nanometrov so dodane lepilu za embalažo, saj s
svojo kar 400-krat večjo površino od običajnega
škroba za pripravo zahtevajo manj vode in
ustrezno krajši čas za sušenje;

NANODELCI V PREHRANI




nanodelci železa so zaradi povečane reaktivnosti in
biološke koristnosti dodani visokoenergijskim
pijačam;
aluminijevi silikati se uporabljajo za preprečitev
zlepljanja v procesu predelave hrane v prašni obliki.
Vsi poznamo voskanje jabolk, da ne izgubijo vlage in
tako dalj časa ohranijo sočnost in obliko.
Nanotehnologi so razvili užitne nanoprevleke z
debelino komaj 5 nm, ki so povsem prosojne za
človeško oko. Te prevleke se lahko nanašajo na meso,
sire, sadje in zelenjavo, da se prepreči izguba vlage in
zmanjša vpliv ozračja. Te prevleke so tudi nosilke
barv, okusa, vsebujejo antioksidante, encime in
podaljšajo življenjsko dobo izdelka.
ZDRAVJE

zobna pasta (že v uporabi) vsebuje kroglice v
nano velikosti iz apatita in proteina, naravnega
zobnega materiala, ki zobem pomaga pri
obnavljanju. Zapolni nanopore v sklenini.
ZDRAVJE
krema (že v uporabi) vsebuje nano kroglice iz
cinkovega oksida ali titanovega oksida za zaščito
pred UV žarki. Krema je prozorna – majhni delci.
Kroglice delujejo kot ležaji, da se lažje maže.
Naberejo se v gubah in s sipanjem svetlobe
skrijejo gube.
 Zdravilo v telesu prenaša nanodelce, ki so
prevlečeni tako, da se oprimejo le bolezenskega
žarišča. Votli molekuli damo zunanji signal
(ultrazvok), da se odpre in sprosti svojo vsebino
na bolezensko žerišče. Še razvijajo.

ZDRAVJE

Magnetna tekoča hipertermija (Magnetic Fluid
Hyperthermia) uporablja nanomagnetke,
prevlečene s posebnim slojem, ki se oprime
rakavih celic ali preide skozi njihovo membrano v
notranjost. Z visokofrekvenčnim EM poljem
lokalno segreje tkivo in uniči rakave celice.
ZDRAVJE
Biočipi v telesu za diagnostiko in zdravljenje.
http://www.youtube.com/watch?v=5jqQxuVncmc
 Trajen kovinski ali keramični kolčni sklep z
nanonanosom diamanta.

AEROGELI
Material z nanomehurčki in tankimi stanami. Je
lahek, prozoren (dimenzije so manjše od valovne
dolžine), dober izolator.
 Velika notranja površina. Kocka aerogela iz
oglika )1 cm) ima površino 2 000 m2.
 Uporaba: za kondenzatorje, za gorivne celice, za
litijeve baterije, za okenska stekla.
 2004 uporabili za lovljenje prahu kometa Wild 2.

TEKSTIL
Danes nanometeriale vtisnejo v vlakna z valji ali
impregnirajo z brizganjem in utrjevanjem pri
160oC. Tako dosegajo nove lastnosti: barve, otip,
oprijem, trdnost, vodonepropustnost, zaščito pred
vetrom, samočiščenje, samolikanje, prepustnost
za paro, fluorescenco, antistatičnost. Fazne
spremembe akumulirajo toploto.
 Prihodnost so inteligentni interaktivni tekstili, ki
bodo reagirali na termične, kemijske, električne
in druge dražljaje (srčni utrip, dihanje).

ŠKODLJIVOST NANODELCEV
So nevidni in se z lahkoto gibljejo po organizmu.
Izognejo se obrambnemu mehanizmu človeka (v
preteklosti nam niso bili nevarni).
 O njihovi škodljivosti še nimamo podatkov. Za
detektiranje in merjenje razpolagamo samo z
dragimi in kompliciranimi napravami. Tveganja
za zdravje in okolje so nepoznana.
 V veljavi so predpisi za makrosnovi, kar
proizvajalci s pridom izkoriščajo.
 Manjši delci lažje prodirajo v tkivo, pljuča, kri.
Prebijajo biološke pregrade (koža, membrane)

ŠKODLJIVOST NANODELCEV
V stanovanju je 10 000 nanodelcev v vsakem cm3
zraka. Večina je organskega izvora.
 Pri varjenju se sprosti 40 000 000 nanodelcev v
cm3.
 Pri brušenju kovin se sprosti 200 000 nanodelcev
v cm3.
 V izdihanem zraku pri kajenju cigaret je preko
100 000 000 nanodelcev v cm3.
 Koristno se je zaščititi.
 Nanodelce hranimo v tekočini ali jih vežemo.

ŠKODLJIVOST NANODELCEV

Slika iz knjige:
Maja Remškar, Nanodelci in nevarnost.
ZAKLJUČEK

http://www.youtube.com/watch?v=qQnSTuR2vl8
&feature=related
LITERATURA
ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/doc
s/nano_brochure_sl.pdf
 Navodnik Janez, Slovenija je ustvarjena za
nanotehnologijo: izdelki in tehnologije
prihodnosti, Celje, Navodnik, 2007
 Slike so kopirane iz iterature:
ftp://ftp.cordis.europa.eu/pub/nanotechnology/doc
s/nano_brochure_sl.pdf

Hvala
za pozornost!