MOLEKULARNA I NANOTEHNOLOGIJA NANOTEHNOLOGIJA Iako naslov ovog poglavlja sugerira znanstvenu fantastiku, svote koje se ulažu u ovo područje tehnologije veće su od bruto nacionalnih.
Download ReportTranscript MOLEKULARNA I NANOTEHNOLOGIJA NANOTEHNOLOGIJA Iako naslov ovog poglavlja sugerira znanstvenu fantastiku, svote koje se ulažu u ovo područje tehnologije veće su od bruto nacionalnih.
MOLEKULARNA I NANOTEHNOLOGIJA NANOTEHNOLOGIJA Iako naslov ovog poglavlja sugerira znanstvenu fantastiku, svote koje se ulažu u ovo područje tehnologije veće su od bruto nacionalnih proizvoda mnogih država. Kao što je nekad u vrijeme hladnog rata bila utrka u naoružanju značajna za strateške odnose u cijelom svijetu, tako već nekoliko desetljeća svjetske elite shvaćaju da je kontrola tehnologije novo područje „ratovanja“. Tehnologija definira bogatstvo i moć te raspodjelu moći između država i korporacija. Po mogućnosti pristupa tehnologiji mogu se izvesti definicije socijalnog statusa, moći te zemljopisnog položaja. Milijuni radnika koji izrađuju kompjutorske komponente u Aziji možda nikad neće imati pristup osobnom računalu, ali su izloženi zdravstvenim rizicima i društvenim posljedicama koje ta imdustrija nosi sa sobom. NANOTEHNOLOGIJA - UVOD Nanotehnologija se bavi materijalima i procesima veličine milijarditog dijela metra, na kojoj i poznati materijali mogu iskazivati potpuno drukčija ponašanja nego na makroskopskoj razini. Eksploatacija svojstava na nano-razini, kao što su iznimna čvrstoća, katalizatorska svojstva, reakcija na svjetlo, električna vodljivost i dr. ima potencijalnu primjenu u svim područjima života od medicinske do vojne, od proizvodnje do podjele resursa. Iako toga još nismo svjesni, već danas na tržištu postoje proizvodi koji koriste nanotehnološke komponente, poput pasti za zube koje smanjuju osjetljivost zubi, raznih krema za sunčanje i dr. kozmetičkih proizvoda te neke boje i lakovi. GM uvodi kompozite od nanomaterijala u visokoprodavani automobil Impalu, GE proizvodi svjetleći materijal debljine papira, Bayer proučava primjenu nanotehnologije za široko područje od poboljšanje pakiranja hrane pa sve do dijagnostičkih svrha u medicini. To znači da se nanotehgnologija u širokom smislu pojma primjenjuje u svim ljudskim djelatnostima, a pravi bum se očekuje poslije 2010. godine. To nameće zahtjeve cijelom čovječanstvu kako bi se izbjegle zlouporabe te tehnologije, ali i nalaženje omjera između općeg dobra i zaštite patentnih i autorskih prava. NANOTEHNOLOGIJA - UVOD Primjer spora između općeg dobra i zaštite patenta je problem side u Africi. Neke države su htjele iskoristiti formule i ljekove same pribaviti, jer oboljeli od side čine ogromni dio stanovništva. Na kraju su moćne korporacije pristale prodavati potrebne ljekove puno jeftinije. Naime, međunarodni propisi dopuštaju kršenje patentnih prava u slučajevima nacionalne nužde, a može se očekivati da će se to češće događati napredovanjem nanotehnologije. Jasno je također da će sve više jačati utrka u razvoju nanotehnologije, jer će ona država koja bude najnaprednija moći biti istinska supersila. Ona bi mogla razgraditi svo neprijateljsko oružje bez ispaljenog metka. Takva oružja se razvijaju u nekoliko država danas. Nadzor nad toksiknošću nanomaterijala je značajan, jer ako se mogu koristiti za napad na bakterije ili čelije tumora, njihova toksičnost je korisna, međutim neistražena je toksičnosti za ljude i okoliš. Stoga se mora stvoriti mehanizam de se njihova toksičnost isključi. NANOTEHNOLOGIJA - UVOD Napredak nanotehnologije dovest će do presispitivanja društvenih vrijednosti. Npr. kapitalizam je temeljen na ljudskom radu. Novac je ekvivalent ljudskog rada. Izdaje se uz povjerenje da će se za njega moći dobiti odgovarajuća protuvrijednost ljudskog rada u nekoj drugoj grani, npr. poljoprivredi ili sirovinama. Ako se ljudski rad zamjeni samodovoljnim, reprodukcijski sposobnim nanorobotima, kako će se procjeniti vrijednost tako dobivene robe? Uzmimo npr. replikatorski uređaj. U ZF literaturi, taj uređaj proizvodi što zaželimo u sekundu vremena. Sa stajališta današnje tehnologije, može se zamisliti kako funkcionira takav uređaj. Čak što više, danas se na tom načelu rade molekule i kristalne strukture u laboratorijima. Međutim, brzina kojom se to radi dovela bi do toga da bi se dno torte pokvarilo dok bi vrh bio gotov. S tog stajališta, samo je potrebno ubrzati rad sadašnjih uređaja. Što takav uređaj nosi sa sobom? Ako bi svako domaćinstvo opremilo jednim replikatorom, ne bi bilo potrebe za dućanima hrane ili obuće, za poljima u kojima se uzgaja hrana, itd. Jednio energija i sirovima – sastavni atomi za pojedini proizvod koji se želi dobiti. Ne bi bilo gladi i sl. Međutim, tehnologija nikad nije dostupna svima. Ne bi li to dovelo do još većeg raslojavanja – bogati bi imali replikatore i što god požele, a siromašni bi bili još siromašniji. NANOTEHNOLOGIJA DANAS Da li je moguće da novac budućnosti bude vrijeme rad replikatora. Kako spriječiti zlouporabe? Ako se sve može replicirati, može li se i novac? Kako bi znali da je replicirani novac lažan? Nikako na sadašnjoj razini tehnologije, jer se novčanica kopirana do zadnjeg atoma pa i njena zaštita. Kraljevsko društvo i Kraljevska akademija za inžinjerstvo naveli su listu proizvoda koji uključuju naku vrstu nanomaterijala koji su već dostupni u bogatijim državama: 1. Kreme za sunčanje i kozmetika. Titanov dioksid i cink oksid na nanorazini su prozirni za vidljivu svjetlost, a odbijaju ili apsorbiraju ultraljubičastu svjetlost. Stoga Johnson & Johnson i L'Oreal proizvode nevidljive sunčeve kreme. Željezni oksid na nanorazini služi za ruž kao pigment. 2. Vlakna za odjeću, madrace, meke igračke sve se više izrađuju na nanorazini. To omogućuje upravljanje poroznošću, a proizvodi mogu biti vodonepropusni, prozračni ili promjenjeni na način koji je potreban. Nike, Dockers, Savane, DKNY, Benetton, Levi's, Woolmark uključuju neke nove nanomaterijale u svoje proizvode. Mogu se očekivati uskoro proizvodi koji ne upijaju cigaretni dim ili znoj pri vježbanju. Bayer koristi sprej za nanošenje mikroskopsog sloja na cipele, koji ulazi u materijal i ispušta parfem. NANOTEHNOLOGIJA DANAS 3. Samočisteći zahodski prozori i školjke omogućeni su jer titan dioksid na nanorazini odbija vodu i bakterije. Prvi je takve proizvode predstavila na tržištu britanska kompanija Pilkington. 4. Nanokristali od tantal ili titan karbida već su pronašli primjenu u bušenju rupa na matričnim pločama. 5. U EU je 2004. dozvoljena pokusna primjena boje koja apsorbira ultraljubičasto zračenje kako bi tu energiju iskoristila za pretvaranje natrijoksida iz atmosfere u dušičnu kiselinu koja se jednostavno opere. Tako se smanjuje zagađenje zraka. Isto tako postoje antigrafitne boje. Te proizvode je ponudila Millennium Chemicals. 6. General Motors (GM) koristi nanomaterijal pomješan s plastikom (nanokompozit) kako bi smanjio težinu vozila i stim potrošnju goriva. 7. Katalizatorska svojstva nanomaterijal vrlo su važno područje. Primjena zeolita u pročišćivanju nafte donjela je uštedu od 8 milijardi dolara SAD-u. 8. Područje informacijske tehnologije je područje gdje se očekuje najjači utjecaj nanotehnologije. 2003. IBM je uveo novu generaciju PC-ovih tvrdih diskova koji koriste sendvič od materijala debelih svega nekoliko atoma. 2004. čipovi se već sastoje od 130 nm širokih struktura (nanorazina se definira ispod 100 nm). Novi litografski postupci reduciraju dimenzije na 90 nm (Advanced Micro Devices). Tajvanski UMC već govori da u 2006. godini postiže 65 nm. NANOTEHNOLOGIJA DANAS 9. Nanočestice sastavljene od kalcijevog fosfata i proteina se koriste kao blokatori u tankim kanalima zubi kako se ne bi osjećala bol od hladne hrane. • Proizvodnja nanomaterijala i povezanih alata izrasla je sama u značajnu industriju. Već 2002. proizvodnja vezana uz nanotehnologiju dosegla je 54 milijardi američkih dolara. UVOD U NOVU TEHNOLOŠKU REVOLUCIJU Ovaj naslov nije pretjerivanje s obzirom na to što se u ovom području događa zadnjih godina. Čak se i ova visokoobrazovna ustanova dotakla tog područja. Jedan od prvih diplomskih radova iz tog područja napisao je Milan Kolić: “Izrada logičkih struktura - novi trendovi u minijaturizaciji” i diplomirao u svibnju 2002. godine. Sam pojam nanotehnologije nije još u potpunosti definiran. Jedna od definicija koja je dovoljno jasna, premda ne potpuno precizna je: Nanotehnologija je skup aktivnosti gradnje i drugih djelovanja na strukturama kojima se dimenzije izražavaju u nanometrima. Svojstva nekog materijala u nanotehnologiji ne ovise samo o molekulama, nego i o tome kakav je njihov raspored i točnost rasporeda. To se odnosi i na atome. POČECI NANOTEHNOLOGIJE 1981. pronađena je naprava scanning tunneling microscope (STM), koja detektira slabašne struje koje teku između šiljaka mikroskopa i uzorka koji se proučava. Tako se mogu “vidjeti” čestice koje se proučavaju do veličine pojedinačnog atoma. Slijedilo je otkriće atomic force microscope (AFM). Princip rada AFM-a je: sićušna sonda (nit ili šiljak piramidnog oblika širine od 2 do 30 nm) dovodi se u izravan kontakt s uzorkom. Nakon toga se pomiče prema kraju poluge, koja se savija kako se šiljak kreće po reljefnoj površini uzorka. Pomak u okomitom smjeru mjeri se refleksijom laserske zrake od vrha poluge. Osim promatranja, skenirajuće naprave mogu se koristiti za izgradnju nanostruktura. Šiljak AFM-a može se upotrijebiti za fizičko pomicanje nanočestica po površini i njihovo slaganje u cjeline. Može se upotrijebiti za pravljenje nanoureza u površini. STM može biti izvor elektronskog mlaza kada se poveća struja šiljka i tada se mogu pisati tragovi nanometarske veličine. Uz elektronski mikroskop, AFM i STM su glavne naprave za istraživanje i izgradnju nanostruktura. STM Skenirajući tunelirajući mikroskop Jedna od mla ih eksperimentalnih tehnika, ali zato gotovo nezaobilazna u svim eksperimentima u kojima je bitno odreditivanadij Pogled na atome: strukturu površine na atomskoj skali. STM je jedinstvena tehnika koja daje sliku rasporeda atoma na kristalnoj površini, u realnom prostoru. Sljedeća slika pokazuje površinu vanadija koja je rekonstruirala u 5x strukturu pod utjecajem segregiranog kisika. AFM Mikroskop atomske sile (AFM), naprava namijenjena promatranju površina, ne nužno vodljivih. Ovo je glavna prednost AFM-a prema skenirajućem tunelirajućem mikroskopu koji se može primijeniti za promatranje isključivo vodljivih materijala i njihovih površina. Za razliku od STM-a, AFM ne mjeri struju između vrha mikroskopa i uzorka, nego silu koja djeluje među njima. Sile koje su važne u ovom slučaju su jaka odbojna sila na malim udaljenostima koja se pojavljuje kao rezultat preklopa elektronskih gustoća vrha mikroskopa i uzorka i dugodosežna privlačna van der Waalsova sila. Oštri vrh AFM mikroskopa postavljen je okomito na 'gredu' mikroskopskih dimenzija, a mali pomaci grede mjere se ili optički (koristeći laser, interferometrija) ili električki (piezoelektrične metode kad je greda načinjena od piezoelektrika kao što je kvarc npr.). Pomak grede proporcionalan je sili koja djeluje između vrha i uzorka. Promjene mjerene sile kako se vrh miče po površini snimaju se i ovakva informacija se koristi za rekonstrukciju slike površine. AFM funkcionira i izvan visokovakuumskih uvjeta i može se upotrijebiti za promatranje bioloških uzoraka. Njime se također mogu pomicati atomi ili molekule po površini materijala. Nanocijevi Ugljikova nanocijev (carbon nanotube, buckytube) jedan je od najzaslužnijih materijala za veliki interes koji vlada za nanotehnologiju. Nanocijevi su izgrađene od samo atoma ugljika koji su raspoređeni u šesterokutnu ravnu mrežu koja u čvorovima ima atome. Mreža je savijena u sićušnu cijev. Cijevi mogu imati jednu ili više stijenki, mogu biti usukane ili ravne, mogu biti odlični vodiči ili poluvodiči. Takva struktura ima sljedeća svojstva: Veličina: promjer 0,6 do 1,8 nm duljina 1 do 10 m Gustoća: 1,33 do 1,40 g/cm3. Čvrstoća na istezanje: najmanje 10 puta veća od čvrstoće legiranog čelika Nanocijevi Čvrstoća na pritisak: dva reda veličine veća nego kod dosad najčvršćih vlakana kevlara Tvrdoća: prosječno oko 2000 Gpa, što je dva puta više od dijamanta Elastičnost: mnogo veća nego kod metala ili ugljičnih vlakana Toplinska vodljivost: predviđa se da je veća od 6000W/m·K (dijamant 3320W/m· K) Temperaturna stabilnost: u vakuumu do 2800°C, a u zraku do 750°C (metalni vodovi u čipovima tale se između 600 i 1000 °C) Vodljivost struje: procjenjuje se na 1 mrd A/cm2 (bakrena žica izgori pri 1 mln A/cm2) mln-milijun, mrd - milijarda Emisija elektrona: aktivira se pri 1 do 3 V uz razmak elektroda 1 m (molibdenovi šiljci zahtjevaju polje 50-100 V/m) Cijena: 1500 USD po gramu u 2000.g. (zlato u isto vrijeme 10 USD/g) Nanocijevi Ugljikove nanocijevi otkrio je 1991.godine industrijski istraživač Sumio Ilijima u japanskoj elektrotehničkoj tvrtki NEC. Na električno vodljivu foliju uspjeli su fizičari složit šumu od desetina tisuća okomitih nanocijevi debljine po 10 nm. Priključili se između folije i nasuprotne metalne elektrode napon, skaču elektroni iz vrhova nanocijevi. Fizičari govore o hladnom pražnjenju iz šiljka, što je suprotno od katodnih cijevi, gdje se katode griju da bi se “izvukli” elektroni. Tako bi se mogli proizvesti superplosnati monitori. Razrađena su tri načina dobijanja čađe, koja sadrži zamjetan dio nanocijevi. Svi ti postupci proizvode smjesu nanocijevi s velikim rasponom duljina, s više ili manje defekata i s varijantama usukanosti, što predstavlja ograničenja. Nanocijevi a) 1992. u Japanu T. Ebbesen i P. M. Ajayan, znanstvenici NEC Fundamental Research Laboratory, prvi su objavili postupak dobivanja makroskopskih količina nanocijevi. Ostvarili su električni luk između grafitnih elektroda, ugljik je ispario i 30% se rekombiniralo u nanocijevi. Visoka temperatura i metalni katalizator pomogli su da grafitne elektrode mogu proizvesti jednostijene i višestijene nanocijevi s nešto strukturnih defekata ili bez njih. Cijevi su različitih i malih duljina. b) M. Endo sa Shinshu sveučilišta u Japanu prvi je proizveo nanocijevi kemijskim naparavanjem. U peći se grije supstrat, a izvana se dovodi plin koji sadrži ugljik. Plin se raspada, a ugljik se rekombinira u nanocijevi na supstratu. Naknadno pronađenim poroznim katalizatorom uspijeva se veliki dio ugljika iskoristiti, a djelomice je već uspjelo kontrolirati rast nanocijevi. Iskoristi se od 20 do 100% ugljika. Postupak je jednostavan i jeftin i daje nanocijevi veće duljine ali su pretežito višestijene i s defektima. Prosječno imaju samo desetinu čvrstoće na istezanje u usporedbi s onima proizvedenim u električnom luku. Nanocijevi c) R. Smalley i suradnici s Rice sveučilišta u SAD-u, obasjavaju grafitne štapove snažnim impulsima lasera. Uz odgovarajuće katalizatore uspjeli su usavršiti proizvodnju većih količina jednostijenih nanocijevi, kojima uspijevaju već kontrolirati promjer. Iskoristi se do 70% ugljika. Taj postupak je najskuplji, jer zahtjeva vrlo skupe lasere. Fullereni (buckyball) Također se ubrajaju u nanostrukture, ali su malo manje interesantni. Otkrili su ih 1985. Rober Curl, Harold Kroto i Richard Smalley. To su šuplje kavezne kuglaste molekule, a sastoje se od najmanje 60 atoma ugljika. Izolirani su i veći fullereni kao C76, C78, C82, C84... C60 sadrži 12 peterokutnih i 20 šesterokutnih ploha (sl. nogometnoh lopti) s promjerom kugle 0,71 nm. Fullereni pored grafita i dijamanta čine treću modifikaciju elementa ugljika, a gustoća im je 1,678 g/cm3. Proizvode se naparivanjem grafitne elektrode u električnom luku uz helij kao zaštitni plin. Nakon toga se iz čađe na stijeni reaktora izoliraju nastali fullereni. Neki postupci izrade nanostruktura Mikroelektronika je područje, koje je vjerojatno najviše zainteresirano za rješenja nanotehnologije, jer se ide dalje u minijaturizaciji. Predosjeća se da su današnja rješenja mikročipova već blizu granica, te se izlaz vidi u odlasku u područje molekula i atoma. Već postoje i praktični rezultati i niz načina za gradnju struktura manjih od 10 nm. a) Današnja fotolitografija kojom se izrađuju čipovi, može se modificirati za proizvodnju nanometarskih struktura korištenjem mlazova elektrona, rendgenskih zraka ili ekstremno UV svjetlosti. Međutim, korištenje mlazova elektrona za krojenje struktura je skupo i sporo. Rendgenske zrake i ekstremno UV svjetlo mogu oštetiti i uređaje korištene u procesu. b) Postupak skeniranja STM-om može se koristiti čak do struktura veličine atoma, ali je prespor za masovnu proizvodnju. c) Meka litografija dopušta istraživačima jeftinije reproduciranje uzoraka složenih litografijom pod a) i srodnim postupcima. Ne zahtjeva posebne uređaje i može se koristiti u običnom laboratoriju. d) Postupak bottom-up je takav gdje se kemijskim reakcijama mogu jeftino i lako slagati atomi i molekule u strukture od 2 do 10 nm. Ovim postupkom ne mogu se proizvesti međusobno spojene strukture, pa nije podesna za izgradnju čipova. NANOPORE Nanopora je metal nano-veličine sa heterostrukturom koja se sama spaja u monosloj. Nanopore su stabilne i mogu se unijeti u kriogene sustave na različitim temperaturama. Tok procesa proizvodnje je ilustrirana kasnije slikom. Počinje s dvostranom silicijskom pločicom pokrivenom silicijskim nitridom. Debljina pločice je obično 250m. Upotrebom fotolitografije, otvaraju se prozori od 400x400 m na prednjoj strani. Potom se upotrebom elektronskog snopa, litografijom i sušenjem stvara malena pora kroz membranu silicijskog nitrata. Ove pore mogu biti veličine 30 nm u dijametru. Tok procesa proizvodnje nanopora Postupak rasta membrana od silicijevog nitrata Fotolitografija za otvaranje stražnjeg prozora Probijanje kroz silicij i oksidacija za rast silicijdioksida sa strana. Elektronska litografija da bi se s prednje strane membrane otvorila nanopora Formiranje molekularnog spoja Sa zlatom se popunjavaju nanopore s gornje strane i onda se potapaju u otopinu organskih molekula. Nakon 24 sata, uzorak se vadi i pozlaćuje se donja strana. Sad postoji Au / SAM / Au spoj i mogu se sprovoditi mjerenja. SAM - self assembled monolayer Skenerska slika stražnjeg dijela (tamni kvadrat je SiN membrana) Polifenilenski lanci Značajan nedostatak nanocijevi je kemijska inertnost. To nije slučaj s molekulama zasnovanim na polifenilenskim lancima. Danas se eksperimentira sa složenijim logičkim strukturama zasnovanim baš na tim lancima. Ti lanci su zasnovani na modifikaciji ugljikovodika benzena. BENZEN C6H6 Fenil grupa C6H5 Jedna veza za druge komponente. Fenilen grupa C6H4 Dva slobodna vezna mjesta. Molekularni vodiči na bazi polifenilena Spajanjem fenilen grupa međusobno nastaju lančaste strukture - polfenilenske molekule. U lanac polfenilena mogu se umetati i druge vrste molekula. Molekule koje sadrže benzenove prstenaste strukture nazivaju se aromatskim. Otkriveno je da polifenilne molekule provode elektricitet ako su spojene s acetilenskim “razmaknicama”. Iako polifenilenski vodiči ne nose toliko struje kao ugljične nanocijevi, oni i njihovi derivati su mnogo manje molekule. Zbog manjeg poprečnog presjeka, imaju veću gustoću struje. Tour vodiči Molekularni vodiči i izolatori Također, polifenilenske molekule imaju značajnu prednost zbog vrlo dobro odrađenog kemijskog sastava i veličine sintetičke fleksibilnosti, bazirane na stoljetnom iskustvu prikupljenom od organskih kemičara. Tako je Tour razvio umjetne tehnike za sintezu vodljivih polifenilenskih lanaca točno istih dužina i struktura. Zovu se još Tour vodiči. Alifatski lanci se sastoje od metilena (CH2) i di-metilena. Alifatske organske molekule služe kao izolatori. Ako se mala alifatska grupa umetne u sredinu vodljivog polifenilenskog lanca, ona prekida vodljivi kanal i stvara barijeru elektronima u prolazu, te se takve barijere ponašaju slično otpornicima. Usporedba različitih vodljivih struktura Fizička veličina gustoća struje procjenjen a površina poprečnog presjeka po molekuli struja po molekuli polifenilenska rezonantna tunel dioda (5 prstena) ugljična nanocijev bakrena žica Jedinica 1,4 ditol benzen polifenilenski vodič s 3 prstena elektron po sekundi 21012 41012 2106 21011 2106 nm2 0,05 0,05 0,05 3,1 (r = 1 nm) 3,1 1012 (r = 1 mm) amper 210-8 3,210-8 1,410-14 10-7 Molekularni ispravljači (ispravljačke diode) Aviram i Ratner su dali teorijski predložak za molekularne ispravljače 1974. godine. 1997. je ostvaren eksperimentalno molekularni ispravljač. To su učinila dva neovisna tima: Metzgerov sa Sveučilišta Alabama i Reedov sa Sveučilišta Yale. Međutim, ovi molekularni ispravljači se ne mogu odmah integrirati s Tourovim vodičima u molekularni krug. Diode zasnovane na nanoporama Na bazi acetat-bifenilnih molekula mogu se napraviti nanodiode. Rezonantne tunel diode (RTD) je sintetizirao Tour i prikazao Reed. Molekularna je analogija većih poluvodičkih dioda. Napravljena je polifenilenska molekularna RTD umetanjem dvije alifatske metilenske grupe u vodič s obje strane zasebnih alifatskih prstena. Zbog izolatorskih osobina, alifatske skupine se ponašaju kao potencijalne energetske barijere protoku elektrona. One stvaraju aromatski prsten između njih kao uski otok (0,5 nm) niske potencijalne energije kroz koju elektroni moraju proći da bi prešli duljinu vodiča. Molekularne RTD su na krajevima pričvršćene na zlatne elektrode pomoću tiol grupa koje upijaju zlatne rešetke. Molekularni prekidači U konvencionalnih mikroelektroničkih tranzistora, vodljivost se postiže priključenjem napona na upravljačku elektrodu. Slično je i kod molekularnih tranzistorskih prekidača. Molekularne memorijske čelije Nanopornim postupkom i 4,4’-dietinfenil-2’-nitro-1-benzentionailni SAM na sobnoj temperaturi se može konfigurirati memorijska čelija RAM-a. To su dvije spojene naprave zbijene između dva vodljiva stanja. U napravu se piše u stanju niske vodljivosti ili “1” primjenom pozitivnog napona (+1.5V), a briše se u visokovodljivom a stanju ili “0” primjenom negativnog napona (-1.5V). S naprave se čita primjenom pozitivnog napona i mjerenjm rezultirajuće struje. SAc NO2 Primjer molekule za RAM Molekularni organski motori F1Fo ATP sinteza je zasigurno najočitiji primjer kemijsko-mehaničke pretvorbe u prirodi. Sposobna je konvertirati transmembralne kemijske gradijente u kružno mehaničko gibanje, a može raditi i unazad. U tom slučaju kemijska energija ATP može biti korištena za stvaranje mehaničkih kretnji ili pumpanje protona u suprotnom smjeru od kemijskog potencijala. Mikrosfera spojena na ATP sintetiziran sloj za eksperiment s rotacijom pojedinačne molekule. Mjerač toka nanodimenzija Sorter nano-dimenzija Budući proizvodi nanotehnologije Istraživači su već kreirali nanometarske tranzistore, diode, releje, logička vrata, spojne vodove - od organskih molekula, ugljikovih nanocijevi i poluvodičkih nanocijevi. Čini se da će izbijanje elektrona iz nanocijevi biti važno područje. Već su proizvedeni prvi svijetleći uređaji i displeji. S obzirom na svojstva, nanocijevi će biti upotrijebljene za vođenje velikih struja i kao vodiči topline. Memorije s velikim gustoćama pohrane podataka rješavat će se nanotehnologijom. IBM već ima glavu za čitanje vrlo gusto spremljenih podataka do nanometarskih slojeva. Posebno je zanimljiva medicina: - objekti nanometarske veličine od anorganskih materijala moći će poslužiti u biomedicinskim istraživanjima, dijagnozama i terapiji; - biološki testovi koji mjere ponašanje ili aktivnosti odabranih supstancija postaju brži, osjetljiviji i fleksibilniji ako se određeni djelići nanometarske veličine uključe da funkcioniraju kao oznake ili etikete; - nanostrukture bi mogle biti upotrijebljene za dostavu lijeka (drag carrier) upravo tamo gdje je potreban, izbjegavajući štetne popratne efekte koji su često rezultat jakih lijekova, kao kod kemoterapije; - umjetne nanometarske građevine mogle bi jednog dana biti upotrijebljene u repariranju tkiva, kao kože, hrskavice ili kosti, pa čak i organa. Također je moguća primjena nanocijevi kod armatura za kompozite velike čvrstoće i žilavosti, za specijalne filtere svjetla, kao katalizatora, kod plastičnih solarnih ćelija, kod laserskih pisača s većom gustoćom točkica. Ograničenja nanotehnologije Brzina pri kojoj molekularno elektronički krug može obavljati rad usko je povezana s pitanjem energijske disipacije u sistemu. Jaki disipativni spojevi mogu dramatično smanjiti omjer signal-šum (SNR). Takvo smanjenje snage signala zahtjeva veći protok ukupnog naboja da se osigura prikladno očitanje bita, a s tim i više vremena. Brzina prijenosa signala ograničena je na područje između 10 kHz i 1 GHz. Ova ograničenja govore da je potreban samo jedan elektron po bitu da se signal pouzdano prenosi. Očito je da ako je potrebno više od jednog elektrona po bitu signala, kao što će sigurno biti slučaj zbog prisutnosti disipacije i šuma, broj elektrona po bitu neizbježno će rasti, a brzina računala će opadati. Ako bude potrebno mnogo elektrona, 10 ili 100, molekularni računarski krugovi ne bi bili brži od uobičajenih mikroelektroničkih kompjutora koji danas rade u području nekoliko stotina MHz i nekoliko GHz. Mogla bi, stoga, molekularna računala biti i sporija. Ograničenja nanotehnologije Vjerojatno će prošireni molekularni krugovi uključiti unutarnje molekularne spojeve i vanjske metalne kontakte sa značajnom kapacitivnošću. Stoga će RC, vremenska konstanta, za komponente molekularnog kruga također smanjiti brzinu. S druge strane, sinteza vrlo malog (mikron ili milimetar) i vrlo gustog (10000 uređaja po mikrometru kvadratnom) molekularnog elektroničkog računala trebala bi biti moguća. Takvi strojevi mogu čak biti izrađeni trodimenzionalno da povećaju gustoću i smanje kašnjenje u komunikacijama među unutarnjim napravama. Ljudski mozak je masivni paralelni kompjutor sposoban provesti 100 milijuna MIPSa (eng. MIPS milijuna instrukcija po sekundi). Za usporedbu, potrebno je 100000 Pentiuumovih čipova spojenih u paralelu da dostignu broj instrukcija po sekundi koje prenosi ljudski mozak. Površina Pentiumovog procesora je oko 1 cm2. Molekularno elektronički ekvivalent Pentiuma bio bi veličine 10 m2. Ograničenja nanotehnologije Sadašnji konstrukcijski pristupi korištenju malih molekula za izradu elektroničkih digitalnih logičkih struktura mogu se svrstati u dvije kategorije: - oni koji se oslanjaju na male električne struje za prijenos i procesuiranje informacija, - oni koji se oslanjaju na deformaciju molekularno elektroničke gustoće naboja za prijenos i procesuiranje informacija. Mogući problemi i ograničenja kako ih danas vidimo predstavljaju izazov današnjim tehnolozima, a bit će možda jednog dana svladana. Za to će biti zaslužni i tehnolozi, koji će naći optimalu primjenu molekularnih sklopova na ekonomski isplativim načelima, ali i sa karakteristikama znatno boljim od onih što ih pruža konvencionalna tehnologija. Struktura jednoslojnih ugljikovih nanocjevčica Kao što se već moglo vidjeti, nanotehnologija ujedinjuje fiziku, kemiju, biologiju i tehniku, te proučava svojstva struktura nanometarskih dimenzija. Danas nitko nije školovan za inžinjera nanotehnologije niti postoji predodžba kakva bi sve znanja netko takvog zvanja morao imati. Potrebna znanja ovise i o području primjene nanotehnologije. Za njen razvoj potrebni su multidisciplinarni timovi stručnjaka. Tako se na primjer u razvoju neuronskih mreža i umjetne inteligencije u timovima znaju nalaziti i filozofi, a ne samo oni koji imaju prirodoslovnomatematička i tehnička znanja. Kako na atomskim veličinama osobine struktura ovise i o veličini i o obliku, nanoznanost može dati nove načine dizajniranja i razvoja materijala i uređaja. Za to je potrebno razvijati kreativnost. Ugljikove nanocjevčice mogu biti jednoslojne i višeslojne. Višeslojne se sastoje od nekoliko koncentričnih jednoslojnih nanocjevčica. Jednoslojne nanocjevčice različitih tipova dobijaju se tako da se izabere jedan sloj grafita i savije na različite načine. U grafitu su ugljikovi atomi složeni tako da tvore šesterokutnu rešetku. Ta rešetka se zove grafen. Neka je vektor: Ch ma1 na2 gdje su a1 i a2 jedinični vektori šesterokutne rešetke. Neka su m i n cjelobrojne vrijednosti. Kao što se vidi na slici: pomicanjem duž vektora Ch dolazi se iz točke A u točku B. Rešetku ćemo analizirati kao koordinatni sustav u kojem je svaki atom određen parom (m, n). Da bi simetrija bila zadovoljena, analizira se samo slučaj 0 m n. Kut između Ch i a1se zove kut kiralnosti. Riječ kiralnost dolazi iz grčkog U kemiji kiralne strukture je ona molekula koja se ne može poklopiti sa svojom slikom u zrcalu. Vektor Ch je vektor kiralnosti. Ako se sloj grafita zamota na način da se vrh vektora Ch spoji s krajem, tj. točka A s točkom B, te točka C s točkom D, dobije se valjkasti dio nanocjevčice čiji je opseg jednak duljini vektora Ch. Ako se krajevima cilindra dodaju kapice od polovica kuglastih fulerena dobivaju se ugljikove nanocjevčice. Različitim (m, n) odgovaraju cjevčice različitih promjera. Osjenčani dio na slici predstavlja područje šesterokuta koje se, kad se zamota sloj grafita u cjevčicu, obavija oko nje poput helikoidalne spirale. Nanocjevčice se međusobno razlikuju prema promjeru i kutu kiralnosti. Stoga je značajna ovisnost tih veličina o m i n. Udaljenost susjednih atoma je aC-C, jedinični vektori su jednakog iznosa. Kut između veza je 120°, pa po kosinusovom poučku vrijedi: 2 2 a1 aC C aC2 C 2aC2 C cos120 a1 a2 3aC C Ch 3aC C m 2 n 2 2m na1 a2 3aC C m 2 n 2 2m ncos60 3aC C m 2 n 2 m n Ako iznos vektora Ch, koji pretstavlja opseg nanocjevčice, podijelimo s , dobijamo promjer nanocjevčice: d 3a C C m m n n 2 2 Kut kiralnosti se može dobiti preko kosinusa ili tangensa: Ch a1 Ch cos n 2 cos m2 m n n2 m 3n 2m n 3 arctg 2 m n tg Zbog simetrije šesterokutne rešetke, kut kiralnosti ima vrijednost između 0° i 30°. Prema kutu kiralnosti, odnosno vrijednostima (m,n) razlikuju se tri tipa nanocjevčica: - fotelje (eng. armchair), - cik-cak, - kiralne. Dobile su imena prema obliku poprečnog prstena ugljikovih atoma. izgled tip nanocjevčice kut kiralnosti kiralni vektor presjeka nanocjevčice fotelje 30 (m,n) cik-cak 0 (m,0) kiralne između 0 i 30 (m,n) mješavina presjeka fotelja i cikcak ZADACI 1. Izračunajte promjere i kut kiralnosti nanocjevčica (9,3), (5,5) i (7,0) ako je udaljenost između susjednih ugljikovih atoma 0,142 nm. 2. Koji su tipovi zadanih nanocjevčica? 3aC C 1.a) d m 2 m n n 2 3n arctg 2 m n Za (9,3): d 3aC C 81 27 9 351 0,142 0,85nm 3 3 2. a) kiralni tip 1354' arctg 2 9 3 1. b) Za (5,5): d = 0,68 nm, = 30°. 2. b) foteljni tip. 1. c) Za (7,0): d = 0,55 nm, = 0°. 2. c) cik-cak tip. NOVOSTI Ullmanova reakcija pomoću STM-a U organskoj kemiji se Ullmanovom reakcijom naziva stvaranje bifenila (C12H10) iz jodofenila uz pomoć bakrenog katalizatora, a odvija se na visokim temperaturama. Ona se danas može realitirati pomoću STM-a. To su ostvarili znanstvenici na Sveučilištu u Berlinu: Polazeći od nekoliko molekula jodobenzena (C6H5I) koji leže na bakrenoj površini, prvo su pomoću šiljka STM-a postigli da se molekula disocira na jod i fenil C6H5. To su postigli ubrizgavanjem elektrona uz pomoć šiljka. Sljedeći korak je sklananje atoma joda pažljivim manipuliranjem sa šiljkom. Nakon toga su dvije molekule fenila približene i uz pomoć šiljka “zavarene”. Da bi se molekule “zavarile” potrebno je ponovo ubrizgati elektrone koji omogućavaju stvaranje kovalentne veze. Dokaz da su se molekule slijepile je činjenica da kada pokušamo šiljkom vući jedan fenilni prsten po površini bakra i drugi putuje zajedno s njim. Ova reakcija se odvija na 20 K. Najmanji tranzistor od nanocijevi Kako prenosi “Jutarni list” od 1.12.2004. Infineon Technologies postigao je u svojim münhenskim laboratorijima napredak u nanotehnologiji. Napravljen je najmanji tranzistor od nanocijevi s dužinom kanala 18 nm. Za to je prvo proizvedeno od ugljika dovoljno nanocijevi promjera 0,7 do 1,1 nm. PRIMJENE Primjena nanotehnologije u energetici ne očituje se samo u štednji energije, nego i u proizvodnji aditiva koji povećavaju učinkovitost motora, čvrščim bušilicama može se doseći do dubljih zaliha, nanotehnološkim primjesama može se iskoristiti i nečista sirovina muna blata i mulja i sl. Fotočelije temeljene na nanomaterijalu već se koriste. Otkriven je i način kako se može poboljšati učinkovitost vodika utjerivanjem u nanopore, gdje se može pospremiti pod manjim tlakom. Takvi rezervari mogu poslužiti da automobil pređe do 8000 km. Međutim, najznačajniji doprinos se očekuje u vodikovim čelijama. Naime, jedini ekonomski isplativ način dobijanja vodika danas je iz ugljikovodika, tj. fosilnih goriva, jer je elektroliza iz vode jako skupa. Ako bi nanotehnologijom bila poboljšana učinkovitost na zadovoljavajuću mjeru, to bi bio najznačajniji doprinos energetici. PRIMJENE U medicini postoji više mogućih primjena. Medicinska dijagnostika već osjeća dobrobiti nanotehnologije. Sljede napretci na području tretmana rana i bolesti, od raka i očnih infekcija do slomljenih udova. Doktori već neko vrijeme koriste markere (dyes) za označavanje virusa i bakterija koje treba identificirati ili nadzirati. Ideja je jednostavna. Antitijela koja će se vezati na ciljanu čeliju se markiraju tako da fluoroscentno zrače pod svjetlošću određene valne duljine. Mjerenjem fluoroscencije mjeri se razina infekcije. Problem je ako su markeri toksični. NASA nanofosfate želi koristiti za mjerenje ozračenosti astronauta. Quantum Dot Corporation razvija tehnologiju spektralnog bar koda koji bi se utiskivao na gene koji su aktivni u nekoj čeliji. Nadzor na razini čelija omogućio bi vrlo ranu dijagnozu. Posebno je važna primjena nanoznanosti u donošenju ljekova na određeno mjesto u tijelu. Naime, kod vrlo agresivnih lijekova, poput kemoterapije, uništavaju se i zdrave i bolesne stanice. Nanočestice bi omogućile dopremu lijeka na samo bolesne stanice neoštećujući zdrave. PRIMJENE U informacijskoj tehnologiji stalno smanjenje dimenzija čipova i povećanje gustoće pakiranja došlo je već do nanotehnoloških granica. Hewlett Packard je 2002. stvorio krug sa 64-bitnom memorijom sastavljenom od molekularnih prekidača. Daljnji razvoj će dovesti do samih fizičkih granica. Kad tranzistor postane premalen, kvantni učinci curenja (engl. leaking) elektrona neće se moći zanemariti, nego će pretstavljati problem, jer se neće moći odrediti je li tranzistor u uključenom ili isključenom stanju. Ekspolatacija spina elektrona omogućila bi da se računala mogu samo uključiti i isključiti bez potrebe za boot up-om.Osim prvog Moorovog zakona, koji se zasada održava istinitim (u 2007 milijarda tranzistora po čipu), postoji i drugi zakon, koji je manje poznat. On kaže da se cijena izradnje postrojenja za izradu čipova poduplava svake 3 godine. Mnogi eksperti predviđaju da će se postići ravnoteža između prvog i drugog Moorovog zakona prije 2015. godine kad će postrojenje koštati 200 milijardi dolara. PRIMJENE Posebna boljka svake nove tehnologije je njena primjena u naoružanju. Pentagon izdvaja 300 milijuna dolara godišnje za nanotehnološka istraživanja. NASA za te namjene izdvaja 42 milijuna USD godišnje. Na West Michigan University stvoren je rani sustav za uzbunjivanje za RBK oružja. Na University of Texas razvijeni su mišići od nanocjevčica koji su brži i jači od prirodnih te se mogu koristiti za umjetne udove vezane za projekt super-vojnika. U suradnji s NATOom, razvijaju se svemirska oružja uglavnom temeljena na nanotehnologiji i tzv. neubojita oružja. Također se razvijaju minijaturni, pokretni, nezavisni senzori koji mogu prodrjeti u zaštićene i udaljene objekte neprijatelja. DynCorp je 2000. obavila testiranje senzora temeljenih na MEMS (micro-elektro-mechanical systems) senzorima ispaljenih iz puške. DoD (Department of Defence) razvija pametne oblake, koji su mali roboti veličine insekata. Milijuni takvih naprava mogu se ispustiti na neprijateljski teritorij i iskoristiti za izviđanje ili uništavanje ciljeva. Nanočestice u sličinim oblacima mogu omesti elektroničke i komunikacijske sustave, utjecati na nevidljivost i dr. Cilj DuPont-a je stvoriti borbeno odjelo koje će biti neprobojno, lagano, udobno, opremljeno s komunikacijskim sustavima, nadzorom zdravstvenog stanja i možda pojaćavanjem sposobnosti vojnika. Samo-sastavljajuće kemikalije koje imaju memoriju mogu biti opasne i za okoliš. Teorijski se može pustiti nanoagens koji će razgraditi neprijateljsko oružje. Ako nanotehnologija dođe u krive ruke, mogu se razviti i genosidni-nanoroboti koji bi mogli biti opasni i za svoje stvoritelje. U Kini se u nanotehnologiju godišnje ulaže preko 3 milijarde USD, Južna Koreja 2 milijarde, itd. Prva svjetska sila bit će ona koja prva ovlada nano-oružjem. PRIMJENE Opasnosti civilne primjene nanotehnologije nisu još istražne. Ako se nekontrolirano oslobodi nano-robotski oblak, mogao bi transformirati organske supstance u neki novi materijal ili prodrjeti u tlo i oštetiti/uništiti usjeve. Upotreba nanotehnologije mogla bi imati na hranu posljedice kao i genetsko modificiranje. Bogate kompanije opirat će se ozbiljnim istraživanjima o utjecaju nanotehnologije na okoliš. Kroz ovo poglavlje naglašene su prednosti nanotehnologije. Međutim, tako se nekad mislilo i za azbestna vlakna. Nanočestice već su izazvale zabrinutost eksperata kao i osiguravajućih društava. Isto kao i kod azbesta, očekuju se kronične, a ne akutne, posljedice nanočestica. One ne moraju biti unešene nemjerno, nego se mogu udahnuti iz boja, sprejeva ili prašine s kojom se dođe u kontakt. Postoje četiri brige: - čestice mogu utjecati na rad pluća zbog iritacije, - substanca nanočestice može biti poznati toksin koji može proći kroz konvencionalnu zaštitu zbog svoje veličine, - neke nanočestice imaju katalizatorske sposobnosti koje ubrzavaju stvaranje slobodnih radikala povezanih s razvojem tumora i - substanca može biti bezopasna na makroskopskoj razini, a na nano-razini biti opasna. Problem je i nepostojanje regulative za područje nanotehnologije. Mogućnosti nadzora i špijuniranja upotrebom nanotehnologije veće je od Orwellovskog. To dovodi do niza pitanja vezanih uz narušavanje privatnosti i ljudskih prava. Pitanja za ponavljanje • • • Objasnite načelo rada AFM-a i STM-a i koja im je temeljna razlika. Koji su temeljni građevni elementi u molekularnoj nanotehnologiji? Objasnite građu proizvoda molekularne nanotehnologije. Objasnite podjelu nanocjevčica prema kutu kiralnosti.