NANOTECHNOLOGIE

HÝBL JÁN, B11
NANOTECHNOLOGIE
Kompletní numerická úloha předmětu BBFY na
ČVUT FBMI: Novinky v nanotechnologiích.
12.1.2009
V práci se seznámíte s pojmem nanotechnologie, s definicí nanotechnologií a jejich využitím, dále s
historickým vývojem a teoretickým návrhem anatomárního manipulátoru.
Obsah:
Definice pojmu nanotechnologie
................. ......................
Nano
Technologie
Prehistorie „nanotechnologií“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
strana 3
Milníky nanotechnologií . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
strana 4
strana 3
Hmota
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . strana 6
Složení vesmíru
Voda
Fotonový princip
Elektronový princip
Anihilační princip
Zobrazitelnost mikrosvěta
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . strana 10
Nanotechnologie ve výpočetní technice
.................................
Miniaturizace
DNA čip
Supravodič
Fullereny
Optické vodiče
Intel vede
Nanotechnologie v lékařství
..............................................
Technologie nanosilver
Detekci rakoviny
likvidaci rakoviny
Hojení ran laserovým paprskem
Shrnutí
...................................................................
Obavy z nanotechnologií
Zdroje
...................................................................
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
strana 11
strana 14
strana 15
strana 15
2
Definice pojmu nanotechnologie
Nano, z latinského nanus/nana
nanus
(nejmenší, trpasličí, zakrslá) jest předpona
ředpona s významem
-9
miliardtina (10 ). Technologie, slovo s kořeny v řečtině,, jest algoritmus, nástroj i materiál
naší vnitřní tvořivé
ivé síly. Nanotechnologie je tedy miniaturní způsob
zp
tvoření.
ření. Nanotechnologie
nám umožňuje
uje nahlédnout pod vlastní odraz tělesa
t
a přetvořit
it jej bez použití deformační,
deforma
tepelné, chemické aj. sekvence, kterážto by byla zapotřebí
zapot
k působení
sobení na těleso jako celek. NaN
notechnologie nás nutí vidět
ět těleso
tě
jako shluk atomů, s nimiž dokáže interagovat
eragovat a přeskupop
vat je dle našich potřeb.
eb. Nanotechnologie však není jenom postupem ale i vlastní miniaturní
jednotkou, jíž architektonická inspirace z makrosvěta
ta dána byla a tak vznikají například
nap
tyto
struktury: nanotrubičky,
ky, nanoobaly, nanonůžky,
nanon
goretex, nanogenerátor a mnoho jiných.
Obrázek 1 – přiblížení velikosti mikrokosmu
Prehistorie „nanotechnologií“
Již dávno přidávali
idávali skláři
skláři pro dosažení zajímavých barevných efektu do skel prášky z
kovu a jiných látek, zejména ze zlata, stříbra,
íbra, zinku, kadmia, síry a selenu. Jak se v nedávné
době ukázalo, byly mezi nimi i částice v rozměru nanometru, které způsobovaly
ůsobovaly unikátní bab
revnost skel. Známé jsou tzv. Lykurgovy poháry pocházející asi ze 4. století našeho letopočtu,
letopo
jejichž část
ást se nachází v Britském muzeu v Londýne. Obsahují nanočástice
nano ástice slitiny na bázi Au
- Ag (v poměru
ru 3:7). Není známo, jakou technologii výroby těchto
t chto poháru a podobných artefaktu římští skláři používali.
Dalším příkladem
íkladem je výsledek analýzy lesklé glazované keramiky z 13. - 16. století.
Zjistilo se, že lesk vyvolává dekorativní kovový film o tloušťce
tlouš
200 - 500 nm, obsahující kovové (stříbrné)
íbrné) sférické nanokrystaly rozptýlené v matrici bohaté na křemík,
k emík, přičemž
p
ve vnější
vrstvě filmu o tloušťce 10 - 20 nm se kov
kov nenachází. Kompozitní struktura má optické vlastnosti závislé jak na rozměru
ěru částic,
částic, tak na matrici. Lesklá vrstva byla zřejmě
zřejm prvním nanostrukturním filmem reprodukovatelné vyráběným
vyráb
člověkem.
Keramika z italské Umbrie byla v 15. a 16. století pro své nádherné barvy vysoce ceněna po celé Evropě. Tým vědců
ědců z university v Perugii vedený Brunem Brunettim zjistil, že
glazury renesancí keramiky obsahují částice mědi a stříbra o průměru
ru 5 - 100 nm a splňují
kritérium pro zařazení
azení mezi nanomateriály. Kovové nanocástice
nanocástice odrážejí světlo
sv
ze svého povrchu bez toho, že by jej rozptylovaly. Výsledkem je jedinečný
jedine ný „metalízový“ efekt.
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
3
Postup při výrobě takových glazur se zachoval v knize italského autora Cipriana Piccolpassa z roku 1557. Soli mědi a stříbra míchali hrnčíři s octem, okrem a jílem. Touto směsí pak
natírali nádoby, které už mely na svém povrchu jednu vypálenou glazuru. Dalším vypalováním při konstantní teplotě dosáhli jedinečné „metalízy“.
V roce 1861 jako první popsal suspenzi obsahující částice o rozměrech 1 - 100 nm
Thomas Graham, britský chemik a nazval ji koloidním systémem. Koloidní systémy byly intenzivně studovány významnými vědci (Rayleigh, Maxwell, Einstein) zejména na přelomu
19. - 20. století a později vznikl i nový obor koloidní chemie.
Velmi známým příkladem nanomateriálu jsou saze, které se vyrábějí nedokonalým spalováním organických látek bohatých na uhlík. Průmyslová výroba sazí je stará více než 100
let. Jsou to částice amorfního uhlíku o velikosti 10 - 500 nm. Celosvětově se jich vyrábí asi 6
mil.tun a patří k jednomu z dosud nejpoužívanějších nanomateriálu. Přibližně 90% vyrobených sazí se používá v gumárenském průmyslu a pro výrobu technické pryže (hadice, řemeny,
pryžové kabely, barvy aj.).
V současné době chemická katalýza urychluje denně tisíce chemických přeměn, jako
např. jsou rafinace ropy na benzín, přeměna levného grafitu na syntetický diamant pro nástroje, uplatňuje se při výrobě léku a polymeru atd. Při zkoumání katalyzátoru moderními prostředky bylo zjištěno, že rada z nich má vysoce uspořádané kovové a keramické nanostruktury, obsahující nanopóry. Tyto materiály jsou jak přírodní, tak syntetické a používají se nejen
ke katalýze, ale i Při adsorpci a separacích technologiích. Nejznámější jsou zeolity obsahující
rovnoměrné póry o velikosti 2 - 100 nm, jejichž Průmyslová aplikace započala v roce 1959.
Používají se např. Při katalytickém krakování, hydrokrakování, hydroizomeraci, alkylaci benzenu atd.
Příklady využití nanocástic (nanoprecipitátu) lze nalézt i v metalurgii. V roce 1906 byly
poprvé sledovány precipitační změny doprovázející vytvrzování hliníkových slitin stárnutím.
Podstatu procesu objasnili a zaznamenali Guinier a Preston v roce 1938 pomocí RTG. záznamu, kdy zjistili přítomnost mikrostrukturních objektu v materiálu. Dnes víme, že jemné precipitáty zodpovědné za zpevnění, např. ve slitině Al - 4%Cu, jsou klastry atomu Cu vytvářející
tzv. Guinier-Prestonovy zóny.
Vysoká žárupevnost nízkolegovaných ocelí a jejich dlouhodobá životnost v energetických zařízeních Při vysokých teplotách a tlacích je dosahována precipitačním zpevněním železné matrice částicemi (např. karbidu vanadu V4C3) o průměru 20 - 100 nm a interakcí dislokací s těmito částicemi Orowanovým mechanismem. Optimální vzájemná vzdálenost a velikost částic je ovlivňována chemickým složením a tepelným zpracováním materiálu.
Milníky nanotechnologií.
400 před Kristem – Demokritos použil slovo “atomos", což starořecky znamená “nedělitelný"
1905 – Albert Einstein publikoval práci, v níž stanovil průměr molekuly cukru na cca jeden
nanometr
1931 – Max Knoll a Ernst Ruska vyvinuli elektronový mikroskop, umožňující zobrazit
objekty menší než 1 nanometr
1959 – Richard Feynman předkládá první vizi nanotechnologie
1960 – ve sborníku Caltech vychází Feynmanova hypotéza o možnosti budování nanosystému
1968 – Alfred Y. Cho a John Arthur z Bell Laboratories vynalezli pomocí molekulových
svazku epitaxi
1974 – Norio Tamaguci navrhl používání termínu nanotechnologie pro obrácení s tolerancí
menší než 1 nm
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
4
1981 – první článek o nanotechnologii ve vědeckém časopise
1981 – Gerd Binning a Heinrich Rohrer vytvořili skenující tunelový mikroskop, který muže
zobrazit i jednotlivé atomy
1983 – řetězová reakce v polymeru - vytvořen první umělý chromozóm
1985 – R. Smalley, H. Kroto a R. Curl - objev fullerenu
1986 – poprvé zaznamenány jednotlivé kvantové skoky v atomech - založen Foresight
Institute
1986 – Eric Drexler vydal knihu Stroje stvoření
1988 – vypracována metoda identifikace osob podle DNA z jediného vlasu
1990 – pomocí tunelového skenovacího mikroskopu napsal tým vědců na niklovou destičku
35 xenonovými atomy písmena IBM
1990 – metoda sériové výroby buckminsterfullerenu
1991 – pomocí ohybu rentgenových paprsku vznikl první snímek molekul fullerenu - Arthur
Hebard demonstroval, že molekuly fullerenu spolu s draslíkem nebo rubidiem jsou
supravodivé
1991 - založen Institute for Molecular Manufacturing
1991 – S.Iijima objevil nanotrubice
1992 – Drexlerova kniha Nanosystémy
1992 – první úplné mapy struktury dvou lidských chromozomu, prototyp kvantového hradla
1993 – výpočty na superpočítači potvrdily Feynmanovu a Gell-Manovu teorii kvantové
chromodynamiky
1993 – první nanodráty - řetízky silné pouze několik nanometru
1993 – W. Robinett a R. Stanley Williams sestavili program či spíše virtuální realitu, která ve
spojení se STM umožňuje prohlížet si jednotlivé atomy hmoty, dotýkat se jich a
manipulovat s nimi
1995 – demonstrováno vedení elektrického proudu jednou molekulou - založena společnost
Nanocor, zabývající se vývojem nanokompozitních materiálu
1997 – založena společnost Zyvex - první firma zabývající se konstrukcí nanomechanismu
1998 – Skupina kolem C. Dekkera z univerzity v Delftu v Nizozemsku sestrojila z uhlíkových
nanotrubic tranzistor
1999 – James M. Tour a Mark A. Reed předvedli, že jednotlivá molekula muže fungovat jako
molekulový přepínač
2000 – rozluštění lidského genomu - první nanomotorek na bázi DNA (Bell Labs)
2000 – americký prezident Clinton vyhlašuje program National Nanotechnology Initiative
2001 – tranzistor z nanotrubiček (IBM) - první nanolaser, základ pro optický přenos dat v
inteligentních nanosystémech - logický obvod v jedné molekule, tvořený dvěma
tranzistory
2002 – začínají se prosazovat inteligentní kompozitní materiály
2002 – první mezinárodní konference o nanotechnologii (R. Smalley přednesl návrh, že
ideálním prostředkem pro molekulové nanotechnologie jsou fullerenové struktury)
2002 – Výzkumný tým Hewlett-Packard představil první molekulární paměť na světě, ve
které jsou informace zapisovány do jednotlivých molekul čipu
2003 – překročena hranice 50 nm
2003 – společnost IBM vyrobila první uhlíkový světelný zdroj, miniaturní baterku v poďobe
trubičky 50 000krát tencí než lidský vlas.
2004 – Andrei Rode, John Giapintzakis objevili pátou formu C - nanopěnu, která má feromagnetické vlastnosti.
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
5
Hmota
Celý vesmír, řekněme
me radši náš časoprostor
asoprostor se skládá ze 73,0% temné energie, z 22,6%
temné hmoty, ze 4,4% běžná--baryonové hmoty a méně než 1,5% lehkých neutrin. 13,7 ± 0,2
miliardy let od velkého třesku
esku je pro nás elektron pouze bodovou částicí
ásticí a rozklad jader atomů
atom
pekelnou podívanou. Nyní přichází éra, kdy si lidé budou moci konečně
koneč ě zahrát na Boha a se
stejným aparátem který má k dispozici On můžeme
m
přeskupovat
eskupovat hmotu. Možná
Mož se toho nedožiji já nebo čtenářii mé práce ale určitě
ur
blízká pokolení. Pokud opomeneme fakt, že neumíme
stvořit
it nanoroboty a dokonce ani nemáme dokončen
dokon en ani jejich princip, můžeme
mů
za jejich pomocí přeskupovat hmotu na principu mechanosyntézy, která se vyznačuje
vy čuje suchým prostředím
prost
na rozdíl od lidské genetické tvorby která probíhá výhradně
výhradn v kapalném plazmatickém propr
středí.
edí. O vyrobení takovýchto robotů
robot usiluje mimo jiných Foresight Nanotech Institute který
si atomární výrobu představuje
edstavuje v podobě domácí stolní továrničky,
ky, kde mohou miniaturní
manipulátory za pomocí specifických programů
program sestavovat libovolná tělesa.
ělesa.
Přidržme
idržme se práce významného Rakousko-Uherského
Rakousko
myslitele John von Neumanna
Neumann
který už v první poloviněě 20.století sestavil plně
pln funkční schéma autočinného
činného robotického
systému.
Obrázek 2 – von Neumanův koncept sebereplikujícího systému
Univerzální počítač obsahuje program, který řídí
ídí chování univerzálního konstruktoru.
Univerzální konstruktor postupně
postupn vytváří další univerzální počítač a další univerzální konko
struktor. Jakmile je konstrukce ukončena,
ukon ena, program obsažený v originálním univerzálním počípo
tačii je zkopírován do nového univerzálního počítače
po
a je spuštěno provádění
ění tohoto programu.
S jakými silami by se potýkal tento nanorobot? Nepracoval by s jádrem atomů,
atom tudíž by
neuměl tvořit vlastní hmotu z jiné, tím by byl limitován na prvky ze svého okolí. Nemohl by
nelogicky seskupovat atomy, pouze je skládat dle zákonitostí LCAO-MO (linear combination
of atomic orbitals - molecular orbital),
orbital) to je narušovat chemické vazby vynaložením Disociační energie vazby (práce,
práce, kterou je nutno vynaložit na zrušení vazby mezi atomy a oddálení
atomů od sebe na takovou vzdálenost, aby na sebe silově
silov nepůsobily).
sobily). Tuto energii měříme
m
v
Elektronvoltech (eV) a právě jeden eV odpovídá kinetické energii,, kterou získá jeden elektron urychlený napětím jednoho voltu, pro naše potřeby převedeme
evedeme 1 eV = 1,602 176 53 (14)
−19
× 10 J.
Jako příklad
íklad použijeme molekulu vody, kterou se náš nanobot pokusí rozložit.
Voda
Vodíková vazba (vodíkový můstek)
m stek) je druh slabé vazebné interakce mezi molekulami,
ale může
že se uplatnit i v rámci dvou částí jedné molekuly. Je silnější
jší než většina
vě
ostatních mezimolekulárních sil,, ale je podstatně
podstatn slabší (asi 10x) než iontová nebo kovalentní vazba.
vazba Vznik
vodíkové vazby je možný pouze u velmi elektronegativních prvků,
prvk , jako jsou fluor, kyslík a
dusík. Jedině tyto třii prvky jsou schopné v dostatečné
dostate
míře odčerpat
erpat elektronovou hustotu od
atomu vodíku.
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
6
Obrázek 3 - vodíkové vazby neboli vodíkové můstky
m
mezi molekulami vody
Protože má atom vodíku pouze jeden elektron, dojde při vytvoření
ení vazby k elektronegativnímu prvku ke značnému
nému odhalení atomového jádra.. Vzniklý parciální kladný náboj na
atomu vodíku může
že poutat nevazebné elektronové páry okolních molekul (v případě
p
intramolekulární vazby jde o elektronové páry stejné molekuly).
Nejslabší vodíkové vazby mají energii 1 - 2 kJ.mol-1, nejsilnější
jší dosahují energii okolo
40 kJ.mol−1 (u aniontu HF2-).
). Délka vodíkové vazby závisí na energii vazby, teplotě a tlaku.
Typická délka vodíkové vazby ve vodě je 1,97 Å.
Vodíková vazba vody má energii E=22kJ.mol-1.
Dle Van derr Waalse mám několik
několik možností jak atom vodíku „odpojit“:
•
•
•
Coulombická síla je způsobená polaritou molekul. Je to čistě elektrostatický jev.
Molekuly se k sobě natáčí „vrcholky“ s opačnými náboji.
Indukční síla potřebuje ke svému vzniku trvale polarizovanou molekulu, která
polarizuje ostatní (polární i nepolární) molekuly.
Disperzní síla je nejvýznamnější z van der Waalsových sil. Vycházíme z představy,
že molekuly oscilují (kmitají) a to dosti chaoticky. V určitých momentech se „vy„v
kmitnutím“ poruší neutrální stav molekuly a vznikne dipól.
Zajímavá je disperzní síla jež se bohužel uplatňuje
uplat uje jen mezi nepolárními molekulami. Vzniká
neuspořádaným pohybem elektronů
elektron kolem jádra, které se v určitých
itých okamžicích můžou
m
nahromadit blíž k sobě a vzniká tak velmi rychle proměnný
prom
dipól. Pro nás použitelná skutečnost
skute
je, že pokud
okud se k molekule s proměnným
prom
dipólem přiblíží
iblíží jiná molekula, dochází v ní k ini
dukci dalšího dipólu. Tento jev se nazývá Londonův efekt.
Obrázek 4 – interakce vodíkových dipólů
Může
že být disperzní síla o velikosti minimálně
minimáln 22kJ/mol? I kdyby ano, musel by ji robot nějak
n
vygenerovat a tak se dostáváme k otázce né jak ale kde potřebnou energii vzít?
Fotonový princip
Bude mít robot chemický zdroj jež mu umožní vykonat potřebnou
pot ebnou práci? Rozhodně
Rozhodn ne,
veškerou energii získá ze světla
ětla – z fotonů. Víme, že působením
sobením laseru můžeme
mů
doslova odpařit části předmětů,, neboli dodat disociační
disocia energii látce na níž působí. V kapitole NanotechHýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
7
nologie ve výpočetní technice se více dozvíme o laseru sestrojeného z křemíkových nanokrystalků, který by byl vhodným adeptem pro již zmiňované domácí stolní továrničky ale určitě né
pro našeho robota, i když třeba v lidském těle je dost elektrické energie potřebné k pohánění
tohoto laseru. Nám by více vyhovoval již zhotovený prototyp buzený světlem, jelikož však
neznám jeho hodnoty kladného zisku, musíme uvažovat pouze energii fotonů.
Rovnice 1 - Zde h je Planckova konstanta, c je rychlost světla ve vakuu, f je frekvence a λ je vlnová délka.
Rovnice 2 – Zjednodušení vztahu po dosazení za Planckovu konstantu
světla ve vákuu 299 792 458m/s
a rychlosti
Obrázek 5 – vlnová délka a frekvence světla
Z vlnové délky světla je zjevné, že laserový „implantátor“ bude mít dostatek energie
k oddělení vodíku od kyslíku, ovšem jak tomu bude u dvojných, trojných a vyšších vazeb?
Z typického slunečního záření 350 - 900W/m², které dopadá na nejvyšší vrstvy atmosféry
neproniká prakticky žádné UV záření s vlnovou délkou pod cca 295nm; od této hranice se na
zemský povrch dostává měkčí UV záření - záření UVA o vlnové délce 400nm se na zem dostane 550 W/m² (z přibližně 1700W/² z horních vrstev atmosféry). Jinými slovy lze říci, že
ozón a kyslík propustí na povrch Země zhruba třetinu UV záření.
Laser z křemíkových nanokrystalů bude však dle mého mínění poměrně nízkého zisku a
v nanoskopické podobě nesený nanobotem by byl o výkonu ještě mnohonásobně nižším. Proto se přikláním k myšlence vybavit nanobota buď zrcadlem nebo trychtýřem, kterými by se
dalo přesně směrovat externí laserové záření s nesrovnatelně vyšším výkonem.
Pokud dosadíme do vztahu (Rovnice 3) vlnovou délku laserového paprsku vodíkového
laseru pohybující se od 100nm do 120nm, získáme energii o velikosti 1,24eV na jeden foton.
Při použití Fotoablativního mechanismu což jest proces, při kterém dochází k přímému rozpadu molekulárních vazeb pomocí vysoce energetických fotonů UV záření např. u pulsních
excimerových laserů. Plošné hustoty výkonů se pohybují v řádech 107-1010 W/cm2. 1 watt je
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
8
výkon, při němž se vykoná práce 1 joulu za 1 sekundu, přepišme
epišme tedy plošnou hustotu na 10710
-1
-2
10 J.s .cm .
Mohli bychom tedy rozbít i dvojné vazby
vaz bez větších problémů,
ů, ovšem musíme vzít
v potaz nutnost slunečního
ního svitu v pracovní oblasti nanobotů přii použití interního laseru nesenes
ného nanobotem nebo externího laseru umístněného
umístn
buď v továrních prostorech či mobilních
jednotkách. Bylo by však hloupostí spoléhat na ultrafialové světlo
sv tlo dodávané sluncem, čímž
bychom si mohli otevřít Pandořinu
Pando
skříňku která dle mně tkví v uvolnění
ění plně
pln funkčních nanobotů do světa.
Elektronový princip
Prochází-li
li proud tekutou sloučeninou,
slou eninou, rozkládá ji a to tak, že množství rozložené látky
jest úměrné
rné elektrickému množství, které látkou prošlo. Vyloučí-li
Vylou li se z rozložené sloučeniny
slou
prvek takovým způsobem,
sobem, že lze jeho množství přesně
p
stanoviti, jež možno též
t obráceně z
množství vyloučeného
eného prvku souditi na množství elektrické.
Obrázek 6 – schéma zapojení elektrolýzy
Nazveme-li
li množství proudem intensity i za čas t vyloučené látky m,
m jest podle prvého
zákona Faradayova:
m = A.i.t [kg] nebo m = A.Q [kg]
neboť součin
in intensity proudu a času podává množství elektřiny,
iny, které elektrolytem prošlo.
Konstanta A jest úměrná
rná molekulovému číslu vyloučené
ené látky, dle druhého zákona FaradayoFaraday
va:
,
kde F je Faradayova konstanta F = 9,6481×104 C.mol−1 a z je počet
et elektronů,
elektron které jsou potřeba při vyloučení
ení jedné molekuly (např.
(nap pro Cu2+ → Cu je z = 2, pro Ag+ → Ag je z = 1).
Elektrochemický ekvivalent vodíku je dle následujícího vztahu:
Chemický ekvivalent
ekv
pro vodu je 0,0933
Z předešlých vztahů je zřejmé
zřejmé kolik % vodíku obsahuje molekula vody a kolik by ji tet
dy nanobot získal z 1l vody, a mohl nadále využívat k dalším syntézám, nebo uložit jako kok
nečný
ný produkt. Nanobot by samozřejmě
samoz
musel být odolný vůči vlivům v roztoku v němž by
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
9
docházelo k elektrolýze. Velice zajímavá myšlenka je kombinace fotonové a elektronové
metody, z nichž by ani jedna sama o sobě
sob neměla na látku význam, ovšem pospolu a samosa
zřejmě s asistencí nanorobotů by se dal vytvořit
vytvo velice působivý
sobivý anatomární konstruktor.
Anihilační princip
Jinou možností je využití anihilace v podobě
podob gigantického množství nanobotů,
nanobot z nichž
by každý rozbil a spojil jednu molekulu na jeden pracovní cyklus,
cyklus, po kterém by se vrátil pro
zásobu energie v podobě antičástic,
antič
které po vytvoření páru částice-antič
antičástice zaniknou a
uvolní dva či více fotonů,, letících od sebe na opačné
opa
strany.
Nejznámějším příkladem
íkladem je anihilace elektronu a pozitronu, přii které nejčastěji
nej
vzniká
dvojice fotonů záření gama:
Pouze jeden foton nemůže
že vzniknout kvůli
kv zákonu zachování energie a zákonu zachování
hybnosti. Z tohoto důvodu
vodu se vzniklé fotony šíří
ší í z místa svého vzniku vzájemně
vzájemn opačnými
směry. Oba fotony mohou být zachyceny tzv.
tz koincidenčními detektory a tím je dáno, že mísmí
to anihilace leží na přímce mezi nimi. Při
P zachycení více anihilací větším
tším počtem
po
detektorů je
pak možno zjistit místo, kde k anihilacím dochází, v třírozměrném prostoru. To je mj. princip
moderní lékařské zobrazovací
obrazovací metody,
metody nazývané pozitronová emisní tomografie (PET).
anihilace páru elektron pozitron
kreace páru elektron pozitron
Ať už by se využilo vlastní reakce s antihmotou či energie fotonů,
ů, dala by se i tímto
způsobem efektivně upravovat hmota.
Zobrazitelnost mikrosvěta
mikrosv
Rozlišovací schopnosti:
• Oko přii vzdálenosti 25cm až 2x10-4m
2x10
• Světelná
telná mikroskopie až 10-7m
10
• Elektronová mikroskopie
mikroskop až 10-10m
Světelný
telný paprsek je charakterizován:
• Vlnovou délkou
• Homogenností prostředí
ředí
• Paraxiálními paprsky
Zakony:
• Přímočaré šíření světla
ětla v homogenním prostředí
• Zákon odrazu světla:
tla: úhel dopadu = úhlu odrazu v téže rovině dopadu
• Zákon lumu světla
• Zákon nezávislosti šíření paprsků
paprsk
• Zákon záměnnosti
nnosti chodu paprsku
Mikroskopy rozdělujeme
lujeme buď
bu na jednoduché (lupy) nebo na složité (mikroskopy).
Lupa je složena z jedné či
č více čoček
ek krátké ohniskové vzdálenosti a jimi pozorovaný
obraz je přímý, neskutečná
ná a zvětšený.
zv
1 čočka dá 6násobné zvětšení
tšení a více až 30násobné.
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
10
Světelný mikroskop je sestaven ze dvou soustav čoček na tubusu. Dalšími hlavními díly
jsou okulár, objektiv a kondenzor (pro soustředění světla). Obraz objektivu: skutečný, převrácený, zvětšený. Obraz okuláru neskutečný, převrácený, zvětšený. Tyto mikroskopy mohou
dosahovat až 2000násobného zvětšení.
Elektronové mikroskopy využívají usměrněného toku elektronů, jenž je ve vyčerpaném
vakuu směrován pomocí elektromagnetických čoček z objektivu přes reparát na detektor, kde
vzniká obraz o určitém stupni šedi nebo jsou data digitalizována a dále zpracovávána.
Obrázek 7 – principy funkčnosti mikroskopů
Nanotechnologie ve výpočetní technice
I v této oblasti si musíme pod pojmem nanotechnologie představit systémy nám dnes
blízce známé, produkty a technologie využívaných ve většině dnes užívaných výpočetních
sestavách ať už hovoříme o stolním multimediálním počítači, který je čím dále více nahrazován přerostlými multimediálními notebooky se standardním 15 palců velkým TFT displejem,
nebo o serverovém počítači, jež tvoří „mozek“ komplikované lokální sítě která není chudá na
další technologie nutně vyžadujících miniaturizovatelnost.
Musím se pozastavit nad bolehlavem všech technologů, kteří se pomalu blíží ke konci
miniaturizačních sil, neboli podle střízlivých odhadů odborníků například Stana Williamse,
vědce v laboratořích Hewlett-Packard v Palo Alto, vyčerpají metody leptání CPU svůj potenciál zvyšování hustoty integrace asi do roku 2010. On se však udržuje v klidu s přesvědčením
že v polovině jednadvacátého století budeme moci stavět čipy atom po atomu a tak dosáhnou
mnohem větší integrace. Pod tímto tvrzením si nedovedu představit nic jiného něž malý shluk
atomů, třeba v podobě DNA šroubovice mezi dvěma kontaktními ploškami, která se při malém napětí na svorkách chová jako izolant, ale po překročení zakázaného pásu se rázem stává
vodičem. Mluvím tedy o nejmenší možné představě PN přechodů, jež by mohly tvořit čipy
společností INTEL a AMD, jsou to takzvané DNAčipy, které by se daly dle holandských výzkumníků konstruovat 10 a méně nanometrovou technologií. Tomu neříkám pokrok od dnešní
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
11
45 nanometrové technologie a ani se dalšího zmenšení technologie nedočkáme kvůli vlastní
velikosti atomů která se pohybuje právě v jednotkách či zlomcích nanometrů.
Obrázek 8 – DNA čip
Kam tedy nanotechnologie směřuje? Na tuto otázku bych neodpověděl nebýt exkurze
v centru evropského výzkumu mikrosvěta, v CERN (Conseil Européen pour la recherche
nucléaire) kde jsem byl blíže obeznámen s pojmem supravodič a na praktických příkladech
byla demonstrována jeho podstata, jež tkví – jak název prozrazuje v minimálním vnitřním
odporu, což znamená, že procházejícím elektronům se nic nestaví do cesty a tudíž nedochází
k žádným energetickým ztrátám ve vodiči. Jak by tento fakt mohl pomoci nanoprocesorům, je
zcela nepřehlédnutelné, když vezmeme v úvahu že na jednom čipu o ploše řádově 1 cm2 jest
dnes umístěno více než 100 miliónů diskrétních prvků a tudíž je celková délka elektrických
spojů kolem 10 km a dle mezinárodní „cestovní mapy“ pro polovodiče předpokládejme během deseti let nárůst na 90km. Dnešní nejdokonalejší technologie dokáží pracovat na velmi
nízkém provozním napětí 1,2V, které se do budoucna ještě maximálně o 30% sníží díky čistotě materiálů a vhodnějším výrobním postupům, a i tak vyzáří 65W ztrátového výkonu. Během
deseti let vývoje tu máme 9*0,7*65/1,2=341W nutných vyzářit z miniaturního tělíska.
Jedním z možných klíčů k tomuto problému jsouce fullereny což jsou nově objevené
sférické molekuly, složené z pěti nebo častěji šestičlenných kruhů atomů uhlíku, prostorově
uspořádány do kulovitého tvaru. Pokud je do molekuly fullerenu válcovitého tvaru – nanotrubičky vložen atom kovu, výsledný materiál vede jednosměrně elektrický proud, což již bylo
prakticky využito při konstrukci nesmírně malých polovodičů a tranzistorů.
obrázek 9 – Hustota elektrického výkonu nutného k napájení křemíkového čipu vynesená v závislosti na typickém
rozměru jednotlivého tranzistoru.
Czech Nanoteam z Fyzikálního ústavu AV ČR, Praha má k řešení tohoto problému jiný
přístup spočívající v myšlence snížení elektronových ztrát na vodičích jejich nahrazením foHýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
12
tony a tudíž optickými vodiči. Tato geniální myšlenka by mnohonásobně snížila ztráty, které
by jsme na optických trasách mohli zcela zanedbávat a zůstaly by nám pouze ztráty generované zdroji světla, neboli zdroji laserového záření. A právě se zdrojem laseru je problém nebo
spíše zádrhel v tom, že neexistuje žádný laser, jež by se mohl použít v integrovaných obvodech. Jediný laser kteréhož by se v této aplikaci dalo využít je křemíkový laser, ovšem křemík
má mizivé luminiscenční vlastnosti a proto je zcela nepoužitelný jako světelná dioda. Díky
pokroku Czech Nanotem už to není pravdou, a to výrobou nanokrystalků křemíku které jsou
v kontaktu s UV světlem velmi fotosenzitivní a generují velké množství volných fotonů, jak
vidíme na obrázku X, kde jsou nanokrystalky zabudovány na opticky čiré skleněné matrice.
Další úlohou této skupiny géniů je dokázat kladný optický zisk u takto vyrobených křemíkových diod a vyřešit mnohem podstatnější problém jež spočívá v optickém buzení tohoto injekčního laseru, což je pro použití v mikroelektronice a digitální výpočetní technice zcela nepřípustné.
obrázek 10 – fotoemise křemíkových nanokrystalků
obrázek 11 – nanokrystal křemíku pod transmisním elektronovým mikroskopem
Zde zmiňované myšlenky jsou velmi zajímavé a možná působí jako zci-fi nebo jako
hudba vzdálené budoucnosti ovšem rozhodně tomu tak není. Intel se ke konci minulého roku
pochlubil prototypem 32nm procesoru s pracovní frekvencí 3,6GH a dvěma miliardami tranzistorů, také se nechal slyšet, že v laboratorních podmínkách můžeme procesor stabilně taktovat na 300GH. Jak jsem předpovídal o pár odstavců výše, opět snížili provozní napětí něco
málo nad 1V. Tentokráte však neočekávejme nové procesory do stolních PC ale spíš se těšme
na mobilní telefony s plnohodnotnými MS Windows a upgradováním malých mobilních notebooků. Na rostoucí výkonové ztráty reagovala společnost Danamics převratným typem bezhlučného chlazení LM10, využívající místo teplovodivých kapalin, tekutý kov s velmi vysokou tepelnou vodivostí a magnetické pulzní čerpadlo.
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
13
Obrázek 12 – 32nm procesor v zapojená analogickém vyrovnávací paměti procesorů
Nanotechnologie v lékařství
Technologie nanosilver® dodává materiálům novou schopnost velmi účinně eradikovat přítomné baktérie a kvasinky. Takto ošetřené materiály získávají nové antibakteriální
vlastnosti, které spolehlivě ničí bakterie, kvasinky a plísně až do hodnoty 99,9% nepřetržitě
po dobu 24 hodin. Díky významnému snížení množství patogenních zárodků se minimalizuje
riziko vzniku infekčního onemocnění a zvyšuje protiinfekční ochrana pacientů.
Ionty stříbra ovlivňují látkovou výměnu buněčného systému bakterií, potlačují dýchání
a bazální metabolismus na elektronové úrovní a dopravu substrátu v buněčné membráně. Baktericidní a fungicidní účinek stříbra je dán jeho přímým průnikem do bakterie a jeho reakcí s SH skupinami oxidačních metabolických enzymů, bakterie tak hyne „udušením“. Další antibakteriální účinek je způsoben uvolňováním aktivního kyslíku. U baktérií také nevzniká rezistence vůči iontům Ag, což je velká výhoda proti široce používaným antibiotikům.
Harvardská Universita vyvíjí ultrasenzitivní zařízení pro detekci rakoviny prostaty.
Spočívá v mikročipu napojeném na 10 křemíkových nanodrátků o průměru 10 nanometrů, ke
kterým jsou připojeny biologické receptory citlivé na molekuly PSA, které jsou markerem
rakoviny prostaty. Když se molekuly PSA přichytí na tyto receptory, vznikne na nanodrátcích
elektrický signál, který je pomocí čipu možno detekovat a vyhodnotit. Výhodou uvedeného
testovacího zařízení je jeho obrovská citlivost (dokáže detekovat přítomnost již 3 až 4 molekul) a snadná operabilita. První testy jsou slibné, pokud se původní předpoklady potvrdí, bude
možno detekovat rakovinu prostaty již ve velmi ranných stadiích.
Zařízení na likvidaci rakovinných buněk bude mít malý počítač, několik vazných míst k
určení koncentrace specifických molekul a zásobu vhodného jedu, který by mohl být selektivně uvolněný a byl schopen zabít buňku identifikovanou jako nádorovou. Zařízení by cirkulovalo volně skrz tělo a pravidelně by vzorkovalo prostředí prostřednictvím určování, zda vazná
místa byla nebo nebyla obsazena. Statistika o obsazení by dovolovala rozhodnout o koncentraci. Současné monoklonální antilátky jsou schopny vázat jen jediný typ proteinu nebo dalšího antigenu a nejsou efektivní proti většině rakovin. Zařízení postavené na základě nanotechnologií by mohlo včlenit mnoho různých vazných míst a tak by mohlo kontrolovat koncentrace z mnoha různých druhů molekul. Počítač by potom určoval, zda profil koncentrací odpovídá předprogramovanému "nádorovému" profilu a v případě shody by uvolnil jed.
Hojení ran pomocí laserového paprsku je spojeno s profesorem Endre Mesterem. První
zprávy o jeho pionýrském díle se objevily v roce 1967. K biostimulaci využíval koherentního
světla He-Ne laserů (632,8 nm) o výkonu 50 mW. Mesterova skupina byla od začátku úspěšná, ale jen málo výzkumníků mohlo úspěch jejích experimentů s laserovou biostimulací
(LLLT) zopakovat.
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
14
Obrázek 13 – nanobot napomáhající imunitě
Tímto lehkým výčtem aplikací jež se v medicíně provádí chci dokázat, že má nanotechnologie uplatnění né i ale hlavně v lékařství, kde doktorům poskytuje velkou pomoc jak
v diagnostice tak v léčbě ale samozřejmě i v prevenci. Už dnes je možné zakoupit přípravky
využívající nanotechnologie třeba na www.nanotrade.cz. Zajímavým uplatněním nanotechnologií by mohlo býti ve vývoji velmi bytelných ortéz které by byly na celý život a ne jen jako
dočasné řešení, věřím že třeba fullereny by dokázaly dodat potřebnou pevnost a nutnou
vazkost.
Shrnutí
Jsem přesvědčen, že se není nutno obávat nanotechnologií více než mikrotechnologií,
které nám přinesly jak obohacení a ulehčení života, tak jsme za ně zaplatili ohromnou cenu
jak na životech, tak na principu myšlení a chápání světa. Myslím si, že nanotechnologie představují osvobození a záchranu před propastí, do níž nás směrují mikrotechnologie.
V této práci jsem poukázal na možnosti, které nám mikrosvět přináší a nechal jsem otevřé témata právě proto, aby nutila k zamyšlení a dalšímu vyhledávání informace, obohacování
ducha a snad i budoucnost v této perspektivní oblasti vědy.
Zdroje
http://www.aldebaran.cz/index.html
http://www.transhumanismus.cz/blog.php?time=050103
http://www.foresight.org/
http://bonusweb.idnes.cz/hardware/hw-news-zmeny-v-grafice-na-platforme-centrino-2-f4x/clanek.A081102_223912_bw-hardware_jha.idn
http://www.czechcomputer.cz/product.jsp?artno=57764
http://www.milosnemec.cz/clanek.php?108
http://www.milosnemec.cz/clanek.php?102
http://atom.navajo.cz/
http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=706
http://cs.wikipedia.org/wiki/CERN
http://cs.wikipedia.org/wiki/Fulleren
http://programujte.com/index.php?akce=clanek&cl=2005112701-nanotechnologie
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
15
http://www.fzu.cz/~nanoteam/what/Pelant-TT-2005-1.pdf
http://cs.wikibooks.org/wiki/Fullereny_a_nanotrubi%C4%8Dky#Elektrick.C3.A1_vodivost
www.fp.tul.cz/kch/exnar/fs/prezentace/4S_Mezimolekulov%E9_s%EDly.ppt
http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektronvolt
http://cs.wikipedia.org/wiki/Disperzn%C3%AD_s%C3%ADla
http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Srgbspectrum.png
http://cs.wikipedia.org/wiki/Ultrafialov%C3%A9_z%C3%A1%C5%99en%C3%AD
http://www.nanotrade.cz/data/images/file/Antibakterial_CZ_NT_02.pdf
http://www.sweb.cz/nanomedicina/#Mnt
http://cs.wikipedia.org/wiki/Watt
http://www.ottovaencyklopedie.cz/Main/Default.aspx?Template=TMain.ascx&phContent=Ar
ticleShow.ascx&ArtID=20&LngID=0
http://cs.wikipedia.org/wiki/Anihilace
http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:MicroscopesOverview.jpg
http://cs.wikipedia.org/wiki/Laser
Článek Historie moderních technologií
http://cs.wikipedia.org/wiki/Vod%C3%ADkov%C3%A1_vazba
Biologie pro Biomedicínské inženýrství, Laboratorní cvičení, Veronika Vymětalová
Hýbl Ján, B11 | Nanotechnologie
16