A nano mérettartomány

Átírás

1 nno mérettrtomány nnotudomány ngyon kis dolgok tudomány. nno -9 mértékegységek 10 -szeresének előtgj. nnométer méter egy milliárdod része (egy milliméter milliomod része). nnotrtomány definíció szerint z 1 nm és 100 nm közé eső méreteket jelöli. DNS Vörös vértest Hjszál Bolh Kuty ~ 6 μm ~ 80 μm ~ 3 mm hosszúság ~1m hosszúság ~2.5nm 1 nnométer 1 milliméter 1 mikrométer méter Kép: M. Zhng, University of Dlls, Texs 10-9 m mkromolekulák: Vírus Szén nnocsövek Fullerén (: 10 nm) (: 50 nm) (: ~1nm) 1 nm 10 nm 10-8 m Nnohuzl 10-7 m Láthtó fény (: nm) (hullámhossz: nm) 100 nm 1000 nm nnotudomány tomok és molekulák csoportjivl fogllkozik. Ezek olyn nnonyggá szerveződnek, melynek leglább egy dimenziój nnotrtományb esik. 3,5 rny tom Nno Természetben Tudtd? Sok állt és növény olyn kivételes tuljdonsággl rendelkezik, mit bennük tlálhtó nnostruktúráknk köszönhet! pillngók és lepkék csodáltos színei szárnyik nnostruktúrájából erednek. ~2nm ~5nm Kép forrás: S. Yoshiok, Osk University, Jpn Kép forrás:.dhinojwl, University of kron Kép forrás : C. Mthisen, FEI Compny Kép forrás: C. Mthisen, FEI Compny Kép forrás:.kellr, Lewis & Clrk College gekkók fejjel lefelé is képesek sétálni, még vizes és koszos felületen is. tlpukt nem rgsztó borítj, hnem több millió nnoszál, mi lényegesen megnöveli nnk felületét!

2 Miért különleges nno? nnotudomány nem csk z pró dolgok tudomány. Ide trtozik z olyn nygok vizsgált is, melyek kis mérettrtomány mitt rendkívüli jelenségeket, tuljdonságokt, illetve funkcionlitást muttnk. Láthtó tuljdonságok z nyg méretének változásávl változht nnk színe is. Kdmium-tellurid rny NNO CdTe nnorészecskék.. Eychmüller, Technische Universität Dresden MKRO ~2nm MKRO Növekvő méret Ugynnnk z nygnk igencsk eltérő (kár teljesen ellentétes!) tuljdonsági lehetnek nnotrtománybn, mint miket mkroszkopikus méretben mutt. Mechnikus és elektromos tuljdonságok grfit törékeny és elektromos vezető nyg. FÉLVEZETŐ FÉMES szén nnocsövek olynok, mint feltekert grfén lpok zonbn teljesen eltérő tuljdonságokkl Tudtd? szén nnocsövek sokkl rendelkeznek. erősebbek, mint z cél, de nnál sokkl könnyebbek, és még elektromos vezetők is lehetnek. grfit egy tomi síkját nevezzük grfénnk. Rekcióképesség H veszel egy nygtömböt és feldrbolod sok különálló egységre, nnorészecskére, kkor teljes tömege nem változik, viszont felületük összedv sokkl de sokkl ngyobb lesz, mint z eredeti nygé! ngyobb felület zt jelenti, hogy. Változik ktlitikus ktivitás htásfok Növekvő felület Változik forráspont Változik z oldhtóság Változik rekcióképesség

3 Nnotechnológi z orvoslásbn nnotechnológi olyn új eszközöket biztosít, mivel megérthetünk, láthtóvá tehetünk és kezelhetünk bizonyos megbetegedéseket. nnonygokt olyn funkciókkl láthtjuk el, melyek segítségével kölcsönhtásb tudnk lépni sejtekkel és zok lkotóelemeivel (fehérjék, lipidek, DNS, stb.). H nnonygokt megfelelő tuljdonságokkl ruházzuk fel, előidézhetnek vgy megállíthtnk bizonyos metbolikus rekciókt. nnonygok sokszor kkorák (vgy még kisebbek), mint legtöbb biológii szerkezet vgy folymt. Betegségek megértése legtöbb betegségnek még mindig ismeretlenek z oki, de nnotechnológi jelenlegi fejlettsége lehetővé teszi, hogy z eddigieknél mélyebben vizsgálhssuk biológii folymtokt. Egy myloid szál FM berendezéssel készült képe. Feltételezések szerint ez z nyg felelős pl. z lzheimer kórért. [Forrás: T. Knowles, University of Cmbridge] Betegségek kezelése Hgyományos esetben gyógyszereket szájon át, vgy injekció formájábn vesszük be. Ez esetenként problémákhoz vezethet: terápiás htás csökkenhet z ltt z idő ltt, míg gyógyszer eléri célterületet. z injekciók néh fájdlmsk, bedásuk nehézkes, drág és időnként veszélyes lehet. cél olyn gyógyszereket fejleszteni, melyek kizárólg z dott megbetegedést veszik célb, gyorsn, pontosn és mellékhtások nélkül gyógyítnk. nnoméretű gyógyszer-célbjutttó rendszerek lehetnek: Cél specifikusk, így z egészséges sejtek nem károsodnk és kevesebb gyógyszer szükséges. Időzített felszívódásúk ( htónygot kezelés ideje ltt folymtosn bocsátják ki mgukból). Hogyn? legtöbb nnoméretű gyógyszercélbjutttó rendszer molekulákt biokomptibilis polimer rétegbe csomgolv, vgy pedig nnoméretű kpszulákbn tárolj. Képlkotás Figyelmesen megtervezett és szintetizált többfunkciós nnorészecskék lklmssá tehetők rr, hogy csk testünk egy bizonyos lkotórészéhez kötődjenek (pl. rákos sejtek, koleszterin). H képlkotó rendszerekkel láthtóvá tesszük ezeket, jelölőként lklmzhtók, és z orvosok nyomon tudják követni betegség súlyosságát és elterjedését. Ezek képek többmódusú képlkotó technikávl készültek egy érszűkületről. betegség megjelenítéséhez nnokristállyl módosított ngy sűrűségű lipoproteint hsználtk. [Forrás: Cormode et l, Nno Letters 8 (11) 3715 Copyright 2008 mericn Chemicl Society] Sérült szövetek helyreállítás Új biokomptibilis kompozit nygokt állíthtunk elő, melyeket szervezetünk sérülések jvításár hsználht fel (pl. nnoporózus nygok és biokomptibilis polimerek). képen egy, z gyszövet mnipulációjánk és z idegek regenerálódásánk tnulmányozásár növesztett szövetet láthtunk. felvétel pásztázó elektronmikroszkóppl készült. [D Nisbet, Monsh University, NISE Network, licensed under NISE network terms nd conditions.] Lbor chipen és bioérzékelők Ngy érzékenységű minitűr dignosztiki eszközöket fejlesztünk zért, hogy pontos, gyors dignózist kpjunk kis mennyiségű folydékból. mintákt nem kell nlízis céljából lbortóriumb küldeni, ezzel időt és erőforrásokt tkríthtunk meg. z pró dignosztiki eszközök bioérzékelőkből, mikroméretű érzékelőmátrixokból és chipre integrált lbortóriumból ( lbon--chip, LOC) állnk. Ezeket minitürizált teljes nlitiki rendszereknek hívjuk (µts). Lbor chipen (lb-on--chip) Ezek minitürizált integrált lbortóriumok, mik segítségével biológii mintákt (pl. vért) különíthetünk el és vizsgálhtunk egyetlen eszköz segítségével. z eszközök mikroelektroniki rendszerbe integrált mikrofluidiki rendszereket trtlmznk, melyek kis méretű pumpákból és szelepekből állnk. Ezek rendszerek egy vgy több érzékelőt is mgukb fogllhtnk. Nnotechnológi segítségével lekicsinyíthetjük z lktrészeket és jvíthtunk bizonyos funkciókt, pl. nnoméretű elektródák vgy nnopórusos membránok lklmzásávl. Bioérzékelők bioérzékelőket úgy tervezik, hogy specifikusn csk egyetlen biomolekul-fjtát ismerjen fel: képes legyen felismerni és jelezni jelenlétét, ktivitását vgy koncentrációját. Ilyenek például: Rezgőnyelves érzékelők z érzékelők felületét egy nnométer-vékonyságú bevonttl funkcionlizáljuk, mit úgy terveznek, hogy egy dott biomolekulát ismerjen fel. [Forrás: M. Lorenzen, inno, University of rhus] Nnoszáls érzékelők nnoszálk felületét úgy lehet funkcionlizálni, hogy hhoz bizonyos molekulák erősen kötődnek, ezzel pedig megváltozttják z eszköz elektromos tuljdonságit. pásztázó elektronmikroszkópos felvételen egy nno-bioszenzor szilícium nnoszáli láthtók [P Mohnty, Boston University, NISE Network, licensed under NISE network terms nd conditions.] gyógyítás jövője ternosztik nnotechnológi segítségével lehetségessé vált betegség dignosztizálásánk, képi megjelenítésének, terápiájánk és változás követésének integrálás egyetlen folymtbn. Ez ternosztik. gyógyszereket nnorészecskékhez (pl. kvntumpöttyökhöz) köthetjük, mik megváltozttják vlmely tuljdonságukt (pl. színüket), mint gyógyszer célb ért. Ez egy lssú, célzott gyógyszer-kibocsátási folymttl együtt is lklmzhtó. Miközben gyógyszerek kifejtik htásukt, nnorészecskék megváltozttják színüket, így z orvosok információt kphtnk terápi folymtáról. Jó péld ternosztikár z rny nnorészecskék hsznált: ezek egy időben rákos sejtek megjelenítésére és kezelésére is lklmsk. mikroszkóp tárgylemezére felvitt rny nnorészecskék optiki mikroszkóppl készült felvétele [G.Koeing, University of Wisconsin-Mdison NISE Network, licensed under NISE network terms nd conditions.]

4 Energi és környezet nnotechnológi lehetővé tette z energi-átlkítás fejlődését és csökkentette z energifogysztást. Miközben világ olcsó és bőséges energiforrásokbn reménykedik, fosszilis ásványkincsek lssn elpdnk. nnotechnológi jelentős szerepet kpht z energifogysztás csökkentésében és z energitermelés növelésében. Ez fejlődés z új energiforrások kuttásánk, újbb kompozit nygok előállításánk, z kkumulátor technológiák fejlődésének, vlmint kisebb energifogysztású eszközök fejlesztésének köszönhető. Ezen túlmenően, nnotechnológi segíthet egyes környezetvédelmi problémák megoldásábn záltl, hogy lehetővé teszi nnoktlízis, új szűrőberendezések, vgy z ntibkteriális bevontok felhsználását. Festék lpú npelemek: npfényből molekuláris szinten állítnk elő elektromos ármot. Hgyományos npelemek Festék lpú npelemek ( Grätzel-cellák ) hgyományos szilícium lpú npelemek szendvicsszerkezetűek, bennük ngy tisztságú kristályok helyezkednek el egymáson. Előnye: konverzió jó htásfokú. nnostrukturált félvezető nyg felületére fényérzékeny festéket hordnk fel (ezek fényelnyelőek és úgy viselkednek, mint egy molekuláris ntenn). nnostrukturált félvezető nygnk óriási belső felülete, éppen zért, hogy fényelnyelést mximlizálni, cell méretét pedig csökkenteni lehessen. Hátrány: Drág. npelemek gyártásához sok energi kell. fényt csk bizonyos hullámhossz-trtománybn hsznosítj. fényt nem félvezető nyg, hnem elsősorbn festékmolekulák fogják fel. Ez zt jelenti, hogy npelem ngyobb spektrumot tud felhsználni. Megoldások: Olyn szilícium nnokristályok fejlesztése és gyártás, melyek több npenergiát nyelnek el. természetes fotoszintézis folymtát lemásoló, ún. biomimetikus megoldások kifejlesztése. nnoszerkezetű npelemek olcsó, bőséges energiellátást tesznek lehetővé. Hgyományos npelem cell z ilyen típusú npelemben lejátszódó folymtok fotoszintézist másolják. Átlátszó elektród Elektrolit Egy áltlános festéklpú npelem cell semtikus ábrázolás [forrás: M. R. Jones, Wikipedi Commons] Fény Festék Hátsó elektród kép Nnoscience Centre, University of Cmbridge hozzájárulás nnotechnológi és környezet világ számos pontján, de főként fejlődő világbn, rengeteg környezetvédelmi problémát tlálunk. nnotechnológi ezek közül néhányr olcsó és egyszerű megoldást tud dni, például: Nnoktlízissel pl. kén eltávolítás nyersoljból. Nnoszűrőkkel pl. bktériumok és vírusok eltávolítás z ivóvízből. Sótlnítássl tengervízből ivóvíz előállítás. föld termőképességének jvításávl pl. nnopórusos nygokkl termőföld vízvissztrtási képességének, vgy tápnygösszetételének jvítás. ntibkteriális bevontokkl pl. ezüst nnorészecskék hsznált bevontokbn vgy textíliákbn, zért, hogy megöljék bktériumokt. Copyright Interdisciplinry Nnoscience Centre (inno), rhus University 2008 z energifogysztás csökkentése Energifelhsználásunk számos módon csökkenthető: Kompozit nygokkl (nnonygokt hgyományos nygokkl keverünk): Növelhető hőszigetelés mértéke. Csökkenthető z üzemnyg-felhsználás, pl. közlekedésben hsznált járművek súlyánk, vgy súrlódási erők csökkentésével. Fejlett fűtési és világítási rendszerek hgyományos izzószáls villnykörtéket új, félvezető nnorészecskéken lpuló fénykibocsátó eszközökre cserélhetjük. kkumulátorok Hosszbb élettrtm és megnövekedett töltéstárolási idő. Jmes Bendll, University of Cmbridge Nnoktlízist hsználnk kén nyersoljból történő eltávolításához. kép két molibdén-diszulfid nnoklsztert ábrázol, mindkettő 15 Mo és 42 S tomot fogll mgábn. biztonságos ivóvízhez jutás óriási gond sok közösségben. Olyn termékek, mint pl. Lifesver plck, nnoszűrők segítségével távolítják el vízből vírusokt és bktériumokt. Szén nnocsövek felhsználásávl kompozit nygok állíthtók elő. Ezek htszor könnyebbek, de tízszer erősebbek, mint z cél.. Eychmüller, Technische Universität Dresden z olyn nygok, mint kvntumpöttyök (félvezető nnorészecskék) felhsználhtók lcsony fogysztású fénykibocsátó eszközök készítésére (light emitting devices, LED)

5 nnotechnológi és z IKT CPU trnzisztor-számok változás Moore törvénye szerint ( ) méretcsökkentés és nnotechnológi Újbb kihívások ösztönzik minitürizálást. hogy felhsznált félvezetők, fémek és szigetelők méretei nnotrtományb csökkennek, tuljdonságokt kvntumhtások htározzák meg és urlják. nnotechnolológi olyn megoldásokt kínál, minek segítségével nem szükséges elkerülnünk ezeket kvntumhtásokt, hnem éppen ellenkezőleg kiknázhtjuk őket z integrált ármkörök következő generációjánk fejlesztésekor. folymtos méretcsökkentést most hsznált eszközökkel és eljárásokkl nem lehet mindörökké fenntrtni, új megközelítésre vn szükség. Trnzisztor drbszám z információs és kommunikációs technológiák (IKT) ágzt gyors bővülésen esett át, miközben munkánkt és egyéb társdlmi tevékenységeinket átlkították z új technológiák. Ehhez gyorsbb számítógépekre volt szükség, mit kisebb méretű trnzisztorok gyártásánk fejlődése tett lehetővé. trnzisztorokból, méretük csökkenésével egy integrált ármkörben egyre többet lehet elhelyezni, mi növeli számítógépek teljesítményét. Moore törvénye szerint z integrált ármkörön elhelyezkedő trnzisztorok szám kétévente megduplázódik. Bevezetés éve z ábr z egy chipen elhelyezett trnzisztorok számánk növekedését muttj, mi Moore törvényének előrejelzését követi. [ kép felhsználását Cretive Commons ttribution Shrelike 3.0 licenc tette lehetővé] z IKT fejlődőben levő ági z eszközök gyorsbbk, ngyobb teljesítményűek lesznek és több funkcióvl rendelkeznek mjd, hál nnotechnológiánk. hgyományos trnzisztorgyártók egymássl versengenek z egyre kisebb trnzisztorok picán. z új rchitektúrák és gyártás összetettebbé válás lehetővé teszi, hogy egyre fejlettebb ármköröket állítsnk elő. nnonygokbn rejlő tuljdonságokt kihsználv végezhetünk számításokt is, így jövő számítógépei nem szükségszerűen szilíciumtechnológiát hsználnk mjd. Ilyenek lehetőségeket dnk pl. nnoszálk vgy kvntumpöttyök. z új gyártási technológiák lehetővé teszik, hogy megfelelő tuljdonságú ármkörök felhsználásávl hjlíthtó és nyújthtó eszközöket hozzunk létre. z eszközöket teljesítményromlás nélkül feltekerhetjük vgy összehjthtjuk. 500nm Kép z Intel 45nm-es ''Penryn'' szeletén elhelyezkedő processzorokról. Egy egyszerű cink-oxid nnoszál lpú memóriegység. Minden egyes nnoszál je kisebb mint 100 nm. Gumiszerű hordozófelületre felvitt szerves félvezető molekulákból kilkított ruglms vékonyréteg-trnzisztorok. Élet minitürizálás után: nnotechnológi eredményeinek beépülése hsználti tárgyinkb z IKT szektor fejlődése lényegesen többet jelent, mint csupán z elektronik (vgyis zok z eszközök, melyek helyettünk végeznek feldtokt). Új elképzelések láttk npvilágot rr vontkozón, hogy z elektronikus eszközöket ruhánkb integrálv, vgy környezetünkben elhelyezve, létrehozzunk egy eszközhálóztot, vlmiféle minket körülvevő intelligenciát. jövő mobilkommunikációs eszközei több feldtot is elláthtnk, jóvl többet, mint mostni modellek. z óriás mágneses ellenállás (GMR) technológiáj Vezeték nélküli érzékelés és kommunikáció Számos elektroniki termékben vn olyn lktrész, mi GMR-nek hívott technológi elvén működik. mágneses és nem mágneses vékonyrétegekből álló szerkezet elektromos ellenállás vezérlő mágneses tér htásár hirtelen és ngy mértékben változik meg. Új kkumulátor és tápellátási megoldások. lklmzkodóképesség. Átlátszó elektronik és új kijelzők. Funkcionális felületek, pl. öntisztuló. környezet monitorozását szolgáló Noki Reserch Centre érzékelő technológiák. Morph nevet viselő kísérleti Textíliáb integrált eszközök. mobiltelefon olyn nnotechnológii megoldásokt lklmz, mi rdikálisn változtthtj meg z eszközeinket. legújbb számítógépes merevlemezek olvsófejei már GMR-t hsználnk. [ kép felhsználását : Cretive Commons ttribution Shrelike 3.0 tette lehetővé] Újfjt kijelzők, pl. orgnikus fénykibocsátó diódák (OLED) Olyn szerves molekulából készült vékonyrétegek, melyek egyszerűen felvihetők egy dott felületre. Előnyei Kevesebbet fogyszt, mint z LCD kijelző. Jó képminősége. Jóvl vékonybb és könnyebb, mint z LCD pnel. Jól láthtó npsütésben, illetve különböző látószögből is. Hátrányi molekuláris bomlás mitt lcsony élettrtmú. molekulák érzékenyek nedvességre, emitt drág csomgolásr vn szükség. Jelenleg költséges elektródnygok hsznált szükséges. Kb. 200 nm vstg OLED felület. [R. Ovill, University of Texs t Dlls, NISE Network, licensed under NISE network terms nd conditions.]