15 декември 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Вълнуващото бъдеще на нанотехнологиите

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 20 септември 2015 в 10:3352640
Снимка: www.sciencesplus.ca

Още в края на 4-ти век в древен Рим един човек на изкуството прилага трик, за да създаде специален обект: стъклен потир, украсен със сцени от античната легенда за Ликург. По непонятен начин съдът променя своя цвят. Векове по-късно сътрудници в Британския музей в Лондон изследват съда, изработен от дихроично стъкло, и успяват да разгадаят тайната му. Оказва се, че смяната на цвета е постигната чрез умело прилагане на нанотехнология.

Как обаче е постигнато това? Какво е нанотехнологията и къде се използва? На тези въпроси отговаря немският Wissen.

Нанотехнологията е наука, в която са преплетени и много други научни области. Понятието произхожда от гръцката дума „nános“, която означава „джудже“. Нанотехнологията представлява изследване на най-малкото. По-конкретно за приложение на нанотехнологии се говори, когато минимум еднa релевантна размерност е по-малка от 100 нанометра и чрез смаляването могат да бъдат постигнати нови ефекти. 100 нанометра се наслагват 1000 пъти в диаметъра на един човешки косъм. Това са невъобразимо малки размери – и въпреки това сме заобиколени от техника, работеща с нанотехнологии, наложила се отдавна в живота ни. Много клонове на науката се занимават с проучвания в областта на нанометричните мащаби, тъй като в случая границите между химия и физика, материалознание и биология, както и между други области, често се преплитат.

Преди 50 години нещата изглеждат съвсем различно. През 1959 американският физик Ричард Файнман изнася лекция, която впоследствие е обявена за „Часът на раждане на нанотехнологията“. На Файнман му хрумва, че биологичните процеси протичат на едно много по-миниатюрно ниво от това на тогавашните най-малки машини. В своята лекция той призовава за по-нататъшно проучване на „нивата по-надолу“. Тогава, според Файнман, техниката и науката биха били в състояние да наблюдават химичните процеси и да ги променят. Той дори обявява награда за това: Първият, който успее да отпечата цялата „Британска енциклопедия“ (по онова време най-подробният лексикон в печатен вид) на площ, равняваща се на главата на топлийка, щял да получи премия. Дълго време никой не можел да си представи да отговори на това предизвикателство, толкова невъзможно за изпълнение изглеждало. 22 години по-късно обаче това се случило. Целият лексикон, умален 25 000 пъти с помощта на лазер до площта на главичка на топлийка, бил написан отново – и с мощен микроскоп можел да бъде прочетен!

Наноструктури в природата. Растерно изображение от електронен микроскоп на различни видове полени. Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College / Public Domain

Поставяне на началото през 80-те години

Най-късно в средата на 80-те на всички вече е ясно, че нанотехнологиите ще имат ръководна роля в бъдеще. Автори започват да си представят машини, които преминават през кръвта и проверяват жизнените функции или пък поправят болните клетки директно в организма. Тези мини-апарати трябвало да умеят да обединяват атомите, за да създават съвсем нови неща. С времето на учените става ясно, че все пак няма да е толкова лесно. Редица важни технологии, които правят възможно изследването на наночастици в действителност, се развиват паралелно през последните 20 години. В началото директното наблюдение, измерване и фотографиране на частици с наноразмери е възможно само с много мощни микроскопи от най-съвременен вид. Към това спадат изключителни открития като растерния електронен микроскоп, който създава вълнуващи, пластични изображения на миниатюрни структури. Друг апарат, атомно-силовият микроскоп, „опипва“ с изключително фин накрайник повърхността на изследвания обект и така прави видими дори отделните атоми! Неотдавна за първи път бяха изобразени молекули, по-малки от 1 нанометър – преди и след химична реакция. Така много теории, свързани със строежа на химичните структури, бяха потвърдени или коригирани.

Действителното приложение на наноефектите

Едновременно с възможността да се надникне още по-детайлно във вътрешността на материята, нараства и приложението на наноефектите в практиката. Един клон от промишлеността, който дава значителен тласък на миниатюризирането, е производството на компютърни чипове, т.нар. „интегрални схеми“ (англ. integrated circuit), които в комбинация могат да изпълняват изключително сложни изчислителни задачи. Цел на развитието е разполагането на възможно по-голям брой транзистори на по-малка площ. Един транзистор, който през 1990 е бил с размери 800 нанометра, през 2000 вече е едва 180 нанометра. Един от производителите на компютърни чипове обяви своите планове за пускане на пазара през 2016 на транзистори с големина 7 нанометра. Това смаляване размерите на техниката е причината за нарастващата продуктивност на нашите мобилни устройства: Днес всеки смартфон има в себе си мощност, равняваща се на мощността на един нормален домашен компютър от преди по-малко от 10 години.

Микропроцесор. Нанолитографията прави възможно допълнително миниатюризиране на интегралните схеми. Angeloleithold (CC BY-SA 3.0)

Природата като образец

Предимно в областта на материалознанието са правени много открития, преди да се започне с производството на материали с наноразмери. Един от най-известните ефекти води началото си от природата: Водоотблъскващите листа на водното растение лотос са послужили като образец за производството на повърхности с изключителен водоотблъскващ ефект. Това приложение на нанотехнологиите има комерсиален характер. В началото на изследването на „лотусовия ефект“ се предполага, че растението има особено гладки листа и при досег с повърхността им водата и други течности биват отблъсквани подобно на разпръскващи се перлички. Перфектна структура от определен вид восък покрива листата. Растението е всичко друго, но не и гладко! Подобни повърхности вече се създават и по химичен път, като по този начин материалът се предпазва от замърсяване. Понякога тези материали биват наричани „самопочистващи се“, тъй като водата, образуваща перлички на повърхността, отмива и мръсотията. Това нанопокритие се използва при производството на автомобилни стъкла, душове, покривни керемиди и дори облекло.

Обработените повърхности са удачни и при соларните клетки. При нормални обстоятелства голяма част от слънчевата светлина, която попада върху една соларна клетка, бива отразена от нея. Така спада количеството слънчева светлина, която може да бъде трансформирана в електричество. Това отразяване може да бъде възпряно, ако върху соларните клетки бъдат разположени пирамиди или гърбици с височина няколко нанометра. По този начин част от отразяващата се светлина ще попада в клетката. Така се покачва коефициентът на полезно действие; при една и съща интензивност на слънчево облъчване се произвежда по-голямо количество електроенергия. Соларните клетки могат да бъдат изключително тънки, та дори и прозрачни. След няколко години има вероятност цели прозоречни площи да бъдат използвани за производство на електроенергия чрез разполагане на соларни клетки не само по покривите на сградите.

Въглеродна нанотръба. Изображение, направено с растерен електронен микроскоп, показва тръбичка с диаметър 1/5 от този на човешкия косъм. Rünno Lõhmus (CC BY-SA 3.0)

Нови фаворити

Малки „герои“ на нанонауката са т.нар. нанотръби и техните побратими Buckyballs („футболни топки“). И едните, и другите представляват въглерод: цилиндрични и сферични обекти с големина само няколко нанометра. Те имат интересни свойства. При комбинация на нанотръбите със стомана например, нейната якост се увеличава многократно! При добавяне на нанотръби към пластмаси се подобрява устойчивостта на счупване на пластмасата. И това, разбира се, е предимство при производството на материали с голяма якост. В индустрията и автомобилостроенето машини, произведени от такива материали, рядко се чупят. Правят се проучвания във връзка с въвеждане на въглеродните топчета и в медицината, напр. при лечение на ракови заболявания. За целта се правят опити за въвеждане на магнитните наночастици в раковите клетки с оглед предизвикване тяхното вибриране посредством външно влияние. Така наночастиците могат да разрушат болните клетки без да засягат здравата тъкан. Вероятно ще бъдат създадени и медикаменти на основата на „въглеродните топчета“, които целенасочено ще бъдат въвеждани в организма.

Рискове и странични ефекти

Ефектът на наночастиците върху човешкия организъм все още не е проучен обстойно. Някои кремове за защита от слънцето съдържат химичното вещество титанов диоксид, който може да се среща и в наноразмери и целта му е да отразява ултравиолетовите лъчи. Не е ясно, дали тези частици не попадат в организма и ако да, дали не са опасни за здравето и живота. Който не е сигурен в действието на съставката, по-добре да избягва употребата на козметика с титанов диоксид. Едно проучване на Германското министерство за оценката на риска показва, че мнозинството от хората са против използването на нанотехнологиите в хранителни и козметични продукти.

Остава любопитството

Съществуват още много възможности за приложение на нанотехнологиите: все по-бързи компютри, дисплеи с нови възможности, бързо зареждащи се батерии или автомобилни лакове с висока устойчивост на атмосферни влияния. Може би в близко бъдеще вече ще лекуваме и тумори с помощта на напреднали методи за лечение на основата на нанотехнологии. Първо трябва обаче основно да бъдат проучени и контролирани рисковете най-вече за човешкото здраве. Любопитно, какво ли ще ни предложи бъдещето!

Потирът на Ликург впрочем има интересно свойство: при нормална светлина той проблясва в зелено, при директно пропускане на светлина обаче изведнъж се обагря в червено. Стъклото на потира съдържа златни частици с наноразмери, които предизвикват промяната на цвета. Никак не е лошо за произведение на изкуството от 4-ти век. Днес потирът се намира в Лондон и продължава да предизвиква възхищението на посетителите в Британския музей в Лондон.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Технологии
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.