Нанотехнологиите, или накратко нанотех, е всеобхватно наименование за областта на научните изследвания и технологиите, занимаващи се със системи, чийто типичен размер е между един и сто нанометра.Обяснение какво е нанотехнологията от уебсайта на NNI Тази изследователска област покрива широк диапазон от теми, за които обща черта е наблюдението и контролът на веществото на микроскопично ниво – мащаб под 1 μm, съизмерим с размера на молекулите, както и стремежът за създаване на устройства на такова ниво. Като самостоятелна дисциплина с практически постижения нанотехнологията възниква в началото на 1980-те години. Представката нано в думата нанотехнология означава една милиардна от метъра, т.е. нанометър (nm). Обект на нанотехнологията е изучаването и манипулирането на различни наноразмерни материали, наречени още наноматериали.
Поради самата разлика на този мащаб от нормалните ежедневни размери, повечето от наноматериалите (полупроводници, метали и др.) притежават характерни физико-химични свойства, които се различават от тези на същите материали при традиционната им употреба. Точно тези различни свойства учените използват за създаване на нови устройства, прибори, технологии, методи за диагностика и лечение в медицината и др. Нанотехнологията е сравнително нова област, която е все още в начален стадий на развитие.
Актуални обекти на изследвания и приложения в нанотехнологиите са квантови точки (наноразмерни полупроводници), въглеродни нанотръби, фулерени, нанокомпозитни материали, метални наночастици (предимно от благородни метали – злато, сребро, платина), магнитни наночастици (за диагностика в медицината и др.), полимерни наночастици (като носители на лекарствени препарати за насочено лечение и др.), наноструктурирани керамични материали за сензори и др.
Нова интердисциплинарна научна област е бионанотехнологията (биологична нанотехнология). Тя разглежда процесите, протичащи в живите организми като един вид биологична (или природна) нанотехнология. Бионанотехнологията цели внедряване на нанотехнологични решения за изучаване и управление на биологични процеси и явления.
Друго ново направление е и т. нар. наномедицина – внедряване на нанотехнологията в медицината чрез разработване на ефективни методи за диагностика и лечение с използване на наноматериали и нанотехнологии.
Наноматериали се използват и при производството на някои хранителни продукти, като например хранителните добавки. Все още няма адекватни методи за оценка на безопасността на наноматериалите в това отношение. Европейският парламент настоява при производството на подобни храни да се извършва специална оценка на риска и те да бъдат маркирани със специални етикети.
История
Въпреки че нанотехнологията е сравнително нова област на научни изследвания, формирането на нейните основни концепции протича дълго преди нейното обособяване като самостоятелна област. Самото наименование „нанотехнология“ е използвано за пръв път през 1959 г. от известния американски физик Ричард Файнман в неговата класическа и често цитирана лекция „Има достатъчно място на дъното“ („There’s Plenty of Room at the Bottom“).There’s Plenty of Room at the Bottom Той показва, че принципите на физиката не противоречат на опитите обектите да се управляват атом по атом, стига да са налице необходимите инструменти.
Обособяването на нанотехнологията като самостоятелна област става в началото на 80-те години на 20 век, когато по едно и също време са постигнати първите практически резултати с изобретяването на сканиращия тунелен микроскоп през 1981 г. и откриването на фулерените през 1985 г., а от друга страна след публикуването през 1986 г. на книгата на Ерик Дрекслер „Engines of Creation“ се формира и популяризира концептуалната рамка на целите на дисциплината.
Сканиращият тунелен микроскоп, инструмент, визуализиращ повърхности на атомно ниво, е конструиран от германеца Герд Биниг и швейцареца Хайнрих Рорер, за което двамата получават Нобелова награда за физика през 1986 г. Фулерените са открити от британеца Хари Крото и американците Ричард Смоли и Робърт Кърл, които получават Нобелова награда за химия през 1996 г. Приблизително по същото време Ерик Дрекслер развива и популяризира концепцията за нанотехнологията и поставя основите на молекулярната нанотехнология.
В началото на 21 век нанотехнологията предизвиква все по-широк интерес, както и дискусии за нейните потенциални последствия и за постижимостта на целите, които си поставят привържениците на молекулярната нанотехнология. Тези спорове достигат своята кулминация с публичните дебати между Ерик Дрекслер и Ричард Смоли през 2001 и 2003 г. По това време се появяват и първите държавни инициативи за популяризиране на нанотехнологията и финансиране на изследванията в тази област.
В първите години на 21 век се появяват и първите стопански значими приложения на нанотехнологията, макар те да се ограничават до използването на наноматериали за няколко цели, например използването на сребърни наночастици като антибактериален агент, производството на прозрачни слънцезащитни кремове на базата на наночастици и използването на въглеродни нанотръби в тъкани, устойчиви на замърсяване.
Приложение
Според оценки от 2008 г., броят на предлаганите на пазара продукти, използващи нанотехнологии, е над 800, като всяка седмица се появяват 3 – 4 нови. Повечето приложения се ограничават с използването на пасивни наноматериали, като титанов диоксид в слънцезащитни кремове и други козметични продукти, повърхностни покрития и някои хранителни продукти, сребро в хранителни опаковки, облекло, дезинфектанти и битови уреди, цинков оксид в козметични продукти, повърхностни покрития, бои и лакове и цериев оксид като горивен катализатор. Покрития на основата на използване на ефекта на лотоса, при който се използват хидрофобните свойства, за да се получи боя, която не се замърсява и даже се самопочиства при дъжд. Наносиликати, с които се покриват вътрешните страни на бутилките например запълнени с кечуп, за да може той по-лесно да изтича от бутилката. Нанопокрития, които правят бутилките напълно херметични към външната среда. Облекло, което не се замърсява поради използването на наноматериали, отблъскващи външния прах. Наноструктури, създадени подобно на механизма за придвижване на гекона по гладки повърхности, при което се използват ван-дер-Ваалсови сили, за да се придвижва без използването на лепило или смукатели по повърхността. В долната страна на краката му има разположени голям брой фини косъмчета. Всяко косъмче има много малка сила на привличане с повърхността, върху която ходи геконът. Поради големия брой такива косъмчета сумарната сила е достатъчно голяма. Тъй като геконът притежава около 29000 броя на квадратен сантиметър, то силата, с която се задържа, е от порядъка на 40 N (около 0,4 kg).
Съвременно развитие Наноматериали Наноматериали са материали разработени на основата на наночастици с уникални характеристики, произлизащи от микроскопичните размери на съставните части. Въглеродните нанотръби са продълговати цилиндрични структури с диаметър от няколко десетки нанометра и дължина няколко сантиметра, състоящи се от една или няколко завити на тръбичка шестоъгълни графитни плоскости (графени), обикновено завършващи с полусферична глава. Фулерените са молекулни съединения, представляващи алотропни форма на въглерода, подобни на диаманта и графита, и представляващи изпъкнали затворени многостенници, съставени от четен брой трикоординатни атоми на въглерода. Графен – монослой от атоми на въглерода, получен през октомври 2004 г. в Университета на Манчестър. Графенът е перспективен материал, който може да замени Аерогел Аерографит
Нанороботи
Синтетични молекулярни мотори – синтетични наноразмерни двигатели, способни да генерират въртящ момент при прилагането на достатъчно количество енергия. Молекулярни витла – наноразмерни молекули във формата на витла, способни да извършват въртеливо движение, благодарение на специалната си форма. От 2006 г. в рамките на състезанието RoboCup (шампионат по футбол между роботи) се организира състезание „Nanogram Competition“, в което игралното поле представлява квадрат със страни 2,5 mm. Максималният размер на играчите е ограничен на 300 μm.
Компютри и микроелектроника Централни процесори – през 2007 г. фирмата Intel обявява разработката на нов процесор, в който най-малкият структурен елемент е с размери 45 nm, като фирмата смята да достигне размери под 5 nm. Основният конкурент на Intel, фирмата AMD, също използва за производството на своите процесори нанотехнологични процеси, разработени съвместно с фирма IBM. Твърди дискове през 2007 г. Алберт Ферт и Петер Грюнберг получават Нобелова награда за физика за откриването на ефекта на гигантското магнитно съпротивление (английски: GMR-ефект), който позволява запис на данни върху твърди дискове с атомна плътност на записа. Антена-осцилатор – през 2005 г. в лабораторията на Бостънския университет е създадена антена-осцилатор с размери от порядъка на 1 µm. Това устройство съдържа 5000 милиона атома и е способно да осцилира с честота 1,49 GHz, което позволява предаването на голям обем информация.
Нанотехнология в медицината Една от най-бързо развиващи се области на нанотехнологията е свързана с медицината. Съгласно оценките на The Global Market пазарът на нанотехнологията в медицината е бил над 214 милиарда долара. Предполага се, че годишното увеличение през следващите години ще е 16,3% и ще се достигне обем от 528 милиарда през 2019 година. Националните институти по здравеопазване на САЩ са включили наномедицината в петте приоритетни области на развитие на медицината през 21 век. Развитието ще се извършва в десетки и стотици направления, включващи наноматериали и наноустройства. Една от най-атрактивните идеи е създаването на специални медицински нанороботи, представляващи наномашини за ремонт на място. Тези роботи трябва да помагат в диагностиката на организма, да доставят лекарства в засегнатите области непосредствено до болните клетки, както и да правят хирургически операции.
Бъдещи възможности С новите области на приложение се откриват и нови възможни бъдещи изобретения, които да се създадат или да предложат развитие на технологията. Това са по-скоро предвиждания за това как би могла да се развива нанотехнологията, а не как може да стане това технически. „Молекулярна нанотехнология“ е предположена възможност за манипулиране на единични молекули. Тя е теоретично предположение, тъй като техническите възможности не са толкова развити. Нанороботиката се занимава с машини с наноразмери, самоуправляващи се в определени функции. Има предвиждания за бъдещо използване на тези роботи в медицината, но съществуват редица проблеми, свързани с това, сред които развитието на нови материали за нанороботи и методология за използването им. „Производствени наносистеми“ са комплексни наносистеми, произвеждащи автоматично прецизни части за други наносистеми. Те не използват непременно оригинални нанотехнологични нововъведения, а добре известни фундаментални знания за производство. Това развитие се разглежда като база за нова индустриална революция. Михаил Роко, един от архитектите на националната инициатива на САЩ за нанотехнология, счита че ще има четири генерации в развитието на нанотехнологията. Първата включва разработката на пасивни наноструктури и материали, разработени за изпълнение само на една функция. Втората представлява разработката на активни наноструктури за многоцелево използване като например активни устройства, устройства за доставка на лекарства или датчици. При третата се разработват наносистеми с хиляди взаимодействащи се компоненти. Четвъртата генерация ще включва йерархична система вътре в наносистемата.Center for Responsible Center for Responsible Nanotechnology:http://www.crnano.org/whatis.htm • Поради популярността на понятието нанотехнология се появяват и понятията пикотехнология и фемтотехнология.
Техники и инструменти