Hoe Nanotechnologie Werkt

{h1}

Nanotechnologie is de wetenschap van het bouwen van machines op subatomair niveau. Leer meer over nanotechnologie en ontdek hoe nanotechnologie wordt ontwikkeld.

Er is een ongekende multidisciplinaire convergentie van wetenschappers die zich toeleggen op de studie van een wereld zo klein, we kunnen het niet zien - zelfs met een lichtmicroscoop. Die wereld is het gebied van nanotechnologie, het rijk van atomen en nanostructuren. Nanotechnologie i-s zo nieuw, niemand weet echt zeker wat er van komt. Maar toch, voorspellingen variëren van het vermogen om dingen zoals diamanten en voedsel te reproduceren zodat de wereld wordt verslonden door zichzelf replicerende nanorobots.

Om de ongewone wereld van nanotechnologie te begrijpen, moeten we een idee krijgen van de betrokken eenheden. Een centimeter is een honderdste van een meter, een millimeter is een duizendste van een meter, en een micrometer is één miljoenste van een meter, maar al deze zijn nog steeds enorm in vergelijking met de nanoschaal. EEN nanometer (Nm) is één miljardste van een meter, kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht en honderd-duizendste van de breedte van een mensenhaar [bron: Berkeley Lab].

Zo klein als een nanometer is, het is nog steeds groot in vergelijking met de atomaire schaal. Een atoom heeft een diameter van ongeveer 0,1 nm. De kern van een atoom is veel kleiner - ongeveer 0,00001 nm. Atomen zijn de bouwstenen voor alle materie in ons universum. Jij en alles om je heen bestaat uit atomen. De natuur heeft de wetenschap van het moleculair vervaardigen van materie geperfectioneerd. Onze lichamen zijn bijvoorbeeld op een specifieke manier samengesteld uit miljoenen levende cellen. Cellen zijn de nanomachines van de natuur. Op atomaire schaal zijn elementen op hun meest elementaire niveau. Op de nanoschaal kunnen we mogelijk deze atomen samenstellen om bijna alles te maken.

In een lezing genaamd 'Small Wonders: The World of Nanoscience', zei de Nobelprijswinnaar Dr. Horst Störmer dat de nanoschaal interessanter is dan de atomaire schaal, omdat de nanoschaal het eerste punt is waarop we iets kunnen samenstellen - het is niet totdat we begin atomen samen te voegen zodat we iets nuttigs kunnen maken.

In dit artikel zullen we leren over wat nanotechnologie vandaag betekent en wat de toekomst van nanotechnologie kan zijn. We zullen ook kijken naar de potentiële risico's die samenhangen met het werken op nanoschaal.

In de volgende sectie zullen we meer leren over onze wereld op nanoschaal.

De wereld van nanotechnologie

Een ingenieur bereidt een siliciumwafel in een vroege fase van de productie van microchips voor.

Een ingenieur bereidt een siliciumwafel in een vroege fase van de productie van microchips voor.

-Experts zijn het soms oneens over wat de nanoschaal is, maar over het algemeen kun je denken aan nanotechnologie die te maken heeft met alles dat tussen 1 en 100 nm meet. Groter dan dat is de microschaal, en kleiner dan dat is de atomaire schaal.

Nanotechnologie is in snel tempo een interdisciplinair veld aan het worden. Biologen, chemici, natuurkundigen en ingenieurs zijn allemaal betrokken bij de studie van stoffen op nanoschaal. Dr. Störmer hoopt dat de verschillende disciplines een gemeenschappelijke taal ontwikkelen en met elkaar communiceren [bron: Störmer]. Alleen dan, zegt hij, kunnen we nanowetenschappen effectief onderwijzen, omdat je de wereld van nanotechnologie niet begrijpt zonder een solide achtergrond in meerdere wetenschappen.

Een van de spannende en uitdagende aspecten van de nanoschaal is de rol die de kwantummechanica daarin speelt. De regels van de kwantummechanica verschillen sterk van de klassieke natuurkunde, wat betekent dat het gedrag van stoffen op nanoschaal soms het gezonde verstand tegenspreekt door zich onregelmatig te gedragen. Je kunt niet naar een muur lopen en meteen naar de andere kant teleporteren, maar op de nanoschaal kan een elektron - het wordt genoemd elektronentunneling. Stoffen die dat wel zijn isolatoren, wat betekent dat ze geen elektrische lading kunnen dragen, in bulkvorm kunnen ze halfgeleiders worden wanneer ze worden teruggebracht tot op nanoschaal. Smeltpunten kunnen veranderen door een toename van het oppervlak. Veel van nanowetenschap vereist dat je vergeet wat je weet en helemaal opnieuw begint te leren.

Wat betekent dit allemaal? Op dit moment betekent het dat wetenschappers experimenteren met stoffen op nanoschaal om meer te weten te komen over hun eigenschappen en hoe we er in verschillende toepassingen voordeel uit kunnen halen. Ingenieurs proberen nanogroene draden te gebruiken om kleinere, krachtigere microprocessors te creëren. Artsen zijn op zoek naar manieren om nanodeeltjes te gebruiken in medische toepassingen. Toch hebben we nog een lange weg te gaan voordat nanotechnologie de technologie- en medische markten domineert.

In de volgende sectie zullen we kijken naar twee belangrijke nanotechnologiestructuren: nanodraden en koolstofnanobuisjes.

-

Het is een kleine wereld

Op de nanoschaal zijn voorwerpen zo klein dat we ze niet kunnen zien - zelfs met een lichtmicroscoop. Nanowetenschappers moeten tools gebruiken zoals tunneling microscopen scannen of atoomkrachtmicroscopen om iets te observeren op de nanoschaal. Tunnelende microscopen scannen gebruiken een zwakke elektrische stroom om het gescande materiaal te onderzoeken. Atoomkrachtmicroscopen scannen oppervlakken met een ongelooflijk fijne punt. Beide microscopen verzenden gegevens naar een computer, die de informatie kan samenstellen en grafisch op een monitor projecteren [bron: Encyclopædia Britannica].

Nanodraden en koolstofnanobuizen

Hoe nanotechnologie werkt: nanotechnologie

Momenteel vinden wetenschappers twee nanogrootte structuren van bijzonder belang: nanodraden en koolstof nanobuisjes. Nanodraden zijn draden met een zeer kleine diameter, soms zo klein als 1 nanometer. Wetenschappers hopen ze te gebruiken voor het bouwen van kleine transistors voor computerchips en andere elektronische apparaten. In de afgelopen paar jaar hebben koolstof nanobuisjes nanowires overschaduwd. We leren nog steeds over deze structuren, maar wat we tot nu toe hebben geleerd, is erg spannend.

Een koolstofnanobuisje is een cilinder met nanogrootte van koolstofatomen. Stel je een vel koolstofatomen voor, dat eruitziet als een vel zeshoeken. Als je dat vel in een buis rolt, zou je een koolstof nanobuis hebben. De eigenschappen van nanobuizen van koolstof zijn afhankelijk van hoe u het vel rolt. Met andere woorden, hoewel alle koolstofnanobuizen van koolstof zijn, kunnen ze heel verschillend van elkaar zijn, afhankelijk van hoe je de individuele atomen uitlijnt.

Met de juiste ordening van atomen kun je een koolstofnanobuis maken die honderden malen sterker is dan staal, maar zes keer lichter [bron: de ecoloog]. Technici zijn van plan om bouwmateriaal te maken van koolstofnanobuisjes, met name voor zaken als auto's en vliegtuigen. Lichtere voertuigen zouden een betere brandstofefficiëntie betekenen en de extra kracht vertaalt zich in een verhoogde veiligheid van de passagiers.

Koolstofnanobuizen kunnen ook effectieve halfgeleiders zijn met de juiste rangschikking van atomen. Wetenschappers zijn nog steeds bezig met het vinden van manieren om koolstofnanobuizen een realistische optie te maken voor transistors in microprocessors en andere elektronica.

In de volgende sectie zullen we kijken naar producten die gebruikmaken van nanotechnologie.

Grafiet versus diamanten

Wat is het verschil tussen grafiet en diamanten? Beide materialen zijn gemaakt van koolstof, maar beide hebben sterk verschillende eigenschappen. Grafiet is zacht; diamanten zijn moeilijk. Grafiet geleidt elektriciteit, maar diamanten zijn isolatoren en kunnen geen elektriciteit geleiden. Grafiet is ondoorzichtig; diamanten zijn meestal transparant. Grafiet en diamanten hebben deze eigenschappen vanwege de manier waarop de koolstofatomen zich op de nanoschaal aan elkaar hechten.

Producten met nanotechnologie

Ingrediënten zoals zinkoxide kunnen een witte glans achterlaten. Maar zonnebrandmiddelen met zinkoxide-nanodeeltjes wrijven onzichtbaar.

Ingrediënten zoals zinkoxide kunnen een witte glans achterlaten. Maar zonnebrandmiddelen met zinkoxide-nanodeeltjes wrijven onzichtbaar.

Je zult er misschien versteld van staan ​​hoeveel producten op de markt al baat hebben bij nanotechnologie.

Hoe nanotechnologie werkt: nanotechnologie

Bridgestone-technici hebben dit Quick Response Liquid Powder Display ontwikkeld, een flexibel digitaal scherm, dat gebruik maakt van nanotechnologie.
  • Zonnescherm - Veel zonnefilters bevatten nanodeeltjes zinkoxide of titaniumoxide. Oudere zonnebrandformules gebruiken grotere deeltjes, wat de meeste zonnebrandmiddelen hun witachtige kleur geeft. Kleinere deeltjes zijn minder zichtbaar, wat betekent dat wanneer u het zonnescherm in uw huid wrijft, het u geen witachtige tint geeft.
  • Zelfreinigend glas - Een bedrijf genaamd Pilkington biedt een product aan dat ze Activ Glass noemen, dat nanodeeltjes gebruikt om het glas te maken fotokatalytische en hydrofiele. Het fotokatalytische effect betekent dat wanneer UV-straling van licht op het glas valt, nanodeeltjes worden geactiveerd en organische moleculen op het glas (met andere woorden: vuil) beginnen af ​​te breken en los te maken. Hydrofiel betekent dat wanneer water in contact komt met het glas, het zich gelijkmatig over het glas verspreidt, waardoor het glas schoon wordt.
  • Kleding - Wetenschappers gebruiken nanodeeltjes om je kleding te verbeteren. Door stoffen te bekleden met een dunne laag zinkoxide nanodeeltjes, kunnen fabrikanten kleding maken die een betere bescherming tegen UV-straling biedt. Sommige kleding heeft nanodeeltjes in de vorm van kleine haartjes of snorharen die water en andere materialen afstoten, waardoor de kleding vlekbestendig is.
  • Krasbestendig coatings - Ingenieurs ontdekten dat het toevoegen van aluminiumsilicaat nanodeeltjes aan krasbestendige polymeercoatings de coatings effectiever maakte, waardoor de weerstand tegen chippen en krassen toeneemt. Krasbestendige coatings komen vaak voor van alles, van auto's tot brillenglazen.
  • Antimicrobiële verbanden - Wetenschapper Robert Burrell creëerde een proces om antibacteriële verbanden te maken met behulp van nanodeeltjes zilver. Zilverionen blokkeren de cellulaire ademhaling van microben [bron: Burnsurgery.org]. Met andere woorden, zilver smoort schadelijke cellen en doodt ze.

[bron: The Ecologist]

Nieuwe producten met nanotechnologie komen elke dag uit. Kreukbestendige weefsels, diep doordringende cosmetica, liquid crystal displays (LCD) en andere gemakken met behulp van nanotechnologie zijn op de markt. Binnenkort zullen we tientallen andere producten zien die profiteren van nanotechnologie, gaande van Intel-microprocessors tot bio-nanobatteriescondensatoren slechts enkele nanometers dik. Hoewel dit opwindend is, is het slechts het topje van de ijsberg wat betreft de manier waarop nanotechnologie ons in de toekomst kan beïnvloeden.

In de volgende sectie zullen we enkele van de ongelooflijke dingen bekijken die nanotechnologie voor ons kan hebben.-

Tennis, iemand?

Nanotechnologie maakt een grote impact op de tenniswereld. In 2002 introduceerde het tennisracketbedrijf Babolat het VS Nanotube Power-racket. Ze maakten het racket uit grafiet met koolstof nanobuisje, wat betekent dat het racket erg licht was, maar vele malen sterker dan staal. Ondertussen introduceerde tennisbalfabrikant Wilson de Double Core-tennisbal. Deze ballen hebben een coating van nanodeeltjes van klei op de binnenkern. De klei fungeert als afdichtmiddel, waardoor het erg moeilijk is voor lucht om aan de bal te ontsnappen.

De toekomst van nanotechnologie

Hoe nanotechnologie werkt: kunnen

In de wereld van "Star Trek," genoemd replicators kan praktisch elk fysiek object produceren, van wapens tot een dampende kop Earl Grey-thee. Al lang beschouwd als uitsluitend het product van science fiction, geloven sommige mensen dat replicators een zeer reële mogelijkheid zijn. Ze noemen het moleculaire productieen als het ooit realiteit wordt, kan het de wereld drastisch veranderen.

Atomen en moleculen kleven samen omdat ze complementaire vormen hebben die op elkaar aansluiten, of ladingen die aantrekken. Net zoals bij magneten, blijft een positief geladen atoom aan een negatief geladen atoom plakken. Aangezien miljoenen van deze atomen door nanomachines worden samengevoegd, zal een specifiek product vorm beginnen krijgen.Het doel van moleculaire productie is om atomen individueel te manipuleren en ze in een patroon te plaatsen om een ​​gewenste structuur te produceren.

De eerste stap zou zijn om nanoscopische machines te ontwikkelen, genaamd monteurs, dat wetenschappers kunnen programmeren om atomen en moleculen naar believen te manipuleren. Rice University Professor Richard Smalley wijst erop dat het een enkele nanoscopische machine miljoenen jaren zou kosten om een ​​zinvolle hoeveelheid materiaal te verzamelen. Om moleculaire productie praktisch te laten zijn, heb je biljoenen monteurs nodig die tegelijkertijd samenwerken. Eric Drexler is van mening dat monteurs zichzelf eerst kunnen repliceren door andere monteurs te bouwen. Elke generatie zou een nieuwe generatie bouwen, resulterend in exponentiële groei tot er voldoende assemblers zijn om objecten te produceren [bron: Ray Kurzweil].

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Assemblers kunnen bewegende delen hebben zoals de nanogears in deze concepttekening.

Triljoenen assemblers en replicators kunnen een gebied kleiner dan een kubieke millimeter vullen en kunnen nog steeds te klein zijn om te zien met het blote oog. Assembleurs en replicators kunnen samenwerken om automatisch producten te bouwen en kunnen uiteindelijk alle traditionele arbeidsmethoden vervangen. Dit kan de productiekosten enorm verlagen, waardoor consumptiegoederen overvloedig, goedkoper en sterker worden. Uiteindelijk kunnen we alles repliceren, inclusief diamanten, water en voedsel. Hongersnood kan worden uitgeroeid door machines die voedsel produceren om de hongerigen te voeden.

Nanotechnologie heeft mogelijk de grootste impact op de medische industrie. Patiënten zullen vloeistoffen drinken met nanorobots die geprogrammeerd zijn om aan te vallen en de moleculaire structuur van kankercellen en virussen reconstrueren. Er wordt zelfs gespeculeerd dat nanorobots het verouderingsproces kunnen vertragen of omkeren en de levensverwachting aanzienlijk zou kunnen stijgen. Nanorobots kunnen ook worden geprogrammeerd om delicate operaties uit te voeren, zoals nanosurgeons zou op een niveau kunnen werken dat duizend keer preciezer is dan het scherpste scalpel [bron: International Journal of Surgery]. Door op zo'n kleine schaal te werken, kan een nanobot opereren zonder de littekens achter te laten die conventionele chirurgie wel heeft. Bovendien kunnen nanorobots uw fysieke uiterlijk veranderen. Ze kunnen worden geprogrammeerd om cosmetische chirurgie uit te voeren, waarbij je je atomen herschikt om je oren, neus, oogkleur of een andere fysieke eigenschap die je wilt veranderen te veranderen.

Nanotechnologie kan een positief effect hebben op het milieu. Wetenschappers zouden bijvoorbeeld in de lucht nanorobots kunnen programmeren om de dunnere ozonlaag te herbouwen. Nanorobots konden verontreinigingen uit waterbronnen verwijderen en olieverliezen opruimen. Productiematerialen met behulp van de onderkant boven methode van nanotechnologie creëert ook minder vervuiling dan conventionele productieprocessen. Onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare bronnen zou verminderen met nanotechnologie. Het kappen van bomen, het kolenmijnen of het boren naar olie is misschien niet meer nodig - nanomachines zouden die bronnen kunnen produceren.

Veel nanotechnologiespecialisten zijn van mening dat deze toepassingen ruimschoots buiten het bereik van de mogelijkheid liggen, althans in de nabije toekomst. Ze waarschuwen dat de meer exotische toepassingen alleen theoretisch zijn. Sommigen maken zich zorgen dat nanotechnologie als virtuele realiteit zal eindigen - met andere woorden, de hype rondom nanotechnologie zal blijven toenemen totdat de beperkingen van het veld bekend worden en dan zal rente (en financiering) snel verdwijnen.

In de volgende sectie zullen we enkele van de uitdagingen en risico's van nanotechnologie bekijken.

Hoe nieuw is nanotechnologie?

In 1959 gaf natuurkundige en toekomstige Nobelprijswinnaar Richard Feynman een lezing aan de American Physical Society, getiteld "Er is genoeg ruimte aan de onderkant." De focus van zijn toespraak ging over het gebied van miniaturisatie en hoe hij geloofde dat de mens steeds kleinere, krachtige apparaten zou creëren.

In 1986 schreef K. Eric Drexler 'Engines of Creation' en introduceerde hij de term nanotechnologie. Wetenschappelijk onderzoek is het laatste decennium echt uitgebreid. Uitvinders en bedrijven lopen niet ver achter - vandaag hebben meer dan 13.000 octrooien die bij het Amerikaanse octrooibureau zijn geregistreerd het woord "nano" in zich [bron: Amerikaans octrooi- en merkenbureau].

Nanotechnologie Uitdagingen, risico's en ethiek

Hoe nanotechnologie werkt: hebben

De meest directe uitdaging in nanotechnologie is dat we op nanoschaal meer moeten leren over materialen en hun eigenschappen. Universiteiten en bedrijven over de hele wereld bestuderen rigoureus hoe atomen in elkaar passen om grotere structuren te vormen. We zijn nog steeds aan het leren hoe kwantummechanica stoffen op nanoschaal beïnvloedt.

Omdat elementen op nanoschaal zich anders gedragen dan in hun bulkvorm, bestaat de zorg dat sommige nanodeeltjes toxisch kunnen zijn. Sommige artsen maken zich zorgen dat de nanodeeltjes zo klein zijn dat ze gemakkelijk de bloed-hersenbarrière, een membraan dat de hersenen beschermt tegen schadelijke chemicaliën in de bloedbaan. Als we van plan zijn om nanodeeltjes te gebruiken om alles van onze kleding naar onze snelwegen te coaten, moeten we er zeker van zijn dat ze ons niet vergiftigen.

Nauw verwant met de kennisbarrière is de technische barrière. Om de ongelooflijke voorspellingen met betrekking tot nanotechnologie uit te laten komen, moeten we manieren vinden om producten op nanogrootte zoals transistors en nanodraden massaal te produceren. Hoewel we nanodeeltjes kunnen gebruiken om dingen te bouwen zoals tennisrackets en kreukvrije stoffen maken, kunnen we nog geen echt complexe microprocessorchips maken met nanodraden.

Er zijn ook een aantal ernstige sociale zorgen over nanotechnologie. Nanotechnologie kan ons ook toestaan ​​krachtiger wapens te maken, zowel dodelijk als niet dodelijk.Sommige organisaties maken zich zorgen dat we na de bouw van deze apparaten alleen de ethische implicaties van nanotechnologie in wapens zullen onderzoeken. Ze sporen wetenschappers en politici aan om zorgvuldig alle mogelijkheden van nanotechnologie te onderzoeken voordat ze steeds krachtigere wapens ontwerpen.

Als nanotechnologie in de geneeskunde het ons mogelijk maakt om ons fysiek te verbeteren, is dat ethisch? In theorie zou medische nanotechnologie ons slimmer en sterker kunnen maken en ons andere talenten geven, variërend van snelle genezing tot nachtzicht. Moeten we dergelijke doelen nastreven? Kunnen we onszelf menselijk blijven noemen, of worden we transmenselijk - de volgende stap op het evolutionaire pad van de mens? Aangezien bijna elke technologie begint als erg duur, zou dit betekenen dat we twee mensenrassen zouden creëren - een rijk ras van gemodificeerde mensen en een armere bevolking van ongewijzigde mensen? We hebben geen antwoorden op deze vragen, maar verschillende organisaties sporen nanowetenschappers aan om deze implicaties nu te overwegen, voordat het te laat is.

Niet alle vragen hebben betrekking op het veranderen van het menselijk lichaam - sommige hebben te maken met de wereld van financiën en economie. Als moleculaire productie een realiteit wordt, hoe zal dat de wereldeconomie beïnvloeden? Ervan uitgaande dat we alles wat we nodig hebben kunnen bouwen met een klik op de knop, wat gebeurt er met alle productiejobs? Als u alles kunt maken met behulp van een replicator, wat gebeurt er dan met valuta? Zouden we overstappen naar een volledig elektronische economie? Zouden we zelfs geld nodig hebben?

Of we al deze vragen daadwerkelijk moeten beantwoorden, is een kwestie van discussie. Veel experts denken dat zorgen zoals grijze goo en transhumans op zijn best voorbarig en waarschijnlijk onnodig zijn. Toch zal nanotechnologie ons zeker blijven beïnvloeden naarmate we meer leren over het enorme potentieel van de nanoschaal.

Volg de links op de volgende pagina voor meer informatie over nanotechnologie en andere onderwerpen.

Apocalyptische Goo

Eric Drexler, de man die het woord nanotechnologie introduceerde, presenteerde een angstaanjagende apocalyptische visie: zelfreplicerende nanorobots functioneerden niet goed en dreven zichzelf een biljoen keer om, waardoor de hele wereld snel werd verbruikt terwijl ze koolstof uit de omgeving trokken om meer van zichzelf te bouwen. Het heet de "grijze goo"scenario waarbij een synthetisch nanoformaat alle organisch materiaal vervangt. Een ander scenario bestaat uit nanodevices gemaakt van organisch materiaal dat de aarde vernietigt - de "groene goo" scenario.


Video Supplement: Nano Vloeistof: Vuil-, water- en insectenafstotend wondermiddel!.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com