Nanotèknologi

Nanotèknologi, uga dicekak dadi nanotèk, yaiku panggunaan zat ing skala atom, molekul, lan supramolekuler kanggo keperluan industri. Deskripsi nanotèknologi sing paling awal lan nyebar diarani target tèknologi tartamtu kanthi persis manipulasi atom lan molekul kanggo nggawé produk makroskop, uga saiki diarani nanotèknologi molekuler . Katrangan nanotèknologi sing luwih umum banjur digawé dening Inisiatif Nanotèknologi Nasional, sing nemtokaké nanotèknologi minangka manipulasi matéri kanthi paling ora siji dimensi ukuran saka 1 nganti 100 nanometer . Definisi iki nggambaraké kasunyatan manawa èfèk mekanik kuantum penting ing skala kuantum iki, mula definisi kasebut pindhah saka target tèknologi tartamtu menyang kategori risèt kabè jinis risèt lan tèknologi sing gegayutan karo sipat-sipat khusus matéri sing kedadéyan ing ngisor ambang ukuran sing diwenehaké. Mula umumé ndeleng bentuk jamak "nanotèknologi" uga "tèknologi skala nano" kanggo ngrujuk ing panliten lan aplikasi sing wiyar sing asipat umum yaiku ukuran.
Nanotèknologi kaya sing ditegesaké kanthi ukuran umumé jembar, kalebu bidang ilmu sing beda-beda kaya ilmu permukaan, kimia organik, biologi molekuler, fisika semikonduktor, panyimpenan énérgi, teknik, mikrofabrikasi, lan teknik molekul . Riset lan aplikasi sing ana gandhengané beda-beda, wiwit saka ekstensi piranti fisika konvensional nganti pendekatan sing anyar adhedhasar pamrograman molekul, saka ngembangaké bahan anyar kanthi dimensi ing skala nano kanggo ngontrol langsung matéri ing skala atom.
Saiki para ilmuwan debat babagan implikasi nanotèknologi ing mangsa ngarep . Nanotèknologi bisa uga nggawé akéh bahan lan piranti anyar kanthi aplikasi sing akéh, kayata ing nanomedisin, nanoèlèktronik, produksi énérgi biomatérial, lan produk konsumén. Saliyané, nanotèknologi nuwuhaké akéh masalah sing padha karo tèknologi anyar, kalebu keprihatinan babagan keracunan lan pengaruh lingkungan nanomatérial, lan pengaruh potensial ing ekonomi global, uga spekulasi babagan macem-macem skenario kiamat. Keprihatinan kasebut nyebabaké debat ing antarané klompok advokasi lan pamrentah manawa ana peraturan khusus nanotèknologi sing dibutuhaké.
Konsep-konsep sing nyebaraké nanotèknologi pisanan dibahas ing taun 1959 dening ahli fisika terkenal Richard Feynman ing ceramahé There's Plenty of Room at the Bottom, ing endi dheweke nerangaké kemungkinan sintesis liwat manipulasi langsung atom.
Tembung "tèknologi nano" pisanan digunakaké dening Norio Taniguchi ing taun 1974, sanajan ora dingerteni kanthi wiyar. Diilhami dening konsep Feynman, K. Eric Drexler nggunakaké istilah "nanotèknologi" ing bukune Engines of Creation: The Era Coming of Nanotechnology ing taun 1986, sing ngusulaké ide "assembler" skala nano sing bakal bisa nggawé salinan dhewe lan item liyané sing rumit kanthi sewenang-wenang kanthi kontrol atom. Uga ing taun 1986, Drexler dadi pendiri The Foresight Institute (sing wis ora ana gandhengané manéh) kanggo nambah kesadaran lan pangerten masarakat babagan konsep lan implikasi nanotèknologi.
Munculé nanotèknologi minangka lapangan ing taun 1980-an kedadéyan liwat konvergensi karya teoretis lan publik Drexler, sing ngembangaké lan nganakaké kerangka konseptual kanggo nanotèknologi, lan kemajuan eksperimen kanthi visibilitas dhuwur sing narik kawigaten kanthi wiyar babagan prospek kontrol atom saka prekara Ing taun 1980an, rong trobosan utama nyebabaké tuwuhing nanotèknologi ing jaman modern. Kaping pisanan, panémuan mikroskop tunneling scanning ing taun 1981 sing nyedhiyakaké visualisasi atom lan ikatan individu sadurunge, lan sukses digunakaké kanggo ngapusi atom individu ing taun 1989. Pangembang mikroskop Gerd Binnig lan Heinrich Rohrer ing Laboratorium Penelitian Zurich nampa Bebungah Nobel Fisika ing taun 1986. Binnig, Quate lan Gerber uga nyipta mikroskop atom ing taun kasebut.
Kapindho, fullerene ditemokaké ing taun 1985 dening Harry Kroto, Richard Smalley, lan Robert Curl, sing bareng-bareng menang Hadiah Nobel Kimia taun 1996. C 60 wiwitané ora kasebut minangka nanotèknologi; istilah iki digunakaké gegayutan karo karya sabanjuré karo nanotube karbon sing ana gandhengané (asring diarani tabung graphene utawa tabung Bucky) sing nyaranaké aplikasi potensial kanggo èlèktronik lan piranti skala nano. Panémuan nanotube karbon umumé disebabaké Sumio Iijima saka NEC ing taun 1991, Iijima menang Bebungah Kavli 2008 ing Nanosains.
Lapisan dhasar nano prapatan logam-semikonduktor (M-S prapatan) transistor wiwitanipun ngajokakén dening A. Rose ing 1960, lan difabrikasi dening L. Geppert, Mohamed Atalla lan Dawon Kahng taun 1962. Puluhan taun mengko, kemajuan tèknologi multiguna mbisakaké skala alat transistor èfèk medhia-oksida-semikonduktor (MOSFET) nganti level skala nano luwih cilik tinimbang dawa gerbang 20 nm, diwiwiti karo FinFET (transistor èfèk lapangan fin), MOSFET gerbang dobel, ora planar, telung dimensi. Ing UC Berkeley, tim peneliti kalebu Digh Hisamoto, Chenming Hu, Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor lan liya-liyané nggawé piranti FinFET dadi 17 proses nm ing taun 1998, banjur 15 nm ing 2001, lan banjur 10 nm taun 2002.
Ing wiwitan taun 2000an, lapangan kasebut nambah perhatian ilmiah, politik, lan komersial sing nyebabaké kontroversi lan kemajuan. Kontroversi muncul babagan definisi lan implikasi potensial nanotèknologi, sing conto saka laporan Royal Society babagan nanotèknologi. Tantangan ditrapaké babagan kelayakan aplikasi sing dibayangaké dening para pendukung nanotèknologi molekuler, sing pungkasané ana debat publik antarané Drexler lan Smalley ing taun 2001 lan 2003.
Sawetara iku, komersialisasi produk adhedhasar kemajuan tèknologi skala nano wiwit berkembang. Produk kasebut diwatesi mung kanggo akéh aplikasi nanomatérial lan ora kalebu kontrol atom tumrap zat. Sawetara conto kalebu platform Silver Nano kanggo nggunakaké nanopartikel perak minangka agen antibakteri, sunscreens transparan adhedhasar nanopartikel , penguatan serat karbon nggunakaké nanopartikel silika, lan nanotube karbon kanggo tekstil tahan noda.
Pamrentah pindhah kanggo promosi lan dana risèt menyang nanotèknologi, kayata ing AS karo Inisiatif Nanotèknologi Nasional, sing nggawé formal definisi nanotèknologi adhedhasar ukuran lan nggawé dana kanggo risèt nanoscale, lan ing Eropa liwat Program Framework Eropa kanggo Riset lan Pangembangan Tèknologi. Ing pertengahan 2000-an, perhatian ilmiah anyar lan serius wiwit berkembang. Proyèk muncul kanggo ngasilaké roadmap nanotèknologi sing fokus ing manipulasi matéri kanthi presisi atom lan ngrembug babagan kapabilitas, target, lan aplikasi sing ana lan sing diprakiraké.
Ing taun 2006, tim peneliti Korea saka Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) lan National Nano Fab Center nggawé MOSFET 3 nm, piranti nanoèlèktronika paling cilik ing donya. Iki adhedhasar tèknologi FinFET gerbang kabeh-sakiwa-sakiwa tengene (GAA). Swara sewidak negara nggawé program pamrentah lan pengembangan nanotèknologi (R&D) ing antarané taun 2001 lan 2004. Pendanaan pamrentah ngluwihi belanja perusahaan kanggo R&D nanotèknologi, kanthi umumé dana saka perusahaan sing adhedhasar ing Amerika Serikat, Jepang lan Jerman. Lima organisasi paling dhuwur sing nduwé paten intèlèktual paling akéh babagan R&D nanotèknologi ing antarané taun 1970 lan 2011 yaiku Samsung Electronics (2.578 paten pertama), Nippon Steel (1.490 paten pertama), IBM (1.360 paten pertama), Toshiba (1.298 paten pertama) lan Canon ( 1,162 paten pisanan). Lima organisasi paling dhuwur sing nerbitaké makalah ilmiah paling akéh babagan risèt nanotèknologi antara taun 1970 lan 2012 yaiku Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, ilmiah nasional de la recherche scientifique, Universitas Tokyo lan Universitas Osaka.
Nanotèknologi minangka teknik sistem fungsional ing skala molekul. Iki kalebu karya lan konsep saiki sing luwih maju. Ing pangertene asline, nanotèknologi nuduhaké kemampuan sing diproyèksikan kanggo nyusun barang saka ngisor nganti ndhuwur, nggunakaké teknik lan alat sing dikembangaké saiki kanggo nggawé produk kanthi performa tinggi.
Siji nanometer (nm) ana samilyar, utawa 10 , meter. Miturut perbandingan, karbon-karbon khas, utawa let antarané iki atom ing molekul, ana ing sawetara 0.12–0.15 nm lan DNA pindho helix wis diameteripun watara 2 nm Saliyané, wujud urip seluler paling cilik, bakteri saka genus Mycoplasma, udakara 200 dawané nm. Miturut konvensi, nanotèknologi dijupuk minangka skala skala 1 to 100 nm sawise definisi sing digunakaké dening Inisiatif Nanotèknologi Nasional ing AS. Watesan ngisor ditemtokaké kanthi ukuran atom (hidrogen duwé atom paling cilik, udakara seperempat diameter kinetik nm) amarga nanotèknologi kudu nggawé piranti saka atom lan molekul. Watesan ndhuwur luwih utawa kurang sewenang-wenang, nanging ukurané ing ngisor iki yaiku fenomena sing ora diamati ing struktur sing luwih gedhé mula katon jelas lan bisa digunakaké ing piranti nano. Fenomena anyar kasebut ndadékaké nanotèknologi beda karo piranti sing mung versi miniatur saka piranti makroskopik sing padha; piranti kasebut ana ing skala sing luwih gedhé lan ana ing ngisor katrangan mikrotèknologi .
Kanggo nyelehaké skala kasebut ing konteks liyané, ukuran komparasi nanometer dadi meter padha karo ukuran marmer karo ukuran bumi. Utawa cara liya kanggo nyelehaké: nanometer yaiku jumlah jenggot rata-rata manungsa nalika dheweke mundhak cukur ing pasuryan. Rong pendekatan utama digunakaké ing nanotèknologi. Ing pendekatan "ngisor", bahan lan piranti dibangun saka komponén molekul sing nglumpukaké kimia kanthi prinsip pangenalan molekul . Ing pendekatan "top-down", obyek nano dibangun saka entitas sing luwih gedhé tanpa kontrol level atom. Wilayah fisika kayata nanoèlèktronik, nanomekanik, nanofotonik lan nanoionik wis ngalami évolusi sak sawetara dekade pungkasan kanggo nyedhiyani madegé ngelmu dhasar saka nanotekologi.
Amarga macem-macem aplikasi potensial (kalebu industri lan militer), pamrentah wis nandur modal miliaran dolar kanggo risèt nanotèknologi. Sadurunge 2012, AS nandur modal $ 3,7 milyar nggunakaké Inisiatif Nasional Nanotèknologi, Uni Eropa nandur modal $ 1,2 milyar, lan Jepang nandur modal $ 750 yuta. Luwih saka sewidak negara nggawé program risèt lan pengembangan nanotèknologi (R&D) antara taun 2001 lan 2004. Ing 2012, AS lan UE masing-masing nandur modal $2.1 miliar babagan risèt nanotèknologi, banjur Jepang nganggo $1.2 miliar . Investasi global tekan $7.9 miliar ing taun 2012. Pendanaan pemerintah ngluwihi belanja R&D perusahaan kanggo risèt nanotèknologi, yaiku $10 miliar ing taun 2012. Peluang R&D perusahaan paling gedhé yaiku saka AS, Jepang lan Jerman sing nyumbang gabungan $7.1 miliar.
Organisasi risèt nanotèknologi paling dhuwur miturut patèn (1970–2011)
Organisasi risèt nanotèknologi paling dhuwur kanthi publikasi ilmiah (1970–2012)
Ing tanggal 21 Agustus 2008, Proyèk Nanotèknologi ana luwih saka 800 produk nanotek sing diidentifikasi produsen kasedhiya ing publik, kanthi sing anyar tekan pasar kanthi kecepatan 3-4 saben minggu. Proyèk kasebut nyathet kabèh produk ing basis data online sing bisa diakses publik. Umumé aplikasi diwatesi nggunakaké nanomatérial pasif "generasi pertama" sing kalebu titanium dioksida ing tabir surya, kosmetik, lapisan permukaan, lan sawetara produk panganan; Alotrop karbon digunakaké kanggo ngasilaké tape toke; perak ing kemasan panganan, sandhangan, disinfektan lan peralatan rumah tangga; seng oksida ing tabir surya lan kosmetik, lapisan ndhuwur, cat lan perabot ruangan; lan cerium oksida minangka katalis bahan bakar.
Aplikasi luwih lanjut ngidini bal tenis supaya luwih dawa, bal golf bisa mbukak luwih cepet, lan uga bola bowling dadi luwih awet lan duwé permukaan sing luwih angel. Celana panjang lan kaos sikil wis diresepaké karo nanotèknologi supaya bisa tahan luwih suwé lan nggawé wong adhem nalika musim panas. Balutan diinfus nganggo nanopartikel perak supaya luwih cepet nyuda. Konsol game video lan komputer pribadi bisa uga luwih murah, luwih cepet, lan ngemot luwih akéh amarga nanotèknologi. Uga, kanggo mbangun struktur ing komputerisasi chip kanthi cahya, kayata pangolahan informasi kuantum optik chip, lan transmisi informasi pikosetik.
Nanotèknologi bisa uga duwé katrampilan supaya aplikasi medis sing ana saiki luwih murah lan luwih gampang digunakaké ing papan kaya kantor praktisi umum lan ing omah. Mobil lagi diproduksi nganggo nanomatérial dadi bisa mbutuhaké logam kurang lan kurang bahan bakar kanggo mbesuk. Para ilmuwan saiki ngupayakaké tèknologi nanotèknologi kanggo nyoba ngembangaké mesin diesel kanthi asap knalpot sing luwih resik. Platinum saiki digunakaké minangka katalis mesin diesel ing mesin kasebut. Pemangkin bahan yaiku ngresiki partikel asap. Kaping pisanan, katalis pengurangan digunakaké kanggo njupuk atom nitrogen saka molekul NOx kanggo mbebasaké oksigen. Sabanjuré katalis oksidasi ngoksidasi hidrokarbon lan karbon monoksida dadi karbon dioksida lan banyu. Platinum digunakaké ing katalis pengurangan lan oksidasi. Nggunakaké platinum, iku ora èfisièn yen larang lan ora berkelanjutan. Inovasi perusahaan Denmark Fonden nandur modal DKK 15 yuta kanggo nggoleki pengganti katalis anyar nggunakaké nanotèknologi. Tujuan proyèk kasebut, diluncuraké ing musim gugur 2014, yaiku nggedhekaké area permukaan lan minimalaké jumlah matéri sing dibutuhaké. Obyek cenderung nyilikaké énérgi permukaan; rong tetes banyu, contoné, bakal gabung dadi siji gulung lan nyuda area lumahing. Yen area permukaan katalis sing kena uap knalpot maksimal, èfisiènsi katalis bakal maksimal. Tim sing nggarap proyèk iki yakuwi nggawé nanopartikel sing ora bakal digabung. Saben lumahing dioptimalaké, matéri bakal disimpen. Mangkono, nggawé nanopartikel iki bakal nambah èfèktifitas katalis mesin diesel sing diasilaké - mula bakal nyebabaké asap knalpot sing luwih resik - lan bakal nyuda biaya. Yen sukses, tim ngarep-arep bisa nyuda panggunaan platinum nganti 25%.
Nanotèknologi uga nduwéni peran penting ing bidang Teknik Tisu sing berkembang kanthi cepet. Nalika ngrancang scaffolds, peneliti nyoba niru fitur skala nano saka mikroen lingkungan sel kanggo ngarahaké diferensiasi menyang garis keturunan sing cocog. Contoné, nalika nggawé scaffolds kanggo nyengkuyung tuwuhing balung, peneliti bisa uga niru jugangan resorpsi osteoklas. Peneliti wis sukses nggunakaké nanobot adhedhasar DNA Origami sing bisa nindakaké fungsi logika kanggo nggayuh pangiriman obat sing ditargetaké ing kecoak. Ditulis manawa kekuwatan komputasional nanobot kasebut bisa ditingkataké nganti Commodore 64 .
Area sing dadi perhatian yaiku pengaruh sing dienggo saka manufaktur industri lan panggunaan nanomatérial kanggo kesehatan manungsa lan lingkungan, kaya sing disaranaké dening risèt nanotoksikologi. Amarga alasan kasebut, sawetara klompok menehi saran supaya nanotèknologi diatur dening pamrentah. Wong liya negesaké manawa overregulasi bakal nyegah risèt ilmiah lan pangembangan inovasi sing migunani. Agensi risèt kesehatan umum , kayata Institut Nasional kanggo Keselamatan lan Kesehatan Pekerjaan aktif nindakaké risèt babagan èfèk kesehatan potensial sing diwiwiti saka eksposur nganti nanopartikel.
Sawetara produk nanopartikel bisa uga ana akibat sing ora dikarepaké. Peneliti nemokaké manawa nanopartikel perak bakteriostatik sing digunakaké ing kaos sikil kanggo nyuda ambune sikil lagi diluncuraké. Partikel kasebut banjur disiramaké menyang aliran banyu limbah lan bisa ngrusak bakteri sing dadi komponén kritis ekosistem alam, peternakan, lan proses pangolahan limbah.
Musyawarah umum babagan pemahaman risiko ing AS lan Inggris sing ditindakaké dening Pusat Nanotèknologi ing Masyarakat nemokaké manawa para peserta luwih positif babagan nanotèknologi kanggo aplikasi énérgi tinimbang aplikasi kesehatan, kanthi aplikasi kesehatan nambah dilema moral lan etika kayata biaya lan kasedhiyan. Para ahli, kalebu direktur Proyèk Woodrow Wilson Center babagan Nanotèknologi Muncul David Rejeski, wis menehi kesaksian manawa komersialisasi sing sukses gumantung marang pengawasan sing cukup, strategi risèt risiko, lan keterlibatan umum. Berkeley, California saiki dadi siji-sijine kutha ing Amerika Serikat sing ngatur nanotèknologi; Cambridge, Massachusetts ing taun 2008 nganggep ngetrapaké undang-undang sing padha, nanging pungkasané nolak.
Nanofiber digunakaké ing pirang-pirang wilayah lan ing macem-macem produk, saka kabèhsayap pesawat nganti rakét tenis. Nyedhot nanopartikel udhara lan nanofiber bisa nyebabaké pirang-pirang penyakit paru -paru, kayata fibrosis . Peneliti nemokaké manawa tikus ambegan ing nanopartikel, partikel kasebut mapan ing otak lan paru-paru, sing nyebabaké peningkatan biomarker kanggo inflamasi lan reaksi stres lan nanopartikel nyebabaké penuaan kulit liwat stres oksidatif ing tikus tanpa rambut.
Panaliten rong taun ing Sekolah Kesehatan Umum UCLA nemokaké tikus lab sing ngonsumsi nano-titanium dioxide nuduhaké kerusakan DNA lan kromosom derajat "ana gandhengané karo kabèhpembunuh manungsa, yaiku kanker, penyakit jantung, penyakit neurologis lan penuaan".
Sinau utama sing diterbitaké anyar ing Nanotèknologi alam nyaranaké sawetara bentuk nanotube karbon - bocah poster kanggo "revolusi nanotèknologi" - bisa uga mbebayani kaya asbes yen dihirup kanthi jumlah cukup. Anthony Seaton saka Institut Kedokteran Pakaryan ing Edinburgh, Skotlandia, sing nyumbang kanggo artikel babagan nanotube karbon ujar manawa "Kita ngerti manawa ana sing bisa duwé mesothelioma. Dadi macem-macem bahan kasebut kudu ditangani kanthi tliti. " Tanpa anané peraturan tartamtu sing bakal teka saka pamrentah, Paull and Lyons (2008) njaluk ora kalebu nanopartikel sing direkayasa ing panganan. Artikel koran nglaporaké manawa para pekerja ing pabrik cat nandhang penyakit paru-paru serius lan nanopartikel ditemokaké ing paru-parune.