Nanotehnoloģija

Nanotehnoloģija jeb nanozinātne (no grieķu: νᾶνος (nânos) — 'punduris') ir tehnoloģijas un zinātnes nozare, kurā tiek pētītas struktūras, kuru izmēri ir salīdzināmi ar atomu un molekulu izmēriem, tas ir, to izmēri ir mērāmi nanometros (10⁻⁹ m; miljardā daļa no metra). Nanoobjektu izmēri ir robežās no 1 līdz 100 nm (lielākus priekšmetus par 100 nm neuzskata par nanoobjektiem). Nanoizmēru materiālus var izgatavot, izmantojot divas metodes: salipinot kopā molekulu pēc molekulas (no mazākiem objektiem) vai sasmalcinot lielākus objektus. Tomēr lai arī cik strauji mūsdienās nenotiktu tehnoloģiju miniaturizācija, tā nevar notikt bezgalīgi, jo viena no objektu dabiskajām samazināšanas robežām nosaka vielas pamatsastāvdaļas, tas ir, atomu izmēri, kas ir aptuveni 0,1 nanometrs.
Nanotehnoloģijā uzkrātās zināšanas tiek pielietotas fizikā, ķīmijā, bioloģijā, ģenētikā un citās zinātnes nozarēs. Nanotehnoloģija ir salīdzinoši jauna zinātnes nozare, bet tā mūsdienās ļoti strauji attīstās un sniedz daudzsološu nākotnes vīziju zinātnē. Nanoobjektiem klasiskās fizikas likumi bieži vien ir nepietiekoši, tādēļ ka, atšķirībā no makroskopiskiem ķermeņiem, uz nanoobjektiem iedarbojas kvantu mehānikas likumi, kas tiem piešķir daudz jaunu fizikālu un ķīmisku īpašību. Tieši tās varētu būt nozīmīgas elektronikas, telesakaru, medicīnas, bioinženierijas un citu zinātņu turpmākā attīstībā.
Plaši tiek diskutēts arī par nanotehnoloģijas iespējami negatīvo ietekmi uz dabu, vidi un pasauli kopumā. Centrālais jautājums, par ko zinātnieki diskutē ir nanomateriālu ietekme uz vidi un par to iespējamo toksiskumu.

Realizētie pielietojumi

Nanotehnoloģiju pielietojums nav tikai nākotnes vīzija, kura atgādina zinātnisko fantastiku. Tās piedāvātās iespējas jau realizē mūsdienās. Ir saražoti visdažādākie uz nanotehnoloģijām balstīti produkti, piemēram, ar nanodaļiņām apstrādātas antibakteriālās zeķes un palagi, ar nanocaurulītēm bagātinātas tenisa raketes un boulinga bumbas, pašattīrošās krāsas, Saules baterijas un tā tālāk.
Viens no agrākajiem nanotehnoloģiju pielietojumiem ir krāsas. Viduslaikos (un iespējams jau romiešu laikā) vitrāžu attēla iekrāsošanai izmantoja zelta nanodaļiņu krāsas atkarību no to izmēriem. Tā laika amatnieki prata izgulsnēt nepieciešamā izmēra zelta nanodaļiņas no koloidāliem šķīdumiem ar lielu izmēra precizitāti. Smalki samaltu zelta pulveri šķīdināja "Aqua Regia", karaļūdenī (HCl/HNO₃). Izgulsnējot zelta hlorīdu piejauca stiklam un pēc uzsildīšanas tajā izveidojās zelta nanodaļiņas. Zelta nanodaļiņas 25 nanometru izmērā ir ar pārsteidzoši spilgtu sarkanu krāsu, kas ir redzama vitrāžās. Mūsdienās nanodaļiņu krāsas atkarību no izmēra izmanto, piemēram, bioloģisko molekulu marķēšanai.
Enerģētikā 2007. gada beigās amerikāņu un vācu kompānija "Nanosolar" paziņoja par to, ka tā sāk savas produkcijas piegādi. "Nanosolar" ir uz nanotehnoloģijām balstītu Saules bateriju ražotājs un tā ražo īpaši lētas Saules baterijas ar prognozējamām elektrības izmaksām 0,5 lati par vatu un ar prognozējamo bateriju dzīves laiku 25 gadu apmērā. Ražošanā izmantots CuInₓGa(1−x)Se₂ sakausējums, kuru uzklāj plānā kārtiņā, izmantojot tintes printerim līdzīgu iekārtu, tādējādi ietaupot gan uz izmantotā materiāla rēķina, gan uz ražošanas izmaksām. Tomēr jāatzīst, ka šo bateriju lietderības koeficients nav ļoti liels un ir ap 7%. Laboratorijā ir radītas baterijas ar lietderības koeficientu 45% un tāpēc varētu sagaidīt šīs tehnoloģijas turpmāku attīstību.
Medicīnā nanotehnoloģijas tiek izmantotas, izgatavojot pretbakteriālas zeķes, kabatslakatus, palagus, dvieļus utt. Visplašāk izmanto sudraba nanodaļiņas pretbakteriālai darbībai vai cinka oksīda nanodaļiņas smaku nomākšanai. Sudrabs uz baktēriju virsmas darbojas kā katalists oksidēšanās reakcijām. Šīs tehnoloģijas efektivitāte un nekaitīgums veselībai ir maz apspriests temats un šie jautājumi nav īsti skaidri.
Celtniecībā nanotehnoloģijas izmanto pašattīrošas virsmas izgatavošanā. Vairākas kompānijas ražo ar titāna dioksīdu bagātinātas krāsas, kurām piemīt pašattīrošas īpašības. Saules gaismas ietekmē TiO₂ darbojas kā fotokatalists oksidācijas reakcijām, kuru rezultātā sašķeļas, piemēram, tauku molekulas, kas vēlāk lietus ietekmē tiek noskalotas no virsmas.
Kosmētikā tiek izgatavoti pretiedeguma krēmi. Nanodaļiņu optiskās īpašības nosaka to izmēri. Var izveidot nanodaļiņas, kas efektīvi absorbēs elektromagnētiskā spektra ultravioletā diapozonā un tādējādi var būt izmantotas pretiedeguma krēmos. Līdz ar to var tikt piemeklētas nanodaļiņas ar citām lietderīgām īpašībām, piemēram, caurspīdīgumu redzamajā diapozonā vai smaka. Bieži izmantotas ir cinka oksīda vai titāna dioksīda nanodaļiņas. Tomēr strīdīgs jautājums paliek par šādu krēmu drošību veselībai, jo ir neskaidra nanodaļiņu uzvedība uz ādas.
Sportā sevišķi izturīgas slēpes, tenisa raketes vai boulinga bumbas izgatavo no oglekļa nanocaurulītēm, kas palielina materiāla stiprību.

Bioloģiskā atdarināšana

Dabiskās evolūcijas rezultātā daba ir izstrādājusi daudzus efektīvus mehānismus un struktūras. Vairāki no tiem ir iespaidojuši cilvēku radītās ierīces. Visraksturīgākais piemērs varētu būt lidaparātu izveide, kurus attīstot cilvēki jau no Leonardo da Vinči (ja ne no Ikara) laikiem kopēja putna spārnus. Vēl daži piemēri ir gaismas atstarotāji, kuri izveidoti pētot kaķa acs spīdēšanu tumsā un līplentas aizdare ("Velcro"), kas izgudrota pētot to kā dadži pielīp suņa spalvai.
Mūsdienās bioloģiskā atdarināšana, ko sauc arī par bioniku, ir kļuvusi par atsevišķu zinātnes nozari un nanobionika par tās sastāvdaļu.
Gekoni ir mazas ķirzakas, kas dzīvo siltā klimatā. Daudzām no to sugām ir interesanta spēja viegli pārvietoties pa vertikālām virsmām, piemēram, māju sienām vai pat pa griestiem. Sākotnējie centieni izskaidrot gekonu pārvietošanos balstījās uz pieņēmumiem par īpašu šķidrumu izmantošanu gekonu pēdās, kas ļautu pārvietoties vertikāli vai nu pielīpot, vai nu izmantojot virsmas spraigumu. Taču nekādas šķidrumu pēdas uz virsmas netika atklātas. Tikai nesen augstas izšķirtspējas mikroskopi parādīja, ka gekona pēdas ir pārklātas ar daudziem blīvi izvietotiem maziem matiņiem, kuru diametrs ir tikai ap 200 nanometriem. Šāds mehānisms ļauj ievērojami palielināt pēdu saskares laukumu ar mikroskopiski nelīdzenām virsmām un izmanto vājo van der Vālsa mijiedarbību, lai noturētos uz vertikālām sienām. Pašreiz šo metodi pielieto, izmantojot polimēru tehnoloģijas matiņu imitācijai un tiek veidotas ierīces, kas spēj pārvietoties pa sienām vai pie sienas līpoši cimdi, kas pagaidām, tiesa, nav pietiekoši labi, lai noturētu cilvēku. Cits pielietojums šādai virsmai ir līmlenta bez līmes.
Lotosa efekts ir lotosa lapu pašattīrošās īpašības. Lotosa lapas ir pārklātas ar mikroskopiskiem nelīdzenumiem, kuri neļauj slapināt lapu. Ūdens pilieni ripojot pa lotosa virsmu noskalo uz tās esošos netīrumus un citus svešķermeņus. Tiek ražots šo īpašību imitējošs audums neslapināma apģērba ražošanai ("Nano Care").
Daudzu tauriņu spārni izceļas ar savu spožumu un krāsainību. Tauriņu spārni pārklāti ar nanometru mēroga kārtiņām, kas gaismas difrakcijas un interferences rezultātā atstaro spožas krāsas. Atšķirībā no ķīmiskām krāsvielām, tauriņa spārni neizbalē. Šādu tehnoloģiju cenšas imitēt krāsu ražošanā, veidojot slāņainu krāsu. Iespējams izveidot materiālu, kura krāsa mainās to izstiepjot.
Vairāki gliemeži veido gliemežvākus, kas ir ļoti cieti un kuros neattīstās plaisas. Arī haizivs zobiem ir līdzīgas īpašības. Vairākas zinātnieku grupas cenšās imitēt šo procesu ar acīmredzamu pielietojumu. To sauc par biomineralizāciju.
Flagella ir tieva, gara pavedienveida struktūra uz šūnu virsmas, kas nodrošina šūnu kustību viciņai rotējot. Viciņa ir ievietota caurumā šūnas apvalkā un var brīvi griezties, atgādinot to, kā griežas riteņu ass. Šis kustības veids ir ļoti oriģināls un neku citur dabā netiek tālāk attīstīts, tāpēc pēdējos gados tā ir piesaistījusi ar zinātni nesaistītu cilvēku plašu uzmanību, pateicoties strīdiem par tās izcelsmi starp zinātniekiem un kreacionistiem (pasaules radīšanas piekritējiem). Viciņu griež miniatūrs darbināms bioloģisks motors, kurš ir tikai 20 nanometrus liels. Elektroķīmiskais gradients (protonu dzinējspēks) un ATF enerģija motorā nodrošina H⁺ vai Na⁺ jonu plūsmu, kas rada griezes spēka momentu un viciņu.