Nanotehnoloogia

Nanotehnoloogia on teaduse ja tehnika haru, mis tegeleb väga väikeste (umbes nanomeetri suurusjärgus mõõtmetega) materjalide ja masinate, sealhulgas nanorobotite uurimise ja loomisega.
Algselt kirjeldati nanotehnoloogiat kui teadust, mille eesmärk oli läbi aatomite ja molekulidega manipuleerimise toota makroskaalas tooteid. Seda teadusharu nimetatakse tänapäeval molekulaarseks nanotehnoloogiaks. Üldistatum definitsioon nanotehnoloogiale määrati Ameerikas koostatud Rahvusliku Nanotehnoloogia Initsiatiivis, mis kirjeldab nanotehnoloogiat kui ainega manipuleerimist, mille vähemalt üks dimensioonidest jääb 1–100 nanomeetri vahele.
Nanotehnoloogias põimuvad omavahel erinevad elemendid traditsioonilistest teadusvaldkondadest nagu keemia, materjaliteadus, bioloogia ja füüsika . Sama mitmekesised on ka nanotehnoloogilised uuringud, mis varieeruvad alates olemasolevate tehnoloogiate täiustamisest kuni uute materjalide väljatöötamiseni.
Nanotehnoloogia abil on võimalik luua mitmeid uusi materjale, mida oleks võimalik kasutada näiteks meditsiinis ja elektroonikas, aga samas tõstatatakse nanotehnoloogilise arengu puhul samu küsimusi nagu teiste uute tehnoloogiate puhul, näiteks mõju kohta inimese tervisele ja looduskeskkonnale. Need küsimused on omakorda viinud aruteludeni, kas ja kuidas oleks vaja nanotehnoloogiat reguleerida. Nanotehnoloogia ohtude uurimisega tegeleb näiteks nanotoksikoloogia.
Ajalugu.
Ideedest, mis viisid nanotehnoloogia sünnini, räägiti esimest korda 1959. aastal, kui Richard Feynman kirjeldas oma loengus "Põhjas on palju ruumi" sünteesi võimalikkust otsese aatomite manipuleerimise teel . Terminit "nanotehnoloogia" kasutas esimest korda Norio Taniguchi 1974. aastal.
Nanotehnoloogia kui teadusharu hakkas arenema 1980. aastatel, kui valdkonnas toimus kaks suuremat läbimurret. Esimeseks oli skaneeriva tunnelmikroskoobi leiutamine 1981. aastal, mille abil oli võimalik näha üksikuid aatomeid ja nendevahelisi sidemeid ning 1989. aastal ka aatomitega manipuleerida. Skaneeriva tunnelmikroskoobi väljatöötajad Gerd Binning ja Heinrich Rohrer said selle töö eest 1986. aastal Nobeli füüsikaauhinna.
Teiseks läbimurdeks oli fullereenide avastamine 1985. aastal. C60 ei kirjeldatud algselt kui nanotehnoloogiat. Seda terminit hakati kasutama seoses hilisemate töödega, mis hõlmasid grafeenitorukesi, millele nähti potentsiaalset kasutust nanoelektroonikas ja -seadmetes.
2000. aastate alguses pälvis nanotehnoloogia üha rohkem tähelepanu teadlastelt, poliitikutelt ja üldsuselt ning see aitas nii valdkonda arendada kui viis ka sellega seotud vastuoludeni. Vastuolud tekkisid peamiselt nanotehnoloogia defineerimises ja selle mõjudes . Samal ajal hakkasid nanotehnoloogial põhinevad tooted üha rohkem üldkasutusse levima. 2000. aastate keskel puhkes õitsele suurem teaduslik huvi nanotehnoloogia vastu.
Rakendused.
Tänapäeval on tavakasutajatele kättesaadav üle 1600 nanotehnoloogial põhineva toote. Nanotehnoloogia areng on võimaldanud näiteks tennisepallidel kauem vastu pidada, golfipallidel sirgemalt lennata ning muutnud keeglikuule vastupidavamaks ja nende pealispinna tugevamaks. Sokkidesse ja aluspükstesse on põimitud nanotehnoloogilisi kiude, et pikendada nende esemete eluiga ja anda neile omadus temperatuuri reguleerida. Plaastreid seotakse hõbeda nanoosakestega selleks, et haavu kiiremini ravida. Tänu nanotehnoloogiale on mängukonsoolid ja arvutid muutunud odavamaks, võimsamaks ja on suurema mälumahuga. Nanotehnoloogia abil on võimalik olemasolevate meditsiiniliste aparaatide kasutamine muuta odavamaks ja paremini kättesaadavaks, mis võimaldaks neid kergemini kasutada ka perearstidel või kodus. Autosid toodetakse kasutades nanomaterjale selleks, et väheneks kütusetarbimine.
Nanoinnovatsioon hõlmab uute nanomõõtmetes avastuste ja leiutiste kasutuselevõttu. Värskemateks nanotehnoloogilisteks uuendusteks on näiteks ühe aatomi paksused 2D-materjalid nagu grafeen ja silitseen. Mitmed tänapäevased laiatarbeseadmed, näiteks nutitelefonid, päikeseelemendid ja patareid, kasutavad nanotehnoloogilisi lahendusi. Nanovooluringid ja nanomaterjalid võimaldavad uue generatsiooni sensorite ja kaasaskantavate arvutite loomist. Nanomeditsiini valdkonnas on peaaegu kõik viirusi käsitlevad uuendused nanomõõtmetes, sest enamik viirusi esineb just selles suurusjärgus.
Nanotehnoloogia alaliik, mis hõlmab nanotehnoloogia kasutamist elektroonikakomponentides, on nanoelektroonika. See on haru, mis tegeleb selliste nanoelektroonikakomponentide valmistamisega, mida kasutatakse mikroprotsessorites, mäludes, mikrokiipides, nimetatakse nanolitograafiaks.
Energeetika.
Energia tootmise ja hoiustamise võimaluste mitmekesistamisel nähakse võimalusi ka nanotehnoloogias. Energeetika rakendustes mängib tähtsat rolli nanolitograafia, mis tegeleb nanoelektroonika komponentide ja seadmete valmistamisega, mida kasutatakse mikroprotsessorites, mäludes, rakendusotstarbelistes mikroskeemides ning mille mõõtmed on alla 100 nanomeetri.
Tänapäeval parimad päikesepatareid koosnevad mitmetest laotud päikesevalgust neelavatest pooljuhtkihtidest. Päikesepaneelide maksimum efektiivsus alla 40% ja nanotehnoloogia abil loodetakse seda tõsta.
Ettevõte Dais Analytic on välja arendanud seadme ConsERV, mis kasutab nanopolümeeridel põhinevaid poolläbilaskvaid membraane, et suurendada kütte- ja jahutusseadmete efektiivsust. Poolläbilaskev membraan püüab kinni õhus lendlevad osakesed, kuid laseb läbi vee osakesi (niiskust). Sellisel polümeeridel põhineval metoodikal võib ka olla palju muid rakendusi industriaalses, kommertsiaalses ning ka sõjanduse valdkondades.
New Yorgis asustatud Applied NanoWork tegeleb LED lampide erivariandi loomisega, mida nimetatakse valgeks LED-iks. Valge LED koosneb anoodist ja katoodist, mille vahel on orgaanilised pooljuhikiled, mis asetsevad üksteisest ~100 nm kaugusel. Valgus tekkib elektrivoolu läbilaskmisel orgaaniliste kihtide vahel elektroluminestsentsi ja selle abil parandatakse saadava valguse spektraalseid omadusi.
Arvutite üheks olulisemaks komponendiks on kondensaator, mille ülesandeks on salvestada elektrilaengut. Kondensaatori ühendamisel elektriahelasse tekib selles olevate plaatide vahel elektriväli ja elektroodidele kogunevad elektrilaengud, mille tulemusena omandab üks elektrood positiivse ja teine negatiivse laengu. Nanotehnoloogia abiga on teadlased välja töötanud ultrakondensaatori ehk superkondensaatori, millel on suur mahtuvus (salvestub palju laengut) ning võime kiiresti tühjeneda ja laaduda. Superkondensaatorid leivad rakendust hübriidautodes, kus on vaja saada akudelt täiendavat energiat auto kiirendamiseks. Selleks, et salvestada kondensaatorisse palju laengust, on vaja, et tal oleks suur mahtuvus ning selleks, et oleks suur mahtuvus on vaja suurt pindala, kuhu laenguosakesed koguneda saaksid. Samuti peab "mahutav" materjal sisaldama poore, kus laengud liikuda saaksid.
Nanopoorsed süsinik aerogeelid on üks võtmematerjalidest, mida kasutatakse superkondensaatorite ehitamisel. Aerogeelide omadusi saab ka muuta, vähendades nende pooride läbimõõtu ja jaotust, mille tagajärjel muutuvad kondensaatori näitajad. Samuti kasutatakse sellel otstarbel süsiniknanotorusid (CNT-sid), mille suur pindala sobib väga hästi laengu salvestamiseks. CNT sünteesimine on seni aga veel raskesti reprodutseeritav ning hind kallis.
Ohtlikkus.
Üheks mureküsimuseks on kujunenud nanomaterjalide laiaulatusliku tootmise ja kasutamise mõju inimtervisele ja looduskeskkonnale. Seetõttu on pakutud välja, et nanotehnoloogia kasutust ja arendust peaksid reguleerima valitsused. Sellele on omakorda vastu vaieldud, kuna liiga tugev reguleerimine võib piirata teadustööd ja healoomuliste uuenduste arendust. Osadel nanotehnoloogilistel toodetel võivad olla soovimatud kõrvalmõjud. Teadlased on avastanud, et bakteriostaatilised hõbeda nanoosakesed, mida kasutatakse sokkides jalgade ebameeldiva lõhna vähendamiseks, satuvad pesemisel vette . Need osakesed satuvad seeläbi reoveesüsteemi ja võivad hävitada baktereid, mis võivad olla looduslike ökosüsteemide kriitilisteks osadeks.
Nanoosakeste võimalike kahjulike mõjude uurimisega tegeleb nanotoksikoloogia.