Czym jest nanotechnologia?

Czym jest nanotechnologia?

Nanotechnologia to wykorzystanie materii na poziomie atomowym, molekularnym i supramolekularnym. Ma ona wiele zastosowań i zrewolucjonizowała naukę i inżynierię. Ta dziedzina zrodziła tysiące wynalazków i odkryć. Nanotechnologia jest obecnie wykorzystywana w niemal każdej dziedzinie i przemyśle, w tym w medycynie i elektronice.

Nanoskala

Nanotechnologia to zastosowanie zasad nauki i inżynierii do zjawisk w nanoskali. Struktury o rozmiarach nanometrowych istnieją naturalnie i są przedmiotem licznych zastosowań technologicznych. Chociaż nanostruktury były zaangażowane w wiele technologii, dopiero w ostatnim ćwierćwieczu ich właściwości zostały aktywnie zmodyfikowane. Istnieje wiele korzyści z nanotechnologii, a ten artykuł nakreśli kilka z nich.

Nanotechnologia skupia się na fundamentalnie różnych właściwościach materii w nanoskali. Właściwości nanoskali różnią się od właściwości pojedynczych atomów i materii masowej, a nanotechnologia ma na celu zrozumienie tych nowych właściwości i wykorzystanie ich w nowych materiałach i urządzeniach. Nanotechnologia może prowadzić do ulepszonych materiałów, urządzeń i procesów.

Nanotechnologia ma potencjał do przekształcenia opieki zdrowotnej i medycyny. Zastosowanie nanotechnologii może prowadzić do stopniowych zmian w wykrywaniu, monitorowaniu i implantacji chorób. Różne organizacje rządowe i pozarządowe uznały potencjalne zagrożenia związane z nanotechnologią. Organizacje te ustanowiły również wytyczne promujące bezpieczeństwo w tej dziedzinie.

Inżynierowie mogą wykorzystać ulepszoną reaktywność w nanoskali, aby stworzyć lepsze katalizatory, bardziej wydajne baterie i lepsze ogniwa paliwowe. Zwiększona powierzchnia materiałów w nanoskali poprawia efektywność katalizy i przyspiesza reakcje chemiczne. Ponadto nowoczesne katalizatory mogą zużywać mniej metali szlachetnych i zmniejszać zanieczyszczenie powietrza.

Nanotechnologia

Termin nanotechnologia opisuje wykorzystanie elementów w skali nano w produkcji urządzeń elektronicznych i biomedycznych. Używa się go również do opisania technik, które wykorzystują systemy biologiczne do wytwarzania struktur nanoskalowych. Typowym przykładem tego typu technologii jest terapia genowa, która polega na manipulowaniu poszczególnymi genami w celu leczenia pacjentów. Naukowcy opracowują nowe narzędzia, które pomogą im eksperymentować z różnymi metodami leczenia, w tym narzędzia, które rozciągają i manipulują sekcjami DNA. Narzędzia te mają potencjał do produkcji nanorobotów, które są niezwykle małymi urządzeniami, które mogą wchodzić w interakcje z innymi komponentami.

Nanotechnologia jest zwykle określana przez inżynierów elektrycznych, którzy myślą o niej jako o nauce tworzenia rzeczy małych. Na przykład tranzystory stają się coraz mniejsze, co pozwala im działać na wyższych częstotliwościach przy jednoczesnym zużyciu mniejszej mocy. Materiały można również dalej dzielić i czynić mniejszymi w porównaniu z ich pierwotnym rozmiarem, co pozwala inżynierom projektować lepsze urządzenia, które zużywają mniej energii.

Jest jednak wiele obaw dotyczących przyszłości nanotechnologii. Po pierwsze, ważne jest postrzeganie tej technologii przez społeczeństwo. Chociaż może ona sprawić, że produkty będą bardziej przystępne cenowo, nanotechnologia może również stworzyć problemy społeczne, takie jak zwiększenie ubóstwa i nierówności dochodów. Ponadto może prowadzić do zakłóceń w produkcji produktów, które wcześniej były zakazane w niektórych krajach.

Nanotechnologia to nieuchwytny termin, który trudno zdefiniować. Jest to wschodząca dziedzina nauki, która bada zjawiska, materiały i procesy w skalach długości mniejszych niż 100 nm. Technologia ta okazała się szczególnie przydatna w dziedzinie neuronauki i badania mózgu. Otworzyła nowe drogi do zrozumienia i leczenia zaburzeń neurologicznych.

Nanocząstki

Nanocząstki są małymi, uniwersalnymi cząstkami, które mogą przyłączać się do białek i innych cząsteczek. Cząstki te mogą pomóc w wykrywaniu wczesnych stadiów choroby, poprawić czułość tradycyjnych czujników i zmniejszyć koszty. Nanocząstki złota, na przykład, mogą wykrywać komórki rakowe. Stają się one coraz bardziej popularne w dziedzinie biomedycyny.

Cząstki te nie są toksyczne w małych ilościach, ale ich wysoki stosunek powierzchni do masy może stanowić zagrożenie dla zdrowia. Mogą też łączyć się z toksycznymi związkami i wnikać do komórek, wywołując nieznane reakcje chemiczne. Nanomateriały stwarzają również warunki do agregacji cząstek, powodując powstawanie większych cząstek. Jest to potencjalnie niebezpieczne narażenie, ale jest mało prawdopodobne w większości procesów produkcyjnych.

W latach 50. fizyk Richard Feynman wyobraził sobie nanotechnologię. Wyobraził sobie świat, w którym Encyklopedia Britannica mogłaby być napisana na główce szpilki. Ostatecznie opracował nanorurki węglowe, które były niezwykle wytrzymałe i lekkie.

Nanotechnologia jest również wykorzystywana w dziedzinie medycyny regeneracyjnej. Nowe materiały naśladują strukturę mineralną ludzkiej kości i mogą być wykorzystywane jako żywica odbudowująca w zastosowaniach stomatologicznych. Naukowcy opracowują również nanocząstki, które mogą syntetyzować leki przeciwnowotworowe. Opracowywane są nanocząstki zawierające metale, które mogą pomóc w obrazowaniu i leczeniu różnych nowotworów. Nanotechnologia jest również wykorzystywana w rozwoju narzędzi i urządzeń diagnostycznych point-of-care.

Nanocząstki mogą być wykorzystywane do tworzenia nowych produktów, które mają pozytywny wpływ na świat. Nanocząstki mogą być również wykorzystywane jako czujniki do wykrywania patogenów i innych zanieczyszczeń w żywności. Nanocząstki te są nietoksyczne i stabilne w wysokich temperaturach, co czyni je świetnym dodatkiem do przemysłu spożywczego.

Nanorurki

Nanorurki to elastyczne materiały, które mogą być wykorzystywane w wielu zastosowaniach, w tym w zastosowaniach biomedycznych i bioinżynieryjnych. Struktury te są zwykle wykonane z DNA i mogą być tworzone za pomocą kilku metod. Jedna z tych metod polega na wykorzystaniu struktur w stylu plastra miodu. Technika ta może być stosowana do produkcji nanorurek z jednoniciowym DNA.

Nanorurki węglowe mają puste wnętrza, które są przydatne do osłony przed środowiskiem. Ta właściwość czyni je doskonałymi kandydatami do biosensorów i urządzeń elektronicznych. Mogą być również wypełnione różnego rodzaju nanomateriałami w celu zwiększenia ich funkcjonalności. Nanorurki są również odpowiednim materiałem do wyładowań elektrostatycznych.

Nanorurki węglowe to cienkie materiały w kształcie walca wykonane z węgla. Ściany tych materiałów składają się z jednowarstwowych atomów węgla, a ich średnice mierzone są w nanometrach. Materiały te mają wiele zastosowań, od magazynowania energii po cienkowarstwową elektronikę. W rezultacie nanorurki węglowe mają potencjał, aby zrewolucjonizować wiele dziedzin.

Nanotechnologia DNA

Nanotechnologia DNA to proces syntezy struktur wielkości nanometra przy użyciu DNA. Ta nowa technologia może transportować i organizować różne cząsteczki biologiczne. Jest już wykorzystywana do opracowywania reprogramowalnych funkcjonalnych urządzeń i czujników. Zwiększa również aktywność kaskad enzymatycznych. Nanostruktury DNA mogą być wykorzystywane do tworzenia skomplikowanych kształtów. Na przykład, model Rothemunda DNA origami może być używany do składania długich pasm DNA.

Oprócz osiągnięcia zastosowań biomedycznych, nanostruktury DNA mogą być również używane jako pojazdy do dostarczania toksycznych leków do guzów. Biokompatybilność i niska cytotoksyczność DNA czynią go idealnym do takich zastosowań. Inne korzyści płynące z nanotechnologii DNA obejmują jego niezwykłe właściwości rozpoznawania cząsteczek, unikalne nano-wymiary jego jednostki powtarzającej się oraz możliwość dostosowania długości nici. Ponadto synteza nanostruktur DNA pozwala na ich niestandardowy rozmiar i kształt, a te właściwości sprawiają, że są one idealne do wielu zastosowań biomedycznych.

Nanotechnologia DNA jest wschodzącą dziedziną w biomedycynie i ma wiele potencjalnych zastosowań. Po raz pierwszy została opracowana przez Chena i Seemana w 1991 roku, gdzie zsyntetyzowali kostkę DNA. Struktura ta była drucianym sześcianem złożonym z dziesięciu nici DNA z podwójnymi helikami na jego krawędziach. Później Zhang i Seeman wyprodukowali oktaedr DNA, natomiast grupa Goodmana opracowała czworościan DNA. Ponadto Wang i współpracownicy opracowali wielościany DNA z lepkimi końcami.

Jednym ze sposobów syntezy nanorurek DNA jest proces zwany osadzaniem szablonu DNA. Technika ta polega na przeniesieniu szablonu DNA na powierzchnię metalu i wyhodowaniu go w nanodrut. Proces ten powoduje powstanie ciągłej i gładkiej struktury, która zwiększa przewodnictwo elektryczne. Aby usprawnić ten proces, naukowcy opracowali skuteczne strategie, które można wykorzystać do ulepszenia procesu przygotowania.

Wpływ na środowisko

Nanotechnologia to szybko rozwijająca się dziedzina obejmująca różnorodne technologie i metody, które działają w nanoskali. Jest ona ważnym narzędziem w rozwoju innowacyjnych metod i produktów, które mogą poprawić stan środowiska i zaoszczędzić energię. Na przykład, nanocząstki mogą poprawić filtrację wody, syntezę zielonej energii i degradację tworzyw sztucznych. Mogą być również wykorzystywane do detoksykacji szkodliwych chemikaliów i barwników.

EPA zaczęła finansować badania nad nanomateriałami, pozwalając naukowcom zbadać wpływ tych związków na zdrowie i środowisko. Naukowcy oczekują, że nanotechnologia doprowadzi w końcu do nowych metod oczyszczania zanieczyszczonych miejsc. Pozostaje jednak wiele pytań dotyczących jej wpływu na środowisko. Naukowcy powinni kontynuować badania nad długoterminowymi skutkami nanotechnologii dla środowiska, aby upewnić się, że nie stworzy ona szkodliwego wpływu.

Publiczny niepokój związany z nanotechnologią koncentruje się na potencjalnych negatywnych skutkach dla zdrowia ludzkiego i środowiska. Podczas gdy technologia ta ma wiele zastosowań, niektórzy martwią się, że może ona doprowadzić do gospodarki post-scarcity i może poszerzyć przepaść w bogactwie między krajami rozwiniętymi i rozwijającymi się. Niestety, nikt nie zbadał w pełni wpływu nanotechnologii na społeczeństwo. Jednak już teraz toczy się debata nad tym, czy regulacje rządowe powinny być bardziej rygorystyczne niż te, które rządzą konwencjonalnymi technologiami.

Długoterminowy wpływ nanomateriałów na środowisko zależy od składu chemicznego materiału rdzeniowego i warstwy powierzchniowej. Podczas gdy większość nanomateriałów jest w stanie wytrzymać warunki środowiskowe, niektóre są bardziej odporne na degradację niż inne. Nanomateriały metalowe mogą rozpadać się po użyciu i ostatecznie stać się częścią środowiska.