Hvordan Nanoteknologi Fungerer

{h1}

Nanoteknologi er videnskaben om at bygge maskiner på et subatomisk niveau. Lær om nanoteknologi og find ud af hvordan nanoteknologi udvikles.

Der er en hidtil uset tværfaglig konvergens mellem forskere dedikeret til studier af en verden så lille, vi kan ikke se det - selv med et lysmikroskop. Denne verden er nanoteknologiens område, atomer og nanostrukturer. Nanoteknologi jeg er så ny, ingen er helt sikker på, hvad der kommer af det. Alligevel spænder forudsigelser fra evnen til at gengive ting som diamanter og fødevarer til verden, der bliver fortæret af selvreplikerende nanoroboter.

For at forstå den usædvanlige verden af ​​nanoteknologi skal vi få en ide om de involverede måleenheder. En centimeter er en hundrededel af en meter, en millimeter er en tusindedel af en meter, og en mikrometer er en million meter, men alle disse er stadig store sammenlignet med nanoskalaen. EN nanometer (Nm) er en milliarddel af en meter, mindre end bølgelængden af ​​synligt lys og hundrede tusindedel bredden af ​​et menneskehår [kilde: Berkeley Lab].

Så lille som et nanometer er det stadig stort i forhold til atomskalaen. Et atom har en diameter på ca. 0,1 nm. Et atoms kerne er meget mindre - ca. 0,00001 nm. Atomer er byggestenene for al materie i vores univers. Du og alt omkring dig er lavet af atomer. Naturen har perfektificeret videnskaben om fremstillingsmateriale molekylært. For eksempel samles vores kroppe på en bestemt måde fra millioner af levende celler. Celler er naturens nanomachiner. På atomskalaen er elementerne på deres mest grundlæggende niveau. På nanoskalaen kan vi potentielt sætte disse atomer sammen for at gøre næsten alt.

I en foredrag kaldet "Små vidundere: Nanovidenskabens verden" sagde nobelpristageren Dr. Horst Störmer, at nanoskalaen er mere interessant end atomskalaen, fordi nanoskalaen er det første punkt, hvor vi kan samle noget - det er først, indtil vi begynd at sætte atomer sammen, så vi kan gøre noget nyttigt.

I denne artikel lærer vi om, hvad nanoteknologi betyder i dag og hvad nanoteknologiens fremtid kan indeholde. Vi vil også se på de potentielle risici, der følger med at arbejde på nanoskalaen.

I næste afsnit lærer vi mere om vores verden på nanoskalaen.

Nanoteknologiens verden

En ingeniør forbereder en siliciumwafer i et tidligt stadium af mikrochipproduktion.

En ingeniør forbereder en siliciumwafer i et tidligt stadium af mikrochipproduktion.

Eksperter er nogle gange uenige om hvad der udgør nanoskala, men generelt kan man tænke på nanoteknologi, der beskæftiger sig med alt, der måler mellem 1 og 100 nm. Større end det er mikroskalaen, og mindre end det er atomskalaen.

Nanoteknologi bliver hurtigt et tværfagligt område. Biologer, kemikere, fysikere og ingeniører er alle involveret i undersøgelsen af ​​stoffer ved nanoskalaen. Dr. Störmer håber, at de forskellige discipliner udvikler et fælles sprog og kommunikerer med hinanden [kilde: Störmer]. Først da siger han, kan vi effektivt undervise i nanovidenskab, da du ikke kan forstå nanoteknologiens verden uden en solid baggrund i flere videnskaber.

Et af de spændende og udfordrende aspekter af nanoskala er den rolle, som kvantemekanikerne spiller i den. Reglerne for kvantemekanik er meget forskellige fra klassisk fysik, hvilket betyder, at stoffers adfærd ved nanoskalaen nogle gange kan modsætte sig sund fornuft ved at opføre sig uretmæssigt. Du kan ikke gå op til en mur og straks teleportere til den anden side af den, men ved nanoskalaen kan en elektron kan - det hedder elektron tunneling. Stoffer, der er isolatorer, hvilket betyder, at de ikke kan bære en elektrisk ladning, i bulkform kan blive halvledere, når de reduceres til nanoskalaen. Smeltepunkterne kan ændre sig på grund af en stigning i overfladearealet. Meget af nanovidenskab kræver, at du glemmer, hvad du ved, og begynder at lære om igen.

Så hvad betyder alt dette? Lige nu betyder det, at forskere eksperimenterer med stoffer på nanoskalaen for at lære om deres egenskaber og hvordan vi måske kan udnytte dem i forskellige applikationer. Ingeniører forsøger at bruge nanostørrelser for at skabe mindre, mere kraftfulde mikroprocessorer. Læger søger efter måder at bruge nanopartikler i medicinske applikationer på. Vi har stadig en lang vej at gå, før nanoteknologi dominerer de teknologiske og medicinske markeder.

I det næste afsnit vil vi se på to vigtige nanoteknologiske strukturer: nanotråder og carbon nanorør.

-

Det er en lille verden efter alle

Ved nanoskala er objekter så små, at vi ikke kan se dem - selv med et lysmikroskop. Nanovidenskabere skal bruge værktøjer som scanning tunneling mikroskoper eller atomkraftmikroskop at observere noget ved nanoskalaen. Scanning tunneling mikroskoper bruger en svag elektrisk strøm til at sonde det scannede materiale. Atomiske kraftmikroskop scanner overflader med en utrolig fin spids. Begge mikroskoper sender data til en computer, som kan samle oplysningerne og projicere det grafisk på en skærm [kilde: Encyclopædia Britannica].

Nanodråber og carbon nanotubes

Hvordan Nanoteknologi fungerer: nanoskalaen

I øjeblikket finder forskerne to nanostørrelsesstrukturer af særlig interesse: nanotråde og carbon nanorør. Nanodrev er ledninger med en meget lille diameter, nogle gange så små som 1 nanometer. Forskere håber at bruge dem til at bygge små transistorer til computerchips og andre elektroniske enheder. I de sidste par år har kulstofnanorør overskygget nanotråde. Vi lærer stadig om disse strukturer, men det, vi har lært hidtil, er meget spændende.

En carbon nanorør er en nanostørrelsescylinder af carbonatomer. Forestil dig et ark med carbonatomer, som ville ligne et ark med hexagoner. Hvis du ruller arket i et rør, ville du have en carbon nanorør. Karbon nanorør egenskaber afhænger af, hvordan du ruller arket. Med andre ord, selv om alle carbon nanorør er lavet af kulstof, kan de være meget forskellige fra hinanden, baseret på hvordan du justerer de enkelte atomer.

Med det rette arrangement af atomer kan du oprette en carbon nanorør, der er hundreder gange stærkere end stål, men seks gange lettere [kilde: Økologen]. Ingeniører planlægger at lave byggematerialer ud af carbon nanorør, især for ting som biler og fly. Lette køretøjer ville betyde bedre brændstofeffektivitet, og den tilsatte styrke oversætter øget passagersikkerhed.

Carbon nanorør kan også være effektive halvledere med det rigtige arrangement af atomer. Forskere arbejder stadig på at finde måder at gøre carbon nanorør til en realistisk mulighed for transistorer i mikroprocessorer og anden elektronik.

I næste afsnit ser vi på produkter, der udnytter nanoteknologi.

Grafit vs Diamanter

Hvad er forskellen mellem grafit og diamanter? Begge materialer er lavet af kulstof, men begge har meget forskellige egenskaber. Grafit er blødt; diamanter er hårde. Grafit fører elektricitet, men diamanter er isolatorer og kan ikke lede elektricitet. Grafit er uigennemsigtig; diamanter er normalt gennemsigtige. Grafit og diamanter har disse egenskaber på grund af den måde, carbonatomerne binder sammen på nanoskalaen.

Produkter med nanoteknologi

Ingredienser som zinkoxid kan efterlade en hvidglans bagved. Men solcreme med zinkoxid nanopartikler smider på klart.

Ingredienser som zinkoxid kan efterlade en hvidglans bagved. Men solcreme med zinkoxid nanopartikler smider på klart.

Du kan måske blive overrasket over at finde ud af, hvor mange produkter på markedet der allerede nyder godt af nanoteknologi.

Hvordan Nanoteknologi fungerer: nanoteknologi

Bridgestone ingeniører udviklede denne Quick Response Liquid Powder Display, en fleksibel digital skærm, der bruger nanoteknologi.
  • Solcreme - Mange solcreme indeholder nanopartikler af zinkoxid eller titanoxid. Ældre solcreme formler bruger større partikler, hvilket er hvad der giver de fleste solcreme deres hvidlige farve. Mindre partikler er mindre synlige, hvilket betyder, at når du gnider solcreme ind i din hud, giver det dig ikke en hvidlig tinge.
  • Selvrensende glas - Et firma kaldet Pilkington tilbyder et produkt, de kalder Activ Glass, som bruger nanopartikler til at lave glasset fotokatalytisk og hydrofile. Den fotokatalytiske effekt betyder, at når UV-stråling fra lys rammer glasset, bliver nanopartiklerne aktiveret og begynder at bryde ned og løsne organiske molekyler på glasset (med andre ord snavs). Hydrofil betyder, at når vand kommer i kontakt med glasset, spredes det over glasset jævnt, hvilket hjælper med at vaske glasset rent.
  • Tøj - Forskere bruger nanopartikler til at forbedre dit tøj. Ved at belægge stoffer med et tyndt lag af zinkoxid nanopartikler, kan producenterne skabe tøj, der giver bedre beskyttelse mod UV-stråling. Nogle tøj har nanopartikler i form af små hår eller whiskers, der hjælper med at afstøde vand og andre materialer, hvilket gør tøjet pletbestandigt.
  • Modstandsdygtig mod ridser belægninger - Ingeniører opdagede, at tilsætning af aluminiumsilicat nanopartikler til ridsefast polymerbelægninger gjorde belægningerne mere effektive, hvilket øger modstanden mod chipping og ridser. Ridsebestandige belægninger er almindelige på alt fra biler til brilleglas.
  • Antimikrobielle bandager - Forsker Robert Burrell skabte en proces til fremstilling af antibakterielle bandager ved hjælp af nanopartikler af sølv. Sølv ioner blokerer mikrober 'cellulær respiration [kilde: Burnsurgery.org]. Med andre ord, sølv smører skadelige celler og dræber dem.

[kilde: økologen]

Nye produkter, der indeholder nanoteknologi, kommer ud hver dag. Rynke-resistente stoffer, dybt penetrerende kosmetik, LCD-skærme (LCD) og andre bekvemmeligheder, der bruger nanoteknologi, er på markedet. Før længe ser vi dusinvis af andre produkter, der udnytter nanoteknologi lige fra Intel mikroprocessorer til bio-nanobatteries, kondensatorer kun få nanometer tykke. Mens dette er spændende, er det kun toppen af ​​isbjerget, hvad nanoteknologi kan påvirke os i fremtiden.

I det næste afsnit vil vi se på nogle af de utrolige ting, som nanoteknologi kan holde for os.

Tennis, nogen?

Nanoteknologi har stor betydning for tennisverdenen. I 2002 introducerede tennisracketfirmaet Babolat VS Nanotube Power racket. De lavede racketen ud af carbon nanotube-infunderet grafit, hvilket betyder, at racketen var meget lys, men alligevel mange gange stærkere end stål. I mellemtiden introducerede tennisboldproducent Wilson Double Core tennisbolden. Disse bolde har en belægning af ler nanopartikler på den indre kerne. Leren fungerer som et fugemasse, hvilket gør det meget svært for luft at flygte fra bolden.

Nanoteknologiens fremtid

Hvordan Nanoteknologi fungerer: nanoskalaen

I verden af ​​"Star Trek" kaldes maskiner replikatorer kan producere praktisk talt ethvert fysisk objekt, fra våben til en dampende kop Earl Grey te. Langt anses for at være udelukkende produktet af science fiction, i dag tror nogle mennesker, at replikatorer er en meget reel mulighed. De kalder det molekylær fremstilling, og hvis det nogensinde bliver en realitet, kan det drastisk ændre verden.

Atomer og molekyler klæber sammen, fordi de har komplementære former, der låses sammen, eller afgifter, der tiltrækker. Ligesom med magneter vil et positivt ladet atom holde sig til et negativt ladet atom. Da millioner af disse atomer er sammenblandet af nanomachiner, begynder et bestemt produkt at tage form.Målet med molekylær fremstilling er at manipulere atomer individuelt og placere dem i et mønster for at producere en ønsket struktur.

Det første skridt ville være at udvikle nanoskopiske maskiner, kaldet montører, at forskere kan programmere at manipulere atomer og molekyler efter vilje. Rice University Professor Richard Smalley påpeger, at det ville tage en enkelt nanoskopisk maskine millioner af år at samle en meningsfuld mængde materiale. For at molekylær fremstilling skal være praktisk, ville du have brug for trillioner af montører, der arbejder sammen samtidigt. Eric Drexler mener, at montører først kunne replikere sig selv og bygge andre montører. Hver generation ville bygge en anden, hvilket resulterede i eksponentiel vækst, indtil der er nok montører til at producere genstande [kilde: Ray Kurzweil].

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Assemblers kan have bevægelige dele som nanogårene i denne koncepttegning.

Trillioner af montører og replikatorer kunne fylde et område mindre end en kubik millimeter og kunne stadig være for små til at vi kunne se med det blotte øje. Assemblers og replikatorer kunne arbejde sammen om automatisk at konstruere produkter og kunne i sidste ende erstatte alle traditionelle arbejdsmetoder. Dette kan betydeligt reducere produktionsomkostningerne og derved gøre forbrugsvarer rigelige, billigere og stærkere. Til sidst kunne vi replikere alting, herunder diamanter, vand og mad. Hungersnød kan udryddes af maskiner, der fremstiller fødevarer til at fodre de sultne.

Nanoteknologi kan have sin største indvirkning på medicinsk industri. Patienter vil drikke væsker indeholdende nanoroboter programmeret til at angribe og rekonstruere den molekylære struktur af kræftceller og vira. Der er endog spekulationer om, at nanoroboter kan sænke eller vende om aldringsprocessen, og forventet levealder kan stige betydeligt. Nanoroboter kunne også programmeres til at udføre delikate operationer - sådan nanosurgeons kunne arbejde på et niveau tusind gange mere præcist end den skarpeste skalpel [kilde: International Journal of Surgery]. Ved at arbejde på en så lille skala kan en nanorobot operere uden at forlade arene, som konventionel kirurgi gør. Derudover kan nanoroboter ændre dit fysiske udseende. De kunne programmeres til at udføre kosmetisk kirurgi, omarrangere dine atomer for at ændre dine ører, næse, øjenfarve eller enhver anden fysisk funktion, du ønsker at ændre.

Nanoteknologi har potentialet til at have en positiv indvirkning på miljøet. For eksempel kunne forskere programmere luftbårne nanoroboter for at genopbygge det udtyndende ozonlag. Nanoroboter kan fjerne forurenende stoffer fra vandkilder og rydde olieudslip. Fremstillingsmaterialer ved hjælp af bunden i vejret metode af nanoteknologi skaber også mindre forurening end konventionelle fremstillingsprocesser. Vores afhængighed af ikke-vedvarende ressourcer vil falde med nanoteknologi. Det kan ikke længere være nødvendigt at skære ned træer, minedriftskul eller olieboring - nanomachiner kunne producere disse ressourcer.

Mange nanoteknologiske eksperter føler, at disse applikationer ligger godt uden for mulighederne, i det mindste i overskuelig fremtid. De advarer om, at de mere eksotiske applikationer kun er teoretiske. Nogle bekymrer sig over, at nanoteknologi vil ende op som den virtuelle virkelighed - med andre ord vil den hype omkring nanoteknologi fortsætte med at bygge, indtil markets begrænsninger bliver offentlig viden, og så vil interesser (og finansiering) hurtigt sprede sig.

I næste afsnit ser vi på nogle af udfordringerne og risiciene ved nanoteknologi.

Hvor nyt er nanoteknologi?

I 1959 fortalte fysiker og fremtidens nobelprisvinder Richard Feynman et foredrag til det amerikanske fysiske samfund, der hedder "Der er rigeligt med plads på bunden". Fokuset på hans tale handlede om miniaturiseringsområdet, og hvordan han troede, at mennesket ville skabe stadig mindre og kraftfulde enheder.

I 1986 skrev K. Eric Drexler "Motions of Creation" og introducerede begrebet nanoteknologi. Videnskabelig forskning er virkelig udvidet i løbet af det sidste årti. Opfindere og virksomheder er ikke langt bagud - i dag har mere end 13.000 patenter registreret hos U.S. Patent Office ordet "nano" i dem [kilde: U.S. Patent and Trademark Office].

Nanoteknologi Udfordringer, Risici og Etik

Hvordan Nanoteknologi fungerer: fungerer

Den mest umiddelbare udfordring inden for nanoteknologi er, at vi skal lære mere om materialer og deres egenskaber ved nanoskalaen. Universiteter og virksomheder over hele verden studerer rigeligt hvordan atomer passer sammen til større strukturer. Vi lærer stadig om, hvordan kvantemekanik påvirker stoffer ved nanoskalaen.

Fordi elementer på nanoskalaen opfører sig anderledes, end de gør i deres bulkform, er der en bekymring for, at nogle nanopartikler kan være toksiske. Nogle læger bekymrer sig om, at nanopartiklerne er så små, at de let kunne krydse blod hjerne barrieren, en membran, der beskytter hjernen mod skadelige kemikalier i blodbanen. Hvis vi planlægger at bruge nanopartikler til at belægge alt fra vores tøj til vores motorveje, skal vi være sikre på, at de ikke vil forgifte os.

Nært relateret til videnbarrieren er den tekniske barriere. For at de utrolige forudsigelser vedrørende nanoteknologi skal gå i opfyldelse, må vi finde måder at massere producere nanostørrelsesprodukter på som transistorer og nanotråde. Mens vi kan bruge nanopartikler til at bygge ting som tennisrackete og lave rynkefrie stoffer, kan vi endnu ikke gøre meget komplekse mikroprocessorchips med nanotråde.

Der er også nogle stærke sociale bekymringer for nanoteknologi. Nanoteknologi kan også give os mulighed for at skabe mere kraftfulde våben, både dødelige og ikke-dødelige.Nogle organisationer er bekymret for, at vi kun kommer rundt for at undersøge de etiske implikationer af nanoteknologi i våben efter at disse enheder er bygget. De opfordrer videnskabsfolk og politikere til nøje at undersøge alle mulighederne for nanoteknologi, før de udvikler mere magtfulde våben.

Hvis nanoteknologi i medicin gør det muligt for os at forbedre os fysisk, er det etisk? I teorien kunne medicinsk nanoteknologi gøre os klogere, stærkere og give os andre evner lige fra hurtig helbredelse til nattesyn. Skal vi forfølge sådanne mål? Kunne vi fortsætte med at kalde os menneske, eller vil vi blive transhuman - det næste skridt på menneskets evolutionære vej? Da næsten alle teknologier starter som meget dyre, ville det betyde, at vi ville skabe to racer af mennesker - et velhavende race af modificerede mennesker og en fattigere befolkning af uændrede mennesker? Vi har ikke svar på disse spørgsmål, men flere organisationer opfordrer indtrængende nanoscientists til at overveje disse konsekvenser nu, før det bliver for sent.

Ikke alle spørgsmål indebærer at ændre menneskekroppen - nogle handler om økonomi og økonomi. Hvis molekylær fremstilling bliver en realitet, hvordan vil det påvirke verdens økonomi? Forudsat at vi kan bygge alt, hvad vi har brug for ved et klik på en knap, hvad sker der med alle produktionsjob? Hvis du kan oprette noget ved hjælp af en replikator, hvad sker der med valuta? Ville vi flytte til en fuldstændig elektronisk økonomi? Skal vi endda bruge penge?

Uanset om vi faktisk skal svare på alle disse spørgsmål, er det et spørgsmål om debat. Mange eksperter mener, at bekymringer som grå goo og transhumans i bedste fald er for tidlige og sandsynligvis unødvendige. Ikke desto mindre vil nanoteknologi helt sikkert fortsætte med at påvirke os, da vi lærer mere om det enorme potentiale i nanoskalaen.

For at lære mere om nanoteknologi og andre emner, følg linkene på næste side.

Apokalyptisk Goo

Eric Drexler, manden, der introducerede ordet nanoteknologi, præsenterede en skræmmende apokalyptisk vision - selvopbyggende nanoroboter fungerede, og duplicerede sig selv en trillion gange og spredte hurtigt hele verden, idet de trækker kulstof fra miljøet for at bygge mere af sig selv. Det hedder "grå goo"scenario, hvor en syntetisk nano-størrelse enhed erstatter alt organisk materiale. Et andet scenario involverer nanodevices lavet af organisk materiale, der udsletter jorden - det "green goo" scenarie.


Video Supplement: SÅDAN HOLDER DU DINE SKO RENE! (NANO PROTECTOR).




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com