Aplicatii Nanotehnologie [PDF]

Zitiervorschau

Desi momentan doar un procent redus din populatia globului detine cunostinte legate de acest domeniu , revolutia pe care nanotehnologia anunta sa o realizeze , face ca oamenii de stiinta sa o considere ,,a doua revolutie industriala ” , vizand la scara planetara toate aspectele vietii si impunandu-se ca domeniul de cea mai mare actualitate. Aceasta tehologie a viitorului , domeniile sale conexe si gama larga de aplicabilitate , definesc in prezent aria tehnologica cu cel mai ridicat indice de dezvoltare din istoria industriala. Aceasta tehologie a viitorului , domeniile sale conexe si gama larga de aplicabilitate , definesc in prezent aria tehnologica cu cel mai ridicat indice de dezvoltare din istoria industriala. Nanotehnologia inseamna controlul si utilizarea anumitor materiale la nivel molecular, proces care atribuie materiei proprietati noi si necunoscute, deschizand simultan alte posibilitati de utilizare a unor materiale despre care se credea ca s-a descoperit totul. Reprezinta stiinta si tehnologia care se ocupa cu cercetarea, producerea si utilizarea de substante cu structuri ultrafine, modificate la nivel nanometric. Se spunea în anii trecuti ca viitorul va depinde de capacitatea de a manipula cu precizie materia la scara milionimilor de milimetru, altfel spus, la scara nano a lumii. Dar cum va arata acest viitor? Este greu de raspuns la aceasta întrebare , dar noi va vom prezenta , în cele ce urmeaza , cateva produse , domenii de aplicare si avantaje ale nanotehnologiei. Innobilarea materialelor prin nanotehnologie se manifesta in prezent in majoritatea domeniilor de productie cu impact major in evolutia societatii. Spre exemplu, innobilarea nano in domeniul constructiilor este ideala pentru: acoperisuri si plafoane, subsoluri si pivnite, fatade, pereti, fundatii, podele, pavaje, statui, balcoane si terase, hornuri, piscine si cazi, indiferent de materialul folosit : beton, caramida, ciment, gresie, granit, tigla, lemn, teracota, oferind protectie superperformanta impotriva tuturor factorilor daunatori si influentelor nocive ale mediului ajutand in acelasi timp la mentinerea calitatilor fizice si a aspectului initial pentru un timp indelungat. Tratarea nanotehnologica din domeniul auto implica tratarea jantelor, a suprafetelor lacuite sau vopsite, a celor cromate sau din plastic, din material textil sau piele din interiorul autoturismelor, a sticlei si plexiglass-ului utilizat pentru fabricarea geamurilor acestora. Gama variata de produse acopera cu succes multiple segmente de activitate precum: operatiuni de reabilitare si ingrijire a spatiilor verzi, de dezinfectare a spitalelor, a scolilor si a centrelor alimentare si de ingrijire, de protectie si curatare a obiectelor din sticla, ceramica si email, a materialelor textile si din piele, a tesaturilor, a tapiteriilor, a mobilierului si accesoriilor. Protectia si innobilarea nano are de asemenea rol anti-igrasie , anti-infiltratii , anti-mucegai si anti-alge pentru suprafete interioare si exterioare si orice alte suprafete expuse.

   

- spectru foarte larg de aplicabilitate - intretinere usoara textile si pielarie - curatare mai rara a materialelor - curatare vizibila si durabila

                  

 

- caracteristici anti-adezive - curatare fara efort - auto-curatare - conserva suprafetele pe termen lung - usor de utilizat si la indemana - inofensive pentru alimente - protectie anti – coroziune - Ph neutru pentru piele - efect anti-amprente - efect anti-bacterian - protejare indelungata anti-intemperii - economie in bugetul de cheltuieli - protectie fata de micro-zgarieturi - mentinere valorica indelungata - tolerat de personele alergice - protectie anti-grafit - costuri reduse Raportand costurile reduse ale materialelor nanotehnologice la durata indelungata de protejare a materialelor va rezulta un beneficiu important: economie semnificativa. Reunind aspectele prezentate anterior, nanotehnologia deschide drumul catre viitor, catre noi piete si noi domenii de utilizare privind tratarea diverselor tipuri de suprafete si materiale, favorizand totodata o abundenta de noi aplicatii in multiple sectoare de activitate. Prin cumulul extraordinar de bogat de beneficii pe care le prezinta, nanomaterialele sunt din ce in ce mai utilizate. Companii internationale de prestigiu deja inglobeaza nanomateriale in produsele lor finite, datorita costului mai redus al produselor si a calitatii si durabilitatii sporite. Conform clasamentului rezultat in urma unui studiu desfasurat de catre Forbes, nanomaterialele aflate in primele 10 pozitii sunt din domeniul auto, al cosmeticii, produse sportive si de uz casnic (textile, electrocasnice, etc.).

I.

INTRODUCERE Dezvoltarea ştiinţei a demonstrat că cele mai spectaculoase progrese se obţin prin cercetare pluridisciplinară, situată la graniţa dintre diferite discipline. Cu cât numărul acestor discipline concurente este mai mare, cu atât este mai rapidă dezvoltarea noii ştiinţe iar impactul pe care îl va avea asupra societăţii va fi mai mare. Dicţionarul Webster defineşte cuvântul “nanotehnologie” ca fiind “arta manipulării unor dispozitive minuscule, de dimensiuni moleculare”. Nanotehnologia a fost iniţial introdusă pentru a furniza o ţintă concretă acurateţei pentru procesele de fabricaţie care implică finisări de ultraprecizie, cum ar fi: tăieri ultrafine, diverse tipuri de prelucrare (procesare) cu fascicule energetice, utilizând

II.

fascicule de fotoni, electroni sau ioni, evaporarea în strat subţire, corodări superficiale ultrafine, etc. De la prezentarea conceptului de nanotehnologie în anul 1974 la Tokyo, acesta a câştigat teren atât în Europa cât şi în S.U.A., referindu-se aici la ştiinţa fenomenelor la scară atomică. Cercetarea ştiinţifică este evident necesară întrucât nanotehnologia nu poate avea succes fără o înţelegere ştiinţifică de bază a fenomenelor petrecute la scară atomică. Noua tehnologie va transforma produsele de fiecare zi şi modul în care sunt fabricate prin manipularea atomilor astfel încât materialele să poată fi micşorate, îmbunătăţite şi uşurate în acelaşi timp. Deşi modeste, produsele actuale bazate pe nanotehnologie, precum ţesături rezistente la pete şi ambalaje pentru alimente proaspete, care au intrat pe piaţă, oameniii de ştiinţă estimând că nanotehnologia va juca un rol deosebit de important în viitor. Lucrarea de faţă îşi propune să realizeze o trecere în revistă a unora dintre “dispozitivele minuscule” şi modalităţi de realizare cu ajutorul acestora a diferitelor produse, păşind astfel într-o nouă eră a tehnicii de vârf. 1.1. Scurta istorie a nanotehnologiei La 29 decembrie 1959, laureatul premiului Nobel, Richard Feynman în cuvântarea intitulată “There is Plenty of Room at the Bottom” în cadrul întrunirii anuale a Societăţii Americane de Fizică, a făcut prima aluzie la nanotehnologie, referindu-se la avantajele încă neexplorate ale miniaturizării. În cuvântarea sa, el a descris o disciplină menită a manipula unităţi de materie din ce in ce mai mici, permiţând aranjarea atomilor după bunul plac al cercetătorilor. Această viziune a fizicianului este considerată de multă lume ca fiind prima discuţie ştiinţifică despre nanotehnologie. Cu toate acestea, abia in 1974 termenul de nanotehnologie a fost adoptat de catre Universitatea Norio Taniguchi din Tokyo. Taniguchi a delimitat ingineria la scala micrometrica – asa numita micro-tehnologie – de o noua inginerie, de aceasta data la nivel sub micrometric, pe care a numit-o nanotehnologie. Pentru încă un deceniu, nanotehnologia a rămas departe de cunostinţa publicului larg. Apoi, în 1986, fizicianul american K. Eric Drexler, a scris “Engines of Creation”, carte considerată de majoritatea ca fiind cursul de bază al nanotehnologiei, creând nanochimia ca ramură a nanotehnologiei, domeniu menit a schimba radical în câteva decenii, toate laturile fundamentale ale vieţii omenirii.În timp ce Drexler îşi scria cartea, cercetătorii de la Universitatea Rice studiau o molecula bizară. Prin evaporarea carbonului şi condensarea acestuia într-un gaz inert, Richard Smalley şi echipa sa au observat cum carbonul a format cristale extrem de stabile formate din cate şase atomi. Au observat cum cristalele impart structura cunoscută sub numele de “minge de fotbal”, folosită în domesticele geodesice ale arhitectului R. Buckminster, şi şi-au numit descoperirea "buckminsterfullerene", denumire scurtată apoi la "fullerene" sau "buckyball".“Buckyball” rămâne ca cea mai importantă descoperire a nanotehnologiei. A dus la câstigarea premiului Prize în Chimie de catre Smalley şi colegii sai, în 1996 şi a consolidat reputaţia nanotehnologiei ca un

domeniu de cercetare de vârf. Nanotehnologia, în ansamblul ei, este un domeniu multidisciplinar. Conceptele generale provin mai ales din biologie. În plus, în laboratoare s-au construit deja “maşini” pentru autoreproducere şi autoactivare, care îşi realizează “produsele” fără zgomot, căldură, gaze arse toxice sau manoperă umană. Nanotehnologia mai poate fi definită ca fiind abilitatea de a transforma materia ordonând cu precizie atom după atom şi moleculă după moleculă pentru ca în final să se producă nanostructuri iar din aceste nanostructuri nanoproduse, adică dispozitive şi maşini. Această metodă este cunoscută sub denumirea “de la bază în sus”, spre deosebire de metoda denumită “cu vârful în jos” prin care se porneşte de la suprafaţă (interfaţă) spre interiorul nanofazelor pentru a forma un nanoprodus. Există o mare varietate de interpretări ale noţiunii de “nanotehnologie”, fiecare specialist adaptând-o la domeniul său şi evidenţiind în primul rând dimensiunea nanometrică a produsului. Interpretarea creatoare dată de cel mai recunoscut pionier în domeniu, K. Eric Drexler, susţine că esenţial pentru conceptul de ”nanotehnologie” este capacitatea unei nanomaşini (denumită în mod obişnuit “dispozitiv de asamblare) să se autoreproducă.

III. APLICAŢII ALE NANOTEHNOLOGIILOR III.1. Materiale textile Nanotehnologia poate fi utilizată pentru a crea materiale textile cu performanţe superioare, fără a le compromite calităţile acestora referitoare la aspect, calitate sau confort. De exemplu, nanomaterialele pot fi adăugate ţesăturilor pentru a le face rezistente la pete. III.2. Celule solare Utilizarea nanoparticulelor la fabricarea celulelor solare este benefică deoarece:  Pot reduce costurile de fabricare prin utilizarea unei tehnologii de temperatură scăzută în locul procesului de sedimentare/stratificare in vid la temperaturi inalte folosit pentru producerea de celule conventionale realizate cu material semiconductor cristalin.  Pot reduce costurile de instalare prin producerea de role flexibile în loc de panouri rigide cristaline. În prezent, celulele solare disponibile în domeniul nanotehnologiei nu sunt la fel de eficiente ca şi cele tradiţionale. Cu toate acestea, costul lor redus compensează acest dezavantaj. În versiunile pe termen lung, atât în domeniul nanotehnologiei ar trebui să fie costuri mai mici şi, folosind puncte cuantice, ar trebui să poată să ajungă la niveluri mai ridicate de eficienţă decât cele convenţionale. Celule solare sensibile la culoare: conversia luminii solare în energie electrică la nivel molecular.

Celule solare convenţionale Celulele solare convenţionale bazate pe siliciu sunt construite prin plasarea cristalelor de înaltă puritate unul peste celălalt, într-o structură tip sandviş. Avantaje: • Prezintă eficienţă energetică bună Dezavantaje: • Sunt scumpe. • Necesită multă energie pentru producerea unei celule solare. • Absorb energie doar pentru un interval limitat. Soluţii: 1. Dezvoltarea de nanocristale de siliciu, proiectate pentru a absorbi mai multă energie solară 2. Abordări biomimetrice care imită procesul natural de fotosinteză Celule solare pe bază de pigmenţi (“Celule Grätzel”) • Curentul se obţine prin absorbţie de lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se un semiconductor. • Semiconductorul nanostructurat are o suprafaţă internă imensă pentru a maximiza absorbţia luminii şi a reduce dimensiunea celulei. • Lumina este captată mai degrabă de pigment decât de matricea semi-conductoare. Aceasta înseamnă că o gamă spectrală mai mare este utilizată în celulă. III.3. Crema cu protecţie solară Dioxidul de titan îi conferă cremei cu protecţie solară ridicată aspectul alb. Nanoparticulele de oxizi de titan au proprietatea de protecţie UV asemănătoare cu materialul brut, dar pierd din aspectul alb când mărimea particulelor este mai mică. III.4. Suprafeţe cu proprietatea de auto-curăţare Sticla cu proprietatea de auto-curăţare funcţionează în două moduri. 1. Procesul numit foto-cataliză reprezintă acţiunea luminii pe suprafaţa de sticlă, care practic "mănâncă" murdăria de pe suprafaţă. 2. Procesul cunoscut sub denumirea de hidrofilicitate. Acesta înseamnă că sticla “iubeşte apa”, iar apa pluvială care intră în contact cu suprafaţa va forma un film continuu care înlătură mizeria. Aceste două procese sunt introduse cu ajutorul unui strat de dioxid de titan de pe suprafaţa exterioară a sticlei. Dioxidul de titan este un pigment anorganic care este larg folosit într-o gamă

întreagă de produse, iar în acest caz , acesta reprezintă un strat foarte subţire pe suprafaţa exterioară a sticlei . Acesta are o grosime de aproximativ 25nm. III.5. Stocarea energiei si Reducerea consumului de energie Dispozitivele nanostructurate au potenţialul de a servi ca bază pentru sistemele de energie de generaţie nouă, care utilizează interfeţe dens ambalate si filme subţiri. Cercetatorii au dezvoltat din metal-izolator-metal nano-condensatori. Este posibilă cuprinderea unui milion de astfel de condensatoare mici pe o suprafaţă de un centimetru pătrat. Utilizarea unor astfel de condensatoare în baterii şi alte dispozitive de stocare a energiei ar putea creşte enorm eficienţa şi capacitatea unor astfel de dispozitive. Consumul de energie poate fi redus prin diferite metode: • Materiale compozite (combinaţia de nanomateriale cu materiale convenţionale): • Îmbunătăţirea izolaţiei termice. • Reducerea consumului de combustibil - ex. în sectorul transporturilor, reducerea masei vehiculului şi a rezistenţei la frecare. • Sisteme de încălzire şi iluminare îmbunătăţite • Înlocuirea becurilor cu filament cu dispozitive de iluminat noi realizate cu ajutorul punctelor cuantice. • Baterii • Durată mai lungă de viaţă şi îmbunătăţirea performanţelor bateriilor

Nanomaterialele, precum punctele cuantice (nanoparticule semiconductoare) pot fi utilizate în dispozitive de iluminat noi cu consum scăzut de energie III.6. Nanoparticule de argint De secole, argintul este utilizat pentru capacitatea sa de a distruge bacteriile - de la vechii romani care tratau apa cu monede de argint, la NASA care foloseşte metalul pentru a purifica apa de la bordul navetei spaţiale. Nanoparticulele de argint (Ag) sunt încorporate în plasturii medicinali, datorită capacităţii lor de a inhiba transmiterea de viruşi. III.7. Diagnostice Cei care suferă de cancer pancreatic au o rată de supravieţuire extrem de scăzută (mai puţin de 5%, după 5 ani), deoarece acesta este de obicei diagnosticat când se află în stadiu avansat. Oamenii de ştiintă au creat instrumente pentru diagnosticarea precoce a cancerului pancreatic prin ataşarea unei molecule, care se leagă în mod specific la celulele de cancer pancreatic la nanoparticule de oxizi de fier, care sunt clar vizibile cu ajutorul tehnicii de imagistică medicală care foloseşte un instrument numit MRI scanner. III.8. Nanotehnologia în medicină Nanotehnologia furnizează instrumente noi care sunt folosite pentru înţelegerea, cercetarea şi tratarea bolilor.

Nanomaterialelor li se pot da funcţionalităţi biologice astfel încât să poată interacţiona cu celulele şi cu constituenţii lor (proteinele, lipidele, ADN-ul etc.) într-un mod specific. Dacă nanomaterialele au funcţionalităţi corecte, pot induce sau opri anumite reacţii metabolice. Nanomaterialele sunt deseori la fel de mari ca (sau mai mici decât) multe structuri şi procese biologice. a) Tratarea bolilor • În mod tradiţional, majoritatea medicamentelor sunt administrate fie oral, fie prin injectare. Acest lucru duce la unele probleme: • Efectele terapeutice pot fi reduse datorită timpului necesar pentru ca medicamentul să-şi facă efectul. • Injecţiile pot fi dureroase, pot fi administrate cu dificultate, pot fi scumpe şi chiar periculoase. • Obiectiv – a crea un medicament care vizează exclusiv o boală, rapid şi cu precizie, fără efecte secundare. • Sistemele de furnizare a medicamentelor de dimensiune nano pot fi: • Cu ţintă specifică, astfel încât celulele sănătoase să nu fie lezate şi să necesite mai puţine medicamente. • Cu eliberare prelungită (eliberate în mod continuu pentru a furniza tratament permanent). • Cum? • Majoritatea sistemelor de furnizare a medicamentelor de dimensiune nano fie separă moleculele dintr-un suport polimeric biocompatibil, fie îl încapsulează într-un rezervor la scală nanometrică. b) Imagistica bolilor Prin elaborare şi sinteză atentă pot fi create nanoparticule multifuncţionale care se leagă în mod specific de anumite tipuri de specii din corp (de ex. celulele canceroase, colesterolul). Datorită faptului că nanoparticulele sunt create să fie vizibile prin tehnici de imagistică medicală, ele pot fi folosite ca markeri sau taguri pentru a permite doctorilor să monitorizeze nivelul şi răspândirea bolii. c) Repararea ţesuturilor lezate Pot fi sintetizate noi materiale compozite biocompatibile care vor fi absorbite de corp pentru a repara rana, de ex. prin folosirea materialelor nanoporoase şi a polimerilor biocompatibili.

Această imagine la microscopul cu scanare electronică arată o structură-schemă de hidrogel (hydrogel scaffold) crescută pentru studiul ingineriei ţesutului cerebral şi a regenerării nervoase (D Nisbet, Universitatea Monash, NISE Network, www.nisenet.org, autorizată în condiţiile reţelei NISE). d) Laboratoratoarele pe un cip şi biosenzorii • Dispozitivele de diagnostic în miniatură sunt în curs de dezvoltare pentru a da un diagnostic precis şi rapid, prin prelevarea unei cantitatăţi mici de lichid. • Eşantioanele nu vor trebui să fie trimise la laborator pentru analiză, economisindu-se timp şi resurse. • Dispozitivele de diagnostic miniaturizate includ biosenzorii, micromatricile (microarrays) şi dispozitivele numite ”laboratoare-pe-un–cip” (LOC), denumite şi sisteme miniaturizate de analiză totală (µTAS) Laboratoare pe un cip • Laboratoare integrate miniaturizate care permit separarea şi analiza eşantioanelor biologice întrun singur dispozitiv (de ex. sângele). • Sunt fabricate din sisteme microfluidice, care includ micropompe şi microvalve, integrate cu componente microelectronice. Dispozitivul mai poate integra unul sau mai mulţi senzori.

• Nanotehnologia poate miniaturiza componentele şi poate îmbunătăşi funcţii specifice, de ex. prin folosirea electrozilor de mărime nanometrică sau a membranelor nanoporoase. Viziunea Theranostics • Nanotehnologia poate permite integrarea diagnosticului unei boli, imagistica, terapia şi rezultatul într-un singur proces – cunoscut sub numele de “theranostics” • Medicamentele pot fi legate de nanoparticule (cum ar fi punctele cuantice) care suferă o schimbare a unei proprietăţi (cum ar fi schimbarea culorii) odată ce medicamentul şi-a atins ţinta. • Împreună cu un sistem lent de eliberare a ţintei, nanoparticulele ar putea să-şi schimbe treptat culoarea în timp ce acţionează, informând astfel doctorii de progresul terapiei. • Un exemplu de theranostic este folosirea particulelor nanoshell de aur pentru imagistica şi tratarea celulelor canceroase în acelaşi timp. b) Tehnologia de expunere, de ex. diodele organice care emit lumină(OLED-uri) Fabricate prin folosirea straturilor subţiri de molecule organice care pot fi depuse cu uşurinţă pe un substrat. Avantaje • Consumă mai puţină energie decât ecranele LCD • Au o calitate bună a imaginii • Mult mai subţiri şi mai luminoase decât panourile LCD • Funcţionează bine în lumina soarelui şi în unghiuri diferite Dezavantaje • Durată de funcţionare mică datorită degradării moleculare • Moleculele sunt sensibile la umiditate; necesită ambalare costisitoare • Create în mod curent pentru a necesita materiale scumpe pentru fabricarea electrozilor.

III.9. Armura pentru soldaţii „Robocop" Războinicul bionic este deja un concept accesibil, care a fost popularizat de filmele SF. Totuşi, ceea ce şi-a propus armata americană e cat se poate de real. Conform proiectului „Robocop",

pană cel mai tarziu în anul 2020, toţi soldaţii vor fi îmbrăcaţi în „armuri nanometrice", realizate din materiale ce conţin fibre din nanotuburi. Noile echipamente îi vor apăra de orice glonţ şi de efectele devastatoare ale exploziilor. Pe corpul soldatului se vor afla peste o mie de senzori nanometrici, care vor sesiza în timp util apropierea unui glonţ sau a unui şrapnel, iar apoi vor „comanda" costumului să se „întărească" în zona probabilă de impact. Această tehnologie implică faptul că fiecare centimetru pătrat de material va conţine senzori şi mecanisme de „întărire", prin repoziţionarea nanotuburilor. Uniformele duale, care vor putea fi alternativ flexibile ca orice panză sau mai rezistente decat kevlarul, vor putea trece dintr-o stare în alta şi la comanda verbală a purtătorului. Şi asta nu e tot. Acelaşi material va putea imita culorile mediului atat de bine încat, în cateva fracţiuni de secundă, soldatul va deveni aproape invizibil de la distanţă. Casca protectoare a capului va fi chiar mai rezistentă decat hainele şi, în plus, va fi dotată cu sisteme de extindere a acuităţii vizuale şi auditive, plus un translator automat al cuvintelor, rostite de militar în limba engleză, în orice limbă vorbită pe Terra. Dacă adăugăm sistemele de night-vision, cu infraroşii, e limpede că vom avea de-a face cu un veritabil robot miniatural. Toată aparatura va fi realizată cu ajutorul nanotehnologiei, pentru ca, în ciuda complexităţii tehnice, casca să rămană uşoară şi confortabilă. III.10. Arme Mitraliere cu patru ţevi şi sistem de ghidare prin laser, realizate din nanotuburi, care folosesc muniţie de mai multe tipuri III.11. Camuflaj Materialul din nanofibre al uniformei se va colora precum mediul ambiant, iar soldatul va deveni invizibil de la distanţe mari. III.12. Supra-oameni Exoscheletul pe care este construit costumul are articulaţii pneumatice care vor accelera mersul militarului şi îi vor permite acestuia să ridice şi să transporte cu uşurinţă greutăţi foarte mari, muşchii suportand doar 10% din efortul necesar. III.13. Cască Dotată cu vedere stereoscopică şi night-vision, casca este capabilă să proiecteze informaţii şi scheme pe interiorul vizorului. Acesta nu poate fi penetrat de gloanţe. III.14. Haine inteligente

Hainele sunt prevăzute cu senzori care estimează zona unde va lovi glonţul şi apoi, cu ajutorul unui mecanism special, reorientează nanotuburile, devenind mai rezistente decat Kevlarul în locul vizat. Nanotuburile pot fi incluse în ţesăturile obişnuite. Singura problemă e că, o vreme, vor costa cam mult. Deja există materiale realizate cu nanotuburi, care costă 10.000 de dolari metrul. Este vorba de ţesături de mătase acoperite cu nanofibre ce conţin aur, care arată exact ca o ţesătură făcută din fir de aur, dar are toate calităţile mătăsii. Şi fibra de bumbac poate fi acoperită cu nanotuburi din argint, prin simpla atracţie dintre sarcinile pozitive ale bumbacului şi ionii negativi de argint. De ce ţesături cu argint? Pentru că acest metal are reale calităţi antibacteriene şi antivirotice, fiind capabil să cureţe inclusiv aerul care trece printr-o astfel de ţesătură. Prezenţa nanotuburilor de argint nu va permite murdărirea materialului, pentru că de el nu se va putea „agăţa" nicio celulă moartă de piele, niciun fir de praf, nicio bacterie şi nici măcar un virus. De pete nici nu va mai fi vorba! Cei care au realizat acest material spun că el nu trebuie neapărat să aibă aparenţă metalică, aspectul fiind dual, prin poziţionarea diferită a fibrelor din nanotuburi. Toate casele vor avea în curand perdele cu nanotuburi de argint, care vor ioniza aerul şi vor reduce poluarea pană aproape de zero. III.15. Cucerirea spaţiului cosmic cu ajutorul roboţilor minusculi Pentru fiecare 100 de nanocomputere va fi lansat şi cate unul capabil să funcţioneze ca server, care le va coordona pe celelalte şi va transmite, prin unde radio, informaţii către PămantUn grup de cercetători de la Universitatea din Glasgow a reuşit să construiască nişte dispozitive nanometrice, dotate cu aparatură foarte sofisticată, care pot transmite prin unde radio informaţii meteo şi audio-video la distanţe comparabile cu distanţa dintre Pămant şi celelalte planete ale Sistemului Solar. Aceste dispozitive urmează să fie lansate cu sutele de mii pe cate o planetă. Unele dintre ele vor avea rol de server, celelalte funcţionand precum computerele într-o reţea wireless. Nanocomputerele au fost deja realizate de către Centrul de Cercetare Nanoelectronică din Glasgow, iar „praful inteligent" este gata să fie lansat în spaţiu. Cu ajutorul unor navete spaţiale, reţelele de spioni nanometrici vor fi lansate mai întai în atmosferele planetelor alăturate, Marte şi Venus, iar în următorii ani şi pe celelalte planete ale

Sistemului Solar. Pe fiecare planetă, reţeaua va fi „distribuită" de vant, fiind – de fapt – în continuă mişcare, în funcţie de condiţiile atmosferice. Aripa portantă a dispozitivelor a fost realizată după modelul seminţelor de păpădie – care pot zbura, la propriu, la cea mai mică adiere. Stratul de polimer dublat cu nanotuburi, care protejează nanocomputerele, este foarte rezistent la intemperii şi numai dacă se vor scufunda în lavă acestea vor fi distruse. Pe apă, plutesc exact ca firele de praf. III.16. Nanodoctori, în 30 de ani Cum ar fi să putem înghiţi un doctor mic de tot, care să poată călători prin sange pană la orice celulă bolnavă a corpului? Nanodoctorul s-ar putea pricepe la toate: să ofere medicaţie, să extirpe tumori, să facă analize şi să „pună umărul" la reconstrucţia ţesuturilor distruse accidental. Deşi pare ficţiune, aceşti roboţi medicali pot fi realizaţi prin nanotehnologie. „Medicamentele pe care le facem azi sunt foarte puţin eficiente din cauza măsurilor de precauţie. Cand facem un antibiotic, destinat uciderii bacteriilor, trebuie să avem grijă ca el să nu ucidă şi celulele corpului nostru. Un nanorobot, capabil să administreze otrava numai bacteriilor pe care le vizăm, ar simplifica mult lucrurile", spune Ottilia Saxl, directorul executiv al Institutului pentru Nanotehnologii din SUA. Bolile vor putea fi diagnosticate înainte ca omul să simtă primele neplăceri, ceea ce ar simplifica şi mai mult tratarea lor. Organele umane care suferă „avarii" de uzură, precum ficatul, rinichii şi creierul, vor putea fi ajutate să-şi refacă celulele distruse. Nanoroboţii vor putea plasa celule stem exact la locul „dezastrului" şi apoi, după ce ele se vor multiplica - transformandu-se într-un ţesut identic celui care trebuie să fie înlocuit, tot roboţii vor opri procesul, pentru a evita apariţia de tumori. Nanoroboţi atat de complecşi vom avea peste numai 30 de ani. III.17. Nanotehnologia şi TIC a) Miniaturizarea şi nanotehnologia Sectorul Tehnologiei Informaţiei şi Comunicaţiilor (TIC) a avut o expansiune rapidă întrucât activităţile de muncă şi cele sociale sunt transformate de noile tehnologii. Acest lucru a necesitat computere mai rapide, create cu ajutorul unor tranzistori mai mici realizaţi prin procese de fabricaţie avansate. Micşorarea mărimii tranzistorului permite plasarea mai multor tranzistori pe un circuit integrat, mărind performanţa computerului. Legea lui Moore prevede că numărul de tranzistori plasaţi pe un circuit integrat se dublează din doi în doi ani.

În prezent există preocuparea pentru a continua această cale a miniaturizării, deoarece materialele din care sunt fabricaţi semiconductorii, metalele şi izolaţiile sunt reduse la scală nanometrică, proprietăţile lor fiind determinate şi dominate de efectele cuantice. Nanotehnologia oferă mai degrabă prilejul de a cerceta decât a evita efectele cuantice pentru dezvoltarea următoarei generaţii de circuite integrate. Întrucât miniaturizarea nu poate continua la nesfârşit cu metodele şi instrumentele care au fost folosite până în prezent, va fi nevoie de alte abordări.

Graficul arată creşterea numărului de tranzistori pe un cip pentru computer, conform predicţiei lui Moore. (Sursa imaginii: http://commons.wikimedia.org/wiki/User:Wgsimon, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) b) Tehnologii în curs de dezvoltare în TIC

Dispozitivele vor fi mai rapide, mai puternice şi vor avea un număr mai mare de caracteristici datorită nanotehnologiei. În domeniul fabricării tranzistorilor convenţionali se depun în mod constant eforturi pentru crearea tranzistorilor mai mici. Elaborarea mai multor ansamble de circuite avansate este posibilă datorită noilor configuraţii şi complexităţii mărite de fabricaţie.

Fotografia unui wafer de procesoare Intel “Penryn” de 45nm.

Prin folosirea proprietăţilor inerente ale nanomaterialelor în efectuarea calculelor, este posibil ca viitoarele computere să nu se mai bazeze pe tehnologia tradiţională bazată pe siliciu. Ar putea fi folosite materiale precum nanofirele singulare sau punctele cuantice.

Un dispozitiv de memorie construit în jurul unui nanofir singular de oxid de zinc.Fiecare nanofir are un diametru mai mic de 100 nm.

Noile tehnici de fabricaţie permit sinteza circuitelor identice, făcând posibilă crearea de dispozitive flexibile, care se pot întinde şi apoi pot reveni la forma iniţială. Aceste dispozitive pot fi rulate sau îndoite, fără să se deterioreze performanţa dispozitivului. III.18. Integrarea nanotehnologiei în dispozitivele de zi cu zi Evoluţia sectorului TIC va depăşi ceea ce numim “electronică”(şi anume, dispozitive care efectuează o sarcină pentru noi). Există perspectiva de a avea electronica încorporată în hainele noastre sau în mediul înconjurător, în ceea ce este conceput ca reţea de dispozitive care creează “inteligenţa ambientală”. Dispozitivele viitoare de comunicare mobilă vor avea o multifuncţionalitate la un nivel cu mult mai înalt decât modelele curente. a) Tehnologia de magnetorezistenţă gigantică (MRG) Numeroase produse electronice populare au componente care folosesc un efect numit MRG. Rezistenţa electrică a structurilor făcute din straturi foarte subţiri de metale magnetice şi nemagnetice se poate schimba într-un grad neaşteptat de mare în prezenţa unui câmp magnetic aplicat.

Aceasta crestere fara precedent in tehnologia moderna nu ar fi fost posibila fara noile tehnologii de a produce nanomateriale magnetice, cu dimensiuni ale granulelor din ce in ce mai mici. Voi sublinia doar faptul ca in ultimii ani rata de crestere a capacitatii de stocare de date a fost de cca 40% si se pare ca aceasta tendinta de crestere, strans legata de – si concomitenta cu micsorarea dimensiunii bitului magnetic va continua si in viitor. In prezent, se comercializeaza in mod curent memorii flash USB de 32 Gigabiti in dispozitive nu mai mari de cativa cm patrati. Pe plan mondial, in urma cu numai cateva luni, compania Hitachi a demonstrat public inregistrarea magnetica pe un mediu cu o densitate de inregistrare

de

610

Gigabiti

/

inch

patrat.

Aceasta densitate de stocare, inimaginabila acum zece ani, a fost posibila prin perfectionarea tehnicilor de sinteza de nanomateriale magnetice cu dimensiuni ale granulelor magnetice de cativa zeci de nanometri, adica de miliardimi de metru. Pe de alta parte, diminuarea dimensiunii bitilor trebuie sa se produca concomitent cu scaderea dimensiunii capetelor de citire / scriere fara de care stocarea si accesarea

datelor

stocate

nu

ar

fi

posibila.

In prezent, beneficiind de nanotehnologii bazate pe efectul de magnetorezistenta gigant, capetele de citire pot asigura functionarea corecta a unui mediu de inregistrare magnetica cu densitate de pana la 1,5 Terabiti per inch patrat. Din nou, acest efect, pentru descoperirea caruia, Fert si Grunberg au fost distinsi in 2008 cu premiul Nobel pentru Fizica, nu ar fi fost posibil in materiale magnetice conventionale, ci doar in materiale ce au cel putin doua (din cele trei) dimensiuni la scala nanometrica.

Efectele de suprafata din nanopulberi sau materialele nano(mezo)poroase au o importanta majora în îmbunatatirea caracteristicilor de adsorbtie ale diferitelor substante dizolvate în lichide si pot asigura noi metode performante pentru protectia eficienta a mediului (ape industriale uzate sau gaze).

Se studiaza posibila utilizare a nanomaterialelor ca agenti potentiali pentru distrugerea toxinelor si asigurarea remedierii în diverse cazuri care reprezinta provocari serioase. Nanoargilele anionice cu structura stratificata formate din hidroxizi dubli cu structura similara Mg(OH)2 si substituirea controlata a Mg2+ cu ioni trivalenti M3+ (Cr, Al, Fe, Ni, Co), au structuri mezoporoase si arie mare a suprafetei specifice (>100 mp/g) fiind astfel optime pentru purificarea apei.

Hidrogen si pile de combustie Generarea electricitatii din surse regenerabile � Producerea de combustibil din surse de energie regenerabila � Tehnologii curate de ardere a carbunelui � Retele inteligente de energie � Eficienta energetica si economia de energie

Printer caile cele mai noi de generare a energiei electrice, celulele de combustie au o utilizare tot mai diversa o data cu dezvoltareea si implementarea materialelor nanostructurate in elementele lor active si passive. Trannsformarea energiei chimice in en, electrica prin intermediul pilelor de combustie deschide un larg domeniu de aplicatii si preafateaza noi descoperiri in domeniul mijloacelor de conversie directa a energiei chimice sau nucleare in energie electrica.

Nanoingineria suprafetelor electrozilor cu unitati biocatalizatoare co-factori de transfera ale sintezelor organice permitecontrolul transferului electronic in cascade. Prin reglarea potentialelor redox se ajunge la sporirea generarilor de putereale celulelor de biocombustie (nanomateriale, aplicatii in surse de energie, ioan stamatin)

Nanomaterialele pot fi folosite pentru cresterea eficientei totale a dispozitivelor fotovoltaice/ celulelor solare prin diferite concepte. O modalitate este de a facilitata absorbtia luminii in partea activa prin microtextura suprafetei sau depunerea nanoparticule din metale nobile pentru a cupla lumina in ghiduri de unda. Alte posibilitati sunt folosirea nanomaterialelor pentru conversia fotonului generat si dezvoltarea de dispozitive pe baza de semiconductori nanostructurati. Punctele cuantice (“quantum dots”) bazate pe semiconductori permit proiectarea dispozitivelor cu banda interzisa tunabila prin adaptarea dimensiunii lor. Nanofirele de siliciu cu un diametru mai mic de 10 nm pot fi folosite de asemenea pentru largirea benzii interzie a celulelor fotovoltaice. Alte sisteme in domeniul conversiei de energie care utilizeaza nanotehnologiile sunt: i) materialele termoelectrice care sunt abile sa transforme caldura in mod direct in electricitate si vice versa; un exemplu in acest sens este cazul materialelor ceramice cu structura perovskite. domeniul celulelor de combustie, cercetarea este focalizata pe nanomateriale pentru membrane si electrozi, avand ca obiective principale eficienta costului de producere a energiei electrice si cresterea densitatii de putere. Utilizarea nanomaterialelor ca materiale active la prepararea electrodului bateriile reincarcabile cu ioni de Li prezinta ca avantaje i) o arie de contact electrod/electrolit mare care conduce la o viteza de incarcare/descarcare mare; si ii) o imbunatatire a resistentei mecanice a particulelor legate de schimbarile de volum generate de procesele de insertie/extractie ale ionilor de H+ si Li+. Recent o imbunatatire a performantelor bateriilor a fost demonstrata avand loc prin prepararea de nanocompozite cu structura tip miez-coaja in care miezul consta dintr-un material cu conductivitate electrica scazuta si coaja corespunde unor materiale inalt conductoare cum ar fi carbonul. Imbunatatirea performantelor bateriilor care utilizeaza structuri de tip miez-coaja a fost explicata pe baza proceselor de percolatie induse in electrod.

Efortul la nivel mondial in cercetarile electrochimice pentru stocarea energiei este focalizat pe: i) generarea de noi nanomateriale care sa creasca performantele bateriilor si supercapacitorilor; O alternativa la aceste sisteme de stocare sunt nanomaterialele care ofera noi cinetici de adsorbtie si desorbtie si noi prorietati termodinamice. Pentru adsorbtia fizica a hidrogenului sunt necesare noi nanomateriale cu arie specifica mare, cum sunt nanostructurile de carbon si compusii organo-metalici (metal-organic frameworks –MOFs). Nanostructurile de carbon poseda un potential mare pentru stocarea hidrogenului prin adsorbtie fizica la temperatura joasa. O deosebita atentie este acordata in prezent hidrurilor de magneziu nanostructurate cu adaus de particule de oxid care imbunatateste cineticile de adsorbtie si desorbtie ale hidrogenului. supercapacitorilor. Impedimentele privind comercializarea vehiculelor cu celule de combustie sunt datorate stocarii hidrogenului. Dupa cum s-a mentionat la punctul 1, utilizarea nanotehnologiilor in domeniul energiei a trezit interesul multor specialisti fapt care este confirmat si verificat de informatiile publicate pe pagina web “ISI Web of Knowledge” care permite indentificarea unui numar de 64814 de publicatii raportate in perioada 19902010, cand parametrii de cautare sunt la Topic: nano* energy si Perioada: 1990 – 2010 (data de colectare a informatiilor fiind 4.12.2010).

Nanocompozite pentru pentru turbine de rotor Nanoprotectii pentru acoperiri la uzura si coroziune pentru lagare