3 Nanotehnologija 2014 - nastanak i razvoj

Report
Nanotehnologije u preradi drveta
Увод у
нанотехнологију
и нанонауку
Nanotehnologije u preradi drveta
1
Nanotehnologije u preradi drveta
2
Modeli atoma: Demokritov model
5-ti vek pre nove ere
Prvi model atoma pripisuje se Demokritu. Pošto u to doba nije bilo nikakvih saznanja o
strukturi atoma (nisu postojali elektronski mikroskopi), atomi su zamišljani kao jako
malene nedjeljive kuglice.

Grk - Democritus of Abdera
• Sva materija se sastoji od individualnih čestica
nazvanih atomi
• Postoji praznina, koja je prazan prostor
između atoma
• Atomi su potpuno čvrsti
• Atomi su homogeni, bez unutrašnje strukture
• Atomi variraju u
1) veličini
2) obliku i
3) težini
Nanotehnologije u preradi drveta
3
John Dalton - 1803

hemijski elementi su napravljeni od atoma

2) atomi elementa su identični u svojim masama

3) atoma različitih elemenata imaju različite mase

4) atomi se kombinuju u odnosu samo malih, celih
brojeva kao što su 1:1, 1:2, 2:3 i tako dalje

5) atom ne može biti niti stvoren niti uništen
Nanotehnologije u preradi drveta
4
Modeli atom: Rutherfordov
model




Ernest Raderford (Kembridž) je bio britanski fizičar i profesor na Univerzitetu
u Mančesteru.
Nobelovu nagradu za hemiju dobio je 1908. godine.
Prvi upotrebio reč proton za pozitivno naelektrisanu česticu u jezgru atoma.
Prvi je uočio da se zračenje radijuma sastoji od tri vrste, koje je nazvao α- β- i
γ-zračenje. Zajedno sa Frederikom Sodijem uveo je pojam vreme
poluraspada i formulisao zakone radioaktivnog raspada.
Nanotehnologije u preradi drveta
5
Modeli atoma: Bohrov model 1915
3. Bohrov model je ustanovljen poslije Rutherfordovih eksperimenata kojima je
utvrđeno da je u centru atoma malena pozitivno nabijena jezgra (nucleus), a
elektroni kruže u orbitalama oko jezgre poput planeta koji kruže oko Sunca. No, da
bi model bio prihvaćen, trebalo je riješiti sljedeći problem: Jezgro je pozitivno
nabijena, elektron negativno, zašto elektron uopšte kruži oko jezgre, zašto se ne
spoji s jezgrom?
Rješenje je prodložio 1913. godne Niels Bohr sa sledeće 4 pretpostavke:
1. Elektroni postoje u orbitalama koje poseduju diskretne (kvantizirane) energije. To
znači da ne postoji kontinuirani mogući razmak između jezgre i orbitale, nego su
mogući samo neki razmaci. Ti razmaci i njima odgovarajuće energije zavise od
konkretnog atoma koga razmatramo.
2. Zakoni klasične mehanike ne važe pri prelasku elektrona iz jedne orbitale u
drugu.
3. Kad elektron pređe iz jedne orbitale u drugu energetska razlika se oslobađa (ili
dobija) u vidu kvanta svjetlosti (kojeg nazivamo foton) čija frekvencija direktno
zavisi o energetskoj razlici između dvije orbite.
Današnji model atoma nazivamo kvantno-mehanički model, jer je s vremenom
utvrđeno
da Bohrov model ne odgovara baš najbolje eksperimentima, da elektroni
Nanotehnologije u preradi drveta
6
Max Knoll and Ernst Ruska -1931
electron microscopy
fly wing 1935
bacteria 1937
Na putu ka nanotehnologiji...
 1931 - Nemački fizičar Ernst Ruska i elektrotehnički inženjer Max
Knoll konstruišu prvi elektronski mikroskop.
 1947 - Naučnici Bell laboratorije prizveli su poluprovodnički
tranzistor, čime su otvorili put informativnom dobu (do 40-tih
godina katodne cevi smatrane su vrhuncem nauke).
 1951 - Profesor Erwin Muller (Penn State University) osmislio je
jonski mikroskop i bio je prvi čovek koji je "video" atom.
 1953 - Otkrivena struktura DNK (do 50-tih naučnici su znali za
postojanje DNK, kao nosioca genetičkih informacija, ali nisu znali
kako ona izgleda ili kako funkcioniše). Decenijama potom,
sposobnost samo-slaganja DNK lanaca inspirisala je naučnike u
stvaranju nano-struktura specifičnih dimenzija i hemijskih svojstava.
Nanotehnologije u preradi drveta
8
Na početku -4 pne
Nanotehnologije u preradi drveta
9
Predistorija nanotehnologije...

Predistorija nanotehnologije...
 Rimski period - U Britanskom muzeju čuva se Lycurgusova staklena
čaša (IV vek n.e.), koja menja boju iz crvene (kada je osvetljena
unutrašnjom svetlošću) u zelenu (kada je osvetljena spoljnom
svetlošću). Šta utiče na njenu promenu boje?
 TEM mikroskopom je otkriveno da staklo sadrži nanočestice zlata i
srebra.
 Na nanoskali, materijali
ispoljavaju drugačija svojstva
nego na mikro- i makro-skali.
Nanotehnologije u preradi drveta
10
Predistorija nanotehnologije...
 Srednji vek - Kristalno crvena boja na vitražu potiče od nanočestica
zlata, zarobljenih u matrici stakla, dok
duboko žuta boja potiče od nanočestica
srebra.
 Ove dramatične promene u svojstvima
materijala (u ovom slučaju - boje), koji je
u nanorazmeri, predstavljaju klučni
element nanotehnologije.
 Umetnici su bili najraniji korisnici
nanotehnologije, iako je nisu razumeli.
Nanotehnologije u preradi drveta
11
Predistorija nanotehnologije...
 Renesansa - Keramika iz Derute, Italija, bila
je karakteristična po svojom metalnom sjaju
i efektima prelivanja boja. Kako bi postigli
cvene i zlatne nijanse, umetnici su koristili
čestice bakra i srebra veličine 5 do 100 nm.
 1857 - iako pojam "nano" nije bio u upotrebi, istraživač Michael
Faraday otkrio je i pripremio prve metalne koloide. To su fine
čestice suspendovane u vodenom rastvoru (između čestica koje se
rastvaraju i onih koje se talože).
Faradejevi koloidi od nanočestica zlata imali su specijalna električna
i optička svojstva.
Nanotehnologije u preradi drveta
12
Kako je nastala ideja za nanomašine
Struktura materije

Ako je sve sastavljeno od atoma i molekula, da li je moguće samo uzeti
odgovarajuće atome i molekule i samo presložiti ?

Nanomašine
Da li je moguće presložiti atome grafita i dobiti
dijamant ?
a) dijamant b) grafit c) lonsdeilait
d)-f) fulereni g) amorfni ugljenik
h) CNT ugljenične nanotube
dijamant
transparentan
tvrd
veoma slab provodnik
grafit
crn
mek
dobar provodnik
praotac nanotehnologije
Richard P. Feynman – Nobelova nagrada za fiziku 1965.
Nanotehnologijua može da postoji...

Kada počinje istorija nanotehnologije?
 1959 - Dr. Richard Feynman, fizičar i futurista
drži predavanje na Caltech institutu u Kaliforniji
pod nazivom:
"There’s Plenty of Room at the Bottom"
... predvideo mogućnost izrade minijaturnih mašina ... jer principi fizike ne
govore o nemogućnosti pomeranja materije atom po atom.
... diskutovao o problemima koji postoje:
 Kako možemo da manipulišemo na nano nivou? (način)
 Kako se može skladištiti informacija u malom?
 Potreba za boljim mikroskopima da bismo mogli bolje da “vidimo” tj.
na nano nivou
... Moguće je celu enciklopediju Britaniku ispisati na glavi čiode...
Nanotehnologije u preradi drveta
16
Richard Feynman :“Zašto ne bih mogao da cela 24 toma
Enciklopedije Britanika napišem na glavi čiode
Richard Feynman (1959) :“Why can’t I write the entire 24 vols of the Encyclopedia Brittanica on a pin
head?”






Glava čiode je oko 0.15 cm
Uvećajmo glavu čiode 25,000 puta
to je jednako površini svih 24 toma enciklopedije Britanika
Sve što treba je smanjiti veličinu 25000 puta
Svaka tačka na strani enciklopedije ima prečnik oko 204 mm. Smanjenjem
25000 puta daje prečnik od oko 8.2 nm ili oko 30 atoma u tipičnom metalu
(koji se koristi za čiode).
Richard Feynman : “So there’s plenty of room to write Britannica on a pin
head. No problem !!!”
2010: 15-to izdanje Enciklopedije Britanika ima 32 toma i 32,640 strana.
Kako se može “videti” na nano nivou

Feynman, 1959 : “Nemamo standardne tehnike da to uradimo”

“Elektronski mikroskop nije dovoljno dobar, maximalna
rezolucija je 1µm a nama je potrebno da vidimo jasnije od toga,
bilo bi najbolje da imamo 100 puta bolju rezoluciju”
Uvod u nanotehnologiju

Mooreov zakon!!!
 1965 - Jedan od osnivača Intel korporacije, Gordon E. Moore,
ustanovio je da se broj tranzistora po jednom integrisanom kolu
duplira svake dve godine i predvideo da će se takav trend nastaviti
do 1975. godine. Ovaj trend traje sve do danas! Mnogi istraživači
predviđaju da će uređaji koji koriste elektronsku nanotehnologiju i
molekularnu elektroniku očuvati ovakav trend i u budućnosti.
Nanotehnologije u preradi drveta
19
Uvod u nanotehnologiju

Stvaranje termina "nanotehnologija" - i nešto drugačiji pristup ...
 ... započinje sa mikroskopskim svetom preciznog inženjerstva,
progresivno ulazeći u domen ultra-preciznog.
 Upravo je sa ovog aspekta Norio Taniguchi osmislio termin
"nanotehnologija" (1974), opisujući tehnologiju visoke preciznosti i
materijale ultra finihih dimnzija, reda veličine od 1 nm.
Nanotehnologije u preradi drveta
20
K. Eric Drexler - 1981
“Ako želite da vidite mašine nanotehnologije, pogledajte se u ogledalo.”
Razvoj ideje...
Podstakao razvoj nanotehnologije koja se temelji na
konceptu kontrole pozicioniranja atoma i ostvarivanja
samoumnožavanja molekularnih mašina.
Cilj – stvaranja bilo koje željene molekularne strukture u
skladu sa zakonima fizike i hemije postavljanjem svakog
pojedinačnog atoma na odgovarajuće mesto
Pomenuo asemblere – nanomašine sa minijaturnim
robotskim rukama koje bi mogle (povezane sa računarom)
da pomeraju atom po atom
"Zato što je to moguće... Pogledajte samo kako to priroda radi”
Engines of Creation – 1986
Engines of Creation: The coming Era of Nanotechnology and Nanosystems
PART ONE - THE FOUNDATIONS OF FORESIGHT
1 - Engines of Construction
2 - The Principles of Change
3 - Predicting and Projecting
PART TWO - PROFILES OF THE POSSIBLE
4 - Engines of Abundance
5 - Thinking Machines
6 - The World Beyond Earth
7 - Engines of Healing
8 - Long Life in an Open World
9 - A Door to the Future
10 - The Limits to Growth
PART THREE - DANGERS AND HOPES
11 - Engines of Destruction
12 - Strategies and Survival
13 - Finding the Facts
14 - The Network of Knowledge
15 - Worlds Enough, and Time
film
Nanotehnologije u preradi drveta
22
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Verujem u ono što vidim!
 1981 - Gerd Binnig i Heinrich Rohrer iz IBM laboratorije u Cirihu,
pronašli su skenirajući tunelni mikroskop (STM), koji omogućava
naučnicima da "vide" (kreiraju prostornu sliku) individualnih atoma.
Dobitnici Nobelove nagrade 1986. godine.
Oštri metalni vrh koji
se završava samo
jednim atomom
Nanotehnologije u preradi drveta
23
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... C60!
 1985 - Harold Kroto, Robert Curl i Richard Smalley
pronašli su ugljeničnu konformaciju nalik fudbalskoj
lopti (C60) koju su nazvali Buckminster fulleren,
danas poznatijoj kao buckyball (prečnika oko 1 nm).
Nobelova nagrada dodeljena im je 1996. godine.
Sir Harold W. Kroto
Robert F. Curl Jr.
Richard E. Smalley
Nanotehnologije u preradi drveta
24
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Atomska sila...
 1986 - Gerd Binnig, Calvin Quate i Christoph Gerber pronašli su
mikroskop atomske sile (AFM), koji ima sposobnost da posmatra,
meri i manipuliše materijalima do veličine dela nanometra,
uključujući merenja sila svojstvena datom materijalu.
Nanotehnologije u preradi drveta
25
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Kvantne tačke
 1988 - Dr. Louis Brus i njegov tim u Bell laboratoriji, pronašli su da
koloidni nano-kristalni poluprovodnik koji je poznat kao kvantne
tačke . Ove kvantne tačke pomogle su u razumevanju odnosa
veličine i boja ovih nano-kristala.
Moguća primena kod tranzistora, solarnih ćelija, LED dioda , diodnih
lasera, bioloških markera, a istražuje se i mogućnost primene kod
kvantnih kompjutera.
Nanotehnologije u preradi drveta
26
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Manipulacija atomima
 1990 - Don Eigler i Erhard Schweizer iz IBM istraživačkog centra,
Almaden, su iz zabave ređali atome ksenona napisali su logo
kompanije putem precizne manipulacije 35 individualnih
ksenonovih atoma (pomoću STM mikroskopa).
*Prvi pokušaj kreiranja nanostruktura "atom po atom".
Nanotehnologije u preradi drveta
27
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Šta je to CNT..?
 1991 - Sumio Iijima japanski fizičar, zaslužan
je za otkriće ugljeničnih nanocevi (CNT), iako je i
ranije bilo opažanja cevastih ugljeničnih struktura.
Poput fulerena C60, ugljenične nanocevi potpuno
su izgrađene od ugljenika, ali imaju cevasti oblik.
Poseduju nesvakidašnja svojstva...
... ponašaju se kao poluprovodnici, ali mogu da
provode elektricitet bolje od bakra
... ili da prenose toplotu bolje od dijamanata
... i jedni su od najčvršćih poznatih materijala.
Mogu imati ključnu ulogu u praktičnoj primeni
nanotehnologije.
Nanotehnologije u preradi drveta
28
Ugljenične nanocevi - Carbon nanotubes – CNT
Ijima 1991
Sumio Ijima
Single-walled carbon nanotubes
SWCNT
Multi-walled carbon nanotubes
MWCNT

1993. Warren Robinett i R. Stanley Williams izumeli virtuelni
realni sistem koji povezan sa STM omogućava korisnicima da
“vide” i “diraju” atome
film
fizika Stanford University
fizička hemija
Nanotehnologije u preradi drveta
30
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Zapisi u nano-razmeri
 1999 - Chad Mirkin (Northwestern University)
pronašao je dip-pen nanolitografiju (DPN),
zasnovanoj na milenijumima staroj tehnici
pisanja gušćjim perom.
U ovom slučaju korsti se atomski
mikroskopski vrh za nanošenje "ispisivanje"
molekularnog mastila (hemikalija, metala,
bioloških makromolekula i dr.) sa
nanometarskom preciznošću...
Tekst je ispisan tehnikom Dip-Pen
Nanolithography (DPN)
na površini manjoj od ljudske dlake i
slovima debljine 50 nm
... ovo pruža mogućnosti nano-proizvodnje manjih, lakših, bržih i pouzdanijih
elektronskih kola i uređaja, skladišta
podataka velikog kapaciteta, kao i
bioloških i hemijskih senzora.
Nanotehnologije u preradi drveta
31
Uvod u nanotehnologiju

Ključni događaji ... Šta je sledilo...
 1990-1999 - Osnivaju se prve kompanije koje se bave isključivo





proizvodima nanotehnologije; prve konferencije; univerzitetski
kursevi...
1998 - Na Tehnološkom Univerzitetu Delftu, Holandija, kreiran je
tranzistor od ugljeničnih nanocevi.
1999 - James Tour i Mark Reed pokazali da pojedinačni atomi mogu
delovati kao prekidači.
2000 - Vlada SAD formira Nacionalnu Nanotehnološku Inicijativu
(NNI) - ogromna sredstva za istraživanja u nanotehnologiji
2003 - Kongres SAD usvaja Zakon o istraživanju i razvoju nanotehnologije u 21. veku.
2009 - Na Univerzitetu u New Yorku, kreirano nekoliko DNK nanoasemblera (samo-sklapanje sekvenci sintetičkih DNK kristala).
Nanotehnologije u preradi drveta
32

similar documents