Představili jste si někdy materiál, díky kterému by se deštníky nikdy nenamočily, aby roboty byly dostatečně malé na to, aby pracovali uvnitř krevních cév, a aby keramika byla nerozbitná jako kov? Toto není sci-fi; je to skutečná revoluce způsobená nanomateriály.
Co je to nanometr? Je to vlastně jednotka délky; jeden nanometr je pouze jedna miliardtina metru. Průměr lidského vlasu je přibližně 50 000 až 100 000 nanometrů. Nanomateriály jsou materiály, jejichž velikost v alespoň jednom rozměru je mezi 1 a 100 nanometry.
I. Proč je „malý“ „výkonný“?
Když se materiály smrští do nanoměřítek, už se neřídí známými fyzikálními pravidly, ale vykazují mnoho úžasných vlastností.
Za prvé se výrazně mění optické, elektrické, magnetické a tepelné vlastnosti nanomateriálů. Například barva a emisní barva polovodičového sulfidu kademnatého se mění ze žluté na modrou, jak se zmenšuje velikost částic. To znamená, že nemusíme měnit složení materiálu; pouhou změnou jeho velikosti lze vytvořit nové materiály se zcela odlišnými vlastnostmi. Typy hmoty jsou omezené, ale zdá se, že díky nanotechnologii jsme získali nespočet „nových látek“.
Za druhé, nanočástice mají obrovský povrch. Jeden gram nanomateriálů může mít plochu o velikosti fotbalového hřiště. Díky tomu jsou vysoce účinné adsorbenty a katalyzátory s významnými aplikacemi při skladování energie, chemické výrobě a ochraně životního prostředí.
Pro výrobu znamenají nanomateriály „lehčí, vyšší a pevnější“.
Lehčí: Zařízení vyrobená z nanomateriálů mohou mít výrazně menší rozměry při zachování nebo dokonce zlepšení výkonu. Vezměte si, že rané počítače zaplnily celé místnosti, zatímco dnešní mobilní telefony daleko předčí jejich dřívější výpočetní výkon-to je zázrak miniaturizace materiálu.
Vyšší: Nanomateriály mají často vynikající optické, elektrické a magnetické vlastnosti.
Silnější: Nanokeramika může narušit tradiční vnímání keramiky jako křehké a vykazuje houževnatost blížící se houževnatosti kovů.
[AI-vygenerovaný srovnávací obrázek: levá strana ukazuje makroskopickou strukturu materiálu, pravá strana ukazuje strukturu nanomateriálu]
II. Nanomateriály: Již v našem každodenním životě
Nanotechnologie zní sofistikovaně, ale některé její aplikace již vstoupily do každodenního života.
1. Nano-pláštěnky: voda-odpuzující jako lotosové listy
Záviděli jste někdy kapky vody stékající z lotosových listů? Nano-pláštěnky využívají podobný princip. Potažením povrchu tkaniny vrstvou nanočástic oxidu křemičitého se kontaktní úhel mezi tkaninou a vodou nebo olejem zvětší, čímž se zabrání pronikání kapiček vody a jejich stékání.
V současné době existují dvě hlavní technologie: jedna je ekologická, ale nákladná technologie vakuového nanášení; druhou je nižší-cena, ale potenciálně{1}}vodu znečišťující technologie ponorného lakování. Vyvážení výkonu, nákladů a ochrany životního prostředí zůstává výzvou pro zpracovatelský průmysl.
[Odkaz ke stažení obrázku: Obrázek kapiček vody na tkanině ve vysokém-rozlišení - Licencovaný obrázek 600336933 - Photostock.cn]
2. Nanoroboti: Úsvit budoucí medicíny
Zatímco skutečně nanorozměrové, programovatelné molekulární roboty jsou stále v laboratorním stadiu, zařízení pro manipulaci v nanoměřítku se rychle vyvíjejí. Například rastrovací tunelové mikroskopy (STM) a mikroskopy atomárních sil (AFM) mají sondy s hroty dosahujícími atomového měřítka, schopné pohybovat jednotlivými atomy.
Očekává se, že v dohledné budoucnosti budou nanoroboti schopni zacílit podávání léků, přesně odstraňovat léze a dokonce opravovat buňky in vivo, což způsobí revoluci v oblasti lékařství a zdravotnictví. Jejich vývoj je paradigmatem mezioborové spolupráce mezi chemií, fyzikou, biologií, medicínou a vědou o materiálech.
Američtí vědci rozlouskli stoletý-starý problém: Nanoroboty lze dálkově ovládat v krevních cévách v reálném čase – Phoenix.com Koncepční obrázek nanorobotů pracujících v krevních cévách
3. Nanohouby: Kouzlo čištění
Možná jste použili bílou „kouzelnou houbu“, která odstraňuje skvrny bez saponátu, pouhým navlhčením. Jedná se o melaminovou pěnu, také známou jako nanohouby. Jeho trojrozměrná síťovaná struktura má extrémně vysokou poréznost, která při tření vytváří silné adsorpční síly a odstraňuje nečistoty jako ultra-jemný brusný papír.
Tento materiál je stabilní, -zpomaluje hoření, je odolný proti kyselinám a zásadám a dokonce i potravinářský-, což z něj činí typický příklad úspěšné komercializace nanoporézních materiálů.
Energy Light: Sino{0}}British Nano Energy Materials Research Center – Mikroskopický vesmír „super houby“
III. Budoucnost je tady: Jak nanomateriály přetvoří výrobu?
Potenciál nanomateriálů daleko přesahuje toto. Jeho budoucí aplikace mohou zcela transformovat několik průmyslových odvětví.
Nanoelektronická zařízení: Počítače jsou menší, rychlejší a energeticky účinnější.
Aerospace and Exploration: Výroba kosmických lodí s lehčími a silnějšími nanomateriály, což výrazně snižuje náklady na start.
Životní prostředí a energie: Vývoj vysoce účinných nanokatalyzátorů a adsorbentů pro kontrolu znečištění a výrobu čisté energie.
Vzrušující příklad je v oblasti biotechnologií. Víme, že DNA má strukturu dvoušroubovice o průměru asi desítek nanometrů. Vědci se snaží použít luminiscenční polovodičové částice o velikosti několika nanometrů k označení různých částí DNA. Je to jako pověsit „lucerny“ na temnou „pagodu“ DNA, což nám umožňuje jasně vidět její strukturu a změny, což má velký význam pro výzkum genů a diagnostiku onemocnění.
IV. Střízlivý pohled: „Nano“ není všelék
S popularitou nano konceptu se musíme mít na pozoru i před jeho „vulgarizací“. V posledních letech se na trhu objevují „nano ledničky“ a „nano pračky“. Možná přidali nějaké nanočástice, přidali nějaké antibakteriální nebo -snadno{3}}čistící funkce, ale základní princip fungování produktu se nezměnil. Jedná se spíše o marketingovou taktiku.
V současné době je aplikace nanomateriálů většinou stále v počáteční fázi přidávání prášku, což není jádro nanotechnologie. Skutečná nanotechnologie je o přesné manipulaci a využití nových vlastností v nanoměřítku k navrhování zcela nových produktů. Pro zpracovatelský průmysl spočívá klíč k průlomu v přeměně nanomateriálů z pouhých „aditiv“ na „strukturální materiály“ nebo „funkční součásti“, které nesou základní funkce.
Závěr: Svět nanomateriálů je zcela nové pole budované zdola nahoru, počínaje atomy a molekulami. Stírá hranice mezi fyzikou, chemií, biologií a inženýrstvím a dává vzniknout nové generaci technologické revoluce.
Pro pokročilou výrobu znamená přijetí nanotechnologií dosažení kvalitativního skoku ve výkonu produktu, spotřebě energie a inteligenci. Vyžaduje však také nepřetržitý základní výzkum, přísný vývoj procesů a racionální očekávání trhu.
