Míľniky v nanosvete

Znázornenie grafénu, foto Pixabay

Nanoveda a nanotechnológie, biotechnológie a informatika patria medzi hybné sily vedeckého a technického napredovania. Nová kvalita v nanosvete vyviera z výskumu nanomateriálov, nanoelektroniky a nanomedicíny. Špeciálnymi disciplínami sú nanomeranie a štandardizácia. Pozornosť sa venuje nanoetike, ktorá upozorňuje na potenciálne zdravotné, ekonomické a vojenské hrozby i stratu súkromia prameniace zo zneužitia nanovedy.

Nanoveda sa zaoberá nula-, jedno- a dvojdimenzionálnymi (0D, 1D a 2D) nanomateriálmi, ako sú nanočastice, najčastejšie guľového tvaru, nanorúrky a nanovrstvy. Podľa zaužívanej konvencie musí byť aspoň jeden z ich rozmerov v intervale 1 až 100 nm. V prípade 0D nanočastíc sú v tomto intervale všetky tri rozmery. Extrapoláciou nanovrstiev až po monoatómové vrstvy vstupujeme do pikosveta. Patrí sem grafén – monoatomárna vrstva uhlíka hrúbky 0,34 nm. Na opačnej strane vďaka supermriežkam a superkryštálom, ktoré sa skúmajú od konca minulého storočia, nanoveda a nanotechnológie v súčasnosti vstupujú aj do tretej dimenzie. 3D štruktúry už majú makroskopické rozmery rádovo v centimetroch, skladajú sa však z nanočastíc, výnimočne z iných nanoobjektov.

Rýchly prelet históriou

História nanovedy sa zvyčajne začína pojednaním o Lykurgovom pohári zo 4. storočia a jeho rozličnom sfarbení v odrazenom a prechádzajúcom svetle. Exaktný prístup k disciplíne sa datuje od Michaela Faradaya (1857), ktorý vo svojej bakerianskej prednáške opísal interakciu svetla so zlatými nanočasticami, menšími ako je vlnová dĺžka žiarenia. O ich príprave uviedol: Explózia zlata spôsobená voltickou batériou v blízkosti skla na ňom vytvára nános kovových častíc zlata. Používal drôtiky alebo fólie zlata (hrúbka 1/282 000 palca).
Asi o 50 rokov neskôr vypočítal Albert Einstein vo svojej doktorskej dizertácii veľkosť molekuly cukru z jeho difúzie vo vode, ktorá je približne 1 nm. Najdôležitejší nástroj na pozorovanie mikro- a nanosveta – elektrónový mikroskop – vynašli v roku 1932 Max Knoll a Ernst Ruska. Nobelovej ceny za tento vynález v roku 1986 sa dožil iba E. Ruska.

Richard Feynman, foto wikipédia/Copyright Tamiko Thiel 1984, CC BY-SA 3.0

V roku 1959 prišiel Richard Feynman so svojou prelomovou miniaturizačnou koncepciou: tam na dne je veľa miesta, ktorú umocnil tézou, že princípy fyziky nehovoria proti možnosti manipulovať s vecami atóm po atóme. Postulovala sa tak aditívna technológia budovania štruktúr zdola nahor ako protiklad ku klasickej, napríklad litografickej technike ich tvarovania zhora nadol s odoberaním nepotrebného materiálu.

Vznik nových kvalít

Miniaturizácia nemá za cieľ iba šetriť materiálmi a zároveň dosahovať väčšie pracovné rýchlosti súčiastok. Nové kvality vyplývajú z poznania, že pri nanometrových rozmeroch sú vlastnosti látky diametrálne odlišné od jej makroskopického náprotivku. Nové vlastnosti vyplývajú z veľkého pomeru povrch/objem objektov nanosveta. S klesajúcim rozmerom nanočastíc rastie počet atómov na ich povrchu a pri častici s rozmerom 1 nm sú už takmer všetky atómy povrchové. Tu je súdržnosť kryštalickej mriežky materiálu menšia, lebo povrchové atómy majú menej susedov. Preto majú nanočastice menšiu teplotu tavenia ako masívny materiál. Zlato má teplotu tavenia 1 064 °C a zlaté nanočastice s polomerom 2 nm sa tavia už pri 500 °C. Kvantitatívne tento efekt vyjadruje vzťah Tr = Tm (1 – L/r), kde Tr, Tm sú teploty tavenia nanočastíc s polomerom r a masívneho zlata a L je empirická charakteristická dĺžka.

Zvýšenie účinnosti slnečného článku pomocou nanočastíc deponovaných na jeho povrchu. (Podľa Centra udržateľných energetických systémov Austrálskej národnej univerzity)

Nové možnosti prinášajú malé rozmery nanoobjektov, ktoré ľahko prestupujú cez membrány, napríklad obaly buniek, tenké vrstvy bežne nepriehľadných materiálov sú priezračné a pod.
Ďalším javom je samousporiadanie častíc, a to vplyvom veľmi slabých síl pôsobiacich medzi nimi, ako je van der Waalsovo priťahovanie a vzájomné magnetické pôsobenie, pokiaľ sú častice magnetické. Na tomto princípe sa ako ďalšia etapa po vytváraní usporiadaných nanočasticových monovrstiev zhotovujú nanočasticové superkryštály.
Nové efekty vznikajú interakciou medzi nanočasticami a elektromagnetickým žiarením. Na tomto princípe sa konštruujú plazmonické slnečné články využívajúce plazmóny a príslušnú disciplínu – plazmoniku. (Plazmóny sú kvantá oscilácií elektrónov, podobne ako fonóny sú kvantá mechanických kmitov kryštálovej mriežky materiálu.) Nanočastice umiestnené na povrchu tenkých a materiál šetriacich slnečných článkov rozptyľujú žiarenie dopadajúce na článok aj v smere jeho povrchu, čím sa zväčší jeho absorpcia a tým účinnosť článku.

Nanoveda a nanoelektronika

Koloidné roztoky nanočastíc zlata s rôznymi
veľkosťami, foto wikipédia/Nikonianman, CC BY-SA 4.0

Vedecká literatúra priniesla v rokoch 2000 až 2020 približne desať súborov míľnikov v nanovede a nanotechnológiách z oblasti vedy, medicíny a priemyslu (napr. IBM). Vylúčením prekryvov aj problematických námetov sme selektovali 60 prípadov. Sú medzi nimi uvedené aj výsledky, za ktoré boli udelené Nobelove ceny. Patria k nim však aj prelomové prínosy, ktoré síce v období svojho zrodu (napr. synchrotrón, Vladimir Veksler, 1944; tranzistor, William B. Shockley a kol., 1947 – 1948) nekorešpondovali s dĺžkovým kritériom nanosveta 1 – 100 nm, ale ďalším vývojom na túto úroveň dorástli. Synchrotróny sú v súčasnosti základné analytické prístroje v nanovede a tranzistory a integrované obvody majú najmenšie rozmery detailov pod 10 nm.
Míľniky možno rozdeliť do piatich kategórií: efekty a vlastnosti (EV), materiály a štruktúry (MS), prístroje a metódy (PM), súčiastky a obvody (SO) a teórie a koncepcie (TK). Ak to urobíme v dvoch nerovnako dlhých časových úsekoch, pričom do každého z nich zaradíme 30 prípadov, dostaneme obraz o časovom vývoji bádania v prírodných vedách, osobitne vo fyzike, aj o urýchlení vývoja v nanosvete. Kategória EV je teraz menej častá ako v minulosti a súčasný technický pokrok sa viac opiera o ich aplikácie v súčiastkach, materiáloch a prístrojoch. Zodpovedá to Feynmanovmu výroku, že základná fyzika má limitovanú životnosť.

Pokračovanie článku si môžete prečítať v časopise Quark 12/2022. Ak chcete mať prístup k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov, prihláste sa. Ak ešte nie ste naším predplatiteľom, objednajte si predplatné podľa vášho výberu tu.

prof. Ing. Štefan Luby, DrSc., Dr. h. c.
Fyzikálny ústav SAV v Bratislave
Článok bol podporený Vedeckou grantovou agentúrou VEGA, Bratislava, grant 2/0156/20.


Súťažná otázka

Ak nám do 31. decembra 2022 pošlete správnu odpoveď na otázku:

Ako sa volá oblasť, ktorá upozorňuje na hrozby prameniace zo zneužitia nanovedy?

zaradíme vás do žrebovania o knihu Štefana Lubyho: Nanosvet na dlani z dielne CVTI SR.
Svoje odpovede posielajte na adresu redakcie: odpovednik@quark.sk alebo Quark, Staré grunty 52, 842 44 Bratislava 4.

Komentáre