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.
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.
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
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.
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.