Nanotehnologia sau nanotech, este utilizarea materiei la scara atomica, moleculara si supramoleculara in scopuri industriale. Cea mai timpurie descriere larg raspandita a nanotehnologiei se referea la obiectivul tehnologic particular de a manipula cu precizie atomii si moleculele pentru fabricarea produselor la scara macroscopica, denumita acum si nanotehnologie moleculara.
O descriere mai generalizata a nanotehnologiei a fost stabilita ulterior de Initiativa Nationala de Nanotehnologie, care a definit nanotehnologia ca fiind manipularea materiei cu cel putin o dimensiune de 1 la 100 nanometri. Aceasta definitie reflecta faptul ca efectele mecanice cuantice sunt importante la aceasta scara cuantica, astfel incat definitia s-a mutat de la un anumit obiectiv tehnologic la o categorie de cercetare incluzand toate tipurile de cercetare si tehnologii care se ocupa de proprietatile speciale ale materiei, care apar sub pragul de dimensiune dat.
Prin urmare, este obisnuit sa se vada forma de plural „nanotehnologii”, precum si „tehnologii la scara nano” pentru a se referi la gama larga de cercetari si aplicatii a caror trasatura comuna este marimea.
Nanotehnologia, asa cum este definita prin marime, este larg raspandita, incluzand domenii stiintifice la fel de diverse precum stiinta suprafetei, chimia organica, biologia moleculara, fizica semiconductoarelor, stocarea energiei, inginerie, microfabricare si inginerie moleculara .
Cercetarile si aplicatiile asociate sunt la fel de diverse, variind de la extensii ale fizicii dispozitivelor conventionale pana la abordari complet noi bazate pe auto-asamblare moleculara, de la dezvoltarea de noi materiale cu dimensiuni nanometrice si pana la controlul direct al materiei la scara atomica.
Oamenii de stiinta dezbat in prezent implicatiile viitoare ale nanotehnologiei. Nanotehnologia poate crea mai multe materiale si dispozitive noi cu o gama larga de aplicatii, cum ar fi nanomedicina, nanoelectronica, productia de energie a biomaterialelor si produsele de larg consum.
Pe de alta parte, nanotehnologia ridica multe dintre aceleasi probleme ca orice tehnologie noua, inclusiv preocupari cu privire la toxicitatea si impactul asupra mediului al nanomaterialelor precum si efectele potentiale ale acestora asupra economiei globale, dar si speculatii cu privire la diferite scenarii de finalizare. Aceste preocupari au condus la o dezbatere intre grupurile de suport si guverne, cu privire la justificarea reglementarii speciale a nanotehnologiei.
Origini
Conceptele care au insamantat nanotehnologia au fost discutate pentru prima data in 1959 de renumitul fizician Richard Feynman in discursul sau “There’s Plenty of Room at the Bottom”, in care a descris posibilitatea sintezei prin manipularea directa a atomilor.
Comparatia dimensiunilor nanomaterialelor
Termenul „nano-tehnologie” a fost folosit pentru prima data de Norio Taniguchi in 1974, desi nu era cunoscut pe scara larga. Inspirat de conceptele lui Feynman, K. Eric Drexler a folosit termenul de „nanotehnologie” in cartea sa din 1986 – Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology, care propunea ideea unui „asamblor” la scara nanometrica care ar putea construi o copie a sa si a altor iteme de complexitate arbitrara, prin control atomic. Tot in 1986, Drexler a cofondat Institutul Foresight (cu care nu mai este afiliat) pentru a ajuta la cresterea gradului de constientizare si intelegere a conceptelor si implicatiilor nanotehnologiei.
Aparitia nanotehnologiei ca domeniu in anii 1980 a avut loc prin convergenta activitatii teoretice si publice a lui Drexler, care a dezvoltat si popularizat un cadru conceptual pentru nanotehnologie si progresele experimentale de inalta vizibilitate, care au atras o atentie suplimentara la scara larga asupra perspectivelor controlului atomic. De la cresterea popularitatii in anii 1980, cea mai mare parte a nanotehnologiei a implicat investigarea mai multor abordari pentru fabricarea dispozitivelor mecanice dintr-un numar mic de atomi.
In anii 1980, doua descoperiri majore au declansat cresterea nanotehnologiei in epoca moderna. In primul rand, inventia microscopului cu tunel de scanare in 1981, care a furnizat vizualizarea fara precedent a atomilor si legaturilor individuale si a fost utilizata cu succes pentru manipularea atomilor individuali in 1989.
Dezvoltatorii microscopului, Gerd Binnig si Heinrich Rohrer de la IBM Zurich Research Laboratory au primit un premiu Nobel in Fizica in 1986. Binnig, Quate si Gerber au inventat, de asemenea, microscopul analogic cu forta atomica in acel an.
In al doilea rand, fulerenele au fost descoperite in 1985 de Harry Kroto, Richard Smalley si Robert Curl, care au castigat impreuna Premiul Nobel pentru chimie din 1996. C60 nu a fost descris initial drept nanotehnologie; termenul a fost folosit in ceea ce priveste lucrarile ulterioare cu tuburi de grafen conexe (numite nanotuburi de carbon si uneori tuburi Bucky) care au sugerat aplicatii potentiale pentru electronice si dispozitive la scara nano.
Descoperirea nanotuburilor de carbon este atribuita in mare parte lui Sumio Iijima de la NEC in 1991, pentru care Iijima a castigat premiul inaugural 2008 Kavli in nanostiinta.
Un tranzistor de jonctiune metal-baza cu jonctiune semiconductoare (jonctiune M – S) a fost initial propus de A. Rose in 1960 si fabricat de L. Geppert, Mohamed Atalla si Dawon Kahng in 1962. [16] Zeci de ani mai tarziu, progresele in tehnologia multi-gate au permis scalarea dispozitivelor cu tranzistor cu efect de camp metal (oxid-semiconductor) (MOSFET) pana la nivele la scara nano – mai mici de 20 nm lungime poarta, incepand cu FinFET (tranzistor cu efect de camp fin) , un MOSFET tridimensional, neplan, cu poarta dubla.
La UC Berkeley, o echipa de cercetatori, printre care Digh Hisamoto, Chenming Hu, Tsu-Jae King Liu, Jeffrey Bokor si altii, au fabricat dispozitive FinFET pana la un proces de 17 nm in 1998, continuand cu 15 nm in 2001 si apoi 10 nm in 2002.
La inceputul anilor 2000, domeniul a castigat o atentie stiintifica, politica si comerciala sporita, care a dus la controverse si progrese. Au aparut controverse cu privire la definitiile si implicatiile potentiale ale nanotehnologiilor, exemplificate de raportul Societatii Regale privind nanotehnologia. Au fost ridicate provocari si intrebari pertinente, cu privire la fezabilitatea aplicatiilor prevazute de sustinatorii nanotehnologiei moleculare, care au culminat cu o dezbatere publica intre Drexler si Smalley in 2001 si 2003.
Intre timp, a inceput sa apara comercializarea produselor bazate pe progrese in tehnologiile la scara nano. Aceste produse sunt limitate la aplicatii in vrac de nanomateriale si nu implica controlul atomic al materiei. Cateva exemple includ platforma Silver Nano pentru utilizarea nanoparticulelor de argint ca agent antibacterian, protectii solare transparente pe baza de nanoparticule, intarirea fibrelor de carbon folosind nanoparticule de silice si nanotuburi de carbon pentru textile rezistente la pete. [20] [21]
Guvernele s-au indreptat spre promovarea si finantarea cercetarii in domeniul nanotehnologiei, cum ar fi in SUA, cu initiativa nationala de nanotehnologie, care a oficializat o definitie bazata pe dimensiuni a nanotehnologiei si a stabilit finantarea pentru cercetarea la scara nanometrica si in Europa prin intermediul programelor-cadru europene pentru cercetare si Dezvoltare tehnologica.
La mijlocul anilor 2000, o noua si serioasa atentie stiintifica a inceput sa infloreasca. Au aparut proiecte de producere a foilor de parcurs pentru nanotehnologie [22] [23] care se concentreaza pe manipularea atomica precisa a materiei si discuta despre capacitatile, obiectivele si aplicatiile existente si proiectate.
In 2006, o echipa de cercetatori coreeni de la Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) si Centrul National Nano Fab au dezvoltat un MOSFET de 3 nm, cel mai mic dispozitiv nanoelectronic din lume. S-a bazat pe tehnologia FinFET gate-all-around (GAA). [24] [25]
Peste saizeci de tari au creat programe guvernamentale de cercetare si dezvoltare nanotehnologica (R&D) intre 2001 si 2004. Finantarea guvernamentala a fost depasita de cheltuielile corporative pentru cercetarea si dezvoltarea nanotehnologiei, majoritatea finantarii provenind de la corporatii din Statele Unite, Japonia si Germania.
Primele cinci organizatii care au depus cele mai multe brevete intelectuale privind cercetarea si dezvoltarea nanotehnologiei intre 1970 si 2011 au fost Samsung Electronics (2.578 primele brevete), Nippon Steel (1.490 primele brevete), IBM (1.360 primele brevete), Toshiba (1.298 primele brevete) si Canon ( 1.162 primele brevete).
Primele cinci organizatii care au publicat cele mai multe lucrari stiintifice despre cercetarea nanotehnologiei intre 1970 si 2012 au fost Academia Chineza de Stiinte, Academia Rusa de Stiinte, Centre national de la recherche scientifique, Universitatea din Tokyo si Universitatea Osaka.
Concepte fundamentale
Nanotehnologia este ingineria sistemelor functionale la scara moleculara. Aceasta acopera atat lucrarile actuale, cat si conceptele mai avansate. In sensul sau initial, nanotehnologia se refera la capacitatea proiectata de a construi articole de jos in sus, folosind tehnici si instrumente dezvoltate astazi pentru a realiza produse complete, de inalta performanta.
Un nanometru (nm) este o miliardime dintr-un metru. Prin comparatie, lungimile tipice ale legaturilor carbon-carbon sau distanta dintre acesti atomi intr-o molecula sunt in intervalul 0,12-0,15 nm, iar o dubla spirala ADN are un diametru de aproximativ 2 nm. Pe de alta parte, cele mai mici forme de viata celulare, bacteriile din genul Mycoplasma, au o lungime de aproximativ 200 nm.
Prin conventie, nanotehnologia este luata ca interval de scara de la 1 la 100 nm urmand definitia utilizata de Initiativa Nationala de Nanotehnologie din SUA. Limita inferioara este stabilita de marimea atomilor (hidrogenul are cei mai mici atomi, care au aproximativ un sfert de diametru cinetic nm), deoarece nanotehnologia trebuie sa-si construiasca dispozitivele din atomi si molecule.
Limita superioara este mai mult sau mai putin arbitrara, dar se afla in jurul dimensiunii sub care fenomenele care nu sunt observate in structuri mai mari incep sa devina evidente si pot fi folosite in dispozitivul nano. Aceste noi fenomene fac nanotehnologia distincta de dispozitivele care sunt doar versiuni miniaturizate ale unui dispozitiv macroscopic echivalent; astfel de dispozitive sunt pe o scara mai mare si intra sub descrierea microtehnologiei.
Doua abordari principale sunt utilizate in nanotehnologie. In abordarea „de jos in sus”, materialele si dispozitivele sunt construite din componente moleculare care se asambleaza chimic dupa principiile recunoasterii moleculare. In abordarea „de sus in jos”, nano-obiectele sunt construite din entitati mai mari, fara control la nivel atomic.
Domeniile fizicii, cum ar fi nanoelectronica, nanomecanica, nanofotonica si nanoionica, au evoluat in ultimele decenii pentru a oferi o baza stiintifica de baza a nanotehnologiei.
