Věda a technika v pozadí
Zůstaň čistý
Teorie
Feynman tehdy naznačil v otázce „Proč ještě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazků Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavičku?“, že to bude možné, až bude k dispozici experimentální technika, která umožní manipulovat s nanostrukturami a měřit jejich vlastnosti. V osmdesátých letech byly takové přístroje sestrojeny – jedná se např. o rastrovací tunelový mikroskop.
Richard Feynman.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Jako nanotechnologie se označuje studium a použití materiálů, zařízení a systémů o rozměrech řádově nanometrů (0,1 – 100 nm, alespoň v jednom rozměru). Konstrukčními prvky nanotechnologií jsou molekuly a dokonce i samotné atomy. Při těchto rozměrech struktury vykazují zcela nové, neobvyklé vlastnosti a funkce. Protože velikost atomu se rovná jedné třetině až jedné čtvrtině nanometru, je nanometr vhodný pro měření vzdáleností mezi atomy. Např. nejmenší známý organismus – virus – je velký zhruba 10 nm, molekula DNA má šířku 2,5 nm, průměr typické bakterie je tisíce až desetitisíce nm.
Nanotechnologie je oblast výzkumu, která zahrnuje velké množství vědních disciplín jako jsou fyzika, chemie, biologie, elektronika, inženýrství atd. V současné době sestává nanotechnologie ze čtyř hlavních oblastí: nanoelektroniky, nanomateriálů, molekulární nanotechnologie a mikroskopů pracujících s rozlišitelností v nanometrech. Nanostrukturami jsou nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity, keramické nebo jiné tenké filmy nebo vrstvy, nanovlákna (polymerní materiály, anorganická, uhlíková, keramická a kovová nanovlákna), proteiny, DNA, jednoelektronové tranzistory, ale i prášky a vrstvy o rozměrech nanometrů.
Jako nanovlákna označujeme struktury, jejichž tloušťka se pohybuje v intervalu od 0,1 do 1000 nm. Nanovlákna mají řadu praktických aplikací v textilu, chemii, ekologii, vojenství a medicíně. Poprvé byla nanovlákna použita v torzních vahách a sloužila k přesnému určení Coulombova zákona a gravitační konstanty. Nanovlákna se vytváří tažením, protlačováním mikropóry, oddělováním fází, družením molekul, v parách a elektrostatickým zvlákňováním. Jednoduchým příkladem je odkapávání kapaliny z malého otvoru, kdy gravitace urychlí pád kapky a vytvoří se tenké vlákno. Gravitace se dá nahradit působením elektrického pole a tím i lépe řídit.
V současné době nanotechnologický výzkum umožňuje výrobu ultrajemné mechaniky, dovoluje dosáhnout téměř dokonalého opracování součástí, magnetických hlav a optických prvků. Výroba prášků a krystalů v nanorozměrech může zabezpečit nová mazadla, otěruvzdorné povlaky strojních součástek a katalyzátory chemických reakcí. Vědci objevují možnosti samoorganizace základních kamenů hmoty (self–assembly) s cílem vytváření struktur chemickou syntézou, podle vzoru biologických procesů samouspořádávání. Rovněž lékařství může v blízké budoucnosti profitovat z nanotechnologií. Nanosenzory implantované do lidského těla mohou např. indikovat, kdy diabetik potřebuje svoji dávku inzulínu, nebo senzory zabudované do náramkových hodinek mohou detekovat nebezpečné množství škodlivých plynů v ovzduší a mohou tak upozornit na možný astmatický záchvat.
Podíváme–li se pozorně, můžeme si všimnout, že mnoho rostlin a živočichů kolem nás má vyvinuté speciální funkce, které jsou na úrovni nanoměřítka. Například krásná modrá barva křídel motýla Morpho peleides není způsobena pigmenty, ale svojí strukturou. Tento motýl má na křídlech zvláštní, laminárně uspořádané nanostruktury, které odrážejí světlo a prostřednictvím interference ruší všechny barvy kromě modré. Díváme–li se na nanošupinky motýlích křídel, vidíme, že ve skutečnosti modrý motýl vlastně není modrý, ale je černý. Bílkovinné struktury na povrchu šupin mění světelné vlny na krásné metalické modré barvy. Na rozdíl od chemických pigmentů tyto fyzické barvy nikdy nevyblednou. Výzkumníci usilují o to, aby dosáhli podobného účinku. Snaží se vyrobit fólie, které při natažení mění svou barvu.
Motýl Morpho peleides.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Speciálních funkcí si můžeme všimnout i u nohou ještěrky. Ta má chodidla pokryta velmi jemnými chloupky, které se na konci rozvětvují do stovek zakončení ve tvaru špachtle a mají rozměr několika nanometrů. Tyto chloupky se dokážou vtěsnat do různých skulinek a ještěrka je schopna přilnout svými končetinami téměř ke každému povrchu. Výzkumníci se opět inspirují přírodou a snaží se vyvinout nanostrukturované lepicí pásky, které by držely bez použití lepidla.
Vědci využívají nanotechnologie při výrobě nanomateriálů, které používáme v běžném životě. Většinou jde o povrchové úpravy textilií, které jsou odolné vůči vodě a špíně. Jsou to také nátěry na budovách, či speciální fólie na okna, kde se využívají vlastnosti oxidu titaničitého, který se vyrábí ve velikosti nanočástic. Úpravou povrchů je možno docílit nových vlastností, například odpudivosti vůči vodě, olejům a nečistotám. Tato technologie hledala inspiraci v přírodě a využívá tzv. lotosového efektu (samočisticí schopnost).
V současné době probíhá řada výzkumů zabývajících se škodlivostí nanočástic. Mezi nejškodlivější patří nanočástice pocházející z výfukových plynů automobilů, letadel a komínů. Při větším množství jsou toxické například nanočástice stříbra, které jinak bojují s různými bakteriemi.
