Nanonet

Efekt skali nano

Nanotechnologia, chociaż jest stosunkowo młodą dziedziną nauki i techniki, zdążyła już znaleźć liczne zastosowania i efekty odkryć z nią związanych można dostrzec w przedmiotach codziennego użytku. Materiały o rozmiarach w skali nano znajdują się w naszych komputerach, telefonach, kosmetykach, sprzęcie sportowym, a rozwiązań związanych z nanotechnologią, które tylko czekają na wdrożenie jest jeszcze wiele. Ze względu na tę różnorodność sfer życia, które zmienia nanotechnologia, może pojawić się bardzo ciekawe pytanie: dlaczego materia o rozmiarach w skali nano ma tak wyjątkowe właściwości?

Na początek, spróbujmy sobie uzmysłowić o jakich rozmiarach właściwie mowa. Nanometr to miliardowa część metra, czyli bardzo, ale to bardzo mało. Dla porównania, włos ludzki ma średnicę około 100 tys. nanometrów, zaś Twoje paznokcie przyrastają średnio z prędkością 1 nm/s. Zaskakujące zatem może być to, że rozmiar typowych nanostruktur to od kilku do około stu nanometrów. Ten fakt bezpośrednio może przekładać się na zastosowania nanotechnologii, ponieważ umiejętność manipulacji materią w skali nano wydaje się być niezwykle istotna z punktu widzenia biologii. Właśnie dzięki obiektom o takich rozmiarach odbywają się kluczowe dla życia procesy. Organelle komórkowe, DNA, makrocząsteczki są tak duże, jak wytwarzane w laboratoriach nanostruktury. Zainspirowało to wielu naukowców do badań nad tzw. nanomedycyną, w której dzięki nanomateriałom próbuje się rozwiązać problemy związane m.in. z obrazowaniem obiektów biologicznych, dostarczaniem i efektywnością leków.

skalanano

Rysunek 1. Porównanie obiektów o nanometrowych rozmiarach z obiektami makroskopowymi. [1]

Jednak nie doczekaliśmy się jeszcze spektakularnych rezultatów badania nanostruktur w kontekście zastosowań medycznych. Co zatem innego sprawia, że skala nano jest tak wyjątkowa? Właściwościami makroskopowych obiektów rządzi klasyczna fizyka. Wielkości takie jak długość fali de Broglie’a czy nieoznaczoność położenia i pędu mają pomijalne znaczenie, gdy rozpatrujemy przedmioty, z którymi mamy do czynienia w życiu codziennym. Mechaniką kwantową (a właściwie jej zgrubnym przybliżeniem) opisujemy elektrony w makroskopowych półprzewodnikach, ale rozmiary kryształu nie mają wpływu na właściwości opisywanych cząstek. Ta sytuacja diametralnie się zmienia, gdy półprzewodnik zostanie zmniejszony do wielkości rzędu kilku lub kilkudziesięciu nanometrów.

W tej skali, dotychczasowo teoretyczna dziedzina, jaką była fizyka kwantowa nabiera bardzo realnego znaczenia. Rozmiary nanostruktur są na tyle małe, by uwięzić (przynajmniej poniekąd) elektrony w tzw. studniach kwantowych. Ma to wpływ na stany energetyczne, w których mogą znajdować się elektrony, a co za tym idzie na właściwości optyczne nanostruktur. Bezpośrednio przekłada się to na zastosowania nanotechnologii w optoelektronice. W ten sposób buduje się diody LED, lasery itp. Ponadto, ograniczenie rozmiarów do kilkudziesięciu nanometrów prowadzi do zupełnie innego transportu elektronów przez nanostruktury, niż w przypadku klasycznym. W nanostrukturach zachodzi transport balistyczny, który charakteryzuje się brakiem rozpraszania, gdyż rozmiary struktury są mniejsze niż droga swobodna elektronu. Słowem, kwantowy transport balistyczny jest bezstratny. Co więcej, dzięki takiemu rodzajowi transportu objawiają się inne kwantowe efekty w nanostrukturach. Z tego powodu, nanotechnologia może zrewolucjonizować elektronikę.

Carbon_nanotube_armchair_povray

Rysunek 2. W nanorurkach węglowych może występować tranport balistyczny elektronów. [2]

Wykorzystanie nanostruktur zmieniło przemysł chemiczny, dzięki co raz powszechniejszemu zastosowaniu nanocząstek, jako katalizatorów i adsorbentów. Kontrola rozmiaru umożliwia także kontrolę nad innymi makroskopowymi właściwościami np. temperaturą topnienia nanocząstek. Jest to możliwe dzięki znacznie zwiększonej liczbie atomów powierzchniowych w nanostrukturach. Wynika to z prostego matematycznego faktu, że objętość rośnie zgodnie z trzecią potęgą rozmiaru, zaś powierzchnia z drugą. Powoduje to, że im mniejszy rozmiar tym stosunek powierzchni do objętości rośnie.

rubix_cube

Rysunek 3. Kostka Rubika jako całość ma znacznie mniejszą powierzchnię niż łączna powierzchnia sześcianów ją tworzących.

Jak widać, rozmiar ma kluczowe znaczenie. Zmniejszenie rozmiarów do kilkudziesięciu nanometrów ma znaczący wpływ na właściwości materiałów, co bezpośrednio przekłada się na liczne zastosowania nanotechnologii. Niniejszy artykuł przedstawia jedynie najbardziej elementarne efekty składające się na efekt skali nano. Nie opisano zmian właściwości związanych z nowymi dziedzinami nanotechnologii takimi jak spintronika, fotonika i plazmonika.

Te właściwości mogą zostać wkrótce wykorzystane do zrewolucjonizowania kolejnych aspektów naszego życia. Być może, wkrótce elektronika stanie się przeszłością i cechujące się stosunkowo niską prędkością i dużymi stratami elektrony zostaną wyparte przez fotony. W każdym razie, przed nami wiele pracy, aby efekt skali nano przełożyć na rewolucję technologiczną.

Krzysztof Czajkowski
Uniwersytet Warszawski

[1] www.nano.gov/nanotech-101/what/nano-size (creative commons)
[2] en.wikipedia.org

Mecenasi Nanonet: