Download PDF

English

Introducere

Ce este nanotehnologia și când a luat ea naștere?

Chiar dacă termenul nanotehnologie este relativ nou, acesta este, de fapt, un “termen umbrelă”, care cuprinde discipline cu rădăcini istorice foarte vechi. Actualmente, cercetătorii au la dispoziţie mijloacele de studiu necesare pentru cercetarea diverselor artefacte care s-au dovedit a fi alcătuite în majoritatea cazurilor din nanoparticule. Așadar, nanotehnologiile există și au existat în jurul nostru, în natură, dintotdeauna.

Într-un sens restrâns, nanotehnologia are la bază abilitatea de a construi structuri complexe alcătuite din particule de nivel atomic prin sinteză fizică sau chimică. Structurile nanometrice nu numai că sunt extrem de mici, ajungându-se chiar până la scară atomică în proiectarea lor, dar ele posedă unele proprietăți total deosebite și neașteptate, în comparație cu trăsăturile aceleiași substanțe de dimensiune macroscopică.

Geneza nanotehnologiei ca știință

La 29 decembrie 1959, laureatul Premiului Nobel, Richard Feynman, a făcut pentru prima dată referire la nanotehnologie și avantajele încă neexploatate ale miniaturizării, spunând că: “Principiile fizicii, în măsura în care eu le pot vedea, nu se opun posibilității de manevrare a lucrurilor atom cu atom”. Astăzi, există instrumente care urmăresc cu precizie ceea ce Feynman a zis: crearea structurilor, manevrând atomii unul câte unul. Această viziune a fizicianului american este considerată ca fiind prima discuție depre nanotehnologie, dar abia în anul 1974 Norio Taniguchi, cercetător la Universitatea din Tokio, implementează concret termenul de “nanotehnologie”.

Pentru încă 10 ani, nanotehnologia a rămas departe de cunoașterea publicului. În anul 1986, americanul Eric K. Drexler a scris “Engines of Creation: the coming era of nanotechnology”, carte care este considerată cursul de bază al nanotehnologiei, domeniu care va schimba radical in câteva decenii toate laturile fundamentale ale vieții omenirii. (Fig. 1, Richard Feynman), (Fig. 2, Eric K. Drexler).

În timp ce Eric își scria cartea, un grup de cercetători de la Universitatea Rice au studiat o moleculă artefactă. După mai multe procese fizice și chimice făcute asupra acestei molecule, Richard Smalley și echipa sa au observat cum carbonul a format cristale extrem de stabile alcătuite din șase atomi. Aceștia au sesizat cum cristalele formează o structură similară cu o “minge de fotbal” și au denumit această descoperire “fullerene” sau “buckyball”.

“Buckyball” rămâne cea mai importantă descoperire a nanotehnologiei. Această descoperire a dus la câștigarea Premiului Nobel în Chimie, în anul 1996, de către Smalley și colegii săi (Fig. 3, Fullerene).

Un alt pas spre dezvoltarea nanotehnologiilor îl constituie inventarea a două instrumente care au revoluționat vizualizarea și manipularea suprafețelor la scara nanometrică. Aceste două descoperiri sunt: Scannimg Tunelling Microscope (STM) și Atomic Force Microscope (AFM), dispozitive complexe, capabile de a fotografia suprafețe cu rezoluție atomică.

Binning și colaboratorii săi de la IBM Zurich sunt inventatorii celor două instrumente, pentru care au fost recompensați, în anul 1986, cu Premiul Nobel pentru Fizică. Inventarea acestor instrumente a deschis practic porțile “lumii nano” pentru oamenii de știință. În septembrie 1989, cercetătorul Don Eigler, de la IBM, a reușit pentru prima dată în istorie să deplaseze și să controleze un atom individual, iar în noiembrie 1989, împreună cu echipa sa, a scris cuvântul IBM, utilizând 35 atomi de xenon poziționați cu precizie nanometrică.

Saumio Iijima a descoperit, în anul 1991, nanotuburile de carbon care au devenit un câmp de cercetare valoros pentru chimia și fizica moleculară. Nanotuburile de carbon sunt alotropi ai carbonului cu nanostructură cilindrică și au proprietăți electrice şi optice neobișnuite Nanotehnologia mai veche decât nanoștiința

Chiar dacă nanotehnologia a fost introdusă ca știință în anul 1959, există dovezi ale utilizării tehnologiei pentru manipularea nanoparticulelor încă de acum 2000 de ani: săbiile de Damasc, cupa Lycurgus, picturile Ajanta, tradiționalul produs cosmetic indian kajal.

Coloizii metalici sunt cele mai bune exemple ale nanotehnologiei din timpul medieval și modern. Culoarea acestor nanoparticule este influențată de forma și dimensiunea lor. Acești coloizi metalici datează încă din secolul al V-lea. Dovadă a existenței lor încă din acea perioadă este o lucrare Romană, Lycurgus cup (cupa Lycurgus), din sticlă, având pictată o scena cu regele Lycurgus al Traciei. Putem observa că, atunci când ea este iluminată din exterior ea are culoare verde, iar când este iluminată din interior are culoarea roșu rubiniu, cu excepția regelui care are culoare violet. Misterul acestei variații de culori a fost rezolvat abia în 1990, când cercetătorii din Anglia au analizat fragmente la microscop și au constatat că acestea sunt nanoparticule de argint și aur impregnate în sticlă.

Un alt exemplu al existenței acestor coloizi îl reprezintă uimitoarele vitralii datate încă din Evul Mediu și prezente astăzi în numeroase biserici. Aceste vitralii sunt realizate dintr-o compoziție din sticlă și particule metalice.

Dacă ne întoarcem în trecut și privim în istoria științei, încă de la sfârșitul secolului al XIX-lea, coloizii de aur au reprezentat un subiect de cercetare. Omul de știință care a realizat studii sistematice cu privire la proprietățile coloizilor metalici, în special a celor din aur, a fost Michael Faraday care, în 1857, și-a prezentat lucrarea la Societatea Regală din Londra. Acesta a descris un proces de schimbare a culorii, susținând că, dacă unui coloid de aur i se adaugă o anumită sare, acesta își schimbă culoarea în albastru. Miraculosul material reprezentat de nanotuburile de carbon, descoperite în 1991, s-a utilizat încă de acum 2000 de ani, în India, pentru fabricarea vestitelor săbii de Damasc, care erau renumite pentru oțelul impregnat cu carbon, greu și flexibil în același timp

Istoria ingineriei materialelor cuprinde foarte multe exemple de nanomateriale. De-a lungul timpului, aceste nanomateriale au fost produse din neatenție si nu au fost caracterizate la scară nanometrică, deoarece nu au avut instrumentele necesare. De exemplu, procesul de anodizare a fost folosit pentru prima dată la începutul anilor 1930, reprezentând unul dintre cele mai importante procese folosite în industrie, pentru a proteja aluminiul de coroziune. Inventatorii acestei tehnici nu au fost conștienți că ceea ce protejează aluminiul este, de fapt, un nanomaterial de ultimă generație.

Alte exemple cunoscute sunt: nanoparticulele care se găsesc în structura anvelopelor de cauciuc, dioxidul de titan care se găseşte în unele produse de protecție solară de ultimă generație, numeroase molecule sintetice folosite în compoziția medicamente etc.

Concluzie

Încă din cele mai vechi timpuri, meșteșugarii și artizanii au utilizat tehnici de manipulare a atomilor fără a conştientiza obţinerea de materiale de o calitate superioară redescoperite abia în a doua jumătate a secolului al XX-lea, când s-au pus bazele nanoștiinței.

În prezent, nanotehnologia influențează viața oamenilor mai mult ca orice descoperire științifică prin aplicațiile din toate domeniile și tehnicile. Nanotehnologia prezintă o serie de domenii generale: medicină, mediul înconjurător, cosmetice, tehnologie electronică, aparatură de uz casnic etc.

Acknowledgments

This work was supported by A.L.P.H.A.- pupils Comenius Bilateral Project (2013-1-RO1 COM07-29620 1)

We warmly thank to the teachers Tamara Slatineanu, Cristina Mosu for their effective help.

Bibliography

• Dubey Prashant et al., Syntheses and characterision of water-soluble carbon nanotubes from mustard soot, Pramana-jurnal of physics, vol.65, no.4, 2005, pp. 681-697.
• Melnik A.V., Shagalina O.V., History of Nanotechnology, 2011, Siberian Federal University.
• Ochekpe A. Nelson et al., Nanotechnology and Drug Delivery. Part 1: Background and Applications, Tropical Journal of Pharmaceutical Research, June 2009, 8 (3), pp. 265-274.

Iconography

• Jack Malcom, http://jackmalcolm.com/blog/wp-content/uploads/2013/10/richard-feynman.jpg, Christina Agapakis, Feynman on Biology, 1900 SE 24th Avenue, Fort Lauderdale, Florida, USA, 27 July 2013
• Steve, steve@nano.ms, http://www.thenanoage.com/images/EricDrexler.jpg, USA, 25 September 2014
• Zachary Abel, http://blog.zacharyabel.com/wp-content/uploads/2012/07/big-fullerenes.png, Zachary Abel, Worcester County, Massachusetts, USA, 31 August 2014
• Andreas Roelofs, http://nano.anl.gov/images/VT_AFM_8.jpg, Photo-Initiated Charge Separation in Nanobiohybrid Complex, Argonne National Laboratory, Argonne, Illinois, USA, 11 July 2014
• A. Ippoliti, C. Ottaviani, G. Righini,http://www.ism.cnr.it/english/infra/foto_invertito.jpg, Instituto di Struttura della Materia, Roma,19 September 2014
• Tangient LLC, http://woomyoung.co.kr/admin/pds/1292207483Carbon-Nanotubes.jpg, Eric Ablett, Carbon, San Francisco,24 September 2014
• Pierrette Tremblay, http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n4/images/nphoton.2007.38-f1.jpg, David R. Cole, Mineralogical Society of America, USA, 12 August 2014
• http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/Damascus_bladesmith.jpg
• Dragos Barbu, http://lefrigaro.ro/wp-content/uploads/2014/06/sabie.jpg, Expozitie de sabii, Bucuresti, Romania, 17 August 2014.