close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Eesti. Nanotehnoloogia Euroopas

код для вставкиСкачать
Nanotehnoloogia Euroopas
Nanotehnoloogia
Innovatsioon loob tuleviku maailma
NANOTEHNOLOOGIAD JA NANOTEADUSED, TEADMISTEL PÕHINEVAD MITMEOTSTARBELISED MATERJALID JA UUED TOOTMISPROTSESSID JA SEADMED
Üldinformatsioon
EUROOPA
KOMISJON
Ühiskonna uuring
Kas tunnete huvi Euroopa teadusuuringute vastu? RTD info on meie neli korda aastas ilmuv ajakiri, mis hoiab teid kursis peamiste uudistega (tulemused, programmid, sündmused jne). Ajakirja avaldatakse inglise, prantsuse ja saksa keeles. Tasuta näidiseksemplari saamiseks või tasuta tellimuse esitamiseks pöörduge:
European Commission Directorate-General for Research
Information and Communication Unit
B-1049 Brussels
Faks: (32-2) 29-58220
E-post: research@cec.eu.int
Internet: http://ec.europa.eu/research/rtdinfo/index_en.html
Toimetaja: EUROOPA KOMISJON
Teadusuuringute peadirektoraat
Direktoraat G — Tööstustehnoloogiad
Talitus G.4 — Nanoteadused ja nanotehnoloogiad
Kontaktisikud: Dr. Renzo Tomellini, Dr. Angela Hullmann
E-kiri: renzo.tomellini@europa.eu, angela.hullmann@europa.eu
Url: http://cordis.europa.eu/nanotechnology
EUROOPAN KOMISSIO
Nanotehnoloogia
Innovatsioon loob tuleviku maailma Väljaanne koostati Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeeriumi rahastatud projekti käigus ja selle teostas Saksa Inseneride Assotsiatsiooni tehnoloogiakeskus (VDI-TZ). Euroopa Komisjon tänab Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeeriumi, kes andis loa väljaande tõlkimiseks ja Euroopa üldsusele kättesaadavaks tegemiseks. Eriti tänatakse doktor Rosita Cottonet (haridus- ja teadusministeerium) ja doktor Wolfgang Lutherit (VDI-TZ) korraldusliku abi eest. Euroopa Komisjon kavatseb avaldada väljaande kõigis Euroopa keeltes ja lisaks veel araabia, vene ja hiina keeles. Kõik tõlked avaldatakse pdf-failidena ja neid on võimalik alla laadida veebiaadressilt http://cordis.europa.eu/nanotechnology
Kirjastaja: Euroopa Komisjon, teadusuuringute peadirektoraat
Koostaja: Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeerium, Berliin Koordinaator: Tulevikutehnoloogiate talitus, VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf Autor: Doktor Mathias Schulenburg, Köln Kujundus: Suzy Coppens, BergerhofStudios, Köln Teadusuuringute peadirektoraat
2007 Nanoteadused ja Nanotehnoloogiad EUR 21151ET
JURIIDILINE MÄRKUS
Euroopa Komisjon ega ükski komisjoni nimel tegutsev isik ei vastuta selle eest, kuidas alljärgnevat teavet kasutatakse.
Väljaandes avaldatud seisukohtade eest vastutab ainuisikuliselt autor ja need ei tarvitse väljendada Euroopa Komisjoni seisukohti. Internetist võib leida väga palju lisateavet Euroopa Liidu kohta.
Teave on kättesaadav Euroopa serveri kaudu (http://europa.eu). Kataloogiandmed on esitatud väljaande lõpus. Luxembourg: Euroopa Ühenduste Ametlike Väljaannete Talitus, 2004
ISBN 92-79-00880-3 © Euroopa Ühendused, 2007 Paljundamine on lubatud tingimusel, et viidatakse allikale. Europe Direct on teenistus, mis aitab teil leida vastuseid küsimustele Euroopa Liidu kohta Tasuta telefoninumber:
00 800 6 7 8 9 10 11
Eessõna
N
anotehnoloogia on uus lähenemisviis, mis põhineb aine nanoskaalaomaduste mõistmisel ja rakendamisel: üks nanomeeter (üks miljardik meetrit) on väikese molekuli pikkus. Materjalid ilmutavad sellel tasandil sageli erilisi ja hämmastavaid omadusi ning teaduse ja tehnika traditsiooniliste valdkondade piirid ähmastuvad. Seetõttu on nanotehnoloogia ka selgelt interdistsiplinaarse iseloomuga. Nanotehnoloogiat kirjeldatakse sageli kui „murrangulist“ või „pöördelist tehnoloogiat“, arvestades tema võimalikku mõju tööstuslikele tootmissuundadele. Nanotehnoloogia pakub paljudele kaasaja probleemidele võimalikke lahendusi, kasutades uusi materjale, kompaktsemaid ja kergemaid koostisosi ning kiiremini ja paremini toimivaid süsteeme. See avab uued võimalused heaolu ja tööhõive suurendamiseks. Nanotehnoloogialt oodatakse abi ka globaalsete ja keskkonnaalaste probleemide lahendamisel, kasutades spetsiifilisi tooteid ja protsesse, loodusvarade säästmisel ning jäätmete ja heidete tekke vähendamisel. Käesoleval ajal areneb kogu maailmas nanotehnoloogia väga kiiresti. Euroopa on investeerinud paljudesse nanoteaduse programmidesse juba alates 1990. aastate keskpaigast kuni siiani. Selle tulemusel on välja arendatud tugev teadmistebaas ning nüüd on vaja kindlustada, et need teadmised tooksid uute toodete ja protsesside väljatöötamise kaudu Euroopa tööstusele ja ühiskonnale kasu. Nanotehnoloogiat käsitleb ka komisjoni hiljuti avaldatud teatis („Euroopa nanotehnoloogia strateegia”). Teatises on peale nanoteadusuuringute ja nanotehnoloogia edendamise ettepanekute soovitatud arvesse võtta ka mitmeid teisi arengutegureid: • Riiklike teadusprogrammide ja investeeringute parem koordineerimine, mis tagaks ka Euroopa töörühmade ja infrastruktuuride („kõrgetasemelised keskused“) konkurentsivõime rahvusvahelisel tasandil. Selle kõrval on oluline kogu Euroopa avaliku ja erasektori uurimisorganisatsioonide koostöö piisava mõjuulatuse saavutamiseks.
• Tähelepanuta ei tohiks jätta ka teisi konkurentsivõimega seonduvaid tegureid nagu nõuetekohane metroloogia, õiguslik keskkond ja intellektuaalse omandi kaitse, et sillutada tee tööstuslikule innovatsioonile, mida on vaja rakendada nii väikeste kui ka keskmise suurusega ettevõtete konkurentsieeliste saavutamise huvides.
• Hariduse ja koolitusega seotud tegevus on äärmiselt tähtis. Euroopa teadlased peaksid kindlasti arendama oma ettevõtlusoskusi ja tööstusinsenerid peaksid tundma rohkem huvi uuenduste vastu. Nanotehnoloogiauuringute tõeliselt interdistsiplinaarseks rakendamiseks on võib olla vaja, et leitaks uus lähenemisviis teaduse ja tööstusega seotud haridusele ja koolitusele.
• Teised võtmetegurid nanotehnoloogia vastutustundliku väljaarendamise kindlustamiseks ning inimeste ootustele vastamise tagamiseks on sotsiaalsed aspektid (nt. avalik teave ja teabevahetus, tervishoiu- ja keskkonnaküsimused ning riskihinnang). Üldsuse ja investorite usaldus nanotehnoloogia vastu saab otsustavaks selle pikaajalisel väljaarendamisel ning viljakal rakendamisel.
Käesoleva väljaande eesmärgiks on näitlikult selgitada, mida nanotehnoloogia endast kujutab ja mida see võib Euroopa kodanikele pakkuda. Herbert von Bose
Director of Industrial Technologies Directorate
Research DG,
European Commission 3 Eessõna
4-5 Sisukord
6-7 Aatom: vana idee ja uus tegelikkus
8-13 Nanotehnoloogia looduses
14-15 Pilk nanokosmosesse
16-17
Kirjutusseadmed
18-19
Mõjud teadusele
20-21
Materjalidisain nanoskaalal
Sisukord
Reis nanokosmosesse Vahendid
ja võtted
Nanotehnoloogialt ühiskonnale
22-27 Maailm võrgus: nanoelektroonika
28-29 Nanotehnoloogia tuleviku argipäevas
30-33 Mobiilsus
34-37 Tervis
38-41
Energia ja keskkond
42-43
Nanotehnoloogia spordis ja vabal ajal
44-45 Visioonid 46-47 Võimalused ja ohud
Täiendav teave
48 Kuidas minust saaks nanoinsener?
49
Kontaktid, lingid, viited kirjandusele
50-51 Mõisted
52 Illustratsioonid 6
Reis nanokosmosesse
Aatom: vana idee ja uus tegelikkus Meie materiaalne maailm koosneb aatomitest. Seda väitis juba 2400 aastat tagasi kreeka filosoof Demokritos. Tänapäeva kreeklased on teda selle eest tänanud tema portree paigutamisega oma 10-drahmisele mündile, mis on sama laialt levinud kui aatom. Vihmapiisk sisaldab 1 000 000 000 000 000 000 000 aatomit, sest aatomid on tibatillukesed, nende suurus on üks kümnendik nano-
meetrit. Nanomeeter on üks miljondik millimeetrit.
Amedeo Avogadro (1776-1856), Torino füüsikaprofessor, kes analüüsis esimesena vihmapiiska.
Magneesiumi aatomi
ja tennisepalli läbimõõdu suhe on võrdne tennise-
palli ja Maa läbimõõdu suhtega. Mõelge sellele,
kui võtate järgmise magneesiumitableti!
Demokritose vaim hõljub nanomaailma kohal, mis on kui lõpmatute võimaluste ookean. V
ana-Rooma literaat Lucretius kirjutas paarsada aastat hiljem aatomite kohta luuletuse:
”Universum koosneb lõpmatust ruumist
ja lõpmatust jagamatute osakeste hulgast,
aatomitest, mille liikide arv on samas lõplik…
Aatomid erinevad üksteisest vaid vormi, suuruse ja kaalu poolest, nad on läbistamatult kõvad, muutumatud, füüsilise jagatavuse piir …"
See oli päris hea, ehkki vaid spekulatsioon.
Pärast seda ei mõeldud enam pikka aega selliste asjade üle.
Seitsmeteistkümnendal sajandil mõtiskles kuulus astronoom Johannes Kepler lumehelveste üle ja avaldas oma arutluse 1611. aastal:
Korrapärane kuju tekib vaid tänu lihtsatele, ühesuguse kujuga ehituskividele.
Idee aatomitest sai uue sära.
7
Tänapäeva analüüsiseadmetega on elava mateeria väga keerulised koostisosad suudetud kuni nanomõõtmeteni nähtavaks teha.
Lõpuks loodi 1980. aastatel tunnelmikroskoop – instrument, millega võib jälgida mitte üksnes seda, kuidas üksikud aatomid kristallis on paigutatud (paljud pidasid esimesi pilte võltsinguiks), vaid millega saab neid ka liigutada.
Sellega oli maailm ette valmistatud väga oluliseks sündmuseks: nanotehnoloogia ilmumiseks. Professor Berndt Kielist
laseb mangaani aatomitel moodustada Christian Albrechti
ülikooli logo.
Õpetlased, kes tegelesid mineraalide ja kristallidega,
uskusid üha kindlamalt aatomite olemasolusse. Aga alles 1912. aastal õnnestus Müncheni ülikoolis saada selle kohta ümberlükkamatu tõend: vasksulfaadi kristall hajutas röntgenkiirgust samamoodi kui vihmavarjukangas laternavalgust –
kristall pidi koosnema kindlas järjestuses korrastatud aatomitest
nagu lõimelõngad vihmavarjukangas või apelsinid turuletil virnas.
Põhjus, miks aatomid kristallis nii korrapäraselt järjestuvad, on lihtne: aine seab ennast sisse nii mugavalt kui võimalik ning kõige mugavam on korrapärasus. Isegi pähklid, mida kausis raputatakse, paigutuvad korrapärase mustri järgi - aatomitel on seda veel kergem teha.
Lihtsad mustrid ei kipu aga alati kõige meelsamini paljunema.
Iseorganiseerumistungist juhitud aine on Maal miljardite aastate jooksul arenenud uskumatult keerulisteks eluvormideks.
Ada Yonath DESYst
võib kristallograafia abil kindlaks teha, kuidas on ehitatud nanomasinad, nt ribosoomid.
8
Nanotehnoloogia looduses
Elav loodus on nanotehnoloogidele südamelähedane. Loodus on nelja miljardi aasta jooksul leidnud oma probleemidele kohati jahmatavad lahendused. Selle juures on tüüpiline, et elu määrab oma aine ehituse ülimate peensusteni - aatomite tasandini. Nanotehnoloogidel on sama soov.
A
atomeid ei armastata. Kes neist kuuleb, mõtleb võimsatele plahvatustele või ohtlikule kiirgusele. See peab paika aga üksnes aatomituumaga tegeleva tehnoloogia puhul. Nanotehnoloogia tegeleb aatomi kestadega, need on nagu noodid, millest moodustub nanotehnoloogia muusika.
Kahtlejate veenmiseks, et aatomid on tõepoolest täiesti tavalised, ja teatud ühendites koguni maitsvad, valime oma nanokosmose retke sihtkohaks juustu.
Mimolette leiutati Flandrias. Väikeste augukestega pikitud pealispind lubab oletada, et juustus elatakse. Peremehe loal - nagu selgub, sest lestade elutegevus tuleb mimolette´i aroomile kasuks. Lestad on vaid kümnendiku millimeetri suurused. ESEM – eriline skaneeriv elektronmikroskoop suudab jälgida isegi elavaid lesti. Lestad koosnevad nagu teisedki organismid rakkudest. Raku suurusjärk on mikromeeter. Raku sisemus on nagu väga keeruline mehhanism. Selle mehhanismi tähtsaks osaks on ribosoomid, mis pärilikkuseaine DNA järjestuse alusel
toodavad kõikvõimalikke valgumolekule. Ribosoomid on 20 nanomeetri suurused. Ribosoomide ehitus on nüüdseks üksikute aatomiteni kindlaks tehtud. Sedalaadi nanobiotehnoloogia esimesed viljad on juba käes – uued ravimid, mis blokeerivad bakterite ribosoomide töö.
Reis nanokosmosesse
1 m10 cm1 mm0,1 mm
10 μm
10 nm
9
Lootoseefekt ja teised nähtused
M
ungalill hoiab oma lehed puhtad lootoseefekti abil. Skaneeriv (raster-) elektronmikroskoop ESEM näitab, kuidas veetilgad püsivad eemal lehe pinnast. See on seotud lehtede näsalise ehitusega, mis sunnib vett lehepinnalt väga kiiresti tilgakestena eralduma. Sealjuures viiakse kaasa ka mustus. Lootoseefekti, mida on eriti põhjalikult uurinud professor Barthlott ja tema kaastöötajad Bonni ülikoolis, rakendatakse juba terve rea toodete juures nagu näiteks fassaadivärvid, millelt vesi tilgakestena eraldudes mustuse kaasa viib. Lootosestruktuuriga keraamikat on kerge hooldada. Taimelehes on veelgi nanotehnoloogiat. Nende veemajandust kontrollivad sageli forisoomid. Need on mikroskoopiliselt väikesed lihased, mis avavad taimede kapillarsüsteemides läbipääse või sulgevad neid, kui taime vigastatakse. Kolm Fraunhoferi instituuti ja Gießeni ülikool üritavad praegu taimelihaseid tehniliselt ära kasutada, näiteks mikroskoopiliselt väikeste lineaarmootorite jaoks, mis sobivad võib-olla kiiplaborisse. Aatomi tasandil näeme jällegi kõige rafineeritumat tehnikat – fotosünteesi mehhanismi, mis kogub energiat elu jaoks Maal. Siin on tähtis juba iga üksik aatom. See, kes suudab seda nanotehnoloogiliselt järele teha, on igaveseks energiaga kindlustatud. 1 m1 cm
50 m m
10 m m
1 μm
10 nm
Lootos puhastab oma
lehti enda järgi nime saanud
lootoseefekti abil. Veetilgad mungalille ehk kressi lehel, jäädvustatud erilise elektronmikroskoobiga (ESEM) Baseli ülikoolis.
10
Nanotehnoloogia laes: geko
G
ekod suudavad mööda iga seina üles joosta, pea alaspidi üle lae söösta ja ainult ühe jala abil ennast seal kinni hoida. Loomulikult aitab siin nanotehnoloogia. Geko jalad on kaetud imepeenikeste karvadega, mis on nii hästi pinnaga sobituvad, et võivad ulatuslikul alal läheneda aluspinnale mõne nanomeetri kauguseni. Sellisel kaugusel hakkab toimima niinimetatud van der Waalsi jõud, mis on tegelikult väga nõrk, kuid tänu miljonitele kontaktpindadele piisav. Ühendusi on kerge katkestada, kui neid nagu kleepriba või takjapaela „lahti koorides“. Nii suudabki geko üle lae joosta. Materjaliteadlased rõõmustavad juba sünteetilise „gekoliini“ üle.
Elu eest kleepumine
E
lu eksisteerib, sest tema koostisosi hoiab koos kõrgelt arenenud nanotehnoloogiline liimimistehnika.
Vigastuste, näiteks sääsetorke puhul toimib see nii: torkekoht muutub punaseks, sest kõige peenemad veresooned laienevad, et lasta läbi leukotsüütide – valgeid vereliblesid. Torkekohas eritavad rakud teatavat meelitusainet. Veresoonte seinte rakud ja leukotsüüdid eraldavad vastavalt selle kontsentratsioonile vastastikku sobivaid kleepaine molekule, mis nõrga kleepumisega aeglustavad leukotsüütide liikumist veresoones. Kui meelitusaine sisaldus on tõusnud eriti kõrgele, kleepuvad leukotsüüdid tugevalt kokku, teised kleepaine molekulid tõmbavad verelibled läbi veresoone seina torkekohale, kus nad võtavad sissetungijad käsile – see on kleepimiskunsti tippsaavutus.
Selletaoliste nanotehnoloogiatoodete loomist uuritakse märksõna all „kleepumine käsu peale“ (bonding on command). Rannakarbid kui kleepumiskunstnikud
T
avalised rannakarbid – needsamad, mida restoranis keedetult koos köögiviljadega pakutakse – on nanotehnoloogia mõistes kleepumiskunstnikud. Kui mollusk tahab kuhugi kinnituda, avab ta karbi ning seab jala kivile, andes sellele iminapa kuju, ning nõristab niimoodi moodustatud alarõhuga ruumi väikeste kanalite kaudu erilised kleepainetilgad – mitsellid.
Need lõhkevad seal ja vabastavad tugevatoimelise allveeliimi, mis hetkega vahustudes moodustab väikese padja. Rannakarp klammerdub elastsete büssusniitidega sellele vetruvale alusele ning isegi murdlainete löögid ei suuda teda enam lahti rebida. Kärbse jalad lähivaates Nanotehnoloogia looduses
Põrnikad, kärbsed,
ämblikud, gekod
on andnud oma haardejõu saladused Stuttgarti Max Plancki Instituudi metalliuurijate
käsutusse. Nad hoiavad
aluspinnast kinni
karvakestega, mis loovad aluspinnaga van der Waalsi
sidemed.
Mida raskem olend,
seda peenemad ja arvukamad on karvakesed.
Reis nanokosmosesse
11
Rannakarp büssusniitide
ning jalaga.
Breemeni Fraunhoferi instituudis (IFAM)
uuritakse modifitseeritud rannakarbiliime,
mis suudavad isegi portselankillud nii kindlalt
kokku kleepida, et need kannatavad masinpesu. Ka Rostocki ja Greifswaldi pädevusvõrgustikus
„Uued ained ja biomaterjalid“
peetakse rannakarpe hoolikalt silmas. Biomineralisatsioon
S
Rannakarbid suudavad veel rohkemgi. Nende pärlmutterkihi moodustavad loendamatud tillukesed lubjakivi – aragoniidi – kristallikesed. Üksikult oleksid kristallikesed väga haprad. Rannakarpides aga on nad kruvitaoliste, ülielastsete valkudega kokku liidetud. Selleks, et muuta merikõrva koda purunemisele kolm tuhat korda vastupidavamaks puhtast kaltsiidikristallist, piisab kui valgu sisaldus on kolm massiprotsenti. Merisiilikud tugevdavad samal viisil oma keskmiselt 30 cm pikkuseid okkaid, mis siis murdlainetusele vastu suudavad panna.
Biomineralisatsioon tekitab ka väga filigraanseid moodustisi. Väikesel alal Filipiini saarte lähistel elab merepõhjas käsn, mida kutsutakse veenusekorviks. Käsn on kõver nagu türgi pistoda tupp, sealjuures aga oma pikitelje suhtes ümmarguse ristlõikega. Oma nime on käsn saanud tänu kesta siseskeletile. Viimane kujutab endast tillukeste Veenusekorvi
– süvamerekäsna –
uuritakse praegu ka kui valguslainejuhi
bioloogilist eeskuju. ränidioksiidnõelte põimikut, mis selles olevate aukude
tõttu meenutab puittooli punutud seljatuge.
See kude kujutab endast korraga nii täisnurkselt kui ka diagonaalselt põimitud võrku.
Peetakse biominera-
lisatsiooni
meistriteoseks: kolmenanomeetrise läbimõõduga
väikesed ränidioksii-
diosakesed liidavad käsna rakud
õhkõrnade kihtidena kokku.
Need rulluvad kokku nii, et moodustuvad räninõelad,
millest saavad suur-
tele rõhumuutustele vastupidava
korvpunutise põhiele-
mendid. Tehniline biomineralisatsioon:
Nanoosakesed parandavad hambaid
Kui hambad muutuvad külma või hapu suhtes väga tundlikuks, on selle põhjuseks enamasti väikesed kanalid hambaemailis – avatud dentiinitorukesed.
Neid kanaleid on võimalik firma SusTech toodetud kaltsiumfosfaadist (apatiidist)
ja valgust koosnevate nanoosakestega kümme korda kiiremini sulgeda
kui tavalise apatiidipreparaadiga. Taasmineraliseeritud materjalikiht käitub
suus samuti kui organismi enda
hambamaterjal.
Kolmemõõtmeline biomineraalide põimik
vesiroti hambaemailis hoiab ära närimispindade purunemise.
12
Diatomee- ehk ränivetikate jaoks on biomineralisatsioon lausa strateegilise tähtsusega.
Mikroskoopiliselt väikesed olendid kaitsevad ennast ränihappepantseritega, mille peamine koostisaine on SiO2, ränidioksiid. Ränihappepantser on nagu ränidioksiidist koosnev kvartsklaaski paljude söövitavate hapete ja leeliste toimele vastupidav, seetõttu loodavad nanotehnoloogid seda kasutada laborinõude valmistamiseks, milles kasvatada nanomõõdus kristalle. Nipp seisneb nimelt selles, et nanomõõdus osakeste valmistamiseks keemilisel teel tuleb piirata reageerivate ainete koguseid. Kui reageeriv aine on täielikult ära kasutatud, jäävad reaktsiooni käigus moodustunud kristallid väikeseks.
Ränivetikates aga on palju nanomõõdus poore, nanoreaktoreid.
Aga kuidas tekivad kohati väga kunstipäraselt mõjuvad ränipantserid? Esimesed vastused on juba saadud. Regensburgi ülikooli teadlased on avastanud, et ühe tuntud valgurühma teisendite – polüamiinide – abil saab õigesti doseeritud ränihappelahuse kasutamisel toota etteantud läbimõõduga nanokuulikesi vahemikus 50 kuni 900 nanomeetrit. Spontaanselt, iseorganiseerumistungi toimel. Samamoodi spontaanselt, lihtsa kasvumudeli alusel, tekivad arvatavasti ka ränihappepantserid.
Nanotehnoloogia looduses: Ophiocoma wendtii, peopesasuuruse madutähe mõistatust ei suudetud pikka aega lahendada. Loom, kelle kettakujulisest pantseriga kaitstud kehast ulatub välja viis jalga, kiirustab peitu, kui läheneb võimalik vaenlane, ehkki tal pealtnäha silmi ei ole. Silmad leiti lõpuks olendi lubipantseris.
See on nimelt üle külvatud täiuslike mikroläätseväljadega, mis muudavad meritähe kogu keha liitsilmaks. Nanotehnoloogia? Üksikud läätsed on niimoodi kristalliseeritud, et kaltsiidi looduslik omadus tekitada kahekordseid kujutisi ei avaldu – kristallisatsioonikontroll nanotasandil.
Lisaks on sfääriliste aberratsoonide tõttu tekkivad vead parandatud läätsedele väga väikeste magneesiumikoguste lisamisega, et vältida segavaid valgusefekte. Ophiocoma valdab seega nanotehnoloogilisel tasandil peensusi, mis omal ajal Carl Zeissile kuulsust tõid.
Üleval: vaade päeval, all: vaade öösel.
Miks peaks ränipantseritel olema strateegiline tähtsus? 1867. aastal avastas rootslane Alfred Nobel, et kobediatomiit, fossiilsete ränivetikate ladestumiskohtades leiduv infusoormuld, imab nitroglütseriini ja surub niiviisi alla selle lõhkeaine kalduvuse spontaanselt plahvatada. Nobel nimetas segu dünamiidiks, ja selle kõrge müügitulu pani aluse fondile, millest tänapäeval makstakse Nobeli preemia auhinnaraha. Nanotehnoloogia looduses
Reis nanokosmosesse
Meritäht Ophiocoma wendtii on oma täiusliku
mikroläätsesüsteemiga kohanenud optiliseks nägemiseks.
Ränivetikapantserid – üleval Mengeri
käsna analoog (vt ka lk 21) – on tänu optimaal-
sele vormile ülimalt sta-
biilsed väikseima kaalu juures ja tõenäoliselt on neil valguse kogumise süsteemid fotosünteesi-
aparaadi kloroplastide jaoks.
Pantsersoomus Ja mikro-
läätseväli üheaegselt.
13
Looduse piirid, tehisobjektide eelised
Nanotehnoloogia on niisiis puhtalt looduslik, kuid siiski on eluslooduse võimalused piiratud, sest ta ei suuda kasutada kõrgeid temperatuure, mida vajab näiteks keraamika ega ka metalljuhte. Tänapäeva tehnika käsutuses on seevastu väga soodsad tingimused – ülim puhtus, madalad temperatuurid, vaakum – kus ilmnevad ainete üllatavad omadused. Nende seas on ka kvantefektid, mis osaliselt näivad olevat vastuolus igapäevaste seaduspärasustega. Näiteks omandavad osakesed nanokosmoses ühtaegu ka laineomadused.
Sel moel võib aatom, mis on ühtne tervik, läbida üheaegselt kahte avaust nagu laine, et pärast seda jällegi tervikuna teed jätkata.
Osakestel avalduvad täiesti uued omadused, kui nende suurus läheneb nanomeetrile: metallidest saavad pooljuhid või isolaatorid. Täiesti silmapaistmatud ained nagu nt kaadmiumtelluriid (CdTe) fluorestseerivad nanokosmoses kõikides vikerkaarevärvides, teised ained muudavad valguse elektrivooluks.
Kui osakesed muutuvad nanoskoopiliselt väikeseks, suureneb nende pealispinna aatomite osakaal tugevalt. Pealispinna aatomitel aga on sageli teistsugused omadused kui aatomitel osakeste sisemuses, enamasti tõuseb nende reageerimisvõime. Näiteks kullast Saarbrückeni Uute Materjalide Instituudis (INM) on välja töötatud nanoosakeste meetod metalldetailidele võltsimis- ja eemaldamiskindla hologrammi kandmiseks.
Saab nanomõõtmes suurepärase kütteelemendi katalüsaatori (vt ka ptk Mobiilsus). Nanoosakesed lasevad ennast koos teiste ainetega kileks töödelda, sellistest liitosakestest saadud materjalidel on rohkem kombineeritud omadusi. Näiteks vannitoapeeglid, mis on kaetud vee pindpinevust eiravate nanokeraamilistest osakestest orgaanilise kaitsekihiga, ei muutu uduseks.
Erilise kihiga kaetud magnetiidi – teatud raudoksiidi nanomõõtmetes osakeste lisamisel õlile tekib magnetvälja mõjul kuju võttev ferrovedelik. Ferrovedelikke kasutatakse üha sagedamini näiteks tihendajatena vaakumkonteinerite keermeavades ja kõvakettahoidjates või masinate või sõiduautode reguleeritavates vibratsioonisummutajates.
Keegi ei tohiks ennast sellest hirmutada lasta, et nanotehnoloogia on keeruline, ka õun on väga keeruline – rakud, ribosoomid, DNA – see aga pole kahandanud puuvilja populaarsust. Sest õuna on ju väga lihtne käsitseda – nagu ka head nanotehnoloogiat. Loodus ei suuda ka seda: nano-
tahmaga töödeldud keraamika korrosioonikindlate süütesead-
mete jaoks näiteks gaasikütteseadmetes.
Keraamika reguleeritav juhtivus
säästab vajadusest kasutada transformaatorit.
Magnetiitnanoosakesed õlis. Vedelikku saab magneti mõjul vormida.
Magnetbakterid võivad sünteesida nanomagnetiita-
helaid ja toimida kompassi-
nõelana. Kaadmiumtelluriidi osakesed fluorestsee-
rivad, värv oleneb ainult osakeste suurusest. „Magnetotactikum
Bavaricum.“
14
Vahendid
ja võtted
M
is on Euroopa röntgenteleskoobil
„Newton“ ühist nanoga?
Teleskoop kogub kaugete objektide röntgenkiirguse 58-sse paberikorvi suurusesse, sibula eeskujul kihiti paigutatud, kullaauruga töödeldud reflektorisse. Reflektorkihtide keskmine pinnakaredus on vaid 0,4 nanomeetrit – meisterlik saavutus, milles on suur osa ettevõttel Carl Zeiss AG.
Röntgenspektroskoopias ja -mikroskoopias kasutatavad ülitäpsed röntgenpeeglid ehitatakse mitmesajast kahe erineva raskusega elemendi kihist. Nõuded sellistele peeglitele on veelgi äärmuslikumad, kihid tohivad üksnes aatomi läbimõõdu murdosakese
võrra ideaalist kõrvale kalduda. Neid meetodeid valdab Dresdeni Fraunhoferi Materjali-ja Kiirgustehnoloogia Instituut.
Nähtava valguse alas kasutatakse kihtreflektori põhimõtet ka looduses: öise eluviisiga seepia Euprymna scolopes suunab helendavate bakterite valguse reflektiinvalgust peeglikese abil alla ja paneb madalamal ujuvad vaenlased uskuma, et see on tükike tähistaevast. See bioloogilise nanotehnoloogia näide avastati hiljuti Hawaii ülikoolis. Rastersondid
R
astersondid kui silmad nanokosmosesse piilumiseks ei tundu eriti kummalisena, kuid on seda aga siiski – lõppude lõpuks pälvis kõigi rastersondide esiisa, rastertunnelmikroskoobi leiutamine Nobeli preemia.
Rastersondide piesokristallid juhivad skaneerimispead korduvalt ja väikese nihkega üle analüüsitava objekti (näiteks aatomiväli). Liikumise ulatus on ülimalt piiratud, pea kaugus on aatomiväljast enamasti väiksem kui aatomi enda läbimõõt. Selle juures täheldatakse kord elektrivoolu teket, kord avastatakse väikesed magnetväljad. Teaduslik sensatsioon: gammakiirte sähvatus põletab rõngad galaktilisse tolmupilve. Pilk nanokosmosesse Nanotehnoloogia kosmo-
ses: Euroopa röntgenteles-
koobi „Newton“ peeglid
on keskmiselt 0,4 nanomeetri sileduseks poleeritud ja näevad siin Andromeda udukogu röntgenkiirguse allikaid.
Quantum Corral, Don Eigler, IBM. Seesmised lained iseloomustavad võimalust elektroni tabada.
Arvutid paigutavad mõõtmistulemused
graafiliselt tasapinnale, nii tekib vastavalt mõõtmisprintsiibile aatomlahutusega ja isegi veel parem kujutis. Eriti rafineeritud on aatomjõumikroskoop. Mikroskoop registreerib imeväikese jõu, mida aatomivälja aatomid skaneerimispea kõige esimesele aatomile avaldavad. Selle meetodiga on võimalik vaadelda isegi aatomite elektronkesti – see on saladuste paljastamine kõige sügavamal tasandil.
Käesoleval ajal hoiab saladuste lahendamise maailmarekordit enda käes Augsburgi ülikool. Skaneeriva pea esiaatom laseb paista kahel elektronpilvekesel, orbitaalil – täpselt nagu õpikus.
15
Kaaliumbromiidi kristall aatomiter-
rassidega. Samasugune näeb välja sool hommikueineks valmistatud munal.
Räni lähivaates, elektrontiheduse
kontuurid aatomjõumikroskoobis.
„Suutliku“ sondiga on võimalik ka kiibile lülitusahelaid tekitada.
Aatomjõumikroskoop: otsiku kõrva-
lekaldest antakse laserkiirega märku fotoelemendile.
Skaneeriva tunnelmikroskoobi klassikaline otsik (skemaatiline)
Euprymna scolopes petab oma vaenlasi reflektiinvalgust peegli abil. Kasutatakse helendavate bakterite tekitatud valgust.
Mitmekihiline nõguspeegel tugevajõulise röntgenana-
lüüsi jaoks.
16
lainepikkusel 193 nanomeetrit, et tekitada elemente laiusega 130 ja varsti ka 90 nanomeetrit, mida võimaldab leidlike optiliste võtete kasutamine nagu optilise läheduse korrektsioon ja faasinihe. Praegu tekitatakse trükialused äärmusliku ultraviolettkiirgusega, see on EUV litograafia, kus kasutatakse 13-nanomeetriseid lainepikkusi ja millega tekitatakse ränis vaid 35 nanomeetri laiused struktuurid. Nõuded maskimaterjalile on äärmiselt karmid,
näiteks kümne sentimeetri pikkune plaat tohib paisuda vaid mõne kümnendiku nanomeetri võrra, kui temperatuur tõuseb ühe kraadi Celsiuse võrra. See võrdub mõne aatomi läbimõõduga.
Isegi vajalik mõne aatomi läbimõõdu suurune tasapindsus jääb praegu saavutatavate võimaluste piirile. Litograafia A
rvutimaailmas tähendab litograafia mikrokiipide lülitusskeemide koostamist valguse abil. Selleks kaetakse pooljuhtmaterjalist kõrgpoleeritud ketas - üliõhuke räniplaat valgustundliku kaitselakiga, millele jäädvustatakse ühe vooluahela kujutis. Kaitselaki ilmutamine jätab plaadi säritatud (või säritamata) alad vabaks, millele antakse siis mikroskeeme loovate protsesside kaudu nagu söövitamine, võõraatomite siire ja kõrvaldamine soovitud elektrilised omadused. Protsessi kordamine järjest uute šabloonidega (maskidega) võimaldab luua kõige keerulisemaid
vooluahelaid, mida inimene üldse suudab: kõrgintegreeritud lülitusi ehk kiipe. Transistoride tihedused on aga vahepeal sedavõrd kasvanud, et pliiatsiga tehtud punktile mahub miljon või rohkem transistorit. Kaasaegsetel kiipidel on struktuure, mis on väiksemad kui litograafiavalguse lainepikkus, näiteks krüptoonfluoriidlaserit kasutatakse
Kirjutusseadmed
Vahendid ja võtted
Litograafiaprotsess: Kiip on kolmemõõtmeline struktuur, kus kõik lülituselemendid paigutuvad eri tasanditel. Kaasaegse
tugevajõulise kiibi puhul vajatakse 25 kuni 30 sellist tasandit, mis nõuavad igaüks oma litograafiamaski.
Maski struktuurid paigutatakse plaadile positsioneerija valgus- ja läätsesüsteemi abil, mis sarnaneb diaprojektorile. Iga uus mask maskikomplektis lisab kiibile uusi funktsioone ja suurendab selle keerukust. 17
Nanotempel keskmise suurusega ettevõtetele S
ellel, kes mõtleb nanoelektroonikale, kerkivad silme ette miljonid miljardeid maksvad sisseseaded, mis aga siiski tänu masstootmisele taskukohaseid tooteid pakuvad. Siiski viivad nanokosmosesse teed, mis on avatud ka keskmise suurusega ettevõtetele. Töövõtted tunduvad esmapilgul arhailistena – ultraviolettnanojäljendite tegemisel pressitakse nanoskeemid mehhaaniliselt – tõepoolest mehhaaniliselt – lakki, mis katab elektroonilist kandematerjali, näiteks räni. Tempel, mis sisaldab filigraanseid nanostruktuure, on kvartsklaasist, ja kvartsklaas laseb ultraviolettvalgust läbi. Kui tempel on lakiga kaetud, polümeriseeritakse valgustundlik lakk ultraviolettvalguse mõjul ehk siis lastakse sellel tarduda. Seejärel tempel eemaldatakse ning lakkreljeef õhendatakse. Vabanenud räni saab seejärel vastavalt soovile töödelda. Kui protsessi korratakse mitu korda iga kord erineva templiga, tekib lõpuks kiibi keeruline lülitusskeem transistoride, juhtteede ja muude elementidega. EUV-positsioneeri-
misseadme proto-
tüüp tuleviku kiibipõlvkondade tootmiseks
Litograafiamaskide valmistamiseks kasutatav tserodur, teatud klaaske-
raamiline toode, mis säilitab isegi nanoskaalal
stabiilse vormi. Kõige väiksemad laborikatsete käigus valmistatud elemendid on 10 nanomeetri suurused.
Protsess ei piirdu üksnes elektrooniliste detailidega, ka metalle või plastmassi on võimalik üliõhukeseks töödelda. Protsessi tulemuseks võiks olla ka labor kiibil. Ultraviolettkiirguse baasil töötava jäljendimasina hinnanguline maksumus on juba alla ühe miljoni euro, see on vaid murdosa summast, mis kaasaegse tavalise kiibitehase vastavad seadmed
maksavad. Siiski ei saa ultraviolettnanotrükiga
odavamaid tooteid valmistada, sest käive on palju väiksem. Spetsiaalsete minipartiide jaoks – need on väikesed võrreldes protsessoritootjate suurte partiidega – võiks ultraviolettnanotrükk olla sobiv valik. Dresdeni muutumine elektroonikakeskuseks on Saksa uurimis-
töö edendamise edulugu. Selles piirkonnas on loodud umbes 16 000 töökohta, mis on avaldanud suurt innovaatilist mõju kogu Saksa tööstusele. Saksa haridus- ja teadusministeeriumi toetatud projektides on 44 partnerit tööstusest ja riiklikest uuri-
misasutustest, sealhulgas 21st keskmise suurusega ettevõttest, välja arendanud standardi 300-millimeetriste trükkplaatide (ränikristallketaste) kasutamiseks ülikeeruliste integraallülituste tootmiseks tulevikus. Võtmepositsioon on siin Dresdeni maski-
tehnoloogia keskusel, kus tegeldakse tuleviku nanoelektroonika-
kiipide mikroskeemide koostamise vahendite arendamisega. Templiga nanokosmoses: RWTH Aacheni Pooljuhtide Tehnoloogia Instituudis (IHT) on mehaanilis-optilised meetodid kasutatavad juba kiibistruktuuride 80 nanomeetrise laiuse juures. Kasutusala: ülikeeruliste lülituste väikepartiid. 18
XFEL röntgenlaser – tugev valgus
nanotehnoloogia jaoks
K
ui kõik plaanipäraselt laabub, siis saavad paar miljardit elektroni 2012. aastal väga erutava elamuse. Nad alustavad DESY territooriumil Hamburg-Bahrenfeldis, kus neile antakse ülijuhtiva elektronkiirendiga väga suur energia ja 3,3 kilomeetri kaugusel muudavad magnetid nende trajektoori järjepidevalt looklevaks. Selle käigus tekib eriline lühilainepikkusega röntgenkiirgus – laserkiirgus.
See on kõige väärtuslikum kiirgus, mis on eales teadlaste käsutuses olnud. Ühe kiirgusimpulsiga on võimalik üheainsa (!) biomolekuli struktuuri määrata. Praegu kasutatavate röntgenkiirguse allikate jaoks on vaja biomolekulide hästiehitatud kristalle,
see pole aga sageli võimalik. Kvantefektid
M
üncheni Ludwig Maximiliani ülikoolis
katsetatakse ainetega nanotehnoloogia võimaluste äärmisel piiril, neis tingimustes ilmnevad nende väga kummalised omadused. Kui näiteks sadade tuhandete rubiidiumi aatomite aur jahutatakse miljondiku kraadi võrra üle absoluutse nulli (-273 °C) ja koondatakse magnetvälja mõjul, moodustavad aatomid nn Bose-Einsteini kondensaadi. Selles leiduvad aatomid moodustavad koosluse, mis meenutab marssivate sõdurite kolonni. Müncheni kvantoptikud suudavad sellist kolonni juhtida püsivate laserkiirte kolmemõõtmelisse võrgustikku ja siis sellega manipuleerida, näiteks muuta valguslõksud nii tugevaks, et ühtne kooslus laguneb nn Motti kondensaadiks.
Selle töö eest omistati teadlastele mainekas auhind. Miks? Sellised uuringud annavad sisu kvantteooriale, mis valitseb nanokosmoses. Kes seda hästi mõistab, suudab näiteks täpsemad ajastandardid välja töötada. Täpsemad kellad aitavad omakorda kiirendada andmete liikumist Internetis – niisiis tasub esmapilgul ainult kitsale spetsialistide ringile huvi pakkuv uurimistöö ennast ära. Mõjud
teadusele
Vahendid ja võtted
Kiirete elektronide maa-alune võidusõidurada.
Tavaline röntgenstruktuuranalüüsi spektromeeter.
Sellistele instrumentidele võlgneb teadus tänu suurema osa oma nanokosmose-alaste teadmiste eest.
Motti kondensaat – eksootiline mateeria
ülitäpseks ajamõõtmiseks.
Ülijuhtivad elemendid
elektronkiirenduse jaoks. 19
Röntgenimpulsid on nii lühiajalised, et võimaldavad molekulide erinevaid liikumisstaadiume lausa filmida.
Mis teiste meetoditega jälgimisel tundub olevat ebamäärane tuulekeeris, võtab röntgenlaseri all äratuntava kuju.
Nüüd on võimalik lahendada hõõrdumise saladused. Mis ja kuidas mille vastu hõõrdub, määravad mõnesajast aatomist koosnevad nanomõõdus saarekesed.
Klastrite – mõnesajast aatomist moodustunud kobarate omadusi on XFELiga parem uurida kui ükskõik millise teise seadmega. Lühidalt – teadus ja tehnika arenemine saab Euroopas nanotehnoloogia valdkonna parimalt esindajalt tugeva tõuke. Selleks ühtekokku planeeritud 684 miljonit eurot (seisuga 2003) tasuvad ennast kõigi eelduste kohaselt
oodatust paremini ära. Mitte ainult teoreetiliste teadmistena, vaid ka praktiliste rakendustena. Nanotehnoloogia kõrgeim tase: femtosekundeid kestvad röntgenlaserimpulsid võimaldavad jälgida ja mõista näiteks optoelektroonikas, fotogalvaanikas, kütuse- või päikeseelementides rakendatavate keemiliste reaktsioonide täpset kulgu.
Vabaelektronlaseri
Ehitamine.
nii näeb välja maa-alune elektronkiirendi tee.
20
Sool-geel – võtmemeetod uute ainete
sünteesimiseks
B
earnaise´i kaste sai oma nime Prantsusmaa kuninga Henry IV auks, kes oli pärit Bearnist. Retsept on muide kättesaadav aadressilt www.weltderphysik.de/themen/stoffe/
magazin/.
Kaste on suurepärane (ja väga maitsev) kolloidsüsteemi näide. Kolloididega on tegemist siis, kui paljud ühe aine tilgad teises aines vabalt hõljuvad.
Materjalidisain nanoskaalal
Vahendid
ja võtted
Bearnaise´i kastmes ujuvad äädikatilgad sulavõis. Kreemid ja pinnavärvid on samuti kolloidid. Sool-
geeli meetodi rakendamine viib kolloidid otseteed kõrgtehnoloogiasse.
Sool-geeli meetodi puhul saadakse lahustuvatest ühenditest, näiteks ränist (enamasti kolloidne)
sool, kus räni sisaldavad tilgad ujuvad kandevedelikus.
Kui seda pihustada näiteks plekkplaadile ja soojendada, aurustub kandevedelik ja ränitilgakesed moodustavad võrgustiku, nad muutuvad geeliks.
Lõpuks aga saab geelistunud võrgustikust tahke keraamiline kiht. Plekki ei ähvarda rooste ega kriimustused.
Sool-geeli tehnoloogiat rakendatakse sadades variatsioonides paljude ainete juures. Geelistunud soolid saab vormida niitideks, mis põletades
muutuvad keraamilisteks kiududeks. Soolidest on võimalik toota nanomõõtmetes pulbrit, mida saab oluliselt lihtsamalt ja madalamatel temperatuuridel kui tavalist pulbrit kuumtöödelda sellisteks keraamilisteks toodeteks, mis taluvad kõige kõrgemaid rõhke ja temperatuure.
Sool-geeli tehnoloogia sobib isegi selliste keeruliste optiliste komponentide tootmiseks nagu valgust juhtivad kiud, sageduskordistajad, mikroläätseväljad
ja nii edasi. See nanotehnoloogia haru tähendab materjalitehnoloogias tõelist revolutsiooni.
Geeli lahustit ehk kandevedelikku saab teatud juhtudel eemaldada ka nii, et geelkehad säilitavad oma välismõõtmed, sel juhul tekib väga väikese tihedusega kõrgpoorne materjal,
aerogeel. Sool-geel kuninga jaoks: Bearnaise´i kaste Prantsusmaa kuninga Henry IV auks.
Sobib kõige pisematele
osakestele: sool-geel-
osakeste reaktor. 21
Aerogeel
A
erogeel on tegelikult üsna igapäevane nähtus, kondiitrid tunnevad seda juba ammu besee nime all.
See on suhkrulisandiga, vahustatud ja küpsetatud
munavalge. Sõna „besee“ tähendab suudlust, ja kes selle kätte võtab, tunneb sõrmede all soojust. Põhjuseks on miljonite mikroskoopiliselt väikeste mullikestena beseesse suletud õhk.
Nii ei saa õhk ringelda ja soojust vahetada, mis teeb
beseest soojusisolaatori nagu seda on vahtplast. Vahtklaasist valmistatud sarnase ehitusega aerogeelid on samuti esmaklassilised soojusisolaatorid.
Munavalge on värvitu, besee aga valge. Seda põhjustavad vahustatud munavalge mikromeetrise läbimõõduga mullikesed. Mikromeetri suurustes struktuurides aga peegeldub valgus kõikides
värvides, mis koos annavad valge värvi. Nanomeetrise läbimõõduga poorid valgust enam ei peegelda. Klaasisarnane nanopoorsest vahust materjal paistab seega peaaegu sama selgelt läbi kui tavaline aknaklaas. Kahekordsed klaasplaadid, mis on vahelt täidetud sellise vahuga, on suurepärase soojusisolatsiooniteguriga head aknaklaasid.
Kuna sellised vahud koosnevad peaaegu ainult õhust, nimetatakse neid aerogeelideks. Nimetus geel
tuleneb tootmisprotsessist: valitud materjali vesilahusele lisatav katalüsaator aitab tekitada imepisikesi õhukese seinaga seest tühje kuulikesi,
mis liitudes moodustavad ahelaid ja seejärel ahelakobaraid, ühesõnaga geeli. Kuivatamisel muutub see sulgkergeks aerogeeliks.
Kõige kaugemale reisinud aerogeel paikneb
firma Hoerner & Sulger GmbH valmistatud tolmuanalüsaatoris CIDA, mis 2004. aasta jaanuaris pärast viie aasta ja 3,22 miljardi kilomeetri pikkust teekonda püüdis kinni komeedi Wild 2 tolmu.
Materjalil, milles leidub arvukalt mullikesi, on suur sisepind. Suurim võimalik, nimelt lõpmata suur sisepind on Mengeri käsnal, kusjuures tema ruumala on null. Käsn eksisteerib küll vaid matemaatikute teooriates. Aerogeelide tegelik sisepind on siiski samuti piisavalt suur, et ilmutada
hämmastavaid omadusi. Näiteks kätkeb suhkrutüki
suurune süsinikku sisaldavast materjalist valmistatud aerogeel endas 2000 ruutmeetri suurust sisepinda.
Need ja teised omadused kindlustavad süsinikaerogeelidele kindla koha tuleviku energiatehnoloogias. Näiteks on neist võimalik
valmistada kuni 2500 faradise mahtuvusega kondensaatoreid, kuhu talletatud energiat saab kasutada ka juhul, kui elektriauto energiavajadus järsult tõuseb.
Geniaalne vaht võimaldab toota võimsamaid liitiumpatareisid, uudseid kütuseelemente jne.
Seda ei juhtu sageli, et praktiliselt olematul asjal on selline potentsiaal. Tüüpiline nanotehnoloogia. Aerogeeliga täidetud kahekordne klaas väldib soojakadusid.
Aerogeel väisab komeeti Wild 2.
Mengeri käsn on matemaatikute jaoks universaalkõver. See tekib, kui allpool kirjeldatud protseduuri lõputult korratakse. Aerogeel kui teaduslik
tolmupüüdja.
Tabatud osakesed suletakse kindlalt
vedelasse aerogeeli massi.
22
Nanotehnoloogialt ühiskonnale
Maailm võrgus: nanoelektroonika
Märkmikust stuudios stuudioni pihuarvutis – tehnika võimalused Mootorimüra valjeneb ja vaibub, see mulje luuakse helitugevuskõveratega. Ja siis lendab Orville Wright väga veenvalt Flyer One´iga üle Kill Devil´i mägede nagu 17. detsembril 1903, murdlainete kohina ja luiterohu sahina saatel – seda kõike pihuarvutis. (Teised lennunduspioneerid nagu sakslane Gustav Weißkopf põristasid õhus juba 1901. aastal, aga ei osanud oma saavutusi praktikas ära kasutada.)
Veel kakskümmend aastat tagasi poleks üks inimene suutnud sellist töötlust kinni maksta ja oleks pidanud hankima mitu tonni varustust, tänapäeval piisab pihuarvutist, väikesest kirjutuslauast ja paarist tunnist. Ka entsüklopeedia on salvestatud DVD-plaadile, mis asendab 30 rasket köidet ja on kiire otsingu jaoks võrreldamatult mugavam kui paberkandjal teatmeteos.
Ka heliprogramm on kõvakettale salvestatud materjalikuluta ja pakub paljudelt virtuaalsetelt riiulitelt lõputu hulga heliefekte. Tänapäeva arvutite areng on vallandanud tootmiseks kasutatava materjali vähenemise laine, mis omakorda vähendab ka elektrienergia kasutamist. Riist- ja tarkvara hindade alanemine andis loomeinimeste käsutusse unelmate tootmisvahendid.
Randmeraamatukogu pole tulevikus mitte midagi ebatavalist, nagu ka interaktiivne mobiilside. Ü
lesanne: koostada nelja ja poole minuti pikkune raadiosaade vendade Wrightide esimesest lennust koos asjakohase taustaga. Kuidas toimib raadioajakirjanik, kes
teeb oma tööd armastusega? Ta
vaatab kõigepealt tegevuspaiga
üle. Virtuaalne gloobus näitab
Kitty Hawk´i lendamas Põhja-
Atlandi ookeani äärse mõne
kilomeetri laiuse maariba kohal, mida piiravad Kill Devil´i mäed, niisiis pidid vennad Wrightid murdlainete müha kuulma.
See on heliarhiivis olemas, samuti esimese lennu ajal puhunud tugev tuul, millest kirjutab Encyclopaedia Britannica, koos rohu sahinaga luidetel. Mootor tegi 1200 pööret minutis, heliarhiivis on üks Chrysleri vanaauto salvestus, mõnus madal müdin. Heliprogrammi spektroskoop
näitab usutavaid sagedusi ja kiidab valiku heaks. Esimene lend kestis kaksteist sekundit, välja valitakse katke, mille lõpus heli möödalennu ajal toimiva Doppleri efekti tõttu langeb. Heliprogramm seab selle kõik asjakohastele heliradadele.
Lennuk lendab vasakult paremale, see mulje luuakse panoraamkõveratega.
Vali nano! Eelseisvad aastad
T
änapäeval arvutiprotsessorites töötavat
transistortehnikat kutsutakse CMOS
(Complementary Metal Oxide
Semiconductor – täiendatud metalloksiidpooljuht), seda kasutati muuhulgas ka esimeste elektrooniliste käekellade valmistamisel, sest see tarbis palju vähem elektrienergiat kui tema eelkäijad. Asjatundjad ennustavad alates 1970. aastatest, et tehnika saavutab oma võimaluste piirid kümne kuni viieteistkümne aastaga. See on nii ka praegu. Seekord on elektroonikatööstusel kahtlemata mõjuv põhjus oodata oma komponentide mõõtmete jätkuva vähenemise traditsioonide murdmist: teel mikrokosmosesse muutub mateeria tegelik, atomaarne ehitus nähtavaks. Aatomite elektronkestad on kõige väiksemad ehituskivid, mida saab normaaltingimustes püsivateks tehnilisteks struktuurideks liita. Põhimõtteline
piir on niisiis juba näha. Mikroskeem ei saa olla
õhem kui aatom.
CMOS-tehnoloogiale on kahtlemata juba varem seatud piire, mis võivad tunduda üpris kummalised. Nii on näiteks lülitusahelad, mis ühendavad ühe mikrokiibi transistore, juba praegu nii väikesed, et alumiiniumi aatomid muutuvad ebastabiilseteks. Elektronide voog lausa uhub need minema nagu kivikesed ojas, selle kohta kasutatakse terminit „elektromigratsioon“. Edukalt aitavad vasest lülitusahelad, mis on ka paremad juhid, see kiirendab omakorda kiibi signaali kulgemist. Lülitusahelad aga paigutatakse nii tihedalt üksteise kõrvale,
et tekib tajutav mahtuvus nagu kondensaatori puhul. Kui kiibi projekteerimisel selle mõjuga ei arvestataks,
võiks kiip kaotada oma sünkroonsuse.
Kiibitransistoride teatud struktuurid on aegamööda muutumas väiksemaks kui kakskümmend nanomeetrit.
Sellega on jõutud kvantteooria riiki, kus hakkab toimima tunneliefekt:
vool kulgeb seal, kus see suuremate transistoride puhul liikuda ei tohiks – elektrooniline lüüsisüsteem
hakkab lekkima. Vool on küll nõrk, kuid miljonite transistoride korral liitub see märkimisväärseteks kadudeks ja protsessor kuumeneb. Lisaks põhjustavad uitlaengud loogikavigu, mis võivad osutuda saatuslikuks.
Väga väikeste struktuuride puhul hakkavad lõpuks elektronide laineomadused – nagu kirjeldab kvantteooria – nähtavaks muutuma.
Sellist olukorda käsitavad paljud teadlased
kui võimalust minna üle täiesti uudsele
elektroonikale, mille abil võidakse välja arendada täiesti uusi matemaatilisi universumeid avav kvantarvuti.
23
Telestuudio sõrmeküünel: Kontrolleriga multimeediaprotsessor kõrge resolutsiooniga displei juhtimiseks, mis tarbib sama palju energiat kui taskulamp.
AMD 64bitine 106 miljoni
transistoriga protsessor
arvutirakendustele, mis kasutavad 130nm tehnoloogiat.
24
Moore´i seadus viimasel piiril
G
ordon Moore, üks firma Intel asutajatest, avastas juba 1965. aastal, et mikrokiipide jõudlus kahekordistub umbes iga 18 kuu järel.
Selle „seaduse“ vaidlustab praegu aga üks väga inimlik probleem. Samal ajal kui tõepoolest saavutatakse ühel kiibil asuvate transistoride arvu kasv umbes 50 protsenti aastas, on kiibidisaini tootlikkus analüütikute väitel
tõusnud vaid 20 protsenti
aastas. Tööstus olevat püüdnud seda korvata disainimeeskondade pideva suurendamisega – nüüdseks kuuluvat neisse 250 kuni 300 inimest ning nii suurt, meeskonda ei ole enam võimalik juhtida.
Lakkamatule kasvule räägib vastu ka Moore´i teine seadus, mille järgi struktuuri mõõtmete vähenemine käib käsikäes tootmispaiga kallinemisega. Kuni kõik need piirangud arengut pidevalt mõjutavad, hõlmab nanotehnoloogia aina suuremat kasutusala nanoelektroonikas. Juba praegu on olemasolevate keskprotsessorite (CPU) väikseimad struktuurid alla Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
100 nm ja nendel asub üle 100 miljoni transistori. Kui uskuda pooljuhitööstuse tegevuskavasid, mis tavaliselt tehnika tegelikule arengule alla jäävad, ootavad meid lähiaastatel 45 nm suurused komponendid (2010), mis võimaldava ühele kiibile mahutada umbes miljard transistori. Sellega avanevad kasutusvõimalused, millest me praegu võime üksnes unistada. Mangaani aatomid hõbedal Kielis, Christian Albrechti ülikoolis. Mangaani aatomitest puuri suletud elektronid moodustavad jaotus-
mustreid, mille kuju sõltub kasutatavast
elektripingest.
Sellised efektid on olulised tuleviku elektroonikas.
Maailm võrgus: nanoelektroonika Väike ränisaar
ränikristallil lahustub aegla-
selt 450 kraadi juures. Selliste protsesside tundmine on õhukeste kihtide
kvaliteedi jaoks
tähtis. 25
Faasi- ehk olekuvahetuse muutmälu (Phase Change RAM)
P
raegu kasutatavad mäluseadmed põhinevad erinevatel tehnoloogiatel, millel kõigil on eeliseid ja puudusi.
Magnetmehaanilisel kõvakettal on väga kõrge salvestustihedus, seade salvestab andmeid ka ilma pideva toitevooluta, aga on väga aeglane. Dünaamilise muutmäluga salvestusseade (DRAM) on kiire, kuid unustab töödeldavad andmed ilma pideva „värskenduseta“ vooluimpulsside näol. Flash-salvestid, mida kasutatakse näiteks
MP3-mängijates, mobiiltelefonides ja fotoaparaatides, säilitavad andmed ka ilma
toitevooluta, aga ei ole nii kiired kui
dünaamilise muutmäluga salvestusseadmed (DRAM) ja nendes on andmeid võimalik vaid umbes 1 miljon korda üle kirjutada. Tuleviku nanotehnoloogilised salvestuskontseptsioonid, mis tegelikult lubavad vaid eespool loetletud eeliseid – suur salvestustihedus, kiirus, andmete säilitamine ilma toitevooluta ja pikk eluiga – on tänapäeva vaatevinklist magnetmuutmälu (MRAM,
(Magnetic Random Access Memory), ja allpool kirjeldatud faasi- ehk olekuvahetuse muutmälu.
Tahked ained esinevad kahes äärmuslikus faasis ehk olekus: kas kristallilises (sel juhul on aatomid rangelt korrastatud nagu kuuseistikud puukoolis) või amorfses, kus aatomid paiknevad korrapäratult. Laialt levinud tahked amorfkehad on klaasid, näiteks kvartsklaas. Sama aine, ränidioksiid, on mineraalikaubanduses saadaval ka kristallilisel kujul, see on mäekristall. Kristalliline – amorfne, neist aine kahest olekust võib tulevikus üha sagedamini kuulda, sest ilmselt määravad just nemad mäluseadmete tuleviku. Mõnesid tahkeid aineid on võimalik rohkem või vähem hõlpsalt amorfsest olekust kristallilisse viia ja vastupidi. See, peamiselt temperatuuri mõjul saavutatav olekuvahetus, on optilistes mälukandjates laialdast kasutust leidnud. Kui näiteks korduvkasutusega DVD-le salvestatakse, muudab eriline materjalikiht
antud kohas DVD-l laserimpulsi mõjul tekkinud
temperatuurišoki tõttu oma oleku kristallilisest amorfseks, millega muutuvad ka tema peegeldusomadused. Nüüd saab kihile kirjutada loetava bitimustri. Kestvamad ja tugevamad laserkiiremõjud muudavad amorfsed kohad jälle kristallilisteks, nii saab DVD-le uuesti kirjutada.
Olekut vahetavaid materjale ootab suure tõenäosusega ees edukas tulevik nii elektroonilistes mäluseadmetes, faasivahetusmäluseadmetes kui ka muutmäluseadmetes. Oleku vahetus ei toimu sealjuures optiliselt, vaid elektrooniliselt. Lühikesed vooluimpulsid muudavad aine kõrge elektrilise takistusega amorfseks materjaliks, kestvamad impulsid viivad selle jälle madala takistusega kristallilisse olekusse. Salvestatud andmete lugemiseks kasutatakse mäluelementide takistust.
Olekuvahetuse muutmäluga RAM-iga peaks olema võimalik saavutada selline salvestustihedus, mis võimaldab postmargile kanda terve terabiti teavet – kümne tunni ulatuses kõige kõrgema kvaliteediga tihendamata videomaterjali.
Sellisel alusel töötavad pihuarvutid alustavad jälle sealt, kus nende omanik töö pooleli jättis – alglaadimine (buutimine) pole enam vajalik. Paremal: PC kihid biti salvestamiseks on võimalik sisse ja välja lülitada amorfse ja kristalse faasi vahel, voolu- ja erineva kestusega soojaimpuls-
side abil. See, RWTH Aacheni IHT patentee-
ritud disain, võimaldab luua madala energia-
tarbimisega kiireid arvuteid.
Vasakul: faasivahetuse mäluseadme tegelik ehitus.
26
Edasi kolmemõõtmeliselt – kiibid kasvavad kõrgusesse
P
ilvelõhkujad olid Manhattani napil territooriumil otstarbekalt valitud lahendus, kui oli vaja ehitada uusi kontori- ja eluruume. Loomulikult mõtlesid ka kiibidisainerid juba ammu kolmandale mõõtmele, kuid katsed lõppesid terve rea takistuste tõttu edutult. Tee kolmandasse mõõtmesse on võib-olla
leidnud Müncheni ettevõte Infineon AG. Firmas
on nüüdseks korduvalt õnnestunud lasta kasvada süsinik-nanotorusid (CNT) plaanikohaselt trükiplaadile – poleeritud räniplaadikesele, mis kannab arvutikiipe. Fullereenist torukesed on esmaklassilised voolujuhid, nad tekitavad vähem jääksoojust ja suudavad kiibi erinevate traatimistasandite vahel ka mehaaniliselt vastupidavaid ühendusi (VIA) hoida. Pikaajalises perspektiivis peavad Infineoni uurijad võimalikuks CNT-ga kiipide jaoks välja arendada kolmemõõtmelise tehnoloogia kui CNT-d, kui suurepärased soojusjuhid, suudaksid soojust 3D kiipide sisemusest välja juhtida.
Maailm võrgus: nanoelektroonika Süsiniknanotorude
juhitud kasv
mikroelektroonikaga ühilduval meetodil räniplaadi ettemääratud
kohtades.
10 μ m
Kaasaegseim kunst: spintrooniliste salvestusseadmete eksperimentaalsed
komponendid.
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
27
Spintroonika – arvutamine pöörlevate elektronidega
T
õelise revolutsiooni, mis Moore´i
seaduse kaugele tulevikku kannab,
võivad vallandada spintroonilised komponendid, mis lisaks elektronide elektrilistele omadustele kasutavad ka nende magnetilisi
omadusi, nende spinni ehk pöörlemishulka. Elektroni spinn väljendub väga väikese magnetmomendina, mis reageerib teiste magnetomadustega ja mida saab seetõttu kasutada elektrooniliste funktsioonide täitjana. Üks spintroonika või magnetoelektroonika kasutusvõimalusi on juba argiellu jõudnud: uued kõvakettad on varustatud nn spinnklapiga – õhukesekihiliste lugemispeadega, mis avastavad väga kõrgele magnettakistusele väga väikesed magnetalad
ja tagavad niimoodi väga kõrge salvestustiheduse.
MRAM-ides, magnetilistes salvestuskiipides, on
informatsioon salvestatud magnetkihtide spinnis.
Mittehäviva peamälu jaoks on selline areng väga huvipakkuv ning võiks pikaajalises perspektiivis viia mehhaaniliselt töötavate kõvaketaste kasutamisest loobumiseni.
Spintroonika põhimõtete kasutamine on kõne all ka kvantarvuti arendamisel, sh Würzburgi ülikoolis. Rastertunnelmikroskoobi
pilt, Ruhri ülikool Bochumis. Võimsa kõva-
ketta uued omadused: lugemispea kasutab üli-
tugevat magnettakistust, selle pooljuhtelemendil
on üle kahekümne
nanomõõdus kihi.
Spinpolariseeritud rastertunnelmikroskoobi magnetsond kompab üksiku aatomi magnetilisi omadusi
Keeruline nagu linn – (IBM) kiibi söövitatud vaskvooluring, vaadeldud
rasterelektronmikroskoo-
biga.
Sõrmeharjutused
kvantarvutiga: Aharonov-Bohmi interferomeeter Ruhri ülikoolis Bochumis, val-
mistatud aatomjõumik-
roskoobiga.
Kaasaegsetel kiipidel on kuni 9
traatimistaset.
Uusien ilmiöiden avulla tehokkaita kovalevyjä: lukupää hyödyntää suurta magneettista resistanssia; puolijohde-
komponentissa on yli 20 nanokokoluokan kerrosta.
28
Nanotehnoloogia tuleviku argipäevas
K
ui nanotehnoloogia jõuab argipäeva, ei toimu pealtnäha mingeid dramaatilisi muudatusi. Inimesed istuvad endiselt meelsasti tänavakohvikus, isegi meelsamini kui praegu, sest sisepõlemismootorite mürin on vaibunud mahedaks suminaks ja sahinaks, mis meenutab hermeetiliste vaheseinte sulgumist tähelaevas Enterprise. Bensiinivingu asemel aga on õhus vaevu tunda metanooli, mida kütuseelemendid tarbivad. Teenindamine käib väga nobedalt: sõrmevajutus soovitud roa nimetusele elektroonilises menüüs käivitab kohe köögi tegevuse. Maksmiseks puudutatakse menüüd pangakaardi nurgaga, millele on kantud euro sümbol. Jootraha makstakse siiski tõeliste müntidega, sest need kõlisevad nii kenasti, mis
on muidugi hügieeniliselt kaetud antibakteriaalsete nanoosakestega. Kohviku aknad on üpris palju maksma läinud, sest neil on nii palju ülesandeid täita – mis lõppkokkuvõttes muudab nad taas odavaks.
Aknad on määrdumis- ja kriimustuskindlad, nad
tumenevad, kui valgus on liiga tugev, muudavad valguse elektrivooluks ja helendavad vajaduse korral nagu hiigelekraan: väga mõnus on kohvikus või selle ees koos teistega maailmameistrivõistlusi vaadata.
Ainult tõeliselt arenenud nanoelektroonika abil on võimalik valmistada lummavalt elegantseid seadmeid nagu krediitkaardi suurune töötav pihuarvuti (PDA ehk Personal Digital Assistent) – mitte et väiksemat poleks võimalik valmistada, kuid inimkäed vajavad midagi, mis vastab nende suurusele.
Arvuti võiks valmistada matist mustast materjalist nagu monoliidi, mille üksikosi pole võimalik eristada. Must materjal kogub päikesevalgust ja muudab selle elektrivooluks. Arvuti oleks kriimustuskindel, sest seda kaitseb õhkõhuke teemandikiht, selle all asuks piesokeraamiline kiht, mis muudab heli voolupingeks ja vastupidi, nii et Pietsomatot vaimentavat tärinämelua
Kangas on pinnoitettu tahroja hylkiväksi
Magneettisilla kerroksilla saadaan aikaan pienikokoisia muisteja
Lämpökromaattinen lasi säätelee valoisuutta
Nanohiukkasmaali ehkäisee syöpymistä
Kypärästä saa yhteyden työpaikalle Älyvaatteet mittaavat puls-
sia ja hengitystä
Lonkkanivelet bioyhteensopi-
vista materiaaleista
Nanoputkirunko on höy-
henenkevyt, mutta silti erittäin kestävä
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
TRANSLATOR PLEASE.
WHAT GOES WHERE?
Termokroomklaas
reguleerib valguse läbipääsu.
Nanoosakesi sisaldav korrosioonitõrjevärv.
Kiiver peab kandjaga sidet.
Arukas rõivastus
mõõdab pulssi ja hingamissa-
gedust.
Bucky torudest (leiutaja nime järgi) raam on
sulgkerge ja stabiilne.
Puusaliigesed
inimkudedega sobivatest ainetest.
Piesomatid summutavad
häirivat vibratsiooni.
Kütuseelemendid annavad mobiiltelefonidele ja sõiduki-
tele voolu.
Magnetkihid kõige
väiksematele salvestussead-
metele. Virtuaalne klaviatuur:
süsteem tunneb ära
projitseeritud klaviatuuri puudutamise
ja peab seda
klahvivajutuseks.
Fotokroomklaas:
selliste klaaside
valguse läbilaskvus on
juhitav pinge muutmisega – bürookliima reguleerimise
tulevik.
Nanolahuste nanoosakesed
fluorestseeruvad ultraviolett-
valguse (UV) käes, tavalises valguses on nad täies-
ti nähtamatud.
Kui nad on vedelikes madala kontsentratsiooniga, on neid võimalik tindiprin-
teriga
trükkida, ilma et
märgistatud objektide väli-
mus ja otstarve muutuksid.
Seetõttu on nanopigmente väga sobiv kasutada kaitseks
võltsimise vastu.
Plekke hülgava kihiga
kaetud kangas.
Fotogalvaanilised kiled
muudavad valguse elektri-
vooluks.
Orgaanilised valgusdioodid ekraanidele.
Elektroonilisest kartongist
Menüükaart.
Kriimustuskindla kihiga kaetud lootose-efektiga kettad.
Valgusdioodid võistlevad
Hõõglampidega.
Nanotorud uue
pihuarvuti ekraani jaoks. 29
Nanolahuste nanoosakesed
fluorestseeruvad ultraviolettvalguse (UV) käes, tavalises valguses on nad täiesti nähtamatud.
Kui nad on vedelikes madala kontsentratsiooniga, on neid võimalik tindiprinteriga trükkida, ilma et
märgistatud objektide välimus ja otstarve muutuksid.
Seetõttu on nanopigmente väga sobiv kasutada kaitseks
võltsimise vastu.
Polttokennoista saadaan virtaa matkapuhelimiin ja kulkuneuvoihin
Pienissä LED-valoissa on yhtä paljon valoteahoa kuin hehkulampuissa arvutiga saaks kõneldes suhelda. Loomulikult oleks andmeid võimalik edastada ja valgus- ja raadiolainete abil.
Seade suudaks lameobjektiivi ja ülitugeva lahutusvõimega pildimuundamiskiibi abil ka näha, täidaks soovi korral ekraani rolli ning töötaks ühtaegu magnetofoni, fotoaparaadi, videokaamera, teleri ja mobiiltelefonina ning GPSi abil ka rajaleidjana, loeks vastava palve peale Pariisi kohviku menüüd, tõlgiks ja selgitaks seda, esitaks roasoovi sõbralikus prantsuse keeles ning maksaks arve. Loomulikult tunneks selline arvuti ära oma kasutajate hääle- ja sõrmejäljed ning kaitseks ennast pahatahtlike kasutajate eest.
Ruokalista on siirretty sähköiselle paperille
Näyttö toimii OLED-
diodeilla (Organic Light Emitting Diode)
Fotosähköinen kalvo muuntaa valoa sähköksi Naarmuuntumattomat pinnoitetut ikkunalasit hyödyntävät lootusilmiötä
Kannettavan tietoko-
neen näyttö perustuu nanoputkiin
Fotokroomklaas:
selliste klaaside
valguse läbilaskvus on juhitav pinge muut-
misega – bürookliima reguleerimise
tulevik.
Virtuaalne klaviatuur:
süsteem tunneb ära
projitseeritud klaviatuuri puudutamise
ja peab seda
klahvivajutuseks.
30
Nanotehnoloogia autos
T
uuleklaase on võimalik muuta kriimustuskindlaks sool-geeli tehnoloogia abil toodetud kaitsekihtidega, mis sisaldavad vastupidavaid nanomõõdus osakesi. Täielik läbipaistvus säilib, sest nanoosakesed on nii väikesed, et ei hajuta valgust. Prilliklaaside puhul põhimõte juba töötab, ehkki veel mitte täiuslikult.
Autovärvil võiks olla lootoselehe struktuur, mille puhul mustus veetilkadega kaasa viiakse.
Autode klimatiseerimisel võiksid nanomõõdus komponentidega tuuleklaasid aidata pingega reguleeritavat valgus-ja soojuskiirgust rohkem või vähem peegeldada. Bürooruumides aitaks niisuguse tehnika kasutamine väga palju energiat säästa.
Valgus, mida auto vajab, saadakse juba praegu suures osas nanotehnoloogiliselt: kvaliteetsete piduritulede valgusdioodidel on näiteks – nagu kõigil valguskiirgusdioodidel – keerulise ehitusega, nanomeetrites mõõdetavad kihisüsteemid, mis muundavad elektrit valguseks väga kõrge kasuteguriga. Veel üks pluss: valgusdioodid muundavad valguse inimsilma jaoks praktiliselt kohe nähtavaks, hõõglampidega pidurituled vajavad kauem aega. Erinevus aga võib tähendada mitu meetrit pidurdusteekonda. Praeguseks on valgusdioodide valgustugevus juba nii suur, et rühmiti saab neid kasutada esipooltuledena päeval sõitmise ajal.
Nagu teiste masinate puhul, vahetab nanotehno-
loogia ka auto juures massi kvaliteedi vastu välja.
Rohkem tehnikat tähendab vähem materjalikulu, tehnika lepib loodusega ära. Väikesed näsakesed,
suurepärane läbipaistvus: korrapäraste
mikroskoopiliste näsaliste struktuuride abil välditakse häirivaid valguspee-
geldusi ekraanidel
ja autoakendel.
Eeskujuks on võetud
koi silm. See putukas tahab öösel võimali-
kult palju näha, ise samal ajal nähtamatuks jäädes. Mobiilsus Nanotehnoloogialt ühiskonnale
Valgusdioodid pikendavad valgusfooride eluiga ja säästavad energiat. Tasuvusaeg ei ole pikem kui aasta.
Autovärvi võiks nanotehnoloogiliselt isegi
päikeseelemendina kasutada (võimalus, mida
praegu veel rakendatud pole). Sel viisil toodetud elektrivool võiks parkimise ajal akut laadida – tavaliste päikesepatareidega on seda juba saavutatud – või
autosalongi soojuspumba abil jahedana hoida. Soojuspumbad omakorda võiksid koosneda Tuleviku süsteemid on kaetud mõnekümne nanomeetri paksuste kulumise eest kaitsvate teemandisarnaste kihtidega.
nanotehnoloogilisest pooljuhtivast eemaldatavate osadeta kihtsüsteemist.
Kui sisepõlemismootori märkimisväärne jääksoojus omakorda üle niisuguse pooljuhi suunata, tekib uuesti elekter –vaata ka märksõna termoelekter peatükis „Energia ja keskkond“.
Kütuseelemendid (vt lk 33)
aitavad autodel sõita saas-
teaineid eraldamata. Kui ka vesinikku sisaldav kütus pärineb taastuvatest energiaallikatest, muutuvad mootorid eriti keskkonnasõbralikuks.
31
ABS (blokeerumisvastane pidurisüsteem) või ESP (elektrooniline stabiilsusprogramm) hakkavad tööle kriitilistes liiklusolukordades, tuleviku süsteemid aga
väldivad ohte automaatselt.
Paremal: Päästva kokkupõrke
elektroonika: esiistme
õhkpadja kiirendusandur,
diiselsõiduki sissepritsedüüs.
Valged valgusdioo-
did on nii tugeva-
jõuliseks muutu-
nud, et neid võib tulevikus kasutada auto esipooltulede-
na päeval sõitmise ajal.
Ränist tasakaaluorganid: pöördeandur sõiduki stabiliseerimiseks.
32
Kuld kui katalüsaator
N
anotehnoloogia võib ka kullale
leida uue kasutusala. Ehkki „tavaline“ kuld jääb katalüsaatorina plaatinast kaugele maha, sobib poorsel kandjal nanomõõdus kullaosakesi kasutada katalüsaatorina, mis juba
külmstardi puhul lämmastikoksiidid ja süsinikmonooksiidi kahjututeks aineteks lagundab. Kullast nanoosakesed on ka paljulubavad katalüsaatorikandidaadid kütuseelementide jaoks.
Loomulikult tuleb selline areng kasuks ka liikumisviisidele, millel autodega midagi ühist pole. Näiteks jalgrattast saaks nanotehnoloogia, eelkõige
kütuseelementide ja päikesepatareide, abil
suurepärase „igiliikuri”, mis vaid valguse, õhu ja vee jõul hääletult mööda maad liigub, ise kerge kui sulg tänu süsiniknanofiiberraamile, valgusdioodidele
ja muudele lisaseadmetele.
Kuld lõhnade vastu
Kullast nanoosakestega katalüsaatoreid
katsetatakse praegu ka lõhnaeemaldajatena.
Väikestes kliimaseadmetes (nt autos) suudavad need ebameeldivaid lõhnu tekitavaid baktereid kõrvaldada. Jaapanis on sellised katalüsaatorid tualettruumides juba rakendust leidnud.
Nanotehnoloogia puhkekohtades
Autojuhid võivad vähemasti puhkekohtades mikrosüsteemtehnikat kohata. Moodsate käimlate WC-pottides on andurid, mis teatavad nendega ühendatud elektroonikale igast temperatuuritõusust, mille tagajärjel avaneb loputusvee kraan. Vajaliku elektrienergia annab loputusvee voolujõuga
käivitatav miniturbiin. Erinevalt infrapunaanduriga seadmetest pole süsteemi võimalik närimiskummiga rivist välja viia.
Nanotehnoloogilised pissuaarid töötavad pealegi
ühtaegu lihtsalt ja rafineeritult: valamuseina
lootose-efekti tõttu kogunevad vedelikud
tilkadeks, nõrguvad läbi lõhnu absorbeerivate
vedelikukihtide ja kaovad jälgi jätmata – kas see
ka tõeks saab, peab näitama praktika. Sellist
tehnikat saab loomulikult kasutada ka kodus.
Mobiilsus Nanomõõdus lõhnakaps-
lid muudavad naha
tõeliselt meeldivaks.
Kullast nanoosakesed uute katalüsaatorite jaoks.
Majutuskohtade pissuaarid lõhkumiskindla mikrosüsteemtehnikaga.
Nanomõõdus lootoseefekt - kattekihid peavad hoolduse aina hõlpsamaks muutma.
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
Kütuseelement – seade tuhandeks elujuhtumiks
K
ütuseelemendid sarnanevad patareidele: nad annavad voolu. Kui aga patarei keemiline sisu millalgi lõpuni ära kasutatakse, siis kütuseelemendile lisatakse energiarikast ainet pidevalt juurde. Selleks võib olla puhas vesinik
või gaas või vesinikku sisaldav vedelik, nt maagaas või rapsiõli.
Kahel viimasel juhul tuleb vesinik teataval viisil eraldada - rafineerida, enne kui seda
kütuseelemendis kasutada saab. Kui vesinik ja hapnik ühinevad, lähevad vesiniku elektronid hapnikule üle. Kütuseelemendis
juhitakse need elektronid
välimisse vooluringi, mis nüüd
mootoreid ja samalaadseid ajameid käivitada võib. Reaktsiooni lõpptulemusena saadakse puhas vesi.
Kütuseelementidel on kõrge kasutegur, mis olenevalt tüübist ei sõltu
enamasti ka nende suurusest. Neid valmistatakse paljudes eri variantides. Nanotehnoloogia pakub omalt poolt sellisele tehnikale keraamilisi kilesid, nanostruktuuriga pealispindu ja katalüsaatorina toimivaid nanoosakesi.
Viimastel aastatel on kogu maailmas kütuseelementide tehnoloogiale kulutatud 6–8 miljardit dollarit ning ei ole vähimatki kahtlust, et sellest tehnoloogiast võib palju oodata. Käratult töötavad vooluallikad on postmargi- kuni konteinerisuurused ja neid ei kasutata sugugi üksnes autodes.
Väiketarbijatele võiks vesinikuallikaks sobida mittesüttiv metanooli-
vee segu, mida „tangitakse“
ostukeskustes. Kütuseelement aitaks
elektrimootori parimatest parima mootorina jälle pjedestaalile tõsta (esimene elektriauto sõitis Pariisis 1881. aastal). Ainult elektrimootor töötab rohkem kui 90 protsendi suuruse kasuteguriga, ainult tema võib samal ajal toimida generaatorina ning näiteks auto pidurdamisel tekkiva liikumisenergia tagasi elektrienergiaks muundada. Uute elektrimootorite ja generaatorite eriti heade magnetomadustega materjalid koosnevad loomulikult nanokristallidest.
BASFi metallist nanokuubikud suudavad tänu oma nanopooridele suures koguses vesinikku talletada.
Kütuseelemendid
leiavad tee ka kodumajapidamistesse ning toodavad üheaegselt nii elektri-
voolu kui ka soojust. 33
34
saavutada (vt ka ptk Biomineralisatsioon).
Päevakreem (juba praegu saadaval) sisaldab tsinkoksiidist nanokuulikesi, mis kaitsevad nahka kahjuliku ultraviolettkiirguse eest.
Kuulikesed on nähtamatud, sest nad on nanomõõtmetes, niisiis pole kreem valge, vaid täiesti läbipaistev.
Spioonid sõrmeotsal
N
anotehnoloogia, nanoelektroonika,
mikrosüsteemtehnika ja teiste tehnoloogiate abil muutub võimalikuks keeruliste analüüsiseadmete tootmine, mis
on taskukohased ka kodumajapidamistele.
Väikesest täkkest sõrmeotsas piisab tulevikus
vereanalüüsi jaoks. Kas kolesteroolitasemega on kõik korras?
Kas veresuhkru tase on normaalpiirides?
Näidud on võimalik interneti kaudu lähimasse
nanopolikliinikusse meilida, kus võetakse ette täpsem analüüs või valmistatakse mikroreaktorites nanobiotehnoloogiliselt just sellele juhtumile vajalik ravim.
Ravimi viivad kehasse jällegi nanoosakesed, mis on kaetud vastava kihiga nii, et nad kinnituvad ainult haiguskoldele.
Ülitäpne ravimitarne. Usaldusarst hoiab toimuval silma peal. V
õib-olla aga on pakendi välisküljel andur, mis seda haaravate sõrmede higi analüüsides teeb kindlaks kaltsiumi ja muude ainete puuduse, mida saab kõrvaldada nn funktsionaalset toitu tarbides. Tavalise kitsejuustu pakendil aga on orgaanilise valguskiirgusdioodiga etikett, mis soovitab sobivat sorti.
Vannitoa peegel on pikitud nanoelektroonikaga,
mis pakub peegeldamise kõrval küsijale kasulikku teavet ning suhtub apelsinimahla mõnevõrra tõrjuvalt. Apelsinimahl sisaldab ju suhkrut, suhkur aga soodustab hambakaariese teket. Jälle tuleb mängu nanotehnoloogia: hambapasta (juba praegu saadaval) sisaldab nanomõõdus apatiidi-ja proteiinikuulikesi – looduslikku hambaemaili,
mis aitab hammastel jälle oma normaalset seisundit Tähendusrikas hommikusöök 2020. aastal: Kas siis veel kohvi tuntakse? Küllap vist, aga apelsinimahla? Loomulikult, kuid pakendi juures võib märgata midagi erilist, näiteks „elektroonilist keelt“ pakendi siseseinal, mis pidevalt kontrollib mahla joogikõlblikkust. Tervis
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
Üleval paremal: Arukas pakend polümeeride baasil valmistatud transponderkiibiga.
Arukas ümbrus – nanoelektroonika abil nutikust kogunud peegel õpetab hammaste puhastamist.
Üleval vasakul:
Nanoosakestega kiled
hoiavad toiduained
kauem värsked.
35
Supramolekulaarsed ravimikapslid
M
anustatavad ravimid võivad samuti olla erakordselt rafineeritud. Nad paigutatakse supramolekulaarsetesse
õõnsatesse molekulidesse (väljatöötamisel) - nanomõõdus transpordikapslitesse, mille antennidele on kinnitatud antikehadele sarnanevad sensorvalgud. Haigusetekitajale tüüpilise struktuuriga (vähirakkude kestad, bakterid) kokku puutudes kinnituvad sensorvalgud neile ja saadavad signaali õõnesmolekulile, mis seepeale avaneb ja oma sisu vabaks laseb. Niisuguse nanotehnoloogiaga on võimalik medikamente täpsete doosidena haiguskoldesse viia, nii et ülejäänud organismi ei koormata.
Magnetosakesed vähiravis
E
Samasuguste võtetega on võimalik ka
nanomõõdus magnetosakesi vähikolletesse meelitada, mille temperatuur elektromagnetilise vahelduvvälja mõjul tõuseb ja nii suudetakse kasvaja hävitada.
Nanoosakesed läbivad kesknärvisüsteemi ja vereringet eraldava filtersüsteemi ja pääsevad
sel viisil ajukasvajate juurde. Niinimetatud
magnetvedeliku hüpertermia (liigsoojenemise)
meetod arendati välja bioloog Andreas Jordani juhitud töörühma poolt. Meetod on jõudnud
kliinilise katsetamise etappi.
Kapid kiibil
M
Mikrosüsteemtehnika ja nanotehnoloogia
– üleminekud on sujuvad, – tasuvad ennast meditsiini valdkonnas ära sellega, et nad muudavad tuntud seadmeid kohati isegi sada tuhat ja rohkem korda väiksemaks ja odavamaks.
See kehtib ka kõrgetasemeliste masinate kohta, mis suudavad miljoneid rakke, näiteks vererakke, teatud markerite alusel tuhandete kaupa sekundis tuvastada ja elusalt sorteerida. See võiks toimuda nii: verele
Tuleviku diagnostika. Üha keerulisemad
meetodid saavad nanotehnoloogia abiga
taskukohasteks.
Tervele koele väga lähe-
dale jõudnud glioblastoo-
mi – teatava ajukasvaja
rakud, on pilgeni täide-
tud spetsiaalse kihiga kaetud magnetiitnanoo-
sakestega. Kui nüüd osakeste temperatuur
elektromagnetvälja
mõjul tõuseb, muutub
tuumor edasisele ravile
vastuvõtlikuks. Meditsiinis peaks meetod
kasutusel olema juba 2005. aastast. 36
lisatakse antikehad, mis kinnituvad huvipakkuvatele rakkudele – ja ainult nendele – ning kannavad samal ajal värvainet, mis laserivalguses helendab, fluorestseerub.
Rakusorteerijas juhitakse sellised tilka kogutud rakud
just niisugusest laserist mööda. Kui täheldatakse fluorestsentsi, juhivad elektriväljad tilgakese ja sellega koos ka raku kogumisnõusse – võte on osaliselt laenatud tindiprinterilt.
Rakusorteerijad on väga komplitseeritud seadmed, milles mikromehaanika, optika ja elektroonika on äärmiselt keeruline, aparatuur on ka vastavalt kõrge hinnaga. Nanotehnoloogia kahandab praegu veel kapisuurused rakusorteerijad postmargi suuruseks
ja muudab vähemalt osaliselt ühekordselt kasutatavaks. See kiirendab märkimisväärselt meditsiini arengut.
Veel keerulisem nanotehnoloogia on ette nähtud
kiiplabori jaoks. Juhtivate leiutajate unistuste kohaselt mahuvad sellele miljonid nanoseadmete rühmad, mis oma ülesande täitmiseks koostööd teevad. Kiibid on
ruutsentimeetri suurused, niisiis hiigelsuured võrreldes nendel asuvate nanomasinatega, mis tuleb sellest, et neis peavad ringlema vedelikud, mis venivad nanokosmoses nagu mesi ja vajavad voolamiseks ka ruumi. Kiiplaborid tõotavad revolutsiooni bioloogias, kui tulevikus suudetaks nanolabori abiga samm-
sammult jälgida, mis parajasti ühes rakus toimub. Lõpuks võiks vaatlusmaterjalist koostada video, elu video. Ja inimest ei rahuldaks võimalus rakku üksnes jälgida, ta mõjutaks seda, et näha, kuidas rakk
reageerib ja lahendaks niimoodi elu mõistatusi.
Neuroproteesid
P
raegu katsetatakse mikrosüsteemtehnika ja nanotehnoloogia väga komplitseeritud rakendusvõimalust, nimelt õppimisvõimelist reetina (võrkkesta) implantaati. Implantaat peaks Retinitis pigmentosa ehk võrkkesta pigmentse degeneratsiooni all kannatavate ja selle tõttu Verkkokalvoistute
Tervis
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
Väike, aga tubli - labor kiibil, labor sõrmeotsal.
Reetina implantaat: nanomõõdus lähtepulbrid võimaldavad põle-
tamise teel valmistada (särrata) peaaegu veatuid, vastupidavaid keraamikatooteid, mida kasutatak-
se näiteks implantaatides 37
Paremal: Õhukesed ränikiibid painduval kandjal näiteks arukate
etikettide jaoks, mida
saab paigaldada toiduainete pakenditesse või riideesemetesse.
Vasakul: Närvirakkude
kogunemine elektriühenduste ümber. pimedaks jäänud inimeste nägemisvõime osaliselt taastama. Süsteem koosneb väikesest prilliraamidesse paigutatud kaamerast, mis edastab ümbruse kujutisi erilisele õppimisvõimelisele signaalprotsessorile. Protsessor kannab kujutise andmed traadita üle haige silma sisemusse. Seal asub elastne kile miniatuursete elektroodidega, mis toetuvad võrkkestale ja mis seda vastavalt stimuleerivad. Kui seadme väljatöötamine edukalt kulgeb, on tegemist maailma esimese inimene-
masin tüüpi nägemismeele liidesega. Paljusid kurdiks jäänud inimesi aga aitab juba pikemat aega kohlea (sisekõrva tiguorgani) implantaat. Nanotehnoloogia abil on selliseid proteese võimalik pidevalt paremaks muuta. Kodune hooldus
P
arem toitumine ja üha arenev meditsiin võimaldab aina suuremal hulgal inimestel elada üha kõrgema vanuseni. Sellel, tegelikult väga soovitaval tendentsil, on ka looduse poolt seatud puudus – üha rohkem inimesi vajab kõrvalist abi. Osaliselt võib seda pakkuda nanoelektroonika, näiteks mõeldakse Tätä apua voi osittain tarjota nanoelektroniikka. rõivakangasse kootud anduritele ja arvutitehnikale, mis tagavad vanurite tervisliku seisundi (pulss, hingamine, ainevahetus) pideva jälgimise. Kui ilmnevad häired, teatab „medivest“ sellest iseseisvalt perearstile või pereliikmetele. Inimese asukoha kohta annab teateid samuti sisseõmmeldud GPS- või Galileo süsteemimoodul (Galileo on Euroopa versioon tuleviku GPSist). Automaadid põetajateks
V
anal Euroopal on masinatest abiliste suhtes (veel) tõrjuv hoiak, Jaapanis aga on iseseisvalt liikuvad robotid juba tööstuslikus
masstootmises. On täiesti võimalik, et neist saaks arendada igati kõlblikud põetajad, selle kallal igal juhul töötatakse. Robotitööstus rakendab nanoelektroonika üha suuremat andmetöötlusjõudlust vaevata ja suures ulatuses. Arukas rõivastus: sisse-
paigutatud elektroonika esitab MP3 muusikat, juhib läbi linna ja ja jälgib pulssi - lisaväär-
tus, mida võib tajuda oma nahal. Empaatiavõimega robotid Oxfordi ülikoolist.
Pardikarjatamiseks
juba piisab, automaat-
seks haigepõetamiseks
aga oodatakse enamat.
38
E
Euroopas kasutatakse umbes 10 protsenti toodetud elektrivoolust valgustuse jaoks.
LED-id, valgusdioodid, annavad praeguseks juba ka valget valgust, niisiis võivad nad seni kasutatud valgustid välja vahetada. Asendamine annaks märkimisväärse kokkuhoiu, sest LED-id
vajavad sama valgushulga tekitamiseks ainult umbes 50% tavalise elektripirni võimsusest. Saksamaa keskkonnaameti arvestuste kohaselt võiks valgustussektoris saavutada 77 protsendi suuruse säästu. Euroopa kodudes ootavad miljonid elektronkiiretorudega telerid väljavahetamist vedelkristallekraaniga tehnikaga, pikemas perspektiivis ka orgaaniliste valgusdioodidega (OLED) tehnikaga. Mõlemad tehnoloogiad võivad energiatarbimist potentsiaalselt 90 protsendi võrra vähendada. Valgusdioode (LED) ja orgaanilisi valgusdioode (OLED) toodetakse nanotehnoloogiliselt. Kui miljonid majapidamised
säästavad kilovatte, saavad nendest gigavatid, mis
võrduvad juba suure elektrijaama võimsusega.
Kütuseelementide jõudlus on kiirelt muudetav. Praegu ilmuvad kodumajapidamistesse esimesed kütuseelementidega maagaasi küttekolded, mis toodavad vastavalt reguleerimisele nii soojust kui ka elektrivoolu. Kui miljonid kodumajapidamised
on nendega varustatud, võib sellised küttekolded
elektrivõrgu ja interneti kaudu liita võimsateks
virtuaalseteks elektrijaamadeks, mille teoreetiline maksimumvõimsus on 100 gigavatti.
Vastupidiselt tehnika senisele ajaloole suudab
nanotehnoloogia majanduskasvu ühendada
väiksema materjalikuluga. Majandus à la nano: rohkem mugavust väiksema
materjalikuluga.
Valguskiirgusdioodid -
tõhususe revolutsioon.
Energia ja keskkond
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
Shell AG prognoos:
taastuvenergia
jaoks on
nanotehnoloogia
suurepärane valik. 39
Kaugemas tulevikus aga võiks maagaasi asemel hakata kasutama taastuvatest allikatest pärit vesinikku. Nanotehnoloogia aitab sellele kaasa
uute materjalide ja katalüsaatoritega.
Keraamilised membraanid nanomõõdus pooridega
omandavad üha suurema tähtsuse vedelike töötlemisel, samuti puhta joogivee valmistamisel. Bakterid ja viirused filtreeritakse selliste membraanide abil veest hõlpsasti välja.
Nanotehnoloogia muudab päikeseenergia kasutamise
väga tasuvaks. Indiumist, galliumist ja lämmastikust ühenduspooljuhid on juba ilmutanud jõudlust, mis lubab loota, et päikesepatareid võivad saavutada 50-protsendise kasuteguri.
Kasutegur on lihtsalt üks kriteerium, nanotehnoloogia aga hoolitseb ka päikesepatareide märkimisväärse odavnemise eest kile- või osakestetehnoloogia kaudu. Päikesekilede
laborieksemplarid, mis on valmistatud samasuguste
kiletehnoloogiate abil nagu LED-id ja OLED-id, toodavad 30 grammi aine kohta 100 vatise võimsusega elektrit – sellise radikaalse materjali vähenemise elektrienergia tootmisel saavutas Leipzigis Solarion.
Kõige uuemate orgaaniliste päikesepatareide,
mida saab plastmasskilele paigutada ja mis peaksid olema erakordselt odavad, kasuteguriks lubavad Siemensi uurijad 5 protsenti. Fotoaktiivne
kiht on vaid veidi paksem kui 100 nanomeetrit,
praeguseks saavutatud eluiga aga ulatub mõne tuhande päikesetunnini. Esimesed selle tehnoloogia abil valmistatud tooted ilmusid turule 2005. aastal. Lai spekter: Luzerni järve ääres asuva Weggise hotelli
halli klaasfassaad,
mille 84 000 Osrami valgusdioodi kõigis vikerkaarevärvides
säravad.
OLED-i, orgaanilist
valgusdioodi, hakatakse kasutama paljude tuleviku ekraanide juures. 40
E
ksisteerib terve rida ammu tuntud
väärikaid füüsikalisi nähtusi, mis üldsuse poolt vaevalt tähele panduna turuniššides endale tagasihoidliku koha leiavad. Näiteks külmakott, mis ühendatakse auto elektrisüsteemiga ja seeläbi vägagi madalat temperatuuri hoiab. Selle sisemuses töötab nähtamatult Jean Charles Athanase Peltier’, prantsuse õpetlase pärandus, kes 1834. aastal avastas tema järgi nime saanud efekti,
mis seisneb selles, et kahe erineva metalli kokkupuutekohast läbi juhitud elektrivool tekitab ühenduse ühel küljel soojust ja teisel pool külma.
Kolmteist aastat enne seda avastas sakslane Thomas Johann Seebeck vastupidise efekti, mis seisneb selles, et läbi kahe erineva metalli kokkupuutekohta kulgev soojavoog
kutsub esile elektrivoolu. Mõlemad
härrad saavad tänu nanotehnoloogiale
uuesti kuulsaks, sest alles nüüd valmistatakse nanotehnoloogiliselt uusi materjale, mille juures mõlemaid efekte – lõpuks ometi – väga suure kasuteguriga ära kasutatakse.
Selliste materjalide tootmises osalevad jällegi masinad, mida kasutati LED-ide tootmiseks.
Kõnealused masinad katavad umbes ühe nanomeetri paksuse vismuti-
telluriidi kihi viie nanomeetri paksuse antimoni-telluriidi kihiga ja kordavad protsessi, kuni tekib pooljuhtkile, mis oleks härrasid Peltier´d ja Seebecki vaimustanud: kui seda läbib
elektrivool, muutub kile üks külg Nanotehnoloogia äratab uuele elule paljud vanad ideed,
mis varem olemasolevate materjalide puudulikkuse tõttu
luhtusid. Nende hulka kuulub ka termoelektriline elektri-
voolu tootmine: soojuse elektriks ja elektri taas soojuseks muundamine – see on termoelektrotehnika
Energia ja keskkond
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
Tavaline termoelekt-
riline moodul: pool-
juhid muundavad soojusvoo
elektrivooluks.
Nanostruktuurid
panevad tehnika väga tõhusalt tööle
ja hõivavad sel teel
uusi turge. Keemilise mikroreakt-
siooni tehnika
ka eksootiliste ainete tõhusaks tootmiseks.
41
kuumaks, teine aga külmaks. Kilet saab väga peenelt töödelda, nii et seda saab kasutada kiipide ülima täpsusega jahutamiseks või kiiplabori tibatillukeste reaktsiooninõude käigushoidmiseks, kus kiire temperatuurivahetuse tingimustes DNA-d kordistatakse. On tõenäoline, et Peltier´elementide kiirelt suurenev jõudlus võib kunagi muuta kogu külmutustööstuse eelistusi.
See, kelle käsutuses on aga odavad soojusallikad
nagu maapõue soojus, võib selliste termoelektriliste kiledega kuluefektiivselt elektrit toota.
Island võiks elektrolüüsi teel toodetud vesinikku kasutades kujuneda energiakröösuseks.
Keemiatööstuses muundaksid niisugused tehnoloogiad tohutuid koguseid jääksoojust elektriks – hääletult, vaevu nähtavalt, tõhusalt. Isegi
nanotehnoloogiliselt. Termofotogalvaanika
L
Termoelektrotehnika ei ole ainus võimalus
liigse soojuse elegantselt elektrivooluks muundamiseks. Termofotogalvaanika kasutab (nähtamatut) soojuskiirgust, kuumade objektide infrapunakiirgust. Nanotehnoloogia peitub kiirgaja
struktuurides, mis kohandavad soojusal-
lika spektri vastavalt termofotogalvaaniliste elementide
spektritundlikkusele.
Aixtroni uurimisotstarbelised reaktorid (vasakul) ja
reaktorid ühenduspooljuhtidega õhukeste kilede aatomi täpsusega tootmiseks (paremal).
Volframkiirgur
nanotehnoloogiselt töödeldud pinnaga, mis on kohandatud
infrapunasele valgusele.
Termofotogalvaanilistele elementidele piisab küünlavalgusest, et
raadio tööle panna. 42
B
ryan Allen väntas ennast 1979. aasta juunis Gossamer Albatros´il ja üksnes pedaalide jõul
läbi õhu üle La Manche´i väina ja võitis 100 000 naela suuruse Cremeri auhinna. Uued materjalid võimaldasid Paul MacCreadyl Gossamer Albatros´i sulgkergeks muuta. 1981. aastal õnnestus ka pikk lend üksnes päikeseenergia toel, siiski oli Solar Challenger erakordselt habras.
Auhinnad tiivustavad: kaheksaümnendate aastate alguses korraldas Ulmi linn oma õnnetult hukkunud lennunduspioneeri Albrecht Ludwig Berblingeri („Ulmi rätsepa“) auks kasutuskõlblike päikeselennukite
väljatöötamise konkursi. Stuttgarti ülikooli mootorpurilennuk Icaré 2 võitis selle 1996. aasta juulis ülekaalukalt.
NASA töötas potentsiaalse satelliitide asendajana välja päikeselennuki katseeksemplari HELIOS, mis päeval
päikeseenergia ja öösel taaslaaditavate
kütuseelementide varal õhus püsib. Lennukõrguseks on saavutatud peaaegu 30 kilomeetrit.
2003. aastal kohtusid Šveitsis termodünaamika,
aerodünaamika, elektrisüsteemide, ühendusmaterjalide, fotogalvaanika, energiamuundamise ja arvutisimulatsioonide eksperdid – nanotehnoloogia on peaaegu kõikide
valdkondadega seotud – ja arutasid projekti, mis
peaks andma tiivad keskkonnasõbralikele tulevikutehnoloogiatele. Tiivad sõna otseses mõttes:
ambitsioonikas projekt peaks 2009. aasta paiku Bertrand Piccard´i ja Brian Jonesi, kes 1999. aastal
kuumaõhupalliga ümber maailma lendasid, veelkord
ümber ilma lennutama. Seekord lennukis, mida käitab üksnes päikeseenergia, ja ilma
ühegi vahepeatuseta! Tehnoloogia pidev täiustamine,
nüüd ka nanomastaabis, lubab ikka ja jälle elustada vanu ideid, mis varem
olid luhtumisele määratud. Siia kuulub
ka mõte lendamisest päikesevalguse jõul. Icaré II,
solaarpurilennuk, mis
on vastupidav nagu
tavaline purilennuk ja suudab iseseisvalt
õhku tõusta. Üleval: ühe
Stuttgartist Jenasse
kulgenud
mitteametliku
rekordlennu lõpp. Nanotehnoloogia spordis ja vabal ajal
Nanotehnoloogialt
ühiskonnale
Projekt suudaks tõepoolest tekitada väljateenitud austust uute tehnoloogiate vastu ja võtta muuhulgas kasutusele ka terve rea sõidukeid nagu päikeselennukid, mida juhitaks arvutite, andurite ja GALILEO süsteemi kaudu ning mis ka algajad käratult ja heitgaasideta kõrgustesse kannaksid. Pilvede kohal valitsevat ju piiritu vabadus. Mecklenburgi järvedel
tuhiseksid aga ringi päikesekatamaraanid.
Elektriabimootoriga jalgrattad aitaksid maakohtades
sadulasse vanurid, kellel tuleks ilma abita tublisti vaeva näha. Elektriga töötavaid väikesõidukeid arendatakse paljudes kohtades teadlikult, kasvõi
selleks, et päästa heitgaasidesse uppuvaid linnu hoogsalt arenevates tööstuspiirkondades. 43
Kütuseelementidega
MTU purjekas Friedrichshafenis
Bodenseel. Nanotehnoloogia
võib muuta sellised sõidukid äärmiselt elegantseks,
tõenäoliselt on purjed paindlikust päikesepatareisid sisaldavast tekstiilist, mis aga peab olema tume.
Stuttgarti ülikooli „õhuuss“.
Kavatsetakse kasutada releejaamana
raadiotelefonidele.
Firma Fuseproject disainiuuring, kütuseelement viib
rolleri käratult
läbi linna.
Kopf Solardesign GmbH päikesekatamaraan sõidul Hamburgis. Süsiniknanotorukestest lift
orbiidile R
etsept on pärit kosmosest: vanade
tähtede nagu punase hiiu Betelgeuse kestades ringleb hulganisti elemente. Kui need omavahel keemiliselt reageerivad, tekivad muuhulgas ränikarbiidist, ränioksiidist, korundist ja koguni teemandist nanokristallid, seda saadi teada sellisest tolmust tekkinud meteoriite uurides. Et rohkem teada saada, imiteerisid teadlased tähtede kestades toimivaid tingimusi laboris ja
leidsid 1985. aastal täiesti tundmatu aine
jälgi. Aine osutus uuelaadseks süsinikühendiks – õõnsaks molekuliks, mille vorm meenutab tugevalt
jalgpalli. Uus pilk taevasse aitas välja uurida, et see molekul tekkib ka tähtede kestades. Visioonid
Sõrmede tänav
N
anotehnoloogia abiga on mõeldavad sellised utoopilisena tunduvad transportsüsteemid nagu „sõrmede tänav“.
Kui kasutuskõlblikud kunstlihased (selle kallal töötatakse) on juba kättesaadavad, võib ette kujutada liikuvate elementidega (sõrmedega)
kaetud tänavaid, mis nendel asuvaid objekte vibutades transpordivad.
Nii töötavad kõik rakuviburid, mille liikumine võõrkehad kopsust välja viib.
Samal põhimõttel liigub kingloom.
Idee jätab ruumi paljudele lisavõimalustele:
väikesed, selle liikumisprintsiibi järgi töötavad lineaarmootorid, mida
käitavad taimemusklid forisoomid,
annavad tõsist ainet mõtisklusteks. Teised kunstlihaste kandidaadid on fullereentorukestest kangad. Idee polegi
tegelikult nii ulmeline kui planeedilift, mida NASA päris tõsiselt uurib. Esimesena tuli selle peale muide vene kosmosereiside pioneer Konstantin Eduardovitš Tsiolkovski.
Konstantin Eduardovitš Tsiolkovski (1857–1935)
44
Nanotorukesed Betelgeusega, hiidtähega, mille atmosfääris
leidub fullereeni. Fullereen - süsinikvõrgust õõnsused, lootuste kandja
eksootiliste materjalide otsingul.
Tänapäeval on tuntud võrgulaadselt seotud süsiniku paljud variandid, sealhulgas süsiniknanotorukesed, tillukesed süsinikvoolikud, millest on võimalik põimida äärmiselt vastupidavaid materjale. Selliste nanotorude masstootmise tehnilised probleemid on põhimõtteliselt lahendatud.
Nanotorukestest valmislõng on praeguseks ilmutanud astronoomiliselt kõrget rebenemis- ja purunemiskindlust. NASA tegeleb praegu tõsiselt projektiga, mille tulemusena luuakse – teatud india köietriki eeskujul – nn. lift tähtede juurde. Ühe stsenaariumi kohaselt viiakse nanotorudest lõngast
ühe meetri laiune ja paberist õhem riba tavalise raketi- ja satelliiditehnika abil kosmosesse.
Riba üks ots asuks umbes 100 000 kilomeetri
kõrgusel maailmaruumis, teine aga oleks ankrus ekvaatori lähedal Vaikses ookeanis. Maa poole tõmbav gravitatsioonijõud ja Maast eemale suunatud
„põgenemisjõud“ hoiavad riba pingul. Mööda riba aga liiguksid mitmeid tonne kaaluvad vajalikud
saadetised Maa orbiidile ja isegi Veenust ning
asteroidivööd ühendavale trassile.
Selle visiooni kasulikud kõrvalsaadused oleks
ülitugevad ehitusmaterjalid.,
45
Visioon: Liftiga
teistele planeetidele.
Robert Curl, sõrmede küljes
fullereen, mis tõi talle Nobeli preemia.
Hiidmolekulid
kui arvutamis-
meistrid.
Nanotorudest
võib saada
tuleviku tõhusate
kiipide alus.
46
Võimalused ja riskid
N
Nanotehnoloogia kasulik või vähemalt kasumit andev potentsiaal on ilmselgelt suur. Innovatsiooni tõttu paljudel kasutusaladel omistatakse nanotehnoloogiale väga kõrget majanduslikku potentsiaali. Juba praegu
tegelevad mitusada ettevõtet nanotehnoloogia
majandusliku rakendamisega Euroopas
ja pakuvad mitmetele tuhandetele, valdavalt kõrge kvalifikatsiooniga inimestele leiba ja tööd. Sealjuures on teadlased ja ettevõtjad ühel arvamusel: nanotehnoloogia on midagi enamat kui vaid ülespuhutud moeteema.
Liiga hea, et olla tõsi? Vähemalt teoreetiliselt
võimalikuna tunduvale suurõnnetusele
on kirjanduses juba viidatud: Michael Crichtoni bestselleris Prey (Saak) liituvad nutikate nanoosakeste parved poolarukate olenditega, kes oma loojaid ründavad, et nende kehasse elama asuda.
Teine sünge nägemus kuulub ameerika
nanoprohvetile Eric Drexlerile, kelle kujutuses maailma
ähvardab nn Gray Goo (“hall möks”) ehk kontrolli alt pääsenud nanorobotite pilv. Eric Drexleri arvates on tõesti võimalik ehitada nanomõõdus roboteid suurusega mõni miljondik millimeetrit, mis võivad etteantud toorainetest midagi suurt ja põhimõtteliselt uut ehitada, kui neid vastavalt programmeeritakse. Ja kui see protsess kontrolli alt väljuks, tekiks millegi võrratu asemel hall möga, mis võib olla nii inimestele kui masinatele nakkav ja ohtlik.
Paljud asjatundjad ei võta seda kontseptsiooni tõsiselt. 1996. aasta keemia Nobeli preemia laureaat Richard Smalley viitab näiteks keemiliste sidemete seaduspärasustele, mis ei lase iga aatomit ega iga molekuli üksteisega ühineda. Ainuüksi see tegevat ettekujutuse nanobotist, nanomõõdus
robotist ja koostajast, ebatõenäoliseks.
Ja kõigepealt: kui selline koostaja mateeriat aatom aatomi haaval kokku paneks, peaks ta seda tegema „sõrmedega“, mis omakorda koosneksid aatomitest ja millel peaks olema teatud minimaalne
paksus. Väljavalitud aatomit on vaja mitte üksnes haarata, vaid koostamise käigus tuleb kõiki kuupnanomeetri aatomeid ka kontrollida ja seda tehes jääksid sõrmed paratamatult üksteisele ette. Niipalju siis paksude sõrmede probleemist. Lisaks tekiks kleepuvate sõrmede probleem. Väljavalitud Eric Drexleri Gray-Goo (“halli möksi”) teooria
robotite põhjustatud
maailma lõpu kohta
on sama ebatõenäoline
kui ettekujutus,
et nanotehnoloogia
muudab maailma
kummikarukesteks.
Seda takistab nähtus, mida nimetatakse
paksudeks sõrmedeks.
47
aatomid soovivad korrapära saavutada ning ei lase ennast meelsasti kätte võtta ja jälle
tagasi panna, nad moodustaksid parema meelega
kooslusi. See on igapäevaelust tuntud nähtus: kleepuvast kuulikesest sõrmede küljes ei ole sugugi lihtne jälle vabaneda.
Ja need on põhimõttelised vastuväited, mida
kummutada pole võimalik. Mehaaniliste
nanobotitega ei tule niisiis midagi välja. Richard
Smalley´l on õigus: hirm, et sõgedaks muutunud nanomasinate karjad
maailmas võimu haaraksid ja selle halliks
lögaks muudaksid, ei ole põhjendatud.
Põhjendatud on pigem kahtlus, et nanoosakesed
võiksid inimestele ja keskkonnale avaldada
soovimatut mõju. Nanoosakesed
võiksid näiteks oma mõõtmete tõttu,
mis võimaldab neil isegi keharakkudesse tungida
ja koguni bioloogilisi tõkkeid (nagu näiteks
aju ja vereringe vaheline barjäär) ületada,
tervisele kahjulikult mõjuda. Nanoosakesed (nagu ka muud ülipeened
tolmud, näiteks diislitahm autode heitgaasides)
on ained, mille kasutamisega võivad kaasneda tundmatud kõrvalmõjud, seetõttu peavad teadusuuringud välja selgitama, kas sellised
osakesed on kahjutud. Praegu on nanoosakeste ohutuse kohta vähe teada, seega peavad nanouurijad ja toksikoloogid asjaomaste katsete abil võimalikult kiiresti seda puudutavatele küsimustele vastused leidma. Oht näib siiski olevat kontrollitav, sest nanoosakesed on vabas looduses äärmiselt „kleepuvad“. Nad liituvad väga kiiresti suuremateks kogumiteks, millega keha probleemideta toime tuleb. Mõnede nanoosakeste kohta juba teatakse, et nad ei ole tervisele kahjulikud. Seetõttu kasutatakse neid päevituskreemides kaitsefaktoritena või nad on mingile materjalile lisatud kindlalt seotud vormis, nii et tarbija üldse ei puutugi üksikute nanoosakestega kokku. Peale selle püüab ka tööstus sobivate ohutusmeetmetega maksimaalselt vältida kõikvõimalikke terviseohte nii klientidele kui oma töötajatele.
Samal ajal kui visioonid nanorobotitest on hüpoteetilised, on nanodimensioonidega töötavate materjaliteadlaste lubadused reaalsed. Esimesed tooted, ülitundlikud kõvaketta lugemispead kahekümne nanomeetri paksuste või õhemate kihtidega, on juba olemas.
Igas uues pihuarvutis on nanoelektroonikat. Efektiivse tehnoloogiana on loomulikult ka nanotehnoloogial kõrvalmõjud, näiteks muudab ta paljud lihtsad tööd ülearuseks. Nende asemele tekivad uued tegevusalad. Elukestev õpe muutub
üha tähtsamaks aga nanotehnoloogiat kasutades võib see ka naudingut pakkuda.
Richard Smalley, keemia Nobeli preemia laureaat,
peab nagu suurem osa teadlasi nanotehnoloogia riske kontrollitavateks.
48
Täiendav teave
Kuidas minust saaks nanoinsener?
K
es külastab uurimisasutust,
kus nanotehnoloogiaga intensiivselt
tegeltakse, näeb tegelikult kõigi
loodusteadusharude esindajaid külg külje kõrval: bioloogid, keemikud, erinevate erialade insenerid, kristallograafid, mineraloogid, füüsikud – neid ühendab aatomi tasand ja osa nende ühisest keelest
on matemaatika. Klassikalised loodusteaduslikud uuringud võivad niisiis kõik viia nanotehnoloogiani, samal ajal aga hakkab nanotehnoloogia välja kujunema iseseisva tegevusalana, näiteks Würzburgi ülikoolis. See, kes tegeleb nanotehnoloogiaga, ütleb Alfred Forchel Würzburgi ülikooli füüsikakateedrist, ei pea kartma, et ta järgib vaid lühiajalist suundumust (väljavõte Würzburgi ülikooli abiturientidele suunatud brošüürist nr 10/2003):
“…sest vähendamistrend ei ole ühepäevaliblikas,
vaid sellel on juba pikk areng selja taga. Võib arvata, et paljudes valdkondades kasutatakse aina väiksemate mõõtmetega rakendusi, nii-
öelda minnakse mikrost nanole üle, olgu siis infotehnoloogias või keemias. Ei pea olema
selgeltnägija väitmaks, et kõik aina kahaneb – üheks näiteks on ehitusdetailid – ja saavutab nii väikesed mõõtmed kui võimalik.”
Füüsikud, keemikud ja teised loodusteadlased
võivad mõneti õigustatult väita – … et nad on alati nanotehnoloogiaga tegelnud. Klassikalise tuumafüüsika objektid - keemikute molekulid – on ju nanokosmose asukad. Tänu olemasolevatele
eksperimentaalsetele võimalustele (näiteks klastrite loomine aatomi täpsusega, kiled, kiibid, ülipuhaste ainete olemasolu, kõige keerulisemate bioloogiliste struktuuride tundmaõppimine) on avanenud täiesti uute võimaluste küllusesarv, mida saavad kasutada ka rakendusalade insenerid. Nanoinseneride erialaseid väljavaateid hindab Alfred Forchel üsna heaks:
“Loomulikult sõltuvad töökoha leidmise võimalused ka meie erialal konjunktuurist. Aga vahe on sageli üsna väikestes asjades: kui firmadesse tuleb virnade kaupa töökohataotlusi, on raske silma paista. Tänu meie tööstuspraktikale tunneb vähemalt üks firma üliõpilasi juba lähemalt.
Samuti võivad meie tudengid diplomitöö teha tööstuses, see on järgmine samm töökohale lähemale. Lisaks õpivad nad vähemalt ühte mittetehnilist valikainet nagu ärijuhtimine, omandades ka selles valdkonnas tööalaselt vajalikud põhiteadmised.”
Põhjalikust loodusteaduslikust haridusest, mille hulka kuulub matemaatika, ei pääse aga nanoinsenerid üle ega ümber, olgu Würzburgis
või mujal: “Sellest ei piisa, kui unistatakse allveelaeva väljatöötamisest, mis võib veenides ringi sõita. Nii kaugelejõudmiseks investeeritakse palju aega ja tööd. Tuleb õppida nähtusi matemaatiliselt kirjeldama ja omandada põhiteadmised sellistes rasketes ja keerulistes valdkondades nagu füüsika ja keemia. Pole põhjust lasta ennast hirmutada: võib-olla aitavad nanofantaasiad kõigega toime tulla.”
Allveelaev veresoontes oli vaid ühes filmis. Nanotehnoloogia on teistsugune ja selle eest makstakse ka ehtsat raha.
49
Kontaktid, lingid, viited kirjandusele
Võimalused õppida
nanotehnoloogiat:
Studiengang Nanostrukturtechnik in Würzburg (Nanostruktuuritehnika stuudium Würzburgis)
Universität Würzburg (Würzburgi ülikool)
Veebiaadress: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/nano/
Kontakt: ossau@physik.uni-wuerzburg.de
Bio- und Nanotehnologien in Iserlohn (Bio- ja nanotehnoloogia Iserlohnis)
Fachhochschule Südwestfalen (Lõuna-Westfaleni rakenduskõrgkool)
Veebiaadress: http://www2.fh-swf.de/fb-in/studium.bnt/bnt.htm
Kontakt: Werner@fh-swf.de
Molecular Science in Erlangen (Molekulaarteadus Erlangenis)
Universität Erlangen-Nürnberg (Erlangen-Nürnbergi ülikool)
Veebiaadress: http://www.chemie.uni-erlangen.de/Molecular-Science
Kontakt: hirsch@chemie.uni-erlangen.de
Masterstudiengang Mikro- und Nanotechnik in München (Mikro- ja nanotehnika magistriõpe Münchenis)
Fachhochschule München (Müncheni rakenduskõrgkool)
Veebiaadress: http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb06/
studiengaenge/mikro_nano/home.htm
Kontakt: sotier@physik.fh-muenchen.de
Nanomolecular Science in Bremen (Nanomolekulaarteadus Breemenis)
International University Bremen (Breemeni rahvusvaheline ülikool)
Veebiaadress: http://www.faculty.iu-bremen.de/plathe/nanomol
Kontakt: f.mueller-plathe@iu-bremen.de
Nanostrukturwissenschaft - Nanostructure and Molecular Sciences in Kassel (Nonostruktuuriteadus – Nanostruktuurid ja molekulaarteadused Kasselis)
Universität Kassel (Kasseli ülikool)
Veebiaadress: http://www.cinsat.uni-kassel.de/studiengang/
studiengang.html
Kontakt: masseli@physik.uni-kassel.de
Experimenteller Bachelor-Studiengang mit dem Abschluss Bachelor of Science in Biophysik oder Nanowissenschaften in Bielefeld (Eksperimentaalne bakalaureuseõpe bakalaureuse kraadiga biofüüsikas või nanoteadustes Bielefeldis)
Universität Bielefeld (Bielefeldi ülikool)
Veebiaadress: http://www.physik.uni-bielefeld.de/nano.html
Kontakt: dario.anselmetti@Physik.Uni-Bielefeld.de
Diplom-Studiengang „Mikro- und Nanostrukturen“ in Saarbrücken (Diplomiõpe „Mikro- ja nanostruktuurid“ Saarbrückenis)
Universität des Saarlandes (Saarimaa ülikool)
Veebiaadress: http://www.uni-saarland.de/fak7/physik/
NanoMikro/InfoMikroNano.htm
Kontakt: wz@lusi.uni-sb.de
Viited kirjandusele:
BMBF-Programm IT-Forschung 2006 - Förderkonzept
Nanoelektronik
Kirjastaja: Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeerium;
Bonn, märts 2002.
Vom Transistor zum Maskenzentrum Dresden,
Nanoelektronik für den Menschen
Kirjastaja: Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeerium;
Bonn, oktoober 2002.
Nanotechnologie erobert Märkte- Deutsche Zukunftsoffensive
für Nanotechnologie
Kirjastaja: Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeerium;
Bonn, märts 2004.
Bachmann, G.
Innovationsschub aus dem Nanokosmos: Analyse &
Bewertung Zukünftiger Technologien (28. kd)
Kirjastaja: VDI tehnoloogiakeskus Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeeriumi tellimusel; 1998.
Luther, W.:
Anwendungen der Nanotechnologie in
Raumfahrtentwicklungen und –systemen
Technologieanalyse (43. kd)
Kirjastaja: VDI tehnoloogiakeskus Saksa Lennundus- ja Kosmosekeskuse (DLR) tellimusel; 2003
Wagner, V; Wechsler, D.:
Nanobiotechnologie II: Anwendungen in der Medizin und Pharmazie
Technologiefrüherkennung (38. kd)
Kirjastaja: VDI tehnoloogiakeskus Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeeriumi tellimusel; 2004.
Hartmann, U.:
Nanobiotechnologie – Eine Basistechnologie des
21.Jahrhunderts
ZPT, Saarbrücken, 2001.
Rubahn, H.-G.:
Nanophysik und Nanotechnologie
Teubner Verlag 2002
Werkstoffinnovationen für Industrie und Gesellschaft-
WING
Kirjastaja: Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeerium;
Bonn, oktoober 2003.
Veebilingid:
Nanotehnoloogia edendamine Euroopa Liidus
www.cordis.lu/nanotechnology
Euroopa nanotehnoloogiaportaal
www.nanoforum.org
Nanoveoauto – reis nanokosmosesse
www.nanotruck.net
Reis internetis – seiklused pärast koma
www.nanoreisen.de
Nanotehnoloogia uudiste- ja diskussioonifoorum
www.nano-invests.de
Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeerium - nanotehnoloogia edendamine
http://www.bmbf.de/de/nanotehnoloogia.php
VDI tehnoloogiakeskuse nanotehnoloogia portaal www.nanonet.de Juhime teie tähelepanu sellele, et käesolev bro_üür on pärit Saksamaa Liitvabariigi haridus- ja teadusministeeriumist (BMBF). See koostati algselt saksa lugejaskonna jaoks. Teiste Euroopas (välja arvatud Saksamaal) toimuvate kursuste, kirjanduse ja veebiaadresside leidmiseks palun külastage Euroopa Komisjoni nanotehnoloogia internetiportaali (www.cordis.lu/nanotechnology). Mõisted
Täiendav teave
Kütuseelement: seade, milles vesinik ja hapnik (enamasti õhuhapnik) ilma põlemiseta reageerivad ja vee moodustavad. Vabaneva energia saab kõrge kasuteguriga muundada elektrienergiaks.
Büssusniidid: kõnekeeles ka molluskisiid või molluskihabe. Materjalitehniliselt väga keerukad kiud, millega molluskid aluspinnale kinnituvad. Kiud on ühest otsast elastsed nagu kumm, teisest jäigad nagu nailon.
CNTd: süsiniknanotorud.
Klaster: väikeste osakeste, nt aatomite kobar. Klastritel on tavaliselt teistsugused omadused kui samast materjalist suurtel tahketel kehadel, muuhulgas ka põhjusel, et klastritel on rohkem välispinna aatomeid.
Diatomeed: ränivetikad, väikesed, nii mage- kui soolases vees elutsevad ainuraksed väga kunstipärase ränihappest (ränidioksiid pluss vesi) pantseriga. Ränivetikad kasutavad fotosünteesi ja neis on seetõttu ka valgust juhtivaid struktuure.
DNA: desoksüribonukleiinhape. Tegemist on kaksikheeliksi-kujulise hiigelmolekuliga, mis sisaldab informatsiooni organismi ehituse kohta ja tohutu arvu valkude retsepte.
ESEM: skaneeriv keskkonnaelektronmikroskoop – teatud rasterelektronmikroskoop, mille proovihoidjas on ka jääkõhku ja niiskust. Selle mikroskoobiga uurimiseks pole objekte enam vaja prepareerida, nt kullaauruga töödelda.
Forisoomid: taimevalgud, mille nimetus pärineb ladinakeelsest sõnast, mis tähendab uksetiibu ja mida uuritakse kui nanoskoopiliste kunstlihaste kandidaate.
Vabaelektronlaser: tekitab laservalgust vaakumtorus liikuvate kiirendatud elektronide kiire abil.
Sageduskordisti: siin: materjal, mis kahekordistab valguse sagedust. Nii muudetakse näiteks infrapunane valgus roheliseks.
Pooljuht: materjal, mille elektrilised omadused
võimaldavad seda vastavalt vajadusele kasutada kas isolaatori või juhina. Pooljuhtidest on saanud tänapäevase tööstustoodangu – arvutid, mobiiltelefonid jms – tähtsaimad komponendid.
Kiiplabor: väljatöötamise lõppjärgus. Ülikeerulised kiibid, mis suudavad mikromehaanika, mikrofluidika, nanosensoorika ja -elektroonika abil läbi viia kompleksseid raku-uuringuid, mille teostamiseks on praegu vaja tervet instituuti. Nimetust kasutatakse ka võrdlemisi lihtsate mikroskooptrükiga
objektikandjate puhul.
Leukotsüüdid: valged verelibled, mis kaitsevad
organismi, haarates endasse veres leiduvaid võõrkehi nagu viirused ja bakterid, aga ka rakujäänuseid ja vähirakke - või mis lümfotsüütidena toodavad antikehi. Antikehad on väga spetsiifilised
kleepivad molekulid.
Optilised kiud: üliläbipaistev materjal, mis juhib valgust pikkade vahemaade taha, kasutatakse peamiselt andme-, aga ka energiatranspordis.
Litograafia: siin: mikrostruktuuride valmistamise kunst, mille juures kasutatakse peamiselt fotolakki, mis prinditakse kandjale valgus- või elektronkiirtega ja lõpuks ilmutatakse ning mis seejärel soovitud osad aluspinnast katab söövitus- või muude protsesside
jaoks vabaks jätab.
Mask: teatav läbipaistev kile, mis sisaldab arvutikiibi
mikroskeeme fotolitograafiliseks pooljuhtplaadile kandmiseks.
Mikroläätseväljad: mikrooptilised elemendid, mis on
muuhulgas olulised valguse abil toimuval andmeedastusel.
Mitsellid: väikesed kuulikujulised moodustised, mida loodus – antud juhul rannakarp – kasutab ka transpordikonteineritena.
Faas: siin: aine olek, näiteks korrapärane/korrapäratu,
kristalliline/amorfne.
Fotosüntees: rohelised taimed, vetikad ja
tsüanobakterid (sinivetikad) saavad oma energia
fotosünteesiga. Nad muundavad süsihappegaasi ja vee päikesevalguse abiga suhkruks ja hapnikuks. Fotosünteesi kasutegur on märkimisväärne – esialgsest energiast suudetakse ära kasutada
rohkem kui 80 protsenti.
Piesokristallid: piesoelemendid tekitavad elektrit,
kui neid venitatakse või kokku surutakse,
nii tekivad ka „elektriliste” tulemasinate süütesädemed. Ja vastupidi, elektripinget rakendades võib piesoelektrilise kristalli kuju muuta aatomi läbimõõdu murdosa täpsusega. Proteiinid ehk valgud: suured, ribosoomide poolt aminohapetest sünteesitud molekulid, mis toimivad rakus ühelt poolt nanoskoopiliste tööriistadena, teiselt poolt on aga nii silmaläätsede kui ka sõrmeküünte struktuuri moodustavad ained.
Proteoomi – kõikide ühe raku valkude ja nende vastastikuste mõjude summa – olemuse selgitamine on alles algusjärgus.
Kvantarvuti: kasutab kvantmehhaanika seadusi
infokoodide jms probleemide lahendamiseks,
mis tavaliste arvutitega on praktiliselt võimatu. Pole veel teostatud.
Reflektiinid: teatavad valgud, mida organismid
kasutavad valgust peegeldavate struktuuride ehitamiseks.
Ribosoomid: nanomasinad, mis suudavad pärilikkusainet DNA-d molekulaarse informatsiooni konveierina kasutades toota igasuguseid valke.
Röntgenkiirgus: lühilaineline elektromagnetkiirgus, mida kasutatakse muuhulgas ka kristallistruktuuri analüüsimisel molekulide nanoskoopilise kuju määramiseks.
Tunnelvool: vool läbi isolaatorina toimiva pilu, mida tegelikult ei tohiks esineda, kuid mis nanomaailmas on siiski võimalik, ehkki sõltub väga tugevasti isoleeriva pilu laiusest. Sel efektil põhineb rastertunnelmikroskoop.
Ultraviolettkiirgus: lühilaineline kiirgus, mis võimaldab valmistada ülipeenelt töödeldud kiibistruktuure.
Van der Waalsi side: nõrgad keemilised
sidemed molekulide vahel, mille sügavamaks põhjuseks on tühja ruumi omadused. Van der Waalsi sidemed määravad ka vee omadusi ja sellega kõiki eluprotsesse.
52
Illustratsioonid
Lk 4 üleval: Hamburgi ülikooli kõrgetasemeline nanoanalüüsikeskus
Lk 4 all: Lambda Physik AG, Göttingen
Lk 5 üleval: Infineon Technologies AG, München
Lk 5 all: BergerhofStudios, Köln
Lk 6 üleval vasakul: Chemical Heritage Foundation
Lk 6 üleval+all paremal, all vasakul: BergerhofStudios, Köln
Lk 7 üleval vasakul: NASA/ESA
Lk 7 üleval paremal: DESY, Hamburg
Lk 7 keskel vasakul: BergerhofStudios, Köln
Lk 7 all paremal: Kieli ülikooli eksperimentaal- ja rakendusfüüsika instituut
Lk 8 üleval vasakul: REM labor, Baseli ülikool
Lk 8 pildisari, ülevalt: BergerhofStudios, Köln; sama; sama; REM labor, Baseli ülikool; Stockholmi Nobeli auhinna komitee (töödeldud); DESY, Hamburg
Lk 9 üleval vasakul: Bonni ülikooli botaanika instituut Lk 9 üleval paremal: REM labor, Baseli ülikool
Lk 9 pildisari, ülevalt: BergerhofStudios, Köln; sama; Fraunhoferi selts; Bonni ülikooli botaanika instituut; sama; Berliini tehnikaülikool, Berliini rakenduskõrgkool
Lk 9 taustpilt: BASF AG
Lk 10 üleval vasakul + paremal: Max Plancki Metalliuuringute Instituut, Stuttgart
Lk 10 keskel paremal: ESA
Lk 10 all vasakul: Max Plancki Metalliuuringute Instituut, Stuttgart
Lk 11 üleval vasakul: Ostseelabor Flensburg, kõrval: BergerhofStudios, Köln
Lk 11 üleval paremal: Firenze ülikool, Itaalia
Lk 11 keskel paremal: Bonni ülikooli paleontoloogia instituut
Lk 11 all vasakul: BergerhofStudios, Köln
Lk 11 all paremal: SusTech, Darmstadt
Lk 12 üleval keskel, all paremal: Bell Laboratories, USA
Lk 12 vasakul: Regensburgi ülikooli biokeemia õppetool Lk 13 üleval: Saarbrückeni uute materjalide instituut Lk 13 keskel paremal: Degussa AG Advanced Nanomaterials
Lk 13 all paremal: Müncheni ülikooli geofüüsika instituut Lk 13 all: Hamburgi ülikooli füüsikalise keemia instituut
Lk 14 üleval + all vasakul: ESA
Lk 14 all paremal: IBM Corporation
Lk 15 üleval + keskel vasakul: Physik IV, Augsburgi ülikool
Lk 15 keskel paremal + keskel: Hamburgi ülikooli kõrgetasemeline nanoanalüüsikeskus Lk 15 Illustratsioon all paremal: BergerhofStudios, Köln
Lk 15 all: Hawaii ülikool Honolulul
Lk 16 vasakul: Carl Zeiss SMT AG, Oberkochen
Lk 17 üleval paremal: Carl Zeiss SMT AG, Oberkochen
Lk 17 all vasakul: IHT RWTH Aachen
Lk 17 all paremal: Schott AG, Mainz
Lk 18 üleval vasakul: Bayer AG, Leverkusen
Lk 18 all vasakul: Garchingi kvantoptika instituut Lk 19 kõik pildid: DESY, Hamburg
Lk 20 üleval vasakul: BergerhofStudios, Köln
Lk 20 all paremal: Saarbrückeni uute materjalide instituut
Lk 21 üleval vasakul: HILIT, ELi Joule III-programm
Lk 21 üleval paremal: NASA/ESA
Lk 21 all paremal: Stuttgarti ülikool
Lk 22 kõik: BergerhofStudios, Köln
Lk 23 üleval vasakul: National Semiconductor, Feldafing
Lk 23 all paremal: Advanced Micro Devices, Dresden
Lk 24 Illustratsioon üleval paremal: BergerhofStudios, Köln
Lk 24 keskel vasakul: Experimentalphysik IV RUB, Bochum
Lk 24 all: Kieli ülikooli eksperimentaal- ja rakendusfüüsika instituut
Lk 25 Illustratsioon üleval paremal: BergerhofStudios, Köln
Lk 25 all: IHT RWTH Aachen
Lk 26 üleval paremal: IBM Corporation
Lk 26 all vasakul: Infineon Technologies AG, München
Lk 26 all paremal: IBM/Infineon, MRAM Developement Alliance
Lk 27 üleval: Experimentalphysik IV RUB Bochum
Lk 27 keskel: Hamburgi üliooli kõrgetasemeline nanoanalüüsikeskus
Lk 27 paremal: nanoelektroonika õppetool, RUB Bochum
Lk 27 all: IBM Speichersysteme Deutschland GmbH, Mainz
Lk 28: Siemens AG, München
Lk 29 üleval paremal: Nanosolutions GmbH, Hamburg
Lk 29 keskel: Saarbrückeni uute materjalide instituut Lk 30 all: Siemens AG, München
Lk 30 üleval: DaimlerChryler AG
Lk 30 all vasakul: Fraunhofer Allianz Optisch-funktionale Oberflächen
Lk 30 all paremal: Wisconsin-Madisoni ülikool
Lk 31 üleval: Robert-Bosch GmbH, Stuttgart
Lk 31 Keskel: Audi/Volkswagen AG
Lk 31 all vasakul: VW pressiarhiiv
Lk 31 all paremal: Robert-Bosch GmbH, Stuttgart
Lk 32 üleval vasakul: Bayer AG, Leverkusen
Lk 32 üleval paremal: Saarbrückeni uute materjalide instituut
Lk 32 all vasakul: Keramag AG, Ratingen
Lk 33 üleval: BASF AG, Ludwigshafen
Lk 33 keskel: MTU Friedrichshafen
Lk 33 all paremal: Siemens AG, München
Lk 34 üleval vasakul: Bayer AG, Leverkusen
Lk 34 üleval paremal: Siemens AG, München
Lk 34 all: Infineon Technologies AG, München
Lk 35 üleval vasakul: Siemens AG, München
Lk 35 üleval paremal: Siemens AG, München
Lk 35 keskel: Charité Berlin / Saarbrückeni uute materjalide instituut
Lk 36 üleval paremal: BergerhofStudios, Köln
Lk 36 vasakul: Infineon Technologies AG, München
Lk 36 paremal: IIP Technologies, Bonn
Lk 37 üleval vasakul: Siemens AG, München
Lk 37 üleval paremal: Fraunhofer ISIT
Lk 37 keskel paremal: Oxfordi ülikool
Lk 37 all vasakul, paremal: Infineon Technologies AG, München
Lk 38 üleval vasakul: OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Regensburg
Lk 38 Illustratsioon all: BergerhofStudios, Köln
Lk 39 üleval: Park Hotel Weggis, Schweiz
Lk 39 all: Siemens AG, München
Lk 40 üleval vasakul: BergerhofStudios, Köln
Lk 40 all vasakul: Bayer AG, Leverkusen
Lk 41 üleval: AIXTRON GmbH, Aachen
Lk 41 paremal: Fraunhoferi päikeseenergiasüsteemide instituut, Freiburg
Lk 42 Stuttgarti ülikooli lennukiehitusinstituut Lk 43 üleval vasakul, paremal: MTU Friedrichshafen
Lk 43 keskel vasakul: Stuttgarti ülikooli õhu- ja kosmosesõidukite instituut
Lk 43 keskel paremal: Fuseproject
Lk 43 all: Kopf Solardesign GmbH, Hamburg
Lk 44 Kollaa_ üleval vasakul: BergerhofStudios, Köln
Lk 44 all paremal: RWTH Aachen
Lk 45 üleval vasakul: Siemens AG, München
Lk 45 üleval paremal: Infineon Tehnologies AG, München
Lk 45 all: NASA
Lk 46 keskel: BergerhofStudios, Köln
Lk 47: IBM Corporation, insert: Siemens AG, München
Euroopa Komisjon EUR 21151 — Nanotehnoloogia – Innovatsioon loob tuleviku maailma Luksemburg: Euroopa Ühenduste Ametlike Väljaannete Talitus 2007 — 56 lk — 21.0 x 29.7 cm
ISBN 92-79-00880-3 MÜÜK JA TELLIMINE
Väljaannete talituse tasulised väljaanded on saadaval meie müügiesindustes üle maailma.
Müügiesinduste nimekirja leiate väljaannete talituse veebileheküljelt
http://publications.europa.eu/ või küsige väljaannet faksi teel: (352) 2929-42758.
Võtke ühendust müügiesinduste nimekirjast valitud esindusega ja esitage oma tellimus.
Nanotehnoloogiat peetakse 21. sajandi võtmetehnoloogiaks. Nanotehnoloogia võib pakkuda paljudele kaasaja probleemidele lahendusi, kasutades uusi materjale, kompaktsemaid ja kergemaid koostisosi ning kiiremini ja paremini toimivaid süsteeme. Nanotehnoloogia pakub uusi turuvõimalusi ning aitab kaitsta keskkonda ja tervist. Käesoleva väljaande eesmärk on üldsusele näitlikult selgitada nanotehnoloogia olemust ja ärgitada sellega arutelusid. Väljaanne annab kaasaegsest nanotehnoloogiast ülevaatliku ja kõikehõlmava pildi, kirjeldades selle teaduslikku tausta, tehnoloogilist arengut, rakendusvaldkondi ja potentsiaalset arengut tulevikus. 15
KI-59-04-968-ET-C
Автор
estonia.bioelectron
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
461
Размер файла
3 333 Кб
Теги
nanotechnologie, eesti, EHF64
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа