Studia


Podstawowe informacje o nanoinżynierii


Nanoinżynieria jest dziedziną nauki i techniki zajmującą się obiektami o bardzo małych rozmiarach, rzędu nanometrów. W tej skali materiały zyskują nowe własności, często bardzo interesujące z punktu widzenia zastosowań. W celu opisu zachowań nanoobiektów konieczne jest stosowanie mechaniki kwantowej, możliwe jest dzięki temu sprawdzanie jej działania, co jest niezwykle ciekawe w kontekście poznawania świata czyli badań podstawowych.

Początek gwałtownego rozwoju nanotechnologii wiązany jest z Richardem Feynmanem i jego wykładem zatytułowanym „There′s Plenty of Room at the Bottom Prime”.

atom_corral_1.jpg
Fotografia autorstwa IBM na licencji CC.
Wybitny fizyk rozważał w nim korzyści związane z miniaturyzacją zapisu i odczytu informacji, a także konstruowaniem miniaturowych maszyn czy nawet manipulacjami pojedynczymi atomami. Przekonywał, że pozwoli to miedzy innymi w niebywały sposób zwiększyć wydajność maszyn liczących, wskazywał również na nowe pożądane cechy obiektów w skali nano. W ciągu ostatnich 20 lat koncepcje te zaczęły się urzeczywistniać dzięki rozwojowi z jednej strony odpowiednich metod badawczych (mikroskopia tunelowa), a z drugiej technik wytwarzania obiektów o odpowiednio małych rozmiarach. Wyróżnić tu można dwa podejścia, nazywane top-down oraz bottom-up, czyli z góry na dół lub z dołu do góry. W pierwszym z nich przyrząd wytwarza się rozpoczynając od obiektu w skali makro i wykorzystuje się głównie tradycyjne techniki, umożliwiające nanoszenie i usuwanie odpowiednich substancji, jak np. różne odmiany litografii, dostosowane jednak do wykonywania operacji w skali nanometrowej. Metodami należącymi do grupy top-down są również manipulacje pojedynczymi atomami przy pomocy mikroskopu sił atomowych. Podejście bottom-up polega na konstruowaniu przyrządów z najmniejszych możliwych bloków konstrukcyjnych, atomów bądź cząsteczek, wykorzystując chemiczne i fizyczne własności materii powodujące samouporządkowanie. Zadaje się wyłącznie warunki zewnętrzne i dostarcza materiał, reszta dzieje się niejako samoczynnie. Do tej grupy należą techniki epitaksjalne, w których nanosi się materiał, głównie półprzewodnikowy, warstwa po warstwie, z dokładnością atomową. W ten sposób wytwarza się np. lasery półprzewodnikowe. Również nanorurki węglowe oraz kropki kwantowe powstają w sposób bottom-up. Polami, na których nanoinżynieria osiąga największe sukcesy, są nanoelektronika, nanomechanika i nanofotonika.

Celem nanoelektroniki jest dalsza miniaturyzacji elektroniki, dająca szansę na podtrzymania tempa rozwoju zgodnego z prawem Moore′a. Klasyczna mikroelektronika osiągnęła już prawie kres możliwości, dalsze zmniejszanie rozmiarów procesorów na bazie krzemu trafia na fundamentalne bariery materiałowe. Nadzieją są tranzystory jednoelektronowe, wyróżnić można dwa podstawowe nurty badań:

  • Podejście top-down, w którym efekt włączania/wyłączania realizowany jest w kropce kwantowej, drucie kwantowym lub podobnym obiekcie o rozmiarach rzędów maksymalnie kilkudziesięciu nanometrów
  • Wykorzystanie własności samo-organizacyjnych - elektronika molekularna, bazująca między innymi na związkach organicznych, w której funkcjonalne elementy obwodu elektronicznego realizowane są jako cząsteczki, łączone łańcuchami innych cząsteczek.
nanorurki.jpg
Fotografia autorstwa ARGONNE NATIONAL LAB na licencji CC.
Nanomechanika wykorzystuje fakt, że nanoobiekty osiągają fenomenalne własności mechaniczne, jak na przykład wytrzymałość. Najlepszym przykładem są tu nanorurki węglowe, które pomimo bardzo małej gęstości są w stanie utrzymać ciężar o rzędy większy niż klasyczne materiały. Bardzo istotne są również prace nad materiałami o zmniejszonym tarciu.

W nanofotonice można wyróżnić następujące kierunki badań:

  • wykorzystania własności światła na odległościach od jego źródła znacząco mniejszych od długości fali, czyli dla światła widzialnego (400-700 nm) rzędu kilkudziesięciu nanometrów, do konstruowania lepszych mikroskopów. Na tak małych odległościach o zachowaniu światła decydują efekty czysto kwantowe (tunelowanie), co pozwala ominąć limit dyfrakcyjny, w klasycznych rozwiązaniach ograniczający rozdzielczość mikroskopu do długości fali. Na tej zasadzie działa mikroskopia bliskiego pola SNOM.
  • Tworzenie źródeł i detektorów światła bazujących na nanoobiektach, takich jak nanokryształy bądź kropki kwantowe, w strukturach kryształów fotonicznych lub mikrownęk rezonansowych.
    nanorurki.jpg
    Fotografia autorstwa Uniwersytetu w Wurzburgu.
    Diody lub lasery powstałe w ten sposób są tańsze, bardziej wydajne, zużywają mniej energii. Łatwo tez można sterować długością fali emitowanego światła. Niezwykle istotnym nurtem badań są tu lasery do zastosowań telekomunikacyjnych, przy przesyłaniu danych sieciami światłowodowymi (Internet). Potencjalnie przełomową rolę odgrywają również badania wykorzystujące nanoobiekty do konstrukcji baterii słonecznych nowej generacji.
Bardzo ważne są również prace dotyczące medycznego zastosowania nanotechnologii. Najważniejsze badania dotyczą tu stosowania markerów, np. nanokrystalicznych, które dzięki odpowiednio aktywowanej powierzchni przyczepiają się do tkanek rakowych, umożliwiając precyzyjną diagnostykę. Innym istotnym kierunkiem badań jest wykorzystywanie nanocząstek jako nośników leków, dzięki czemu mogą być one dostarczone w odpowiednie miejsce w organizmie, co pozwala ograniczyć dawkę leku i zwiększa skuteczność terapii.

Jednym z najistotniejszych aspektów badań nanotechnologicznych jest wytwarzanie nowych materiałów. Kilka przykładów rozwiązań dostępnych komercyjnie:

  • Gospodarstwo domowe - ceramiczne lub szklane powierzchnie samoczyszczące, nanoceramiki o gładkiej powierzchni i dużej odporności na ciepło do zastosowań na przykład w żelazkach.
  • Optyka - okulary słoneczne pokryte ultracienkimi polimerami ochronnymi i antyodbiciowymi. Warstwy ochronne odporne na zadrapania.
  • Tekstylia - specjalne nanowłókna pozwalają na tworzenie materiałów wodo- i plamo-odpornych, niemnących się.
  • Kosmetyka - filtry chroniące przed promieniowaniem UV o przedłużonej trwałości.
  • Sport - lżejsze i wytrzymalsze obuwie, ręczniki i maty pokryte substancjami antybakteryjnymi.
W Instytucie Fizyki prowadzone są badania w dziedzinie nanoinżynierii przede wszystkim na gruncie fizyki ciała stałego. Grupa Optycznej Spektroskopii Nanostruktur (LOSN), prowadzona przez prof. Jana Misiewicza, w współpracy z wiodącymi ośrodkami krajowymi i zagranicznymi, bada struktury takie jak studnie kwantowe, kropki kwantowe i nanokryształy. Głównymi nurtami badań jest zastosowanie nanostruktur jako emiterów i detektorów światła w szerokim zakresie spektralnym, od bliskiego UV (350 nm) do średniej podczerwieni (10 μm) oraz wykorzystanie własności pojedynczych obiektów kwantowych w kryptografii kwantowej. Rozwijana jest również technologia wytwarzania nanokryształów do zastosowań m.in. w diagnostyce medycznej. Więcej informacji w zakładce badania naukowe.