NANOMATERIALI IZ VIRUSOV

Čeprav so potenciali nanotehnologije velikanski, je večina komercialnih aplikacij še zmeraj omejena na »prvo generacijo« pasivnih materialov. Med njimi so na primer nanodelci iz titanovega dioksida v sredstvih za sončenje, kozmetiki in nekaterih vrstah hrane, srebrni nanodelci v pakiranju hrane, oblekah, razkužilih in hišnih napravah, nanodelci cinkovega oksida v kozmetiki, površinskih prevlekah, barvah, premazih za zunanje dele pohištva, nanodelci cerijevega oksida v katalizatorjih goriva in podobno. Petnajst let po iznajdbi nanocevk znanstveniki odkrivajo vse več možnosti za izkoriščanje njihovih izjemnih lastnosti. Nanocevke so med drugim sposobne tisočkrat večje prevodnosti kot v bakru. Zakaj pa je njihovo manipuliranje tako kompleksno, je razumljivejše, če vemo, da je premer nanocevk 350.000-krat manjši od pike na koncu tega stavka. Raziskovalcem v Avstraliji je uspelo izdelati »plahto«, ki pa je tako tanka, da ima skoraj polovica hektarja maso le nekaj več od 100 gramov, »plahta« pa zdrži pritisk skoraj 2500 kg na cm2.

Profesor Zhong Lin Wang in njegovi kolegi iz inštituta Georgia Tech so lani razvili nanogenerator, ki ultrazvočne vibracije pretvarja v elektriko. Majceni generator izkorišča piezoelektrično lastnost nanožic iz cinkovega oksida in ustvarja istosmerni tok. Pomemben dosežek raziskovalcev je tudi konstrukcija generatorja, ki omogoča zbiranje tokov iz nanožic. Rešitev bo med drugim rabila za vsajanje bioloških tipal za merjenje biomarkerjev raka, pH krvi, glukoze in drugih dejavnikov. Profesorica Angela Belcher z MIT-a je odkrila nov način proizvodnje nanomateriala, ki bo omogočil izdelavo baterij sončnih celic, vdelanih v obleko. Proizvodnja materiala je alternativna, saj Angela Belcher in kolegi uporabljajo viruse, ki se v raztopini držijo skupaj v obliki šopastih vlaken. Viruse pravzaprav spodbudijo k samoorganiziranju v vlaknih z genetskim inženirstvom. Programirani virusi se z materiali baterije, tranzistorskih struktur ali sončnih celic povezujejo v kristalne strukture, ki bodo ponujale izboljšane zmogljivosti v skladu z namenom.

NANOŽICE ZA BATERIJE

Raziskovalci iz Stanforda pod vodstvom profesorja za znanost o materialih Yi Cuia pridobijo desetkrat več energije iz obnovljivih litijevih ionskih baterij. Prenosnik, ki je lahko prej na baterije deloval dve uri, zdaj s preurejenimi baterijami zdrži kar 20 ur. Kot pravi Cui, ne gre za malo izboljšanje, temveč za revolucionaren napredek. Kapaciteta baterije je omejena s količino litija na anodi, ki je običajno narejena iz ogljika, silicij ima višjo kapaciteto od ogljika, a tudi svojo slabo stran. Silicij v bateriji nabrekne med absorbiranjem pozitivnih litijevih atomov, med uporabo (prenosnika, na primer) pa se spet skrči, ko se litij izloči iz silicija. Cikli širjenja in krčenja tipično povzročajo razpadanje silicija, ki je v obliki delcev ali tankega filma, s tem pa tudi zmanjševanje zmogljivost baterije. Problem pa lahko reši nanotehnologija. V rešitvi Cuijeve ekipe je litij uskladiščen v »gozdu« majcenih silicijevih nanožic premera tisočinke debeline lista papirja. Ko se nanožice »napijejo« litija, nabreknejo na štirikratno debelino, a pri tem ne prihaja do pokanja in zlomov. Do proizvodnje nanožičnih baterij ostaja le korak, ki bo verjetno pomenil ustanovitev skupnega podjetja z enim proizvajalcem baterij.

Raziskovalci so lani med drugim začeli uporabljati materiale, ki lahko pripeljejo do naprav za izboljšanje izdelave tranzistorjev, skladiščenja podatkov in tudi optične mikroskopije. Znano je, da način prenosa svetlobe skozi materiale omejuje možnosti videnja pod optičnim mikroskopom, skladiščenja podatkov na DVD-plošči in tudi proizvodnje tranzistorjev. Nove raziskave na področju metamaterialov na Stanfordu vključujejo tudi nove optične lastnosti s kombiniranjem več vrst materialov v strukturah, manjših od posameznih vrst elektromagnetnih valov, ki so lahko mikrovalovi ali valovi vidne svetlobe. Manipulacija vidljivih valovnih dolžin se izvaja z združevanjem kovin (zlata ali srebra) z drugimi materiali v natančnih nanoslojih. Ena od raziskav je posvečena metamaterialom, ki lahko naredijo predmet neviden za mikrovalove. V drugi raziskavi je ekipi z Univerze v Berkeleyu z uporabo metamaterialne leče, združene s konvencionalno optično lečo, uspelo prikazati prej nevidne podrobnosti, kot sta na primer dve 35-nanometrski vrsti na medsebojni razdalji 15 nm. Takšni mikroskopi bodo dragoceni za preučevanje procesov v celici.

KAKO POSTATI NEVIDEN

Da postane predmet neviden, mora bodisi ukriviti svetlobo okoli sebe, kot da ga ni, ali pa preprečiti njen odboj. Ker predmeti ponavadi tega niso sposobni, jim mora na pomoč priskočiti nanotehnologija. Prof. Vladimir Shalaev z Univerze Purdue s kolegami je odkril način za ukrivljanje svetlobe z nanomaterialom z negativnim indeksom lomljenja. Ravno indeks lomljenja je lastnost, ki narekuje način gibanja svetlobe skozi medij (spomnite se svojih »zlomljenih nog« v vodi). Shalaev je kolegom prikazal teoretično možnost oblikovanja strukture iz zelo tankih prevodnih žic, ki vplivajo na električno in magnetno polje mikrovalov ter s tem povzročajo lomljenje na nenavaden način. Rezultate sta podprla s svojimi raziskavami David Smith in David Schurig z Univerze Duke. Ponavljanje eksperimenta z vidno svetlobo pa je bil večji problem, ker so bile za material potrebne komponente velikosti le 40 nm. Shalaev je uporabil dizajn s tesno naloženimi iglicami nanožic s premerom 10 nm, dolgih 60 nm. Zaenkrat mu je uspelo »prikriti« predmet, osvetljen z rdečo svetlobo valovne dolžine 632,8 nm, a teoretično je mogoče variirati dizajn tudi za druge valovne dolžine. Večji problem bo odstranitev preostalih manjših odbojev, ker lomljenje zaenkrat ni idealno.
Konec leta 2007 je prinesel tudi dobre novice glede novega procesa tiskanja tranzistorjev za pomnilnike in tudi analogne radijske naprave. Podjetje Kovio, ki je bilo ustanovljeno za trženje tehnologije, razvito v MIT-ovem Media Labu, je svojo rešitev zaenkrat zasnovalo na tiskanju z brizgalnim tiskalnikom, kar bo zagotovilo nizko ceno proizvodnje visokozmogljivih mikročipov. Prvi izdelek Kovia bodo verjetno pametne kartice za javni prevoz, ki so že v proizvodnji, a bo tehnologija našla uporabo na številnih drugih področjih. Rešitev Kovia temelji na zamenjavi konvencionalne litografije s tiskanjem. V takšnem postopku zaradi manjše natančnosti seveda ni mogoče proizvesti čipa z več sto milijoni tranzistorjev, ampak le z nekaj tisoč. Za potrebe potrošniške elektronike razvijajo postopke tiskanja čipov namesto litografije tudi druga podjetja, vendar je Kovio namesto organskih uporabil neorganske polprevodne materiale (silicij). Stroški so nekoliko višji, a so tudi čipi stokrat ali celo tisočkrat zmogljivejši. V osnovi procesa je uporaba polprevodniških nanodelcev, ki omogočajo obdelovanje pri nižjih temperaturah, ki bolj ustrezajo tudi uporabi upogljivih plastičnih substratov. Nanotehnologija, ki jo uporablja Kovio, naj bi na koncu pripeljala do čipov s ceno od enega samega evra.