Ik wil alles weten

Nanotechnologie

Pin
Send
Share
Send


Geschiedenis

Nanowetenschap en nanotechnologie werden pas mogelijk in de jaren 1910 met de ontwikkeling van de eerste instrumenten om nanostructuren te meten en te maken. Maar de feitelijke ontwikkeling begon met de ontdekking van elektronen en neutronen die wetenschappers toonden dat materie echt op een veel kleinere schaal kan bestaan ​​dan wat we normaal als klein beschouwen, en / of wat zij dachten dat op dat moment mogelijk was. Het was in deze tijd dat nieuwsgierigheid naar nanostructuren was ontstaan.

De atomic force microscope (AFM) en de Scanning Tunneling Microscope (STM) zijn twee vroege versies van scansondes die nanotechnologie hebben geïntroduceerd. Er zijn andere soorten scanning-sondemicroscopie, allemaal voortkomend uit de ideeën van de scanning-confocale microscoop ontwikkeld door Marvin Minsky in 1961 en de scanning-akoestische microscoop (SAM) ontwikkeld door Calvin Quate en collega's in de jaren 1970, die het mogelijk maakte structuren te zien op nanoschaal. De punt van een scansonde kan ook worden gebruikt om nanostructuren te manipuleren (een proces dat positionele assemblage wordt genoemd). Functiegeoriënteerde scan-positioneringsmethodologie voorgesteld door Rostislav Lapshin lijkt een veelbelovende manier om deze nanomanipulaties in automatische modus te implementeren. Dit is echter nog steeds een langzaam proces vanwege de lage scansnelheid van de microscoop. Verschillende technieken van nanolithografie zoals dip pen nanolithografie, elektronenstraal lithografie of nanoimprint lithografie werden ook ontwikkeld. Lithografie is een top-down fabricagetechniek waarbij een bulkmateriaal wordt verkleind tot een nanoschaalpatroon.

De eerste onderscheidende concepten in de nanotechnologie (maar vóór het gebruik van die naam) waren in "Er is genoeg ruimte aan de onderkant", een lezing gegeven door natuurkundige Richard Feynman op een bijeenkomst van de American Physical Society in Caltech op 29 december 1959 1. Feynman beschreef een proces waarmee het vermogen om individuele atomen en moleculen te manipuleren zou kunnen worden ontwikkeld, met behulp van één set precieze tools om een ​​andere, naar verhouding kleinere set te bouwen en te bedienen, dus op de benodigde schaal. In de loop van dit, merkte hij op, zouden schaalproblemen ontstaan ​​door de veranderende omvang van verschillende fysische fenomenen: zwaartekracht zou minder belangrijk worden, oppervlaktespanning en Van der Waals aantrekkingskracht zou belangrijker worden. Dit basisidee lijkt haalbaar en exponentiële assemblage verbetert het met parallellisme om een ​​bruikbare hoeveelheid eindproducten te produceren.

Acht allotropen koolstof

De term "nanotechnologie" werd gedefinieerd door professor Norio Taniguchi van de Tokyo Science University in een paper uit 1974 2 als volgt: "'Nanotechnologie' bestaat voornamelijk uit het verwerken, scheiden, consolideren en vervormen van materialen door één atoom of door één molecuul." In de jaren tachtig werd het basisidee van deze definitie veel dieper onderzocht door Dr. K. Eric Drexler, die de technologische betekenis van fenomenen en apparaten op nanoschaal promootte door toespraken en het boek Creines: The Coming Era of Nanotechnology3en zo kreeg de term zijn huidige betekenis.

Nanotechnologie en nanowetenschap zijn in het begin van de jaren tachtig begonnen met twee belangrijke ontwikkelingen; de geboorte van clusterkunde en de uitvinding van de scanning tunneling microscope (STM). Deze ontwikkeling leidde tot de ontdekking van fullerenen in 1986 en koolstofnanobuisjes een paar jaar later. In een andere ontwikkeling werden de synthese en eigenschappen van halfgeleider nanokristallen bestudeerd. Dit leidde tot een snel toenemend aantal metaaloxide-nanodeeltjes van kwantumstippen. De atoomkrachtmicroscoop werd uitgevonden vijf jaar nadat de STM was uitgevonden. De AFM gebruikt atoomkracht om de atomen te "zien".

Fundamentele concepten

Een nanometer (nm) is een miljardste of 10-9 van een meter. Ter vergelijking: typische koolstof-koolstofbindingslengten, of de afstand tussen deze atomen in een molecuul, liggen in het bereik van 0,12-15 nm en een dubbele DNA-helix heeft een diameter van ongeveer 2 nm. Aan de andere kant zijn de kleinste cellulaire levensvormen, de bacteriën van het geslacht Mycoplasma, ongeveer 200 nm lang.

Groter naar kleiner: een materialenperspectief

Afbeelding van de reconstructie op een schoon Au (100) oppervlak, zoals gevisualiseerd met behulp van scanning tunneling microscopie. De afzonderlijke atomen waaruit het oppervlak bestaat, zijn zichtbaar.

Een uniek aspect van nanotechnologie is de sterk toegenomen verhouding van oppervlakte tot volume die aanwezig is in veel nanoschaalmaterialen die nieuwe mogelijkheden opent in oppervlakte-gebaseerde wetenschap, zoals katalyse. Een aantal fysische fenomenen wordt merkbaar uitgesproken naarmate de omvang van het systeem afneemt. Deze omvatten statistische mechanische effecten, evenals kwantummechanische effecten, bijvoorbeeld het "kwantumgrootte-effect" waarbij de elektronische eigenschappen van vaste stoffen worden gewijzigd met grote reducties in deeltjesgrootte. Dit effect speelt geen rol door van macro- naar microdimensies te gaan. Het wordt echter dominant wanneer het bereik van de nanometer wordt bereikt. Bovendien verandert een aantal fysieke eigenschappen in vergelijking met macroscopische systemen. Een voorbeeld is de toename in oppervlakte naar volume van materialen.

Materialen gereduceerd tot nanoschaal kunnen plotseling heel andere eigenschappen vertonen vergeleken met wat ze op macroschaal vertonen, waardoor unieke toepassingen mogelijk zijn. Ondoorzichtige stoffen worden bijvoorbeeld transparant (koper); inerte materialen worden katalysatoren (platina); stabiele materialen worden brandbaar (aluminium); vaste stoffen veranderen in vloeistoffen bij kamertemperatuur (goud); isolatoren worden geleiders (silicium). Een materiaal zoals goud, dat chemisch inert is op normale schalen, kan dienen als een krachtige chemische katalysator op nanoschalen. Veel van de fascinatie voor nanotechnologie komt voort uit deze unieke kwantum- en oppervlakte-fenomenen die materie op nanoschaal vertoont.

Eenvoudig tot complex: een moleculair perspectief

De moderne synthetische chemie heeft het punt bereikt waarop het mogelijk is om kleine moleculen in bijna elke structuur te bereiden. Deze methoden worden tegenwoordig gebruikt om een ​​grote verscheidenheid aan nuttige chemicaliën te produceren, zoals farmaceutische of commerciële polymeren. Dit vermogen roept de vraag op om dit soort controle uit te breiden naar het volgende hogere niveau, op zoek naar methoden om deze afzonderlijke moleculen te assembleren tot supramoleculaire assemblages bestaande uit vele moleculen die op een goed gedefinieerde manier zijn gerangschikt.

Deze benaderingen maken gebruik van de concepten van moleculaire zelfassemblage en / of supramoleculaire chemie om zichzelf automatisch te rangschikken in een bruikbare conformatie via een bottom-up benadering. Het concept van moleculaire herkenning is vooral belangrijk: moleculen kunnen zo worden ontworpen dat een specifieke conformatie of opstelling de voorkeur heeft. De Watson-Crick-basispaarregels zijn hier een direct gevolg van, net als de specificiteit van een enzym dat op een enkel substraat wordt gericht, of de specifieke vouwing van het eiwit zelf. Zo kunnen twee of meer componenten complementair en wederzijds aantrekkelijk worden ontworpen, zodat ze een complexer en bruikbaarder geheel vormen.

Dergelijke bottom-up benaderingen zouden in het algemeen in staat moeten zijn om apparaten parallel en veel goedkoper te produceren dan top-down methoden, maar zouden potentieel overweldigd kunnen worden naarmate de grootte en complexiteit van het gewenste samenstel toeneemt. De meeste bruikbare structuren vereisen complexe en thermodynamisch onwaarschijnlijke ordeningen van atomen. Niettemin zijn er veel voorbeelden van zelfassemblage op basis van moleculaire herkenning in de biologie, met name Watson-Crick basepairing en enzym-substraat interacties. De uitdaging voor nanotechnologie is of deze principes kunnen worden gebruikt om nieuwe constructies naast natuurlijke te construeren.

Moleculaire nanotechnologie

Moleculaire nanotechnologie, soms moleculaire productie genoemd, is een term die wordt gegeven aan het concept van technische nanosystemen (machines op nanoschaal) die op moleculaire schaal werken. Het wordt vooral geassocieerd met het concept van een moleculaire assembler, een machine die atoom voor atoom een ​​gewenste structuur of inrichting kan produceren met behulp van de principes van mechanosynthese. Productie in de context van productieve nanosystemen is niet gerelateerd aan, en moet duidelijk worden onderscheiden van, de conventionele technologieën die worden gebruikt voor de productie van nanomaterialen zoals koolstofnanobuizen en nanodeeltjes.

Toen de term "nanotechnologie" onafhankelijk werd bedacht en gepopulariseerd door Eric Drexler (die destijds niet op de hoogte was van een eerder gebruik door Norio Taniguchi), verwijst dit naar een toekomstige productietechnologie op basis van moleculaire machinesystemen. Het uitgangspunt was dat biologische analogieën op moleculaire schaal van traditionele machinecomponenten aantoonden dat moleculaire machines mogelijk waren: door de talloze voorbeelden in de biologie is het bekend dat miljarden jaren van evolutionaire feedback geavanceerde, stochastisch geoptimaliseerde biologische machines kunnen produceren. Het is te hopen dat ontwikkelingen in de nanotechnologie hun constructie op een andere manier mogelijk zullen maken, misschien met behulp van biomimetische principes. Drexler en andere onderzoekers hebben echter voorgesteld dat geavanceerde nanotechnologie, hoewel misschien aanvankelijk geïmplementeerd met biomimetische middelen, uiteindelijk zou kunnen worden gebaseerd op werktuigbouwkundige principes, namelijk een productietechnologie op basis van de mechanische functionaliteit van deze componenten (zoals tandwielen, lagers, motoren) en structurele leden) die programmeerbare, positionele assemblage volgens atomaire specificatie PNAS-1981 mogelijk zouden maken. De fysica en technische prestaties van voorbeeldontwerpen werden geanalyseerd in het boek van Drexler 4. Maar de analyse van Drexler is zeer kwalitatief en behandelt geen zeer dringende kwesties, zoals de "dikke vingers" en "plakkerige vingers" problemen, die problemen zijn die verband houden met de moeilijkheid bij het hanteren en assembleren op nanoschaal. Over het algemeen is het erg moeilijk om apparaten op atomaire schaal te assembleren, omdat men alleen atomen moet plaatsen als andere atomen van vergelijkbare grootte en plakkerigheid.

Een ander gezichtspunt van Carlo Montemagno 5 is dat toekomstige nanosystemen hybriden van siliciumtechnologie en biologische moleculaire machines zullen zijn. Nog een andere opvatting van wijlen Richard Smalley is dat mechanosynthese onmogelijk is vanwege de moeilijkheden bij het mechanisch manipuleren van individuele moleculen. Dit leidde tot een briefwisseling 6 in de ACS-publicatie Chemical & Engineering News in 2003.

Hoewel de biologie duidelijk aantoont dat moleculaire machinesystemen mogelijk zijn, staan ​​niet-biologische moleculaire machines vandaag nog in de kinderschoenen. Leiders in onderzoek naar niet-biologische moleculaire machines zijn Dr. Alex Zettl en zijn collega's van Lawrence Berkeley Laboratories en UC Berkeley. Ze hebben ten minste drie verschillende moleculaire apparaten geconstrueerd waarvan de beweging vanaf het bureaublad met veranderende spanning wordt bestuurd: een nanobuis nanomotor, een moleculaire actuator 7en een nano-elektromechanische relaxatie-oscillator 8 Een experiment dat aangeeft dat positionele moleculaire assemblage mogelijk is, werd uitgevoerd door Ho en Lee aan de Cornell University in 1999. Ze gebruikten een scanning tunneling microscoop om een ​​individueel koolmonoxidemolecuul (CO) te verplaatsen naar een individueel ijzeratoom (Fe) zittend op een plat zilver kristal, en chemisch de CO aan de Fe gebonden door een spanning aan te leggen.

Huidig ​​onderzoek

Grafische weergave van een rotaxaan, nuttig als een moleculaire schakelaar.Dit apparaat draagt ​​energie over van nanodunne lagen kwantumputten naar nanokristallen erboven, waardoor de nanokristallen zichtbaar licht uitzenden 9

Nanotechnologie is een zeer brede term, er zijn veel verschillende maar soms overlappende subvelden die onder de paraplu kunnen vallen. De volgende wegen van onderzoek kunnen worden beschouwd als subgebieden van nanotechnologie. Merk op dat deze categorieën niet concreet zijn en dat een enkel subveld er veel van kan overlappen, vooral omdat het veld van nanotechnologie zich verder ontwikkelt.

Nanomaterialen

Dit omvat subvelden die materialen ontwikkelen of bestuderen met unieke eigenschappen die voortkomen uit hun nanoschaalafmetingen.

  • Colloïdewetenschap heeft aanleiding gegeven tot veel materialen die nuttig kunnen zijn in de nanotechnologie, zoals koolstofnanobuisjes en andere fullerenen, en verschillende nanodeeltjes en nanodeeltjes.
  • Nanoschaalmaterialen kunnen ook worden gebruikt voor bulktoepassingen; de meeste huidige commerciële toepassingen van nanotechnologie zijn van deze smaak.
  • Er is vooruitgang geboekt bij het gebruik van deze materialen voor medische toepassingen.

Bottom-up benaderingen

Deze proberen kleinere componenten in meer complexe samenstellingen te rangschikken.

  • DNA-nanotechnologie maakt gebruik van de specificiteit van Watson-Crick basepairing om goed gedefinieerde structuren te construeren uit DNA en andere nucleïnezuren.
  • Meer in het algemeen tracht moleculaire zelfassemblage concepten van supramoleculaire chemie, en in het bijzonder moleculaire herkenning, te gebruiken om ervoor te zorgen dat componenten met één molecuul zichzelf automatisch in een nuttige configuratie rangschikken.

Top-down benaderingen

Deze proberen kleinere apparaten te maken door grotere apparaten te gebruiken om hun assemblage te sturen.

  • Veel technologieën stammen af ​​van conventionele solid-state siliciummethoden voor het fabriceren van microprocessors en zijn nu in staat om functies te creëren die kleiner zijn dan 100 nm, wat onder de definitie van nanotechnologie valt. Gigantische op magnetoresistentie gebaseerde harde schijven die al op de markt zijn, voldoen aan deze beschrijving, net als technieken voor atomaire laagafzetting (ALD).
  • Solid-state technieken kunnen ook worden gebruikt om apparaten te maken die bekend staan ​​als nano-elektromechanische systemen of NEMS, die gerelateerd zijn aan micro-elektromechanische systemen (MEMS).
  • Atomic force microscope tips kunnen worden gebruikt als een "schrijfkop" op nanoschaal om een ​​chemische stof op een oppervlak af te zetten in een gewenst patroon in een proces dat dip-pen-nanolithografie wordt genoemd. Dit past in het grotere subveld van nanolithografie.

Functionele benaderingen

Deze proberen componenten met een gewenste functionaliteit te ontwikkelen, ongeacht hoe ze kunnen worden geassembleerd.

  • Moleculaire elektronica streeft ernaar moleculen te ontwikkelen met nuttige elektronische eigenschappen. Deze kunnen vervolgens worden gebruikt als componenten met één molecuul in een nano-elektronisch apparaat.
  • Synthetische chemische methoden kunnen ook worden gebruikt om synthetische moleculaire motoren te maken, zoals in een zogenaamde nanocar.

Speculatieve

Deze subvelden trachten te anticiperen op wat uitvindingen nanotechnologie kunnen opleveren, of proberen een agenda voor te stellen waarlangs onderzoek zou kunnen vorderen. Deze geven vaak een algemeen beeld van nanotechnologie, met meer nadruk op de maatschappelijke implicaties dan de details van hoe dergelijke uitvindingen daadwerkelijk kunnen worden gecreëerd.

  • Moleculaire nanotechnologie is een voorgestelde aanpak waarbij afzonderlijke moleculen op fijn gecontroleerde, deterministische manieren worden gemanipuleerd. Dit is meer theoretisch dan de andere subvelden en gaat de huidige mogelijkheden te boven.
  • Nanorobotica draait om zelfvoorzienende machines met een bepaalde functionaliteit die op nanoschaal werken. Er is hoop op het toepassen van nanorobots in de geneeskunde 10 11 12, hoewel het misschien niet eenvoudig is om zoiets te doen vanwege verschillende nadelen van dergelijke apparaten

13 Desalniettemin is vooruitgang op het gebied van innovatieve materialen en methoden aangetoond met enkele patenten die zijn verleend voor nieuwe nanofabricageapparatuur voor toekomstige commerciële toepassingen, die ook geleidelijk helpt bij de ontwikkeling naar nanorobots met behulp van het ingebedde nanobio-elektronische concept.

  • Programmeerbare materie op basis van kunstmatige atomen beoogt materialen te ontwerpen waarvan de eigenschappen gemakkelijk en omkeerbaar extern kunnen worden geregeld.
  • Vanwege de populariteit en media-aandacht van de term nanotechnologie, zijn de woorden picotechnologie en femtotechnologie bedacht in analogie ermee, hoewel deze slechts zelden en informeel worden gebruikt.

Tools en technieken

Typische AFM-instelling. Een microvervaardigde cantilever met een scherpe punt wordt afgebogen door kenmerken op een monsteroppervlak, net als in een fonograaf, maar op een veel kleinere schaal. Een laserstraal reflecteert van de achterkant van de cantilever in een set fotodetectoren, waardoor de afbuiging kan worden gemeten en geassembleerd tot een afbeelding van het oppervlak.

Een andere techniek maakt gebruik van SPT ™ s (tool voor oppervlaktepatroon) als de moleculaire 'inktcartridge'. Elke SPT is een op microcantilever gebaseerd micro-vloeistof behandelingsapparaat. SPT's bevatten ofwel een enkele microcantilever-printkop of meerdere microcantilevers voor het gelijktijdig afdrukken van meerdere moleculaire soorten. Het geïntegreerde microfluïdische netwerk transporteert vloeistofmonsters uit reservoirs op de SPT via microkanalen naar het distale uiteinde van de cantilever. SPT's kunnen dus worden gebruikt om materialen af ​​te drukken die biologische monsters omvatten, zoals eiwitten, DNA, RNA en hele virussen, evenals niet-biologische monsters zoals chemische oplossingen, colloïden en suspensies van deeltjes. SPT's worden meestal gebruikt met moleculaire printers.

Nanotechnologische technieken omvatten die welke worden gebruikt voor de fabricage van nanodraden, die die worden gebruikt bij de fabricage van halfgeleiders zoals diepe ultraviolette lithografie, elektronenstraallithografie, gefocusseerde ionenstraalbewerking, nano-afdruk lithografie, atoomlaagafzetting en moleculaire dampafzetting, en verder met inbegrip van moleculaire zelfassemblagetechnieken zoals die welke di-blokcopolymeren gebruiken. Al deze technieken gingen echter vooraf aan het nanotech-tijdperk en zijn uitbreidingen in de ontwikkeling van wetenschappelijke vooruitgang in plaats van technieken die zijn ontworpen met als enig doel het creëren van nanotechnologie en die het resultaat waren van nanotechnologisch onderzoek.

De top-down benadering anticipeert op nanodevices die stuk voor stuk in fasen moeten worden gebouwd, net zoals gefabriceerde artikelen momenteel worden gemaakt. Scansondemicroscopie is een belangrijke techniek voor zowel karakterisering als synthese van nanomaterialen. Atoomkrachtmicroscopen en scanning tunneling microscopen kunnen worden gebruikt om naar oppervlakken te kijken en om atomen te verplaatsen. Door verschillende tips voor deze microscopen te ontwerpen, kunnen ze worden gebruikt voor het uithakken van structuren op oppervlakken en om zelf-assemblerende structuren te helpen geleiden. Door bijvoorbeeld een functie-georiënteerde scanning-positioneringsbenadering te gebruiken, kunnen atomen op een oppervlak worden verplaatst met scanning-sondemicroscopietechnieken. Momenteel is het duur en tijdrovend voor massaproductie, maar zeer geschikt voor laboratoriumexperimenten.

Bottom-uptechnieken daarentegen bouwen of groeien grotere structuren atoom voor atoom of molecuul voor molecuul. Deze technieken omvatten chemische synthese, zelfassemblage en positionele assemblage. Een andere variatie van de bottom-up benadering is epitaxie met moleculaire stralen of MBE. Onderzoekers van Bell Telephone Laboratories zoals John R. Arthur, Alfred Y. Cho en Art C. Gossard ontwikkelden en implementeerden MBE als een onderzoeksinstrument in de late jaren 1960 en 1970. Monsters gemaakt door MBE waren de sleutel tot de ontdekking van het fractionele kwantum Hall-effect waarvoor de Nobelprijs voor natuurkunde 1998 werd toegekend. Met MBE kunnen wetenschappers atomaire precieze lagen atomen leggen en daarbij complexe structuren opbouwen. Belangrijk voor onderzoek naar halfgeleiders, MBE wordt ook veel gebruikt om monsters en apparaten te maken voor het nieuwe opkomende gebied van spintronica.

Nieuwere technieken zoals Dual Polarization Interferometry stellen wetenschappers in staat kwantitatief de moleculaire interacties te meten die op nanoschaal plaatsvinden.

Toepassingen

Hoewel er veel hype is geweest over de mogelijke toepassingen van nanotechnologie, zijn de meeste huidige gecommercialiseerde toepassingen beperkt tot het gebruik van passieve nanomaterialen van de 'eerste generatie'. Deze omvatten nanodeeltjes van titaniumdioxide in zonnebrandcrème, cosmetica en sommige voedingsproducten; zilveren nanodeeltjes in voedselverpakkingen, kleding, ontsmettingsmiddelen en huishoudelijke apparaten; zinkoxide nanodeeltjes in zonnebrandmiddelen en cosmetica, oppervlaktecoatings, verven en buitenmeubelvernis; en nanodeeltjes van ceriumoxide als brandstofkatalysator. Het Woodrow Wilson Centre for International Scholars 'Project on Emerging Nanotechnologies herbergt een inventaris van consumentenproducten die nu nanomaterialen bevatten14

Verdere toepassingen die daadwerkelijke manipulatie of opstelling van componenten op nanoschaal vereisen, wachten echter op verder onderzoek. Hoewel technologieën die momenteel worden gebrandmerkt met de term 'nano', soms weinig verband houden met en ver achterblijven bij de meest ambitieuze en transformatieve technologische doelen van dit soort in voorstellen voor moleculaire productie, impliceert de term nog steeds dergelijke ideeën. Er kan dus een gevaar zijn dat zich een "nano-bubbel" zal vormen, of zich al vormt, door het gebruik van de term door wetenschappers en ondernemers om financiering binnen te halen, ongeacht belangstelling voor de transformerende mogelijkheden van ambitieuzer en vooruitziender werk.

De National Science Foundation (een belangrijke financieringsbron voor nanotechnologie in de Verenigde Staten) heeft onderzoeker David Berube gefinancierd om het gebied van nanotechnologie te bestuderen. Zijn bevindingen zijn gepubliceerd in de monografie “Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz.15"Deze gepubliceerde studie concludeert dat veel van wat wordt verkocht als" nanotechnologie "in feite een herschikking is van ongecompliceerde materiaalwetenschap, wat leidt tot een" nanotech-industrie die uitsluitend is gebouwd op de verkoop van nanobuisjes, nanodraden en dergelijke "die" zal eindigen met een paar leveranciers die producten met lage marges in grote volumes verkopen. "

Implicaties

Vanwege de verregaande claims die zijn gedaan over mogelijke toepassingen van nanotechnologie, zijn er een aantal vragen gerezen over welke effecten deze zullen hebben op onze samenleving indien gerealiseerd, en welke maatregelen eventueel geschikt zijn om deze risico's te beperken. Kortetermijnkwesties omvatten de effecten die een wijdverbreid gebruik van nanomaterialen op de menselijke gezondheid en het milieu zou hebben. Op langere termijn gaat het vooral om de implicaties die nieuwe technologieën zullen hebben voor de samenleving in het algemeen, en of deze mogelijk kunnen leiden tot een economie na de schaarste, of anders de welvaartskloof tussen ontwikkelde en ontwikkelingslanden vergroten.

Gezondheid en milieu

Er is steeds meer wetenschappelijk bewijs dat aantoont dat sommige nanomaterialen giftig kunnen zijn voor mens of milieu 161718.

Hoe kleiner een deeltje, hoe groter de verhouding oppervlak / volume en hoe hoger de chemische reactiviteit en biologische activiteit. De grotere chemische reactiviteit van nanomaterialen resulteert in een verhoogde productie van reactieve zuurstofspecies (ROS), inclusief vrije radicalen. ROS-productie is gevonden in een breed scala aan nanomaterialen, waaronder koolstof fullerenen, koolstof nanobuisjes en metaaloxiden van nanodeeltjes. ROS en productie van vrije radicalen is een van de primaire mechanismen van toxiciteit voor nanodeeltjes; het kan leiden tot oxidatieve stress, ontsteking en daaruit voortvloeiende schade aan eiwitten, membranen en DNA 19.

De extreem kleine omvang van nanomaterialen betekent ook dat ze veel gemakkelijker door het menselijk lichaam worden opgenomen dan grotere deeltjes. Nanomaterialen kunnen biologische membranen passeren en toegang krijgen tot cellen, weefsels en organen die grotere deeltjes normaal gesproken niet kunnen. Nanomaterialen kunnen na inhalatie of inslikken toegang krijgen tot de bloedbaan. Ten minste sommige nanomaterialen kunnen de huid binnendringen; zelfs grotere microdeeltjes kunnen de huid doordringen wanneer deze wordt gebogen. Gebroken huid is een ineffectieve deeltjesbarrière, wat suggereert dat acne, eczeem, wonden of ernstige zonnebrand de opname van nanomaterialen door de huid mogelijk gemakkelijker maakt. Eenmaal in de bloedbaan kunnen nanomaterialen door het lichaam worden getransporteerd en worden opgenomen door organen en weefsels, waaronder de hersenen, het hart, de lever, de nieren, de milt, het beenmerg en het zenuwstelsel. Nanomaterialen zijn giftig gebleken voor menselijk weefsel en celculturen, wat resulteert in verhoogde oxidatieve stress, inflammatoire cytokineproductie en celdood. In tegenstelling tot grotere deeltjes kunnen nanomaterialen worden opgenomen door cel mitochondriën en de celkern. Studies tonen aan dat nanomaterialen DNA-mutatie kunnen veroorzaken en grote structurele schade aan mitochondriën kunnen veroorzaken, zelfs resulterend in celdood.

Grootte is daarom een ​​sleutelfactor bij het bepalen van de potentiële toxiciteit van een deeltje. Het is echter niet de enige belangrijke factor. Andere eigenschappen van nanomaterialen die de toxiciteit beïnvloeden, zijn onder meer: ​​chemische samenstelling, vorm, oppervlaktestructuur, oppervlaktelading, aggregatie en oplosbaarheid, en de aanwezigheid of afwezigheid van functionele groepen van andere chemicaliën. Het grote aantal variabelen die de toxiciteit beïnvloeden, betekent dat het moeilijk is om te generaliseren over gezondheidsrisico's in verband met blootstelling aan nanomaterialen - elk nieuw nanomateriaal moet afzonderlijk worden beoordeeld en er moet rekening worden gehouden met alle materiaaleigenschappen.

In het belangrijkste rapport van 200420, heeft de Royal Society van het Verenigd Koninkrijk aanbevolen nanomaterialen te reguleren als nieuwe chemicaliën, dat onderzoekslaboratoria en fabrieken nanomaterialen behandelen "alsof ze gevaarlijk zijn", dat het vrijkomen van nanomaterialen in het milieu zoveel mogelijk wordt vermeden, en dat producten die nanomaterialen bevatten onderworpen aan nieuwe veiligheidstestvereisten voorafgaand aan hun commerciële release. Toch is er wereldwijd nog steeds geen onderscheid tussen materialen in hun nanoschaal en bulkvorm. Dit betekent dat nanomaterialen effectief niet-gereguleerd blijven; nanomaterialen moeten vóór hun gebruik in commerciële producten geen nieuwe gezondheids- en veiligheidstests of milieueffectbeoordelingen ondergaan voordat ze in bulk worden goedgekeurd.

De gezondheidsrisico's van nanomaterialen zijn met name zorgwekkend voor werknemers die op hogere niveaus en op een meer routinematige basis beroepsmatig kunnen worden blootgesteld aan nanomaterialen dan het grote publiek.

Bredere maatschappelijke implicaties en uitdagingen

Naast de toxiciteitsrisico's voor de menselijke gezondheid en het milieu die verband houden met eerste-generatie nanomaterialen, heeft nanotechnologie bredere maatschappelijke implicaties en stelt het bredere sociale uitdagingen voor. Sociale wetenschappers hebben gesuggereerd dat de maatschappelijke problemen van nanotechnologie niet alleen moeten worden begrepen en beoordeeld als "downstream" risico's of effecten, maar als uitdagingen die moeten worden meegenomen in "upstream" onderzoek en besluitvorming, om te zorgen voor technologieontwikkeling die voldoet aan sociale doelstellingen. Veel sociale wetenschappers en maatschappelijke organisaties suggereren verder dat technologiebeoordeling en governance ook publieke participatie moeten omvatten 21.

Sommige waarnemers suggereren dat nanotechnologie stapsgewijs zal bouwen, net als de industriële revolutie in de achttiende en negentiende eeuw, totdat het tempo bereikt om een ​​nanotechnologische revolutie te bewerkstelligen die onze economieën, onze arbeidsmarkten, internationale handel, internationale betrekkingen, sociale structuren, burgerlijke vrijheden radicaal zal hervormen. , onze relatie met de natuurlijke wereld en zelfs wat we als menselijk beschouwen. Anderen suggereren dat het wellicht nauwkeuriger is om door nanotechnologie gedreven veranderingen te beschrijven als een 'technologische tsunami'.

De implicaties van de analyse van zo'n krachtige nieuwe technologie blijven scherp verdeeld. Optimisten, waaronder veel regeringen, zien dat nanotechnologie milieuvriendelijke materiaalovervloed voor iedereen levert door universele schoonwatervoorziening te bieden; atomair ontworpen voedsel en gewassen resulterend in hogere landbouwproductiviteit met minder arbeidsbehoeften; nutritioneel verbeterde interactieve 'slimme' voedingsmiddelen; goedkope en krachtige energieopwekking; schone en zeer efficiënte productie; radicaal verbeterde formulering van medicijnen, diagnostiek en orgaanvervanging; veel grotere informatieopslag en communicatiecapaciteit; interactieve 'slimme' apparaten; en verhoogde menselijke prestaties door convergente technologieën 22.

Nanosceptici suggereren dat nanotechnologie de problemen die voortvloeien uit de bestaande sociaaleconomische ongelijkheid en de ongelijke verdeling van macht eenvoudigweg zal verergeren door grotere ongelijkheid tussen arm en rijk te creëren door een onvermijdelijke nano-kloof (de kloof tussen degenen die de nieuwe nanotechnologieën beheersen en degenen wier producten , diensten of arbeid worden door hen verplaatst); het destabiliseren van internationale betrekkingen door een groeiende nano-wapenwedloop en een groter potentieel voor biowapens; het aanbieden van de instrumenten voor alomtegenwoordige surveillance, met aanzienlijke implicaties voor de burgerlijke vrijheid; door nanobiotechnologie de barrières tussen leven en niet-leven weg te nemen en zelfs opnieuw te definiëren wat het betekent om mens te zijn.

Zie ook

Notes

  1. ↑ Alan Chodos, (ed.) American Physics Society"29 december 1959: Feynman's klassieke CalTech-lezing." Ontvangen op 28 juni 2007.
  2. ↑ N. Taniguchi. "Over het basisconcept van 'Nano-technologie'." Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Deel II, (1974) (Tokio: Japan Society of Precision Engineering)
  3. ↑ K. Eric Drexler. 1992. Nanosystemen: moleculaire machines, productie en berekening. (New York: Wiley. ISBN 0471575186) Nanosystemen: moleculaire machines, productie en berekening opgehaald op 30 november 2007.
  4. ↑ Ibid. Nanosystemen: moleculaire machines, productie en berekening
  5. ↑ Carlo Montemagno, UCLA People: "Carlo Montemagno." Ontvangen op 30 november 2007.
  6. Amerikaans chemisch en technisch nieuws Ontvangen op 28 juni 2007.
  7. ↑ B. C. Regan, et al. Nano Letters 5(9)(2005):1730-1733.Nano Crystal Powered Motor Ontvangen op 28 juni 2007.
  8. ↑ B. C. Regan, et al. "Surface-tesion-driven nanoelectromechanical relaxation" Applied Physics Letters 86 (2005): 123119. (UC Berkeley) Ontvangen op 28 juni 2007.
  9. ↑ Draadloze nanokristallen stralen efficiënt zichtbaar licht uit Sandina National Labs. Ontvangen op 28 juni 2007.
  10. ↑ Z. Ghalanbor, S.A. Marashi en B. Ranjbar. 2005. "Nanotechnologie helpt medicijnen: zwemmers op nanoschaal en hun toekomstige toepassingen." Medische hypothesen 65 (1): 198-199.
  11. ↑ T. Kubik, K. Bogunia-Kubik en M. Sugisaka. 2005. "Nanotechnologie van dienst in medische toepassingen." Huidige farmaceutische biotechnologie 6 (1): 17-33.
  12. ↑ A. Cavalcanti en R.A. Freitas, Jr. 2005. "Nanorobotica controle-ontwerp: een collectieve gedragsbenadering voor medicijnen." IEEE-transacties op Nanobioscience 4 (2): 133-140.
  13. ↑ R.C. Shetty. 2005. "Potentiële valkuilen van nanotechnologie bij toepassingen in de geneeskunde: immuunonverenigbaarheid van nanodevices." Medische hypothesen 65 (5): 998-999.
  14. Een inventaris van consumentenproducten van nanotechnologie Woodrow Wilson International Centre for Scholars Ontvangen 29 juni 2007.
  15. ↑ David M. Berube. 2006. Nano-hype: de waarheid achter het geroezemoes van nanotechnologie. (Amherst, NY: Prometheus Books. ISBN 1591023513)
  16. ↑ Peter HM Hoet, et al. "Nanodeeltjes - bekende en onbekende gezondheidsrisico's." Journal of Nanobiotechnology 2 (2004): 12 nanodeeltjes - bekende en onbekende gezondheidsrisico's Review en Abstract. Ontvangen op 28 juni 2007.
  17. ↑ Gunter Oberdorster. "Nanotoxicologie: een opkomende discipline evoluerend uit studies van ultrafijne deeltjes." Milieugezondheidsperspectieven 113 (7) (juli 2005) Overzicht en samenvatting. Ontvangen op 28 juni 2007.
  18. ↑ Günter Oberdörster, et al. Deeltjes- en vezeltoxicologie Deeltjes- en vezeltoxicologie Juni opgehaald

    Bekijk de video: Wat is Nanotechnologie? Consumentenbond (September 2020).

    Pin
    Send
    Share
    Send