Nanotechnologie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie

Ga naar: navigatie, zoeken

Nanotechnologie is de techniek die het mogelijk moet maken te werken met deeltjes in de orde van grootte van een aantal nanometers (een nanometer is een miljardste meter). Dit is een schaal van grootte die net boven die van atomen (0.060 nm tot 0.275 nm) en eenvoudige moleculen ligt.

Inhoud

[bewerken] Algemeen

De term werd bekend door de publicatie van Eric Drexlers boek The Engines of Creation: The coming era of nanotechnology uit 1986 dat voor het eerst dieper op de problemen en mogelijkheden inging. Dexlers introduceerde de moleculaire nanotechnologie en is voorstander van een techniek om nanoapparaten te bouwen vanuit atomaire bouwstenen door deze mechanisch in de gewenste volgorde te plaatsen. Het basisidee achter nanotechnologie is dus dat het mogelijk moet zijn, als de chemische samenstelling en het driedimensionale bouwplan van een stof bekend is, deze stof te maken door de juiste bouwstenen op de goede plaats samen te voegen.

De term "nanotechnologie" werd reeds in 1974 gedefinieerd door Professor Norio Taniguchiwas van de Tokyo Science University in een proefschrift (N. Taniguchi, "On the Basic Concept of 'Nano-Technology'," Proc. Intl. Conf. Prod. London, Part II, British Society of Precision Engineering, 1974.) op volgende wijze: "'Nano-technology' mainly consists of the processing of, separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or by one molecule." Het betreft dus het manipuleren van materie in het gebied tussen 0,1 en 100 nanometer vanuit voorwerpen van een grotere schaal. Er zijn dus twee benaderingen: van beneden uit (uit het atomaire bereik) en van bovenaf (uit het micronbereik).

Inmiddels is nanotechnologie verworden tot een modewoord, met verschillende betekenissen en toepassingen. Nano is moeilijk precies te definiëren, het heeft namelijk geen betrekking op een eigenschap, maar op een afmeting. Bovendien zijn er heel veel, soms regelrecht buitenissige voorspellingen, beloften en zelfs beweringen over gemaakte vorderingen gedaan, waardoor het hele gebied dreigt in diskrediet te komen. De wens om geld voor onderzoek los te krijgen met behulp van het magische n-woord is er de oorzaak van dat het koren dreigt in het kaf te verdrinken. Toch zijn er zeker belangwekkende ontwikkelingen en resultaten.

[bewerken] Historie

[bewerken] Wat er al was

In feite is er al lang voor de uitvinding van de term aan het manipuleren van structuren in het nanometerbereik gedaan. Al in de negentiende eeuw kende men solen van goud die uit een suspensie van gouddeeltjes van deze grootte in water bestaan. Er bestond ook al een naam voor dit soort onderzoek: colloïdenchemie. Nu noemt men deze deeltjes goudnanopartikeltjes en is er zelfs een 'chemisch symbool' voor: AuNP (dat dus niet voor een goudstikstoffosfide staat).

Ook polymeren kunnen vaak bogen op een structuur in het nanobereik. Semikristallijne polymeren hebben vaak lamellaire kristallieten met een dikte of twee soorten domeinen in dit groottebereik en het is deze fijnstructuur die grotendeels voor de begeerde eigenschappen verantwoordelijk is. Ook voor biopolymeren geldt iets dergelijks: eiwit moleculen zijn ook voorwerpen in dit schaalbereik.

Andere materialen zoals metalen of zouten zijn in dit schaalbereik vaak vrij saai en er zijn thermodynamische redenen waarom materialen meestal evolueren naar een toestand van homogeniteit op een grotere schaal (micro- of millimeters). In het algemeen kan men zeggen dat er een mechanisme moet bestaan die deze neiging tot 'klontering' tot grotere eenheden blokkeert. Anders kunnen nanostructuren niet stabiel zijn.

In zekere zin kunnen we eiwitmoleculen die bijvoorbeeld als katalysator optreden (enzymen) als een soort heel klein machientje beschouwen en de gedachte ligt voor de hand dat dit soort machientjes ook kunstmatig gemaakt zouden kunnen worden.

Dit idee werd al in 1959 geuit door de Amerikaanse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman in zijn lezing There's plenty of room at the bottom. Met een geschikte "nanomachine" is het in theorie mogelijk om losse atomen of moleculen op een rij of in een bepaald patroon te plaatsen.

[bewerken] De aftasttechnieken op basis van piëzoëlektrische elementen

Het idee om individuele atomen te kunnen verplaatsen kwam vooral voort uit de ontwikkeling van microscopische technieken waarbij een oppervlak wordt afgetast met een fijne naald zoals AFM en STM. Deze technieken danken hun bestaan aan de mogelijkheid bewegingen elektronisch op te leggen met een precisie van kleiner dan een atoom. Uiteraard is een computer daarbij onontbeerlijk. Het is hiermee mogelijk geworden atomen vrij direct 'zichtbaar' te maken en zelfs het oppervlak op atomaire schaal te 'beschrijven'

Met behulp van Scanning Tunneling Microscopy (STM) kunnen atomen en moleculen worden bestudeerd. Dit berust op het kwantummechanisch tunnelen van elektronen. Voordeel van deze techniek is de extreem hoge resolutie. Het nadeel is dat er geleidende monsters gebruikt moeten worden. Oplossing hiervoor is een Atomic Force Microscope (AFM). Hierbij betast een AFM tip het monster. De tip zit vast aan een cantilever, waarvan de doorbuiging gemeten wordt met een laser.

Afzonderlijke goudatomen zichtbaar gemaakt met een STM

Onderzoekers slaagden er in 1990 in, met behulp van STM, een aantal xenonatomen zodanig op een nikkelkristal te schikken dat ze samen de letters IBM vormden - het bedrijf waar de onderzoekers werkten.

Nanotechnologie begeeft zich daarmee op het snijvlak van natuurkunde en scheikunde en men streeft naar een samensmelting van scheikunde, biologie en techniek.

Aanvankelijk (1988 tot 2000) dacht men dat de beste aanpak om tot een werkende nanomachine te komen een mechanistische benadering zou zijn. De onderzoekers probeerden onderdelen uit de machinetechniek te maken zoals stangen, tandwielen en motortjes op nano-schaal. Met deze basisonderdelen zouden dan steeds ingewikkeldere constructies gemaakt worden.

Recent (2004) zoekt men het steeds meer in de biologische natuur. De onderzoekers kijken nu hoe in de celstructuur van levende wezens en eencelligen de gang van zaken geregeld is en proberen deze technieken na te maken in eigen constructies.

In 2006 werd op dit vlak een doorbraak gerealiseerd door MIT-wetenschappers Paula Hammond, Yet-Ming Chiang en Belcher. Door genetische manipulatie wisten ze een virus genetisch te moduleren zodat dit virus door elektrisch geleidende moleculen uit z'n omgeving te gebruiken zichzelf wist om te bouwen tot een lithium-ion batterij. Zo is nano-technologie geëvolueerd tot een uitzonderlijk middel om materialen, systemen, gebruiksvoorwerpen in bijna alle denkbare sectoren (farmaceutica, burgerlijke bouwkunde, agro-bio, foodprocessing, ziekenzorg, automobielsector, transport, micro-elektronica ...) te verbeteren op zowat alle vlakken: duurzaamheid, gewicht, reinheid.

[bewerken] Toepassingen

[bewerken] Medische techniek

Een veelbelovend toepassingsgebied is de medische industrie want op moleculair niveau is de levende cel ook opgebouwd als een (zeer ingewikkelde) machine.

Het onderzoek spitst zich vooral toe op het gericht bezorgen van medicatie op die plekken in het lichaam waar deze het meest werkzaam is, in plaats van medicatie maar min of meer lukraak in het lichaam te brengen. Men zoekt daarvoor naar vectoren, nanostructuren die als voertuig kunnen dienen. Zo kan bijvoorbeeld AuNP, voorzien van een biochemische schutlaag, de cel en zelfs de kern ervan binnengesmokkeld worden. Ook uit een andere hoek van de colloïden zijn veelbelovende vorderingen te melden. Het is al lang bekend dat met zeepachtige moleculen (amfifiele moleculen) een soort blaasjes of zakjes (micellen) te maken zijn in het nanobereik. In zekere zin is de celmembraan van een levende cel een vergelijkbare structuur. Er is veel onderzoek naar het gebruik van dit soort structuren als een soort verpakking rond de moleculen van het medicijn.

[bewerken] Materiaaltechniek

Men vermoedt een verdere praktische toepassing te vinden in de verdere miniaturisering van de elektronische chiptechnologie omdat de huidige fotolithografische technieken hun natuurkundige grenzen benaderen. Verder vindt nanotechnologie ook zijn weg in tal van nieuwe materialen zoals coatings en vezels.

Voorbeelden van nanomaterialen zoals fullereen ofwel Buckyballs gebaseerd op koolstofatomen

Nanotechnologie zou in de toekomst ook een 150.000 keer zo'n grote geheugencapaciteit op de Ipods kunnen opleveren, door gebruik te maken van moleculaire schakelingen en op koolstof gebaseerde chips.[1]

Koolstofvezels zijn waarschijnlijk één van de best gekende composietmaterialen. Door de koolstofbuisjes op nanoschaal te gaan produceren is men er o.a. in geslaagd om een filtersysteem te ontwikkelen voor drinkwaterzuivering waarbij men er, zonder chemicaliën te gebruiken, in slaagt om water te zuiveren van chemische vervuiling, organisch afval, proteïnen, DNA en zoverder.

[bewerken] Fotovoltaïsche cellen

Op het vlak van zonnecellen en energieopslag wordt gewerkt aan technologie op dit schaalbereik. Cellen die uit meerdere lagen bestaan (met een dikte in de orde van nanometers) ieder met hun eigen bandgap hebben de hoogste rendementen en het is ook mogelijk cellen uiterst dun te maken zodat ze in de vorm van een folie toegepast kunnen worden. Deze ontwikkelingen zijn veelbelovend omdat zij de toepassing van de technologie goedkoper kunnen maken

[bewerken] Foto(elektro)chemie

Sedert 2004 commercialiseren een aantal fabrikanten in verschillende hoeken van de wereld vrij eenvoudige systemen en producten die stilaan inburgering vinden in ons dagelijks leven. Zo heeft een Amerikaanse spin-off van een aantal universiteiten een serie nano-gemodificeerde coatings gelanceerd. Deze 'verven' op acrylaat basis tonen uitzonderlijke eigenschappen op het vlak van corrosie bescherming, het voorkomen en behandelen van fungi (mos, algen, schimmels ...) én thermische isolatie. Deze coating heeft vrij snel wereldwijd toepassing gevonden als oplossing voor het CUI-fenomeen (condensatie onder isolatie), voornamelijk in HVAC-conductors, pijpleidingen, tankisolatie maar ook in privé-woningen. Het blijkt inderdaad dat met de nanotechnologie ultra dunne coatings met uitzonderlijke thermisch-isolerende eigenschappen kunnen worden gerealiseerd.

In Azië (China, Taiwan) hebben een aantal producenten vloeistoffen en coatingsystemen ontwikkeld op TiO2 (titaniumdioxide)- basis met partikels in de nanometrische schaal. Deze TiO2 deklagen hebben uitzonderlijke eigenschappen op het vlak van hydrofobie, UV- bescherming en vervuiling. Door hun fotokatalytische eigenschappen zijn ze zelfreinigend en luchtzuiverend. De omgevingslucht die in aanraking komt met aldus behandelde oppervlakken (ruiten, voertuigen, wanden, straten ...) wordt gezuiverd van fijn stof, roet, bacteriën (denk aan MRSA), schimmels. Door opslag van UV in de coating worden de moleculen die met de TiO2 coating in aanraking komen door ionisatie ontbonden en omgezet in onschadelijke stoffen. Op dit moment lopen testen in Groot-Brittannië met coatings op de stoepen van straten en op de banken van de Londense taxi's om de lucht schoner en gezonder te maken.

Dit type coatings, eventueel in combinatie met ultra dunne SiO2 coatings worden reeds op productie-niveau toegepast op vlak glas en autoruiten. Ze zijn echter eveneens verkrijgbaar, zowel de isolerende hydro-NM-oxide-coatings als de TiO2 reinigingsvloeistoffen en coatings voor particulier- en professioneel gebruik op de consumentenmarkt. Van de TiO2 coatings wordt verwacht dat ze in belangrijke mate oplossingen gaan bieden ter bestrijding van fijn stof en organische vervuiling. Berch, een marktleider in verven (USA) die zich vooral oriënteert op de particuliere markt heeft sedert eind 2006 enkele producten gelanceerd die nano-technologisch verbeterd zijn.

[bewerken] Kritiek

Aan het einde van de vorige eeuw werd nanotechnologie bij een groter publiek bekend. In het tijdschrift Wired verscheen in April 2000 een artikel van Bill Joy „Why the future doesn’t need us“. Hij is de "Chief Scientist" (chef wetenschap) bij Sun Microsystems. In het artikel wordt gewezen op de grote onzekerheden en onbekenden bij de nieuwe technieken nanotechnologie, gentechnologie en robot technologie. Sindsdien zijn door wetenschappelijke instituten en NGO's vele studies en essays gepubliceerd met verschillende zienswijzen op de mogelijke gevolgen van nanotechnologie.

Vanuit Canada riep het wetenschappers verband ETC Group in 2003 op tot een moratorium op nanotechnologie vanwege de bevreesde, niet te overziene risico's. In juli 2004 riepen de Royal Society en de Royal Academy of Engineering op tot een strikte regulering. Hun publicatie was geschreven in opdracht van de Britse regering. Volgens studies van het Center for Biological and Environmental Nanotechnology (CBEN) en de Rice University kunnen nanopartikelen zich in de voedselketen ophopen in organismen. De auteurs geven aan, dat dit weliswaar niet noodzakelijkerwijs schadelijk hoeft te zijn, maar dat men anderzijds in het verleden bij andere technologieën vaak te snel gedacht heeft dat deze onschadelijk zijn.

Roger Kasperson, risico onderzoeker en directeur van het Environment Instituut in Stockholm ziet parallelen tussen de debatten rondom nanotechnologie en die aan het begin van het atoomtijdperk.

[bewerken] Risico's en gevaren

  • In 2004 verscheen het rapport "Nanotechnologie. Kleine Teile - grosse Zukunft" van de herverzekeraar Swiss Re. Daarin wordt de vrees geuit dat nanotubes soortgelijke uitwerkingen op de gezondheid kunnen hebben als asbestvezels. Verzekeraars wordt aangeraden terughoudend te zijn bij het verzekeren van de risico's van nanotechnologie en om de verzekeringsbranche te beschermen een maximaal te vergoeden schade vast te stellen.[2]
  • Juni 2005 publiceerde de Allianz Versicherungs-AG een studie waarin opgeroepen wordt tot longitudinaal onderzoek en internationale standaards om schade voor de gezondheid en de economie te vermijden en in te schatten.[3]
  • In maart 2006 werden twee schoonmaakmiddelen in sproeivorm van de markt genomen nadat gebruikers deels ernstige gezondheidsproblemen hadden gekregen. Een van de producten bleek overigens bij nader inzien geen nanodeeltjes te bevatten, het woord "nano" was in de productnaam gebruikt om de flinterdunne restfilm van het product aan te duiden die achterblijft op het te reinigen oppervlak.
  • Op 8 april 2006 verscheen in de Washington Post een artikel met de titel „Nanotech Raises Worker-Safety Questions“[4], waarin gesteld wordt dat uit in-vitro- en dierexperimenten blijkt dat nanodeeltjes veel giftiger kunnen zijn dan grotere deeltjes uit dezelfde stof. Geklaagd wordt dat de regeringsadviseurs niet weten hoe en wat ze moeten onderzoeken, terwijl in de industrie ongeremd en zonder veiligheidsvoorschriften verder gewerkt wordt.
  • Op de jaarlijkse bijeenkomst van de „American Association for Cancer Research“ in April 2007 werd een onderzoek van de University of Massachusetts gepresenteerd dat laat zien dat nanodeeltjes in lichaamscellen het DNA kunnen beschadigen en kanker kunnen veroorzaken. De onderzoekers bevelen grootste voorzichtigheid aan bij de productie van nanodeeltjes en maatregelen om te voorkomen dat deze ongecontroleerd in het milieu kunnen geraken.
  • Een artikel van onderzoekers van de universiteit van Wageningen en de EMPA (de "zwitserse TNO": Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt) veronderstelt op basis van modellen en literatuuronderzoek, dat de concentratie van kunstmatige koolstof-nanodeeltjes verwaarloosbaar zal zijn ten opzichte van de in de natuur voorkomende koolstof-nanodeeltjes (roet) in sedimenten. Zij schatten het gevaar van dit soort deeltjes vooralsnog als gering in. [5]

[bewerken] Referenties

  1. ↑ Nanotechnology paves way for super iPods
  2. ↑ Swiss Re (Hrsg.): Nanotechnologie. Kleine Teile - grosse Zukunft?. Zürich 2004
  3. ↑ Allianz Versicherungs-AG (Hrsg.): Allianz veröffentlicht Studie zur Nanotechnologie. München, 3. Juni 2005
  4. ↑ Nanotech Raises Worker-Safety Questions. washingtonpost.com, 8. April 2006
  5. ↑ http://www.ito.ethz.ch/people/nowack/pdf/Koelmans.pdf

[bewerken] Meer informatie

[bewerken] Engelstalig

  • Nano's Big Future by Jennifer Kahn, from National Geographic, June 2006. [1]
  • Geoffrey Hunt and Michael Mehta (2006), Nanotechnology: Risk, Ethics and Law. London: Earthscan Books.
  • Hari Singh Nalwa (2004), Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-001-2
  • Michael Rieth and Wolfram Schommers (2006), Handbook of Theoretical and Computational Nanotechnology (10-Volume Set), American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-042-X
  • Yuliang Zhao and Hari Singh Nalwa (2007), Nanotoxicology, American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-088-8
  • Hari Singh Nalwa and Thomas Webster (2007), Cancer Nanotechnology, American Scientific Publishers. ISBN 1-58883-071-3
  • David M. Berube 2006. Nano-hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz. Prometheus Books. ISBN 1-59102-351-3
  • Jones, Richard A. L., Soft Machines. Oxford University Press, Oxford, United Kingdom. ISBN 0-19-852855-8, 2004
  • Akhlesh Lakhtakia (ed), The Handbook of Nanotechnology. Nanometer Structures: Theory, Modeling, and Simulation. SPIE Press, Bellingham, WA, USA. ISBN 0-8194-5186-X, 2004
  • Fei Wang & Akhlesh Lakhtakia (eds), Selected Papers on Nanotechnology -- Theory & Modeling (Milestone Volume 182). SPIE Press, Bellingham, WA, USA. ISBN 0-8194-6354-X, 2006

[bewerken] Franstalig

  • Mark R. Wiesner and Jean-Yves Bottero (2007), Environmental Nanotechnology : Applications and Impacts of Nanomaterials, Mc Graw Hill, New York, ISBN 978-0-07-147750-5
  • Dominique Luzeaux et Thierry Puig (2007), À la conquête du nanomonde. Nanotechnologies et microsystèmes, Éditions du Félin. ISBN 978-2-86645-643-6
  • "Le risque inouï des nanotechnologies", par Jean-Pierre Dupuy, polytechnicien, ingénieur du corps des Mines et professeur à Stanford, L'Écologiste nº10, juin 2003, p. 70-72 L'un des articles clefs du premier dossier critique de la presse française sur les nanotechnologies.
  • Jean-Baptiste Waldner (2006), Nano-informatique et Intelligence Ambiante, Hermes Science, London, ISBN 2-7462-1516-0
  • Kurzweil, Ray. (2006), Promise and Peril - The Deeply Intertwined Poles of 21st Century Technology, Communications of the ACM, Vol. 44, Issue 3, pp. 88–91.
  • Mark Ratner, Daniel Ratner (2003), Nanotechnologies - La révolution de demain, ISBN 2-7440-1604-7
  • Michel Wautelet (2003), Les nanotechnologies, ISBN 2-10-007954-9
  • Jean-Louis Pautrat (2002), conseiller en communication de Minatec, Demain le nanomonde : Voyage au cœur du minuscule, ISBN 2-213-61336-2
  • Eric Drexler (1986), Engins de création, ISBN 2-7117-4853-7
  • N. Taniguchi (1974), On the Basic Concept of 'Nano-Technology', Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering

[bewerken] Duitstalig

[bewerken] Externe links

 
Persoonlijke instellingen
Boek maken