Věda       Akademon       Vesmír       Osel       AVO       Fyzikální ústav AVČR TOPlist
Laboratorní průvodce - na titulní stranu
Užitečné pomůcky:   Tabulky        Encyklopedie        Nástroje 
Katalog dodavatelů:   Rubriky        Firmy        Zastoupení        Laboratorní přístroje 
Ostatní:       Titulní strana        Zajímavé odkazy        O nás        E-obchody 
Nástěnka : Chlazené laboratorní inkubátory LBT 168, www.volny.cz/ats-cz, Předváděcí přístroje z...
Kalendář : 26.9.17 - 28.9.17: Powtech 2017, Norimberk, Německo, Basic processing...
Reklama
Víte co znamená nano?

Nanotechnologie, nanozobrazení, nanolitografie, nanovlákna... zde všude se setkáte s pojmem nano-. Co si pod tím pojmem ale reálně představujete? Jaký má vztah k ostatním veličinám a k ostatním oborům? Pojďme se na to podívat blíže.

Datum: 30.11.2015

nanotechnologie, nanometrie, mikroskopie, litografie


 

Sdílet na Facebooku   Odeslat na Twitter

Nano je předpona soustavy SI a v řečtině znamená trpaslík. Pod pojmem nano- si většinou představujeme délkové rozměry (nikoliv třeba nanovolt jako u napětí apod.). Nanometr je miliardtina metru, tedy 10-9 m. Místo vyvýšeného exponentu můžeme v textu použít také zápis 10E-9 m, vyjde to na stejno. Jde o milióntinu milimetru. Je to už pěkně malý rozměr. Sluší se připomenout, že v anglicky mluvících zemích pojem miliardtina neznají a místo toho používají pojem billionth (bilióntina), což vede k řadě nedorozumění. Naše bilióntina znamená něco jiného. Podrobněji viz náš článek Miliarda nebo bilión?.
Předpona nano je oblíbenou předponou v posledních dekádách let, protože tehdy se již fyzika a chemie dostaly na takovou úroveň, že dokázaly vytvářet a zobrazovat struktury o těchto rozměrech. Předpona nano znamená všechno, co je menší než mikrometr (milióntina metru) a vyjadřujeme ji tedy již v nanometrech. Uvědomme si ale, že rozsah nanometrů je tisíc - vše od 999 nanometrů až po 1 nanometr a to už je velký rozdíl. Kdybychom to aplikovali třeba na metry, tak by byl velký rozdíl od toho, kdybychom sousedův dům měli vzdálený 1 metr nebo 999 metrů. Takže vždy pečlivě zkoumejme, o kolik nanometrů se jedná. Pro 500 nm již musíme použít zcela jiné technologie, než pro rozlišení 1 nm. V reálné praxi se ale pod pojmem nano rozumí nejvíce technologie, které spadají do oblasti rozměrů 1-100 nm (zhruba tisícina tloušťky lidského vlasu). Při těchto minimálních rozměrech se již začínají projevovat některé kvantové vlastnosti, které v reálném světě neznáme a proto je nanověda specifickým vědním oborem.

Ukažme si několik příkladů pro porovnání:
Vlnová délka žlutého světla je 580 nm
Vlnová délka běžného (slunečního) UV (ultrafialového) záření je 350 nm
Vlnová délka "hlubokého" UV záření (generováno lasery) je cca 10 nm
Rozměry objektů vytvářených elektronovou litografií je méně než 10 nm (i méně než 1 nm)
Vlnová délka elektronů v elektronovém mikroskopu je cca 1 nm
Rentgenové záření (X-rays) má široký rozsah od 10 nm až po 1 pm (tisícinu nanometru)

Délka průměrné DNA sekvence se velmi liší, ale jsou to tisíce nm (třeba 150 mikrometrů), průměr (šířka) molekuly je cca 10 nm
Velikost proteinů (bílkovin) je velice různorodá, ale dá se říct, že to je minimálně 100 nm
Tloušťka grafenové (uhlíkové) vrstvy je asi 10 nm
Průměr atomu helia je cca 0,5 nm

Jaké technologie používáme pro zobrazování:
Z příkladu vlnové délky žlutého světla je vidět, že světlo k zobrazování použít nemůžeme. Musíme mít něco, co má vlnovou délku kratší, než rozlišení, které požadujeme. Takových záření je, jak vidno více.

Nejjednodušší je použít UV záření. UV záření se dělí na mnoho druhů podle vlnové délky (měkké, tvrdé, hluboké...). UV záření nejčastěji generujeme ve výbojkách či laserech. K zobrazení odraženého UV záření používáme speciálních kamer nebo CCD prvků. Rozlišení je přibližně 10 nm.

Další metodou zobrazení je použití rentgenova záření. Generujeme je ve výbojkách - rentgenkách. Rentgenek je hodně druhů podle generovaného záření (plněné plynem, bez plynu, anodové, katodové...). Rentgenovo záření je zcela specifické a jeho chování se liší od běžného světla. Nemůžeme již používat zrcadla, čočky apod. K zobrazení procházejícího rentgenova záření používáme fluorescenční stínítko, které pak snímáme vhodnou kamerou či CCD prvkem. Rozlišení je přibližně 1 nm.

Atomic force microscopy (AFM - mikroskopie atomárních sil). Nazývá se někdy také SFM (scanning force microscopy). Principem je pohyb ostrého hrotu nad vzorkem a postupně se tak skenuje (řádek po řádku) povrch vzorku. Existují kontaktní i bezkontaktní varianty. AFM dokáže zobrazit povrch vzorku s rozlišením až 1 nm.

Scanning Tunneling Microscope (STM - scanovací tunelovací mikroskop). Jeho scanovací princip je v zásadě podobný jako u ATM, pouze se hrot nepohybuje mechanicky po povrchu, ale je kousek nad povrchem a měří se elektrický proud, který projde mezi hrotem a vzorkem. Rozlišení je také přibližně 1 nm.

Transmission electron microscopy (TEM - transmisní elektronový mikroskop). V principu jde o stejné zařízení jako klasický mikroskop, zde ale paprsek elektronů prochází skrze tenký vzorek. Získáváme tak přímý obraz vzorku, kde procházející elektrony se zobrazují na vhodném fluorescenčním stínítku. Toto stínítko je pak přímo snímáno kamerou nebo CCD prvkem. Rozlišení je také přibližně 1 nm.

Photoemission Electron microscopy (PEEM, také nazýváno photoelectron microscopy, PEM). Jde o získávání obrazu z elektronů generovaných povrchem vzorku po ozáření UV zářením nebo rentgenovým zářením. Snímání elektronů je podobné jako u TEM. Rozlišení je přibližně 10 nm.

Difrakční mikroskopie. Difrakční mikroskopie se používá především u pravidelně uspořádaných vzorků (krystaly), které po průchodu vhodného záření vytvoří na stínítku difrakční obrazec (různě uspořádané tečky či kroužky). Z tvaru difrakčního obrazce pak lze vypočítat velikosti a vzdálenosti jednotlivých elementů (molekul, atomů) ve vzorku. Rozlišení je vysoké - méně než 1 nm.

Kdybychom zde chtěli popsat všechny dostupné metody, nevešly by se nám na několik stránek. Pro zájemce doporučujeme stránku na Wikipedii.


Jaké technologie používáme pro manipulaci:
Nejběžnější jsou litografické metody. Tedy metody, kdy je vzorek pokryt nějakým citlivým materiálem a pak ozářen (svazkem elektronů, UV zářením apod.). Ozářená místa změní svoji strukturu a dají se omýt rozpouštědlem. Této techniky se běžně používá např. k výrobě masek pro výrobu mikroelektronických součástek.

Depozitní metody. Tedy metody, kdy je na vzorek nanášen příslušný materiál přímo pomocí ostrého hrotu (používá se diamantová špička). Tyto metody mají vysoké rozlišení, ale používají se jen v laboratorním výzkumu.

Molecular beam epitaxy (MBE). V této metodě je proud molekul ve skupenství páry nanášen na příslušný substrát. Je to však poměrně exotická metoda a používá se jen ve speciálních případech.

Využití:
Nanotechnologie nacházejí využití prakticky ve všech oblastech života. Od běžných záležitostí jak nové textilní tkaniny, nátěry, inkousty do barevných tiskáren apod. až po hlavní využití v nanoelektronice a medicíně. Elektronika se svými rozměry již blíží k nano-oblasti a nejde jen o samotné elektronické obvody, ale i o záznamová média a o dlouho diskutovaný obor kvantové elektroniky. V oblasti medicíny jde především o metody distribuce léčiv v organismu (průchod přes buněčné stěny, membrány), o navázání aktivních substancí na cílová místa a o různé metody tvorby nových tkání (např. narůstání buněk kostní dřeně na nano-skeletu apod.).

V současné době jsou na výsluní zájmu některé specifické molekuly, které spadají do oblasti 1-100 nm. Jsou to především lipozomy (malé tukové kuličky), fullereny (molekuly uhlíku uspořádané do šestiúhelníků a takto sbalené do kuličky (60 atomů), mohou uvnitř obsahovat nějakou jinou molekulu, jsou velmi odolné, nazývají se také bucky-ball po svém objeviteli), uhlíková nanovlákna (molekuly uhlíku uspořádané do šestiúhelníků a tvořící válec, který je velmi odolný) a grafen (molekuly uhlíku uspořádané do šestiúhelníků a tvořící rovinnou plochu, která je velmi odolná).
Kromě sbaleného uhlíku se intenzívně zkoumají různé proteiny (bílkoviny), které jsou specifické pro svoji reaktivitu k různým částem hmoty živých organismů. Smyslem je obvykle dopravit léčivo do cílového místa a tam jej pozvolna uvolňovat.


Rizika:
Nanotechnologie přinášejí nová a nečekaná rizika, která nejsou vůbec prozkoumána. Nanočástice mají své specifické chování vůči živým organismům a často nejsou biologicky odbourávatelné. V nano-oblasti se používají různé exotické materiály (oxid titaničitý, rubidium, selen aj.), které jsou třeba ještě zabaleny do nějakého inertního materiálu. Tím se může stát, že se hromadí v živých organismech, nejsou odbourávatelné a mohou působit třeba karcinogenně. I běžný prvek jako uhlík může být nebezpečný v nějakých svých formách jako nanotyčinek či grafenových pláství. Vždyť i diamant jako forma uhlíku není biologicky kompatibilní. Zde si ještě počkáme na reálné výsledky pozorování, ale dopředu je možno říci, že je zapotřebí opatrnosti a před uvedením nějakého produktu na trh by bylo vhodné provést testy na jeho bio-kompatibilitu.


Autor: RNDr. Mojmír Adamec, Laboratorní průvodce
Hledání:
 
(fulltextové vyhledávání na stránkách tohoto serveru)

Reklama

Reklama