Czy nanotechnologie zmienią świat na lepsze? Paweł Szewczyk Politechnika Śląska

Agenda Wstęp: Pojęcia i definicje Właściwości w skali nano Szanse zastosowań Problemy rozwoju Wymiar społeczny Podsumowanie i wnioski

Wstęp: Pojęcia i definicje

Wstęp Definicje: Nanotechnologie definiowane są jako: ‘ projektowanie, charakterystyka, produkcja i zastosowanie struktur, urządzeń i systemów poprzez kontrolowanie kształtu i wielkości w skali nanometrycznej – od 1 nm do 100 nm.’

Wstęp, 2 Przedział wielkości 1 – 100 nm jest umowny. Nanoskala odnosi się w zasadzie do rozmiarów, przy których podstawowe właściwości materiałów są związane zarówno z wielkością powierzchni jak i z efektami kwantowymi, które mogą wpływać na właściwości fizyczne, optyczne, elektryczne i magnetyczne.

Wstęp, 3 Obecnie nanotechnologie to w większości chemia Dla większości osób nanotechnologia utożsamiana jest z gotowym produktem zawierającym nanomateriały

Skale wielkości

Plan wystąpienia

proton ma masę = 1.673 · 10−24 g

Elektrony na orbicie - 299,339 km /sec

Film – ruch elektronu na orbicie

Nanotechnologia

Właściwości w skali nano

Nanomateriały – główne cechy Zwiększona powierzchnia względna Efekty kwantowe Wzmocnienie właściwości: - reaktywność - wytrzymałość - charakterystyka elektryczna

Efekty nanoskali Nanosystemy mieszczą się w zakresie przejściowym między cząsteczkami /atomami, których nie można zobaczyć ze względu na ich znikome rozmiary, a materiałami w skali makroskopowej o poznanych właściwościach.

Efekty nanoskali, 2 Ogólnie wiadomo, że barwa i temperatura topnienia substancji nie zależą od ich masy czy wielkości cząstki: 1 gram czystego złota i 1 kilogram tej substancji mają tę samą barwę i ulegają stopnieniu przy tej samej temperaturze.

Efekty nanoskali, 3 W świecie nano jest inaczej. Wraz z malejącą wielkością cząstek temperatura topnienia substancji może się obniżać, zaś jej barwa może zależeć od wielkości cząstek.

Efekty nanoskali, 4 Cząstki złota o rozmiarach od 5 do 20 nm, występujące w postaci zawiesiny w cieczy, zmieniają barwę od fioletowej do czerwonej. Natomiast temperatura topnienia złota maleje wraz z rozdrobnieniem, jak przedstawiają to poniższe rysunki.

Nanomateriały - reaktywność Wzrost i reakcje katalityczne zachodzą na powierzchni Cząstki o średnicy 30nm mają 5% atomów na swojej powierzchni O średnicy 10nm – 20% O średnicy 3nm – 50%

Nanomateriały – efekty kwantowe Materiały w skali nano – dominują efekty kwantowe Efekty kwantowe wpływają na właściwości: - optyczne - elektryczne - magnetyczne Materiały występują w postaci - punktów kwantowych - laserów ze studnią kwantową

Melting Point of Gold Melting point - 1064 C Source: K.J. Klabunde, 2001

Lycurgus Cup - British Museum

Co już wiemy ... ? DIAMENT FULEREN C60 GRAFIT NANORURKA

Co już wiemy ... ?

Manipulowanie atomami Pracownicy koncernu IBM ułożyli logo firmy za pomocą 35 atomów ksenonu (Xe) na powierzchni monokryształu niklu (Ni), co zajęło im 22 godziny pracy przy temperaturze operacji -269 0C.

Obrazy z mikroskopu tunelowego Struktury pod mikroskopem tunelowym

„Zagroda kwantowa” (ang. „Quantum Corral”) Dona Eiglera, IBM „Zagroda kwantowa” (ang. „Quantum Corral”) Dona Eiglera, IBM. Fale wewnątrz zagrody odzwierciedlają prawdopodobieństwo napotkania elektronu.

Instrumenty – skaningowy mikroskop tunelowy

Nie tylko manipulacje… Końcówki SPM Scanning Probe Microscope J. Hafner et al, Nature 398, 761 (1999) Końcówki AFM duża smukłość odpowiednie zakończenie odporność

Obraz pojedynczych atomów uzyskany za pomocą układu pomiarowego STM (mikroskop tunelowy STM - scanning tunnelling microscope). Atomy są zilustrowane jako wysepki zaś w tle widoczne jest podłoże.

Szanse zastosowań

Ciekawostka/eksperyment

Problemy rozwoju

Problemy rozwoju technologii Rozwój nauki i technologii nie występuje w próżni społecznej (np. energia jądrowa, biotechnologia rolnicza, komórki macierzyste) Nanotechnologie, pojedynczo lub zbieżnie z innymi technologiami, mogą dostarczać rezultatów zarówno pożądanych jak i niepożądanych

Problemy rozwoju technologii , 2 Szeroka akceptacja nanotechnologii zależy od: - czynników technicznych i inwestycyjnych - wyboru konsumentów i szerszej zgody publicznej - decyzji politycznych i makro-ekonomicznych - ram prawnych i regulacji

Problemy rozwoju technologii , 3 Trudno określić jak, pod wpływem oddziaływań zmieniającego się społeczeństwa i wyłaniających się nowych kwestii społecznych i etycznych, będą się rozwijać nanotechnologie

Nanotechnologia – ocena oraz kontrola ryzyka Korzyści oczekiwane z nanotechnologii Potencjalne obszary niepewności: - ludzkie zdrowie - środowisko - ryzyko eksplozji Luki wiedzy – wymagane badania

Kwestie regulacji Podejście do regulacji Przykłady regulacji: - miejsce pracy - marketing i stosowanie chemikaliów - produkty konsumpcyjne

Miejsce pracy Miejsce pracy i laboratoria badawcze – główne miejsca narażenia na nanocząstki i nanorurki Istnieją regulacje odnośnie pracy z substancjami toksycznymi Potrzebne są przeglądy uregulowań w zakresie ich adekwatności dla nanomateriałów W UE – Komitet Naukowy ds. Pojawiającego się i nowo Zidentyfikowanego Ryzyka dla Zdrowia, SCENIHR; opinia SCENIHR /002/05 z dni 28-29 września 2005

Marketing i stosowanie chemikaliów Przemysł chemiczny – potencjalnie największy producent nanomateriałów W UE – rozróżnienie między substancjami istniejącymi na rynku (do września 1981), a nowymi (po tym terminie) 99% substancji chemicznych na rynku – substancje stare

Marketing i stosowanie chemikaliów, 2 Regulacje: - NONs – notyfikacja o nowych substancjach - REACH (rejestracja, ocena, dopuszczenie substancji do rynku) – system negocjowany z przemysłem chemicznym

Produkty konsumpcyjne - zawierające wolne nanocząstki - zawierające nanocząstki związane Produkty z wolnymi nanocząstkami (tlenki cynku, tytanu, żelaza): - kosmetyki, kosmetyki barwne - preparaty do skóry - preparaty do włosów

Produkty konsumpcyjne, 2 Kosmetyk może zawierać dowolną, dopuszczoną do stosowania substancję chemiczną pod warunkiem orzeczenia przez producenta o braku zagrożenia ze strony wytwarzanego produktu

Produkty konsumpcyjne, 3 Produkty z nanocząstkami związanymi – problemy końca życia produktu W UE wprowadzono zarządzanie produktami likwidowanymi jako odpowiedzialność producenta, np.: dyrektywa dotycząca odpadów i urządzeń elektrycznych i elektronicznych (WEEE) oraz dyrektywa dotycząca pojazdów na końcu ich życia (ELVs)

Produkty konsumpcyjne, 4 W UE w roku 2003 wprowadzono Zintegrowaną Politykę Produktową (IPP) – z intencją obciążenia producentów odpowiedzialnością za likwidowane produkty innych rodzajów, niż wymienione wcześniej

Wymiar społeczny

Wymiar społeczny nanotechnologii Komisja Europejska stwierdziła w Komunikacie „Towards a European Strategy for Nanotechnology” (2004), że postępowi technologicznemu musi towarzyszyć naukowa ocena możliwych niepożądanych efektów dla ludzkiego zdrowia, niesprawiedliwości społecznej lub ryzyka środowiskowego.

Wymiar społeczny nanotechnologii, 2 To tak zwane zintegrowane bezpieczne i odpowiedzialne podejście stało się podstawą polityki Unii Europejskiej w zakresie nanotechnologii.

Poprawianie człowieka Najbliższe zastosowania: - implanty ślimaka (słuch) - implanty siatkówki (wzrok) Niektóre grupy osób niepełnosprawnych protestują, gdyż nie wszyscy mogą skorzystać z poprawy swego stanu Szczególny rodzaj poprawiania to terapia genetyczna Dyskusje zahaczają o problemy sportowców

Gromadzenie informacji a swobody obywatelskie Rozwój małych i tanich czujników: -wspomoże bezpieczeństwo - wyposaży biznes w środki śledzenia ruchu materiałów i produktów oraz ludzi

Podsumowanie i wnioski

The Next Big Step Societal Impacts Time Computers Automobiles Railways Nanotechnology Computers Societal Impacts Automobiles Railways Steam Engines (Middle Ages) Time

Molecular Manufacturing Revolution Industrial Revolutions Accelerated Impacts Molecular Manufacturing Revolution Societal Impacts Industrial Revolutions Time

Wnioski, 1 Zwiększając zrozumienie tego, w jaki sposób materia zachowuje się w nanoskali i używając tej wiedzy zarówno do doskonalenia istniejących technologii jak i do tworzenia nowych, innowacyjnych technologii, rokuje nadzieje uzyskania znacznych korzyści ekonomicznych i społecznych.

Wnioski, 2 W świecie, w którym potrzeby rosnącej populacji grożą wyczerpaniem kurczących się zasobów oraz pojawiają się globalne wyzwania – od choroby do głodu, do energii odnawialnej, a które nie znalazły rozwiązań, innowacje technologiczne są elementem krytycznym, aby zapewnić zrównoważoną przyszłość

Wnioski, 3 Inwestowanie w badania i rozwój jest zaledwie pierwszym krokiem w zapewnianiu odpowiedzialnych, istotnych i zakończonych powodzeniem rozwiązań technologicznych

Wnioski, 4 Od pięćdziesięciu lat z rosnącą pewnością można pracować z materią na poziomie atomów i cząsteczek, co zapewniło osiąganie wspaniałych postępów technologicznych Dzisiejsza nauka w nanoskali stwarza obietnice niewiarygodnych skoków do przodu w kolejnych dziesięcioleciach

Wnioski, 5 Nanotechnologia jest tylko jedną z platform technologicznych, zaś innowacje technologiczne, które prowadzą do nowych produktów i procesów zwykle pojawiają się na styku różnych platform

Wnioski, 6 Inne pojawiające się platformy technologiczne to platformy: - biologii syntetycznej, - technologii poznania, - robotyki, - chemii obliczeniowej, - technologii informacyjnej, - sztucznej inteligencji i - interfejsu biologia/dane biologiczne

Wnioski, 7 Szerokie problemy komercjalizacji, bezpieczeństwa, wpływu na środowisko, korzyści i społecznej akceptacji muszą być rozpatrywane w kontekście pojawiających się technologii, a nie z perspektywy tylko jednej z nich

Wnioski, 8 Jest to jedyny sposób rozwiązania rosnących i komplikujących się problemów odnoszących się do zastosowań nanotechnologii i konsekwencji jej wdrażania w długiej perspektywie czasu

Agenda Wstęp: Pojęcia i definicje Właściwości w skali nano Szanse zastosowań Problemy rozwoju Wymiar społeczny Podsumowanie i wnioski