„Nano” daje świeże odpowiedzi na wyzwania inżynierskie
Z każdym mijającym tygodniem nadchodzą nowe wieści o produkcie lub procesie, który zmienił się dzięki nanotechnologii. Współzawodnicząc w dziedzinie, w której wszystkie produkty mają zwykle rozmiary poniżej 100 nm (nanometr jest jedną miliardową częścią metra), badacze opracowują nowe materiały i urządzenia o właściwościach znacznie przewyższających wszystko aktualnie dostępne na rynku.
Tempo rozwoju tej dziedziny zostaje przyspieszone, w miarę jak firmy, spółki i rządy inwestują coraz więcej pieniędzy w projekty związane z nanotechnologią. W ubiegłym roku rząd federalny USA wydał miliard dolarów na nanotechnologię, a administracje stanowe około 400 mln USD. Jak podaje nowojorska firma Lux Research, wyspecjalizowana w zagadnieniach nanotechnologii, stanowi to największą dziedzinę inicjatyw naukowych finansowaną z funduszy publicznych od czasu rozpoczęcia wyścigu o podbój kosmosu. – Biotechnologia przyczyniła się do stworzenia ponad 400 tysięcy miejsc pracy od roku 1979 do 1999 – twierdzi dyrektor zarządzający Lux Research, Mark Modzelewski. – Nanotechnologia daje możliwości znacznie większego wpływu na gospodarkę, ponieważ nie dotyczy wyłącznie produktów pochodzenia biologicznego, ale wszystkich wytwarzanych produktów.
– Stany Zjednoczone przodują w dziedzinie nanotechnologii, ale inne kraje także się zaangażowały, by zmniejszyć tę przepaść.
– dodaje Sean Murdoch, wiceprezes zarządzający firmą NanoBusiness Alliance.
Patentowa gorączka złota
Firmy, od małych i dopiero zaczynających działalność po globalnych gigantów, zalały Amerykańskie Biuro Patentowe i Znaków Towarowych zgłoszeniami dotyczącymi nanotechnologii. Lux informuje, że do marca ubiegłego roku wydano 3818 amerykańskich patentów z dziedziny nanotechnologii, podczas gdy kolejnych 1800 patentów oczekiwało na werdykt.
Firma Carbon Nanotechnologies, Inc. z siedzibą w Houston zgromadziła 100 patentów lub zgłoszeń patentowych. Większość odnosi się do badań nad nanorurkami prowadzonych przez dwadzieścia lat na „Nano” daje świeże odpowiedzi na wyzwania inżynierskie Uniwersytecie Rice przez prezesa firmy Richarda Smalleya. Laureat Nagrody Nobla, Smalley, utorował drogę do wielu możliwych zastosowań nanorurek węglowych, czyli porowatych, molekularnych struktur tworzących bloki, z których zbudowana jest większość produktów nanotechnologii.
Nawet rurki o małych średnicach, rzędu 1-3 nm, znakomicie przewodzą prąd elektryczny i ciepło, a ich wytrzymałość na rozciąganie jest sto razy wyższa niż stali, przy gęstości równej około jednej szóstej gęstości stali. Takie właściwości sugerują ogromną liczbę potencjalnych zastosowań, takich jak: materiały kompozytowe, wysokowytrzymałe włókna, ogniwa paliwowe, płaskie wyświetlacze, a także procesy, w których nanorurki dodaje się do metali lub stosuje je w charakterze katalizatorów.
Do projektów realizowanych przez Carbon Nanotechnologies należy warte 3,96 mln USD zamówienie z Biura Badawczego Marynarki, które dotyczy wytrzymałych, nowych uszczelnień, szczeliw i uszczelek dla samolotów wojskowych. Korzyść z zastosowania nanotechnologii to obniżenie masy i zmniejszenie kosztów obsługi.
– Naszym największym wyzwaniem nie jest przekonanie klientów o korzyściach płynących z zastosowania tej technologii, ale zwiększenie skali produkcji materiałów do wystarczającego poziomu – mówi Thomas Pitstick, dyrektor ds. rozwoju Carbon Nanotechnologies.
Od piłek golfowych do pokrycia rur
NanoDynamics z Buffalo, kolejna firma działająca w branży nanotechnologii, ostatnio przedstawiła pierwsze próbki czegoś, co można określić jako najbardziej rewolucyjną piłkę golfową wyprodukowaną w ciągu ostatnich 50 lat. Istotą wynalazku jest rdzeń z porowatego metalu, dzięki któremu większość masy piłki jest skupiona na jej zewnętrznej powłoce. W rezultacie taka piłka mniej wiruje i cechuje ją większa dokładność. Dyrektor naczelny, Keith Blakely twierdzi, że jego firma, której był współzałożycielem w 2002 roku, planuje wytwarzanie rdzeni z metalu i innych nanomateriałów wchodzących w skład piłki, a także sprzedaż licencji na technologię innym producentom piłek golfowych.
Dodatkowo firma NanoDynamics postawiła przed sobą cel komercjalizacji przenośnych ogniw paliwowych bazujących na stałych tlenkach i nanomateriałach. Zgodnie z opinią pracowników firmy system zasilany propanem o mocy 50W może pracować 10 razy dłużej niż akumulatory o podobnej masie. Potencjalne dziedziny zastosowań to: obrona, podświetlane oznakowanie zewnętrzne i zdalne sterowanie procesami chemicznymi. Jeszcze inne projekty przewidują zastosowanie srebra w postaci proszku o rozmiarach ziaren poniżej 100 nm do tworzenia odpornych na działanie bakterii powłok urządzeń i obwodów drukowanych do znaczników RFID (Radio Frequency Identification – identyfikacja za pomocą częstotliwości radiowych).
Firma Seldon Laboratories z Vermont zaczęła w 2003 roku stosować filtry wykonane z węglowych nanorurek w przenośnych systemach odsalania i oczyszczania wody, przeznaczonych dla sił powietrznych. Jonathan Wilson, dyrektor do spraw marketingu oczekuje jednak, że jego firma wprowadzi na rynek inne produkty, łącznie z podręcznym urządzeniem, które zamieni każdą wodę w nadającą się do picia.
w nadającą się do picia. W Naples na Florydzie początkująca firma Industrial Nanotech przejęła podstawowe badania z Sandia Labs i zamówienia od wytwórców na produkcję nowej powłoki do zastosowań przemysłowych, która cechuje się nadzwyczajną odpornością na korozję i wysokimi własnościami izolacyjnymi.
Powłoka wykorzystująca opatentowany nanokompozyt z cząsteczek Hydro-NMOxide znajduje zastosowanie w rurociągach i zbiornikach na farmach, na statkach, w rafineriach, a także w systemach hydraulicznych gospodarstw domowych.
– W tej błyskawicznie zmieniającej się dziedzinie tkwią nieprzebrane możliwości. Najbardziej podniecające jest to, że zaczynając na poziomie molekularnym i atomowym, tworzymy od podstaw materiały przeznaczone do konkretnej aplikacji – twierdzi Stuart Burchill, dyrektor Industrial Nanotech.
Giganci przystępują do gry
Podczas gdy przedsiębiorcy reklamują nanotechnologię jako „następną wielką rzecz”, firmy o ugruntowanej pozycji na rynku nie siedzą bezczynnie. Takie ikony przemysłu jak DuPont, Wilson Sporting Goods, Lucent i Hewlett-Packard także rozpoczęły obszerne programy prac nad nanotechnologią.
DuPont opracował powłokę dla przewodów elektrycznych o nazwie Voltron, która może okazać się bardzo obiecująca w dziedzinie oszczędności energii. Podczas prób na silnikach elektrycznych stwierdzono, że powłoka przedłuża dziesięciokrotnie okres międzyawaryjny. Biorąc pod uwagę, że silniki elektryczne zużywają około 65% energii w Stanach Zjednoczonych, takie powłoki mogłyby być źródłem poważnych oszczędności, gdyby były powszechnie stosowane.
Wilson Storting Goods oferuje nową serię rakiet do tenisa o nazwie „nCode”, które są już używane przez profesjonalistów o wielkich nazwiskach, między innymi przez Rogera Federera, Lindsaya Davenporta i siostry Williams. Zwykle rakiety tenisowe są wykonane z miliardów włókien węglowych, ale w nanoskali istnieją przerwy między poszczególnymi włóknami, które są źródłem naprężeń i osłabiają naciąg. Według firmy Wilson w wyniku wypełnienia tych przerw włóknami węglowymi z dwutlenkiem krzemu o nanoskopowych rozmiarach naciąg jest teraz dwukrotnie mocniejszy. Ceny mieszczą się w przedziale od 169 do 299 USD.
Badania nad wykorzystaniem nanotechnologii w dziedzinie elektroniki były prowadzone od wielu lat, a najnowszym osiągnięciem jest komercyjny chip o rozmiarach 65 nm. Specjaliści ostrzegają jednak, że dalsze postępy w zwiększaniu mocy obliczeniowej i szybkości mogą w następnej dekadzie zostać pokrzyżowane przez fizyczne ograniczenia konwencjonalnego krzemu. W rezultacie potentaci elektroniki zaczęli szukać alternatywnych rozwiązań.
Na początku 2005 r. naukowcy z laboratoriów HP wykazali, że dalsze zwiększanie mocy obliczeniowej komputerów może być kontynuowane dzięki eliminacji stosowania tranzystorów, stanowiących podstawową cegiełkę w budowie komputerów przez ostatnie 50 lat. Stosując układy elektroniczne, stworzone dzięki umieszczeniu elektrycznie przełączanej warstwy o grubości tylko kilku atomów pomiędzy skrzyżowanymi przewodami, naukowcy byli w stanie zachować w pamięci i wykonywać funkcje logiczne w każdym punkcie przecięcia się przewodów.
– Obecnie jesteśmy na drodze do powtórnego wynalezienia komputera, tym razem w skali molekularnej. Niestabilność przecięcia dostarczyła kluczowego elementu, niezbędnego do zbudowania komputera z urządzeń o rozmiarach rzędu nanometrów, które są stosunkowo mał o k o s z t o w n e i łatwe do skonstruowania – wyjaśnił Stan Wiliams, starszy współudziałowiec HP.
Badania „nano” w elektronice są też powodem tworzenia spółek między dużymi firmami a ruchliwymi, małymi przedsiębiorstwami. Firma mPhase z siedzibą w New Jersey. będąca producentem podzespołów telekomunikacyjnych, związała się z Lucent Bell Labs poprzez badania nad baterią o nanostrukturze, w której energia może być przechowywana dwukrotnie dłużej niż w zwykłej baterii. Konstrukcja została oparta na odkryciu, że płynne krople elektrolitu pozostają w stanie nieaktywnym na wierzchu mikroskopowych struktur nazwanych „nanotrawą” (nanograss) aż do momentu wymuszenia ich ruchu i wywołania w ten sposób reakcji chemicznej, skutkiem której jest wytworzenie prądu elektrycznego. Steve Simon, wiceprezes zarządzający odpowiedzialny za badania w mPhase, twierdzi, że takie baterie mogą zasilać zdalne czujniki lub nawet być wbudowane w znaczniki RFID.
Tymczasem fala nanoaktywności na całym świecie zainspirowała popyt na supersilne mikroskopy i sondy atomowe, potrzebne badaczom do tworzenia nanomateriałów i do manipulowania nimi. Jeden z liderów przemysłu, FEI, odnotował piętnastoprocentowy skok wartości sprzedaży netto w pierwszym kwartale 2005 roku w porównaniu z analogicznym okresem roku 2004. W sierpniu 2005 r. firma wprowadziła na rynek model Tytan, elektronowy mikroskop skanująco-transmisyjny, wyceniony na 2,5 do 5 mln USD. FEI nazywa Tytana najbardziej zaawansowanym na świecie mikroskopem dostępnym na rynku. Tytan może wykonywać zobrazowanie w skali atomowej z rozdzielczością poniżej 0,7 Å (1 Å, czyli Angstrem, jest dziesięciokrotnie mniejszy od 1 nanometra). – Wsłuchaliśmy się w rynek nanotechnologii i pionierów na tym polu. Dzięki tak wyrafinowanym narzędziom i wciąż wzrastającemu strumieniowi pieniędzy postęp w dziedzinie nanotechnologii na pewno zostanie przyspieszony. W rezultacie specjaliści przewidują pojawienie się ogromnej ilości materiałów, komponentów i urządzeń, które zrewolucjonizują świat projektowania – mówi Dominique Hubert, dyrektor handlowy mikroskopów transmisyjnych FEI.
Lawrence D. Malloney
