Нанотехнологии, кажется, повсюду в наши дни – в медицине, электронике и даже в одежде и туши для ресниц. Но что это такое и почему это так важно? В этом блоге мы исследуем эту увлекательную тему, чтобы дать вам краткий обзор ее прошлого, настоящего и будущего.

 

Истоки нано

Термин «нано» означает 10⁻⁹ и в нанотехнологии обычно относится к размеру. Для сравнения: толщина одного листа бумаги составляет 100,000 1 нанометров, а знаете ли вы, что ногти растут со скоростью около XNUMX нанометра в секунду! Хотя наше понимание основных механизмов, лежащих в основе нанотехнологий, достаточно новое, первые применения датируются тысячами лет. Кубок Ликурга из Древнего Рима является одним из самых ранних примеров использования нанотехнологий. Он датируется четвертым веком нашей эры и меняет цвет при разном освещении из-за встроенных золотых и серебряных наночастиц. Эти частицы взаимодействуют со светом посредством явления, называемого поверхностным плазмонным резонансом, который происходит, когда электроны проводимости на поверхности металлических наночастиц вибрируют в ответ на входящий свет, что приводит к изменению цвета исходящего света.

Рисунок 1: Чаша Ликурга из Древнего Рима имеет встроенные наночастицы золота и серебра, которые заставляют ее менять цвет в зависимости от того, как через нее проходит свет.¹

 

Современная нанотехнология сформировалась в 20-м веке.^th век с новаторской идеей Ричарда Фейнмана о манипулировании материалами на атомном уровне. Фейнман был американским физиком-теоретиком, который произвел революцию в квантовой механике, преобразовал научное образование и вдохновил поколения своим любопытством и способностью упрощать сложные идеи. В своей лекции «Внизу полно места» он представил, как можно использовать машины для создания более мелких машин, и даже уместить всю Британскую энциклопедию на булавочной головке.² С тех пор нанотехнологии привели к таким прорывам, как создание нанотранзисторов в микрочипах, обеспечивающих работу более быстрой и компактной электроники, а также систем направленной доставки лекарств, в которых наночастицы доставляют лекарственные средства непосредственно в пораженные клетки, что повышает эффективность и снижает побочные эффекты.

Размер и форма имеют значение

Почему эти крошечные структуры настолько новаторские? Ответ кроется в их соотношении площади к объему и квантовых эффектах. Чрезвычайно большая площадь поверхности наноматериалов относительно их объема придает им уникальные свойства, такие как повышенная прочность, электропроводность, термическая стабильность и химическая реактивность. Они также бывают разных форм и размеров, каждый из которых обладает уникальными свойствами, подходящими для различных применений. Нульмерные наночастицы обладают высокой реакционной способностью, в то время как квантовые точки работают как полупроводниковые частицы с оптическими свойствами, зависящими от размера. Одномерные нанопроволоки и наностержни отлично подходят для электронных и фотонных устройств, а двумерные материалы, такие как нанотрубки и графеновые нанолисты, обладают превосходной проводимостью и гибкостью. Даже объемные материалы с наноразмерными зернами демонстрируют улучшение механической прочности и термического сопротивления.³

Рисунок 2: Наноматериалы обычно группируют по их размерам.⁴

 

Нанотехнологии в Швеции

С такими интересными качествами нанотехнологии широко исследуются во многих организациях по всему миру, и Швеция не является исключением. Мое увлечение нанотехнологиями впервые зародилось, когда я изучал физику в Университете Линчёпинга (LiU) в Швеции — учреждении, признанном во всем мире за свои новаторские исследования и инновации в этой области. Я с большой теплотой вспоминаю свое время в LiU и наслаждался несколькими замечательными годами, наполненными стимулирующим обучением, не говоря уже о потрясающих студенческих вечеринках! Моя степень бакалавра была посвящена нанотехнологиям, а мой последний проект включал создание графенового датчика для обнаружения выхлопных газов. Я также помню, как отправился на экскурсию, чтобы увидеть Электронный микроскоп Арвен (названный в честь эльфа из «Властелина колец») – который был самым острым в Европе в то время. Продвинутые инструменты, такие как электронные микроскопы, играют решающую роль в исследовании наноструктур, давая исследователям возможность изучать материалы на атомном уровне. Микроскоп занимает целое здание (Ångströmhuset) – действительно впечатляющая круглая, покрытая титаном конструкция с наклонными стенами для предотвращения эха. Он спрятан на краю университета и закреплен глубоко в скале, чтобы все было чрезвычайно устойчиво.

Рисунок 3: Дом Ангстрема в LiU создан для размещения сверхчувствительного электронного микроскопа университета. Изображение взято из Википедии.

Я продолжил свое образование, получив степень магистра в Университете Линчёпинга и степень доктора философии в Университете Гетеборга. Я по-прежнему испытываю живой интерес к нанотехнологиям – и науке в целом – и использую навыки, приобретенные во время учебы, чтобы писать захватывающий контент в своей роли технического писателя в kdm. Мне особенно понравилось писать этот блог!

Что в будущем?

С таким набором полезных свойств нет сомнений, что нанотехнологии будут играть значительную роль в будущих прорывах в науке и технике. По данным Forbes, три основные отрасли, которые больше всего будут преобразованы нанотехнологиями, — это материаловедение, здравоохранение и приборостроение. В материаловедении мы наблюдаем разработку более прочных, легких и даже самовосстанавливающихся материалов, в то время как 3D- и 4D-печать должны произвести революцию в том, как мы строим и производим вещи. В здравоохранении наномедицина позволяет доставлять лекарства непосредственно в больные клетки, улучшать диагностику и даже создавать биопечатные ткани. А когда дело доходит до технологий, приборостроение расширяет границы с помощью более компактной, более интеллектуальной электроники и носимых устройств, которые мощнее и адаптируемее, чем когда-либо прежде. Нанотехнологии уже начинают менять мир вокруг нас, и их влияние будет только расти. Интересно представить, чего еще может достичь эта новаторская область!

Референсы

• Патовари, К. (2016) Кубок Ликурга: фрагмент древнеримской нанотехнологии. Забавная планета. 
• Байда, С. и др. (2020) История нанонауки и нанотехнологий: от химико-физических приложений до наномедицины. Молекулы. 25(1):112. doi:10.3390/molecules25010112
• Раут, Б. (2025) Наноматериалы: определение, классификация и 10 надежных применений. Заметки химика. 
• Пох, Т. Й. и др. (2018) Ингаляционные наноматериалы и респираторный микробиом: клинические, иммунологические и токсикологические перспективы. Часть клетчатки токсична. 15:1-16.
• Брукс, К. (2022) Три ключевые области, в которых нанотехнологии влияют на наше будущее.