Concursul de creativitate in fizica si tehnologie ,,Stefan Procopiu’’26-27 martie etapa judeteana ,Iasi

1:INTRODUCERE

Page 1

VIITORUL ESTE NANO

"Nanotehnologie" este un termen colectiv pentru dezvoltarile tehnologice la scara nanometrica. In sens larg, nanotehnologia reprezinta orice tehnologie al carei rezultat finit e de ordin nanometric: particule fine, sinteza chimica, microlitografie avansata etc. Intr-un sens restrans,nanotehnologia este orice tehnologie care se bazeaza pe abilitatea de a construi structuri complexe respectand specificatiila nivel atomic si folosindu-se de sinteza mecanica.Structurile nanometrice nu numai ca sunt foarte mici, ajungandu-se chiar pana la scara atomica in proiectarea lor, dar ele poseda unele proprietati total deosebite si neasteptate, in comparatie cu trasaturile aceleiasi substante luata la nivel macroscopic.

2:MICROCOSMOSUL CUCERESTE MACROCOSMOSUL

NASA sustine intensiv stiinta infloritoare a nanotehnologiei. Ideea principala a acestei activitati este invatarea gestionarii materiei la scara atomica - capacitatea de a controla atomi individuali si molecule in vederea proiectarii unor masinarii de dimensiuni moleculare, a aparaturii electronice avansate si a materialelor"inteligente". Daca vizionarii au dreptate, nanotehnologia ar putea conduce la roboti care sa incapa intre cutele amprentelor unui deget, la materiale autoregeneratoare, lifturi spatiale si alte dispozitive uimitoare. Unele dintre aceste lucruri ar putea presupune multi ani pentru a fi realizate,in timp ce altele prind contur in laboratoare chiar astazi. Simpla realizare la scara redusa a lucrurilor are in sine avantajele sale. Cum ar fi fost, de exemplu, ca roverele martiene Spirit si Opportunity sa aiba dimensiunile unei insecte si sa poata scormoni printre pietre si nisip asemenea unui gandac,colectand mostre de minerale si cautand indicii ale prezentei apei pe Marte? Insa nanotehnologia inseamna mai mult decat micsorarea lucrurilor. Atunci cand oamenii de stiinta pot sa ordonoeze si sa structureze dupa voie materia la nivel molecular, proprietati uimitoare apar uneori. Un exemplu excelent este nanotubul de carbon. Carbonul exista in stare naturala sub forma de grafit -materialul delicat si negru folosit adesea ca mina pentru creioane si sub forma de diamant. Singura diferenta intre cele doua stari este dispunerea atomilor de carbon. Atunci cand cercetatorii aranjeaza aceiasi atomi de carbon in forma tiparului de fagure si il ruleaza in tuburi minuscule de numai zece atomi, nanotuburile rezultate capata trasaturi extraordinare:

Page 2

au de 100 de ori rezistenta la intindere a otelului,dar numai o sesime din greutate

sunt de 40 de ori mai puternice decat fibrele degrafit

au o conductivitate mai mare decat cea acuprului

pot fi atat conductori cat si semiconductori,in functie de dispunerea atomilor

sunt excelenti conductori termici

O buna parte din cercetarile nanotehnologice din toata lumea se concentreaza pe aceste nanotuburi. Oamenii de stiinta au propus utilizarea lor intr-o gama foarte larga de aplicatii, de la utilizarea lor ca fire moleculare pentru aparatura electronica nano, pana la puterea mare si greutatea scazuta a cablurilor necesare unui lift spatial. Cercetatorii incearca sa obtina de la nanomateriale posibilitatea folosirii lor insustinerea avansata a vietii, in realizarea unor super-computere si a unor senzori minisculi pentru substantele chimice. Senzori iminiaturali pot detecta pana la cateva parti dintr-un milion ale unor substante chimice, precum gazele toxice, facandu-i folositoriatat in explorarea spatiului cat si in chestiuni de siguranta nationala. Daca aceste utilizari pe termen scurt ale nanotehnologiei par impresionante, posibilitatile pe termen lung sunt de-a dreptul naucitoare. Institutul pentru Concepte Avansate (ICA) din cadrul NASA a fost special creat pentru a promova cercetarea vizionara in domeniul tehnologiilor spatiale care vor necesita intre 10 si 40 de ani ca sa fie fructificate. Spre exemplu, ICA a fondat un studiu de fezabilitate asupra manufacturiila nanoscara - altfel spus, folosirea unui numar mare de masinarii microscopice moleculare care sa produca orice obiect prin asamblarea acestuia atom cu atom. O asemenea"nanofabrica"ar putea produce, de exempleu, componente de aeronava cosmica cu precizie atomica, fiecare atom din cadrul fiecarui obiect fiind amplasat acolo unde ii este locul. Componenta rezultata ar fi extrem de dura, iar forma sa s-ar abate de la design-ul ideal cu numai o grosime de atom. Suprafetele ultra-fine n-ar necesita lustruire sau lubrifiere si n-ar suferi, virtual, nicio pata sau zgarietura in timp. Formate de evolutie in milioane de ani, aceste molecule biologice sunt deja foarte adaptate la manipularea materiei la scara moleculara, motiv pentru care o planta poate combina aerul,apa si pamantul pentru a produce capsune rosii si suculente iar corpul uman poate converti cina de

Page 3

aseara in noile celule rosii de azi. Rearanjarea atomilor, care face aceste lucruri posibile, este performata de sute de proteine si enzime specializate, iar ADN-ului stocheaza codul producerii lor.

Folosirea acestor masinarii moleculare "pre-construite" sau folosirea lor ca puncte de pornire pentru noi design-uri reprezinta o abordare populara a nanotehnologiei, denumita"bio-nanotehnologie".

3:In prezent

Nanotehnologiile au devenit o parte a vieţii noastre de ceva timp. Deşi produsele obţinute prin nanotehnologii sunt utilizate deseori de oameni, acest lucru este destul de puţin cunoscut.

Astfel, crema care ne protejează de radiaţia solară UV are încorporat în ea dioxid de titan cu particule de dimensiuni nano.

Ochelarii de soare au lentile de plastic rezistente la zgâriere datorită tratamentului acestora cu nanoparticule de dioxid dezirconiu şi dioxid de titan.

Negrul de fum este utilizat de mulţi ani pentru producerea anvelopelor. Particulele de negru de fum ce au dimensiuni îndomeniul nano penetrează reţeaua macromoleculei cauciucului formând o a doua reţea care reduce semnificativ abraziunea cauciucului.Vitaminele insolubile în apă şi precursorii lor potfi dispersate stabil în apă în forma nano, astfeldevenind mai potrivite pentru organismul uman. Astfel de vitaminesunt utilizate în multe limonade şi sucuri, conferindu-leacestora ca extra beneficiu şi o culoare atractivă.În prezent, piaţa pentru produse obţinute prinnanotehnologii este mai mare de 100 miliarde euro şi se aşteaptăo creştere până în 2015 la mai mult de 1000 de miliarde.

4:APLICATII

Pe langa eficientizarea tehnologica se are in vedere si un consum minim de resurse, ceea ce se observa in procesele biologice.Solutia a venit printr-o colaborare stiintifica dintre cercetatorii de la Departamentul de Inginerie Mecanica al Universitatii din Columbia si IBM. Ei s-au inspirat din felul in care cristalele se formeaza in natura si au reusit sa creeze un model matematic al unui astfel de proces natural, si spera sa o poata folosi pentru cresterea nano-cristalelor artificiale. Cercetatorii de la Universitatea din Columbia au reusit sa creeze asemenea structuri avand drept unitati de baza nano-cristale artificiale de siliciu. Persoana de cuvant a Universitatii, Stephen O'Brien, declara ca aceste nano-cristale pot fi alese pe baza proprietatilor lor electrice sau magnetice, ceea ce face ca structurile rezultante sa prezinte aplicatii in electronica si in noile unitati de stocare magnetice cu un consum redus energetic.

La Universitatea Standford, un grup de cercetători au reuşit săcreeze o baterie din hârtie de xerox. Ea a fost îmbibată cu o cerneală neagră în care se găsesc nanotuburi de carbon şi nanoconductori din argint.După ce a stat un timp într-un cuptor pentru ca apa din cerneală să se evapore, hârtia a căpătat conductivitate şi a putut fi încărcată cu energie electrică.Conform celor

Page 4

care au lucrat la proiect, o baterie construită astfel suportă 40.000 de ciclii încărcare/descărcare, depăşind performanţa uneia Li-ion.

Primul avantaj evident al bateriei din hârtie este flexibilitatea. Ea se poate modela în multe forme şi dimensiuni.Mai mult, dacă hârtia tratată cu cerneala specială este îndoită sau mototolită, ea nu-şi pierde proprietăţile.Aşteptăm primele aplicaţii ale tehnologiei, care ar putea fi implementată în producţia de masă foarte rapid. Bateria din hârtie ar putea fi prima aplicaţie cu impact semnificativ al nanotehnologiei Medicii se confrunta adesea cu problematica executarii unor operatii complexe de micro-chirurgie pentre repararea vaselor de sange, pentru transplantarile de tesut sau pentru reatasarea membrelor sectionate. Intrucat astfel de proceduri sunt foarte complicate, chirurgia se dovedeste rareori solutia optima, avand un caracter prea invaziv si destule limitari. In curand insa, sistemul medical si mai ales cel chirurgical si-ar putea modifica stilul de abordare, capotand spre tehnologia nano, cea care va permite prestarea celor mai sinuoase sarcini medicale prin controlarea telecomandata a unor mecanisme robotice minuscule, capabile sa calatoreasca prin corpul omenesc,sa diagnosticheze afectiuni si sa le trateze. La Universitatea Tonhuku din Japonia, inginerul Kazushi Ishiyamasi grupul sau de cercetare au proiectat mici spirale rotative electronice, capacitate sa inoate prin fluidul celor mai subtirivene organice. La nevoie, aceste dispozitive pot chiar penetra anumite tumori pentru a le suprima si pot livra substante medicalecatre anumite tesuturi si organe. Gratie dimensiunilor reduse,nanobotii pot fi injectati in organism cu ajutorului unei seringi standard cu ac hipodermic, odata intrati in sistem reactionand impulsurilor exercitate cu ajutorul unui camp magneticsi al unei telecomenzi. Ishiyama considera ca aceste dispozitive si altele asemenea lor se vor dovedi extrem de eficiente din punct devedere medical, mai ales in privinta indepartarii tumorilor cerebrale, foarte greu de operat pe cale clasica.

In loc sa se bazeze pe utilizarea unui camp magnetic pentru coordonarea miscarilor nanorobotilor, alti cercetatori creeaza dispozitive similare de diagnosticare si tratare a anumitor

afectiuni, propulsate insa prin corp cu ajutorul unor motoare minuscule.

Microrobotii viitorului Doctorul James Friend si echipa sa de ingineri

mecanici din cadrul Universitatii Monash din Australia au construit deja un motor de tip acvatic de dimensiunea unui cristal de sare si conduc cercetari minutioase pentru obtinerea unei dimensiuni inferioare a acestuia, echivalenta cu grosimea firului de par uman. Principiul de functionare al motorului este inspirit din stilul de locomotie al bacteriei digestive Eschierichia coli (Ecoli), care foloseste mici tentacule pentru a inota prin organism.Astfel, motorul rotativ invarte mici proeminente terminale aflate intr-un capat al

Page 5

sau

(asemenea unor cozi circulare) care, atunci cand se afla intr-un mediu fluid, ii croiesc drum prin acesta. Viteza motorului este de 100.000 de rotatii pe secunda.

Alti microroboti creati in zilele noastre sunt insa mai mult decat niste simple masinarii. Cateva institute de cercetares-au implicat in realizarea unei confluente intre tesutul organic,viu, si componente anorganice, pentru a

crea dispozitive hibride care sunt parte masinarii, parte organisme. Primele asemenea inventii au fost roboti microscopici care se asamblau singuri, alimentati de muschiul cardiac si creati de ingineriiUniversitatii din California, Los Angeles (UCLA).

Fiecare robot micronic este compus dintr-o punte de aur conectata la un invelis al muschiului cardiac crescut din celule de soareci, care, eliberate in corp, extrag glucoza din sange pentru a obtine energia necesara deplasarii. Pentru a testa roboti imicroscopici, cercetatorii i-au scufundat intr-o solutie de zaha rsi proteine care mima conditiile interne ale corpului. Pe masura ce impulsuri electrice au actionat asupra lor asemenea contractarii si relaxarii unui miorcard, microrobotul a putut fi observat avansand.

Odată cu creşterea rapidă a industrializării a crescut şi necesarul de apă potabilă, în termen icalitativi şi cantitativi.

Prezenţa contaminanţilor precum substanţele organice naturale (NOM) şi a unor mici cantităţi de substanţe organice care se acumulează în organism crează mari probleme la epurarea apelor.

Tehnologia coagulării/ floculării şi clorurarea este cea mai utilizată tehnologie pentru îndepărtarea contaminanţilor. Totuşi prin această tehnologie nu potfi îndepărtaţi complet toţi contaminanţii.În plus, expunerea la aluminiu este suspectată că joacă un rol în declanşarea bolii Alzheimer.

Substanţele organice naturale (NOM) reacţionează cu majoritatea dezinfectanţilor utilizaţi în staţiilede epurare clasice (clor, ozon, cloramină, etc), dând naştere la produse secundare precum trihalometani, acizihaloacetici, bromoform si acid dibrom care sunt substanţe cancerigene.

Utilizarea membranelor de micro/ ultra filtrare în procesul detratare a apei este o metodă modernă de producere a apei potabile de calitate. Totuşi membranele clasice au tendinţa de a pierde material, iar prin porii creaţi trec substanţele organice naturale (NOM), substanţele organice care se acumulea ză în organism şi microorganismele.

Nanotehnologiile au un mare potenţial în domeniul separărilor moleculare, oferind materiale cu structură controlată.

Page 6

Particulele de dioxid de titan de mărime nano sunt fotocatalizatori eficienţi ce au atras atenţia cercetătorilor care se ocupă de purificarea apei, prin capacitatea lor de a îndepărta acizii humici din apă. Totuşi, utilizarea particulelor de dioxid de titan de dimensiuni nano ca şi fotocatalizatori este dificilă, datorită problemelor pe care le implică separarea şi recuperarea catalizatorului.

Cercetători din Singapore au reuşit să obţinăo membrană robustă din nanofibre de dioxid de titan care va avea un potenţial mare în procesul de purificare a apei.Membrana aceasta joacă un dublu rol. Ea acţionează atât ca membrană de filtrare cât şi ca fotocatalizator. În prezenţa luminii UV, nanofibra dedioxid de titan produce un efect puternic oxidant. Materialul poate fi utilizat şi în condiţii de lumină solară.

Eficienţa membranei de a îndepărta acizii humici şi substanţele organice din apă este de circa 57-60% în absenţa luminii UV şi de 94-100% în prezenţa luminii UV.

Producerea unor membrane de filtrare eficiente, cu un cost scăzut va avea drept efect scăderea costului producerii apei potabile.

Nanotehnologiile nu sunt noi pentru industria vopselelor. Acum 2000 de ani, arhitectulroman Marcus Vitruvius Pollio a utilizat funingine produsă sintetic la obţinerea vopselelor. Astăzi se cunoaşte că funinginea este formată din nanoparticule.

În ultimii ani au fost introduse în domeniul vopselelo rimportante produse bazate pe nanotehnologii:

1) vopsele uşor de curăţatFloarea de lotus este totdeauna uscată

şi curată. Dacă este privită la microscop electronic, se observă că floarea de lotus prezintă pe suprafaţa sa un mare numărde protuberanţe extrem de mici, distanţate la 10-25 microniuna de alta. Aceste protuberanţe sunt acoperite cu cristale de ceară ce resping apa. Combinaţia de suprafaţă hidrofobă şi microstructură previne umectarea suprafeţei de către apă. Picăturile de apă ce cad pe această suprafaţă îndepărtează particulele de praf.

Vopselele ce prezintă proprietăţile florii de lotus,fiind uşor de curăţat, au fost introduse cu succes p epiaţă, în special pentru vopsirea faţadelor. Ele se obţin cu ajutorul unor lianţi hidrofobi şi a unor pigmenti anorganici la scară nano.

2) vopsele de efectVopselele de efect, care imită aspectul unei perle sau aripile unui fluture, au necesitat

dezvoltarea unor pigmenţi speciali pe bază de metale şi oxizi metalici. Aceti pigmenţi ce îşi modifică culoarea în funcţie de unghiul de privire sau de intensitatea luminii au la bază tot nanotehnologii.

3) vopsele antibacterieneArgintul de mărime nano încorporat în vopsele de pereţi are un puternic efect antibacterial.

Aceste vopsele se utilizează în special la vopsirea spitalelor, a halelor unde se procesează alimente, precum brutării, măcelării, etc.

4) vopsele rezistente la zgâriere

Page 7

Particulele ceramice la scară nano îmbunătăţesc rezistenţa la zgâriere a lacurilor auto şi le fac rezistente la impact mecanic.

5) vopsele fotocataliticeRazele UV din lumina solară produc reacţii fotocatalitice în vopsele conţinând dioxid de titan.

Acest fapt permite degradarea particulelor organice de murdărie şi poluanţi. S-au dezvoltat astfel vopsele pentru pereţi la care lumina vizibilă este suficientă pentru a produce degradarea catalitică a substanţelor odorizante precum cele provenite din fumul de ţigară sau din solvenţi.

6) vopsele cu protecţie UVLemnul este sensibil la radiaţia UV, el se închide la culoare în timp. Au fost dezvoltate baiţuri

pentru lemn cu oxizi de fier transparenţi cu mărimea particulelor de 5-100nm, care protejează lemnul împotriva distrugerii datorate luminii.

7) vopsele ce ecranează undele electromagnetice de înaltă frecvenţăMulţi oameni sunt sensibili la electrosmog. Vopselele de pereţi cu fibre de carbon şi particule de

negru de fum de dimensiune nano acţionează ca un ecran împotriva a 99% din undele electromagnetice de înaltă frecvenţă. Ele pot acţiona de asemenea ca un scut faţă de interferenţa câmpului electromagnetic în laboratoarele unde se fac măsurători şi în centrele de calculatoare.

5:CONCLUZII

Importanta pe care o da omul protectiei mediului inconjurator este un aspect pozitiv. Toate acestea sunt bune daca urmarim sa invatam cum sa consumam din ce in ce mai putine resurse energetice, pastrand o armonie cu natura. Dintr-un anumit punct de vedere am putea spune ca Universul produce mai multa energie decat consuma, o ipoteza indrazneata care a trezit interesul mai multor oameni. Descoperiri geniale sunt inca putin folosite pentru ca mentalitatea generala este inca adand ancorata in materia dura si in tendinta unui consum ridicat energetic si al resurselor naturale.

Cand umanitatea va intelege ca energia este inepuizabila in Univers va reusi sa faca un salt calitativ al conceptiei vietii. Abia atunci aparate simple si eficiente vor intra in viata noastra intr-un mod natural, firesc.Construirea unor generatoare de curent alternative este o idee buna. Construirea unei mentalitati adecvate este insa o necesitate stringenta.

Page 8