Co to właściwie jest nano?

W skali nano dzieją się niezwykłe rzeczy. Ale cóż to jest ta skala nano? Mówiąc o nano, wkraczamy w świat, gdzie przynajmniej jeden z wymiarów zawiera się w przedziale 1-100 nm (nm – nanometr, 10­­­^-9 m). 100 nm jest to dziesięć tysięcy razy mniej niż 1 mm, a 1 nm to długość, jaką ma ledwie kilka atomów (podstawowych cząstek, z których zbudowany jest świat) ułożonych jeden za drugim.

Świat pomiędzy 1 a 100 nm jest to świat łączący nasz świat dużych rzeczy (makroskopowych) oraz świat atomowy. W skali nano przejawiają się cechy obu tych światów, więc po pierwsze należy przedstawić oba światy:

Świat makroskopowy (klasyczny): To nasza skala. Wielkość przedmiotów jest wyrażona w milimetrach, centymetrach, metrach czy kilometrach. Spełnione są prawa fizyki klasycznej, takie jak prawa dynamiki Newtona. Gdy patrzymy na kubek na stole to mamy pewność, że rzeczywiście tam stoi. Gdy rzucamy piłką, potrafimy przewidzieć, czy trafi do kosza. Jest to świat w którym żyjemy, który rozumiemy i w którym niewiele jest nas w stanie zadziwić.

Świat atomowy: Wręcz przeciwnie. Atom jest to obiekt bardzo mały (od 0,1 do 0,5 nm), którym rządzą prawa fizyki kwantowej. Prawa te są zupełnie odmienne niż te, które rządzą w świecie makroskopowym. Również zjawiska, które zachodzą na poziomie atomowym są różne od naszych. Najbardziej widocznym zjawiskiem ze świata atomowego, które to obserwujemy w każdej chwili to kolory. To, że pewne rzeczy są czerwone, inne zielone a jeszcze inne niebieskie jest wynikiem specyficznego oddziaływania światła z atomami, którego nie da się wyjaśnić za pomocą praw fizyki klasycznej.

Oto dwa światy, które mają podać sobie rękę w świecie nano. Jeden poukładany, ten w którym żyjemy, rządzony prawami klasycznymi i drugi atomowy, z pozoru zupełnie chaotyczny, który jednak też rządzi się swoimi prawami. Co możemy spotkać na ich granicy? W pewnych przypadkach jeden świat, w innych ten drugi, w jeszcze innych przypadkach zobaczymy zupełnie zaskakujące i nowe zjawiska, które wynikają z pogodzenia się obu światów. Właśnie to, że skala nano znajduje się na pograniczu świata fizyki klasycznej i fizyki kwantowej decyduje o tym, że jest ona tak intrygująca.

Czym w takim razie jest nanotechnologia?

Nanotechnologia zajmuje się wytwarzaniem produktów, w których coś jest w skali nano (1-100 nm). Nie znaczy to, że tych produktów należy szukać pod mikroskopem, gdyż same produkty mogą mieć normalne rozmiary i można je wziąć do ręki, poobracać i pooglądać z każdej strony.

Aby to wyjaśnić, weźmy na początek zamek z piasku. Zamek może mieć wymiary kilkudziesięciu centymetrów, ale sam składa się z mikroskopijnych ziarenek piasku o wymiarach poniżej milimetra. Podobnie wszystkie metale składają się z mikroskopijnych ziarenek sklejonych ze sobą. A co, gdyby te ziarenka zmniejszać i zmniejszać? Gdyby zmniejszyć te ziarenka 100 razy? Miałyby wtedy rozmiary w skali nano. Sama sztaba metalu mogłaby być ciężka i nieporęczna, ale nadal moglibyśmy o niej powiedzieć, że jest wytworem nanotechnologii. Moglibyśmy tak powiedzieć, bo rzeczywiście składa się z nanoziarenek metalu.

Co daje nam to, że ziarenka będą mniejsze? Po co chcemy się wysilać i koniecznie wytwarzać metale z ziarenek w skali nano? Powróćmy do naszego porównania z zamkiem z piasku. Czy da się w ogóle zbudować zamek z grubego żwirku? Jest to z pewnością o wiele trudniejsze niż w przypadku użycia piasku. Ale czym się różni żwirek od piasku? Te dwie rzeczy różnią się tylko wielkością ziarenek. Piasek rzeczywiście składa się z mikroskopijnych ziarenek, podczas gdy ziarnka żwirku są dużo większe.

• 

• 

Jaki z tego wniosek? Używając materiału o mniejszych ziarnach (piasku) uzyskujemy lepszą zdolność do tworzenia zamków z piasku niż używając materiału o większych ziarnach (żwirku). Podobnie budując metal z mniejszych ziaren potrafimy zmienić jego właściwości. W przypadku metalu poprawiamy wtedy jego właściwości mechaniczne – metal zbudowany z ziarenek w skali nano jest bardziej wytrzymały na rozciąganie niż tradycyjnie otrzymany. Oczywiście takich przykładów jest dużo więcej, a zastosowanie nanotechnologii obejmuje wiele różnych aspektów życia, i między innymi tym zastosowaniom będzie poświęcony ten blog.

Podsumowując, świat w skali nano jest na granicy świata atomów (rządzonego prawami fizyki kwantowej) i świata makroskopowego (rządzonego prawami fizyki klasycznej), gdzie można zaobserwować nowe zjawiska nie obserwowane ani w skali atomowej, ani w skali makroskopowej. Nanotechnologia z kolei zajmuje się wytwarzaniem szczególnej klasy produktów, które to zawierają „cegiełki” konstrukcyjne z zakresu 1-100 nm.