Nanoteknologia

Grafiittia kynässä ja timantissa… Nämä kaksi materiaalia eivät näytä samalta! Timantit ovat kirkkaita, kimaltelevia ja erittäin kovia - timantti on yksi maapallon kovimmista materiaaleista. Grafiitti sen sijaan on läpinäkymätön, tummanharmaa ja riittävän pehmeä jättääkseen jälkiä paperille kun käytät sitä piirtämiseen tai kirjoittamiseen. Fyysisesti niiden ominaisuudet ovat hyvin erilaisia. Ja silti timantti ja grafiitti koostuvat täsmälleen samantyyppisistä atomeista - hiilistä.

Miten näin voi olla? Se liittyy siihen, miten hiiliatomit ovat järjestyneet näissä kahdessa materiaalissa. Timantissa atomit muodostavat pyramidin muotoisen rakenteen vahvoilla sidoksilla kaikkiin suuntiin. Grafiitissa atomit muodostavat kerroksia toisiinsa kytkeytyneitä kuusikulmioita. Sidokset näiden kerrosten välillä ovat melko heikot, joten hiiliatomien kerrokset irtoavat helposti kun liikutat kynää paperiarkkia vasten.

Atomien järjestys muuttaa materiaalin ominaisuuksia. Koko maailma ympärilläsi koostuu atomeista. Tapa, jolla nämä atomit ovat järjestyneet ja yhdistyneet määrittää, miltä asiat näyttävät, kuinka ne käyttäytyvät erilaisissa olosuhteissa, ja miten ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Jos pystyisimme säätelemään atomien järjestystä, voisimme suunnitella ympärillämme olevat asiat uudelleen, luoda täysin uusia materiaaleja ja muuttaa niiden ominaisuuksia! Tässä kohdassa mukaan tulee tieteenala, joka tunnetaan nanoteknologiana.

Nanoteknologia käsittelee kappaleita, jotka ovat uskomattoman pieniä — kooltaan 1–100 nanometriä. Kuinka pieni se on? 1 nanometri on metrin miljardisosa. Se on noin satatuhatta kertaa pienempi kuin ihmisen hiuksen leveys. Se on noin kymmenen vetyatomia vierekkäin.

Ihmisen punasolu on noin seitsemän tuhatta nanometriä halkaisijaltaan, ja neulanpää noin miljoona nanometriä leveä. Jotta atomeja ja hiukkasia voidaan käsitellä niin pienessä mittakaavassa, tarvitaan erikoislaitteita ja -prosesseja. Laite, jota kutsutaan tunnelointimikroskoopiksi, on yksi perusvälineistä, joita käytetään nanoteknologiassa. Sen avulla voimme tuottaa kuvia atomimittakaavassa ja säädellä yksittäisiä atomeja täysin uusien rakenteiden kasaamiseksi. Kappaleiden tutkiminen nanomittakaavassa auttaa ymmärtämään paremmin ympärillämme olevia suurempia kappaleita.

Mutta kuten käy ilmi, materiaalien fysikaaliset tai kemialliset ominaisuudet voivat olla erilaiset nanomittakaavassa, vaikka ne ovat edelleen samoja materiaaleja. Esimerkiksi kulta, joka on normaalisti reagoimaton, muuttuu kemiallisesti erittäin aktiiviseksi nanomittakaavassa. Nanokultahiukkasilla ei ole edes ominaista kullan väriä - sen sijaan niillä voi olla useita eri värejä riippuen niiden koosta ja muodosta. Nanoteknologian avulla insinöörit voivat luoda täysin uusia materiaaleja, tai parantaa olemassa olevia. Yksi esimerkki on hiilinanoputket ja grafeeni.

Molemmat koostuvat hiiliatomeista, ja ovat järjestäytyneet tavoilla, jotka tekevät niistä vahvimpia tunnettuja materiaaleja. Eikä kyse ole vain materiaaleista — jopa kokonaisia laitteita voidaan rakentaa nanomittakaavaan! Transistorit esimerkiksi ovat eräitä modernin elektroniikan tärkeitä rakennuspalikoita, ja niitä löytyy niin älypuhelimista kuin tietokoneista. Nanoteknologian ansiosta ne on pienennetty tuskin muutaman nanometrin kokoisiksi. Miljardit transistorit mahtuvat nyt helposti älypuhelimen prosessoriin, mahdollistaen Internetin surffauksen, kuvien ottamisen, tallentamisen ja lataamisen, ja paljon muuta!

Nanoteknologiaa voidaan soveltaa monilla teollisuuden aloilla: lääketiede, elintarviketekniikka, urheiluvälineet, tekstiilit ja kauneustuotteet! Mitä nanoteknologian käyttötapoja sinä keksit?