Νανοεπιστήμη & Νανοτεχνολογία

Transcript

1 Νανοεπιστήμη & Νανοτεχνολογία Η νανοεπιστήμη ανακαλύπτει νέες συμπεριφορές και ιδιότητες των υλικών σε διαστάσεις νανοκλίμακας που κυμαίνεται κατά προσέγγιση από 1 έως 100 νανόμετρα (nm). Η νανοτεχνολογία περιλαμβάνει τις μεθόδους εφαρμογής των ανακαλύψεων αυτών στην πράξη. Η νανοτεχνολογία χειρίζεται και ελέγχει τα νανοϋλικά με κριτήριο τη βέλτιστη εφαρμογή. Πόσο μικρό είναι ένα νανόμετρο; Έχει οριστεί ως ένα δισεκατομμυριοστό του μέτρου. Πόσο μικρό είναι αυτό; Μερικοί τρόποι για να αντιληφθεί κανείς πόσο μικρό ένα νανόμετρο είναι: Ένα φύλλο χαρτί Α4 έχει πάχος περίπου νανόμετρα.

2 Μια ξανθή τρίχα έχει πιθανά διάμετρο έως νανόμετρα ενώ μια μαύρη τρίχα έχει διάμετρο μεταξύ και νανομέτρων. Ένα νανόμετρο είναι ένα εκατομμυριοστό ενός χιλιοστού. Οι 5 λόγοι για τους οποίους η νανοτεχνολογία είναι σημαντική: 1 Οι ιδιότητες των ηλεκτρονίων στα υλικά επηρεάζονται από αλλαγές στη νανοκλίμακα. Έτσι, είναι δυνατό να διαφοροποιηθούν οι βασικές ιδιότητες των υλικών (π.χ. θερμοκρασία τήξης, μαγνητισμός κ.λπ.) χωρίς αλλαγή της χημικής τους σύνθεσης. 2 Η ζωή εξελίσσεται σε νανοκλίμακα. Η συστηματική οργάνωση των υλικών στη νανοκλίμακα είναι ένα κύριο χαρακτηριστικό των βιολογικών συστημάτων. Η νανοτεχνολογία υπόσχεται να μας επιτρέψει να τοποθετούμε τεχνητά στοιχεία και συναρμολογημένες διατάξεις μέσα στα κύτταρα. 3 Λόγω του μεγέθους τους, τα διάφορα στοιχεία σε νανοκλίμακα προσφέρουν συνολικά πολύ μεγάλη επιφάνεια. Έτσι είναι ιδανικά για χρήση σε σύνθετα υλικά, στην απορρόφηση των φαρμάκων, σε ηλιακές κυψέλες και στην ενεργειακή αποθήκευση. 4 Τα νανοδομημένα υλικά είναι σκληρότερα και λιγότερο εύθραυστα. 5 Τα νανοδομημένα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για διάφορες οπτικοηλεκτρονικές εφαρμογές. Η έρευνα στη νανοτεχνολογία: Η τρέχουσα χρηματοδότηση για έρευνα σε θέματα νανοτεχνολογίας είναι: Ευρώπη: Περίπου 1 δισεκατομμύριο ευρώ εκ των οποίων τα 2/3 προέρχονται από Εθνικά και Περιφερειακά Προγράμματα Ιαπωνία: Επενδύθηκαν $ το έτος 2001, διπλασιάστηκε το ποσό το 2003 και καλπάζει η χρηματοδότηση με πολύ υψηλούς ρυθμούς (πάνω από 20%) μέχρι σήμερα. ΗΠΑ: Με νόμο που ψηφίστηκε το 2003 για την έρευνα και ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας τον 21 ο αιώνα, διατέθηκαν περίπου 3,7 δισεκατομμύρια δολάρια από το 2005 έως το 2008 χωρίς να περιλαμβάνονται σε αυτά δαπάνες σχετικά με στρατιωτικά θέματα. Μ. Βρετανία: Με την έναρξη της στρατηγικής για τη νανοτεχνολογία το 2003, η Βρετανική κυβέρνηση δέσμευσε 45 εκατομμύρια λίρες το χρόνο από το 2003 έως το Οι εφαρμογές της νανοτεχνολογίας: Υπάρχουν πολλά παραδείγματα των πιθανών εφαρμογών των εξελίξεων της νανοτεχνολογίας. Περιλαμβάνονται νέα υλικά, νέες ιατρικές, φαρμακευτικές, γεωργικές και περιβαλλοντικές διαδικασίες και συσκευές, νέες ηλεκτρονικές συσκευές, αισθητήρες κ.λπ.. Η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν οι ατομικές και μοριακές ιδιότητες των υλικών,επιτρέπει την ανάπτυξη ποικίλων νέων χρήσεων για τα τρέχοντα προϊόντα. Φανταστείτε το μέλλον όπου τα παράθυρα, οι καρέκλες, οι υπολογιστές, ο ιματισμός αλλά ακόμη και το σώμα μας θα χρησιμοποιούν την τεχνολογία βασισμένη στα νανοϋλικά και τη νανοτεχνολογία. Ο αριθμός των νέων εφαρμογών της νανοτεχνολογίας φαντάζει δηλαδή σχεδόν απεριόριστος. Η βιομηχανία της νανοτεχνολογίας είναι ήδη στο δρόμο για να προσφέρει τα αποτελέσματά της από τα εργαστήρια στην αγορά. Οι εφαρμογές της υπολογίζεται ότι θα αντιπροσωπεύσουν μια αγορά τρισεκατομμυρίων δολαρίων μέχρι το 2015 και μάλιστα κατανεμημένες σύμφωνα με το παρακάτω διάγραμμα: Πηγή: National Science Foundation (NSF)

3 Μερικές χαρακτηριστικές εφαρμογές είναι: Νανοσωλήνες από άνθρακα Νανοσωλήνες από άνθρακα nanotubes (CNTs) χρησιμοποιούνται στα ρόπαλα του μπέιζ-μπώλ,, στις ρακέτες αντισφαίρισης, σε μέρη αυτοκινήτων λόγω της μεγαλύτερης μηχανικής αντοχής τους με μικρότερη πυκνότητα από αυτήν των συμβατικών υλικών. Οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των νανοσωλήνων από άνθρακα βρίσκουν πεδίο εφαρμογής σε οθόνες, μπαταρίες και άλλα ηλεκτρονικά. Σήμερα κατασκευάζονται νανοσωλήνες και από άλλα υλικά εκτός του άνθρακα. κύτταρα ως φίλμ, που συνυπάρχουν με ένα νέο είδος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας αποτελούν σήμερα αντικείμενο της έρευνας. Αυτή η τεχνολογία θα χρησιμοποιηθεί ευρύτερα όταν παράλληλα ανακαλυφθούν πιο αποτελεσματικοί τρόποι σύλληψης της ηλιακής ακτινοβολίας. Τεχνολογίες φιλτραρίσματος νερού Οι ερευνητές πειραματίζονται με μεμβράνες που αποτελούνται από νανοσωλήνες άνθρακα για την αφαλάτωση και μέσω νανοαισθητήρων για τον προσδιορισμό μολυσματικών παραγόντων στο νερό. Άλλα νανοϋλικά, όπως το διοξείδιο του τιτανίου σε νανοκλίμακα, έχουν μεγάλη δυνατότητα στο φιλτράρισμα και καθαρισμό του νερού. Τρανζίστορρ σε νανοκλίμακα Τα τρανζίστορς είναι συσκευές ηλεκτρονικής μετατροπής όπου μια μικρή ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιείται, όπως μια πύλη, για να ελέγξει τη ροή μεγαλύτερων ποσών ηλεκτρικής ενέργειας. Στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές ισχύει ότι όσα περισσότερα τρανζίστορς περιέχουν, τόσο πιο μεγάλη είναι η ισχύς τους. Σήμερα η καλύτερη εμπορική δραστηριότητα της βιομηχανίας παράγει τα τσιπ των υπολογιστών με διαστάσεις 45 νανόμετρα. Ποιο είναι το μέλλον στη νανοτεχνολογία; Το μέλλον στη νανοτεχνολογία δεν μπορεί να προβλεφθεί. Είναι όμως σίγουρο ότι τοο μέλλον είναι η νανοτεχνολογία! Μερικές χαρακτηριστικές εφαρμογές που σύντομα θα αποτελέσουν μέρος της καθημερινότητάς μας: Ηλιακά πλαστικά Τα λεπτά και εύκαμπτα πλαστικά που περιέχουν νανοϋλικά, πιστεύεται ότι σύντομα θα αντικαταστήσουν τις παραδοσιακές τεχνολογίες. ηλιακές ενεργειακές Τα νανοϋλικά απορροφούν το φως του ήλιου και, σε μερικές περιπτώσεις, το εσωτερικό φως, το οποίο μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα λεπτά ηλιακά

4 Εφαρμογές 1 Οργανικές φωτοδίοδοι (OLEDs) για οθόνες 2 Φωτοβολταϊκό φιλμ που μετατρέπει το φως στην ηλεκτρική ενέργεια 3 Επικαλυμμένα παράθυρα με νανοϋλικά, με αντίσταση στη φθορά και αυτοκαθαριζόμενα με υπεριώδεις ακτίνες 4 Υφάσματα ένδυσης με αντίσταση στους λεκέδες και έλεγχο της θερμοκρασίας 5 Ο ευφυής ιματισμός μετρά το σφυγμό και την αναπνοή 6 Δέρματα ελαφρά αλλά πολύ ανθεκτικά 7 Αρθροπλαστική ισχύου με εμφυτεύματα από βιοσυμβατά υλικά με χρήση νανοϋλικών 8 Χρώματα από νανοϋλικά για να αποτρέπεται η διάβρωση 9 Θερμοχρωμικό γυαλί για να ρυθμίζει το φως 10 Μαγνητικά μέσα για μεγάλη αποθηκευτική μνήμη 11 Κυψέλες καυσίμων με νανοσωλήνες άνθρακα στην ηλεκτρονική και τα οχήματα 12 Νανο-κατασκευασμένο μόσχευμα Νανοτεχνολογία & Εμβιομηχανική - Ηλεκτρόκλωση Σήμερα μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές της Εμβιομηχανικής είναι η κατασκευή ικριωμάτων ιστών που δημιουργούν το κατάλληλο περιβάλλον για την καθοδήγηση του νέου ιστού, την υποστήριξη της ανάπτυξής του, την εξάπλωση και τη διαφοροποίηση εμφυτευμένων κυττάρων. Αυτά τα ικριώματα ιστών, προσφέρουν μια μηχανικά σταθερή και πορώδη δομή που επιτρέπει στα κύτταρα να μεταναστεύσουν μέσα στο περιβάλλον και έτσι να προωθήσουν την ανακατασκευή του ιστού, τόσο μέσα στον οργανισμό όσο και σε τεχνητό περιβάλλον. Ο τομέας της επιστήμης που ασχολείται με την κατασκευή ικριωμάτων κατάλληλων για την αναπαραγωγή και ανάπτυξη ιστών και προσθετικών μελών ονομάζεται τεχνολογία ιστών. Η τεχνολογία ιστών είναι ένα νέο διεπιστημονικό πεδίο, που συνδυάζει τις αρχές των επιστημών Υγείας και των Τεχνολογικών επιστημών, και υπόσχεται πολλά στην περιοχή κατασκευής ζωντανών εναλλακτικών λύσεων για τη δημιουργία ιστών και οργάνων που χρησιμοποιούνται σε μεταμοσχεύσεις (transplantations), στην επανορθωτική ιατρική (reparative medicine) και στην ανακατασκευαστική χειρουργική (reconstructive surgery). Στόχος της μηχανικής ιστών είναι η ανάπτυξη βιολογικών υποκατάστατων που επαναφέρουν, διατηρούν και βελτιώνουν τη λειτουργία των ιστών. Τα υλικά και οι κατασκευαστικές τεχνολογίες έχουν μεγάλη σημασία για τη μηχανική ιστών, για τη σχεδίαση προσωρινών, τεχνητών εξωκυτταρικών δικτύων (extracellular matrices) που υποβοηθούν στη δημιουργία και την ανακατασκευή του ιστού στις τρεις διαστάσεις. Η τεχνολογία ιστών βασίζεται σε μεθοδολογίες ενσωμάτωσης αναπτυσσόμενων κυττάρων σε όργανα ή ιστούς. Τα κύτταρα αυτά όμως δεν έχουν τη δυνατότητα ανάπτυξης πάνω σε προκαθορισμένους προσανατολισμούς που ορίζουν οι τρισδιάστατες μορφές των οργάνων και ιστών αλλά αντίθετα, αναπτύσσονται με τυχαίο τρόπο πάνω σε δισδιάστατα επίπεδα κυψελίδων. Για να επιτευχθεί η απαιτούμενη 3D μορφή των πραγματικών ιστών, οι κυψελίδες αυτές εμφυτεύονται σε πορώδη υλικά που είναι γνωστά ως ικριώματα (scaffolds), στα οποία προσκολλούνται και πολλαπλασιάζονται τα κύτταρα. Για το λόγο αυτό η σχεδίαση και η κατασκευή των ικριωμάτων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα στάδια στην τεχνολογία ιστών. Η επιτυχία και η λειτουργικότητα του κατασκευασμένου ικριώματος, εξαρτάται από πολλούς παράγοντες που καθορίζουν σε ποιο βαθμό το ικρίωμα μπορεί να μιμηθεί τα χαρακτηριστικά του φυσικού εξωκυτταρικού δικτύου. Είναι πλέον γνωστό ότι πολλά λειτουργικά μόρια, υλικά εξωκυτταρικών δικτύων και κύτταρα, αλληλεπιδρούν ιδιαζόντως σε κλίμακα μεγέθους νανομέτρων. Άρα μεγάλη σημασία για την επιτυχή δημιουργία ικριωμάτων ιστών έχει η κατασκευή των κατάλληλων τρισδιάστατων δομών στη νανοκλίμακα.

5 Μέχρι σήμερα έχουν διερευνηθεί διάφορες κατασκευαστικές μέθοδοι αλλά και πειραματικές τεχνικές για τη δημιουργία ικριωμάτων ιστών. Μία από τις σημαντικότερες τεχνικές που ερευνώνται για την κατασκευή ικριωμάτων ιστών είναι και η ηλεκτρόκλωση (electrospinning). ιδιότητες ποικίλουν ανάλογα με τη διάμετρο και τον προσανατολισμό των ινών. Η βασική αρχή της ηλεκτρόκλωσης ανακαλύφθηκε αρχικά το 1914 από τον Zeleny και καταχωρήθηκε ως πατέντα από τον Formhals το Ένα βασικό σύστημα ηλεκτρόκλωσης περιλαμβάνει ένα ηλεκτρικά φορτισμένο πολυμερές διάλυμα, το οποίο με την επίδραση ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου εκτοξεύεται (ψεκάζεται) μέσω ενός ακροφύσιου προς ένα γειωμένο συλλέκτη. Πηγή: Institute of Fundamental Technological Research Polish Academy of Sciences Στην ηλεκτρόκλωση συναντάται η πρόκληση της κατασκευής ικριωμάτων με την επιθυμητή τρισδιάστατη δομή και διαστατική ακρίβεια, καθώς είναι αρκετά δύσκολο να καθοδηγηθούν οι νανοϊνες που παράγονται από τις διατάξεις, σε προκαθορισμένες επιθυμητές θέσεις τόσο στις δύο όσο και στις τρεις διαστάσεις. Προς το παρόν, όπως ήδη αναφέρθηκε, είναι δυνατό με κατάλληλες διατάξεις να κατασκευαστούν δισδιάστατα ή εξαιρετικά λεπτά ικριώματα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μοσχεύματα στο μυοκάρδιο, στην ανακατασκευή αγγείων, τεχνητού δέρματος και σε άλλες εφαρμογές που δεν απαιτείται διακριτή τρισδιάστατη δομή. Η τυπική απόσταση μεταξύ του ακροφύσιου και του συλλέκτη είναι συνήθως 5-30 cm. Το πολυμερές διάλυμα κατά τη διάρκεια της πορείας του προς το συλλέκτη, εξατμίζεται σταδιακά και στη θέση του παραμένει μία ηλεκτρικά φορτισμένη πολυμερής ίνα που συσσωρεύεται στο συλλέκτη. Η ίνα που καταλήγει στο συλλέκτη αποφορτίζεται τελικά στο γύρω περιβάλλον. Το τελικό προϊόν είναι μία συνθετικό πλέγμα που αποτελείται από μικροσκοπικές ίνες με διαμέτρους μεταξύ 50 νανόμετρα και 10 μικρά. Αυτό το συνθετικό πλέγμα μπορεί να αποτελέσει την κύρια δομή ενός ικριώματος του οποίου οι μηχανικές Τα πλεονεκτήματα της εφαρμογής της ηλεκτρόκλωσης για τη δημιουργία ικριωμάτων στην τεχνολογία οστών είναι: 1. Μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο με αποτέλεσμα την καλύτερη ενσωμάτωση και διάχυση των κυττάρων. 2. Ευελιξία στον έλεγχο της δομής του ικριώματος σε επίπεδο νανο/ μικρο-μέτρων. 3. Καλή συμβατότητα με τους φυσικούς ιστούς με αποτέλεσμα τη μειωμένη ανοσογενική αντίδραση. 4. Δυνατότητα ενσωμάτωσης πολλαπλών πολυμερών και άλλων βιοδραστικών συστατικών κατά τη διαδικασία κατασκευής του ικριώματος.

6 5. Καλύτερες μηχανικές ιδιότητες των παραγόμενων νανοϊνών σε σχέση με τα αντίστοιχα συμπαγή υλικά. Μερικά αποτελέσματα από διάφορους συνδυασμούς παράμετρων ηλεκτρόκλωσης, όσο αφορά την μέση διάμετρο της παραγόμενης ίνας, φαίνονται στα παρακάτω σχήματα: Ευχαριστίες Το παρόν έργο συγχρηματοδοτείται για την Ελλάδα κατά 75% από το Ευρωπαϊκό Ταμείο Περιφερειακής Ανάπτυξης (Ε.Τ.Π.Α.) και κατά 25% από Εθνικούς Πόρους. Ιδιαίτερες ευχαριστίες στους Καθηγητές Χαράλαμπο Δουμανίδη (Πανεπιστήμιο Κύπρου) και Περένα Γκούμα (State University of New York).