Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την βοήθεια Nανοτεχνολογίας. Ζένος Λοίζου Α.Μ:4545. Μπαρούτογλου Νίκος Α.Μ:4551

Transcript

1 Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με την βοήθεια Nανοτεχνολογίας Ζένος Λοίζου Α.Μ:4545 Μπαρούτογλου Νίκος Α.Μ:4551 Τ.Ε.Ι ΚΑΒΑΛΑΣ 2014

2 Generating electricity through the help of Nanotechnology Zenos Loizou Mparoutoglou Nikos 2

3 EΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα εργασία αποτελεί ένα πάρα πολύ σημαντικό μέρος της ολοκλήρωσης του πτυχιακού μας προγράμματος στο ΤΕΙ Καβάλας και της απόκτησης ενός πτυχίου που θα μας βοηθήσει στην ανέλιξη μας ως άνθρωπους σε αυτή την κοινωνία που ζούμε. Για την εκπόνηση της πτυχιακής μας εργασίας μας έχει βοηθήσει αρκετά ο καθηγητής μας Κύριος Βορδός Ν. και θα ήθελα να τον ευχαριστήσουμε, καθώς επίσης και την οικογένειά μας για τη συμπαράσταση που μας παρείχε καθ όλη τη διάρκεια της ολοκλήρωσης της εργασίας μας. 3

4 Κατάλογος περιεχομένων Σελίδες Ευχαριστίες... 3 Κατάλογος Περιεχομένων Περίληψη...6 Περίληψη στα αγγλικά...7 Εισαγωγή ΜΕΡΟΣ 1 Ορισμός Νανοτεχνολογίας Ιστορία της Νανοτεχνολογίας ΜΕΡΟΣ 2 Ενέργεια ΜΕΡΟΣ 3 Περιβαλλοντικές επιπτώσεις ΜΕΡΟΣ 4 Κοινωνικές επιπτώσεις ΜΕΡΟΣ 5 Οικονομικές επιπτώσεις ΜΕΡΟΣ 6 Νομικό καθεστώς

5 ΜΕΡΟΣ 7 Εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην ενέργεια 7.1. Γενικά Φωτοβολταικά (PV) Μπαταρίες Κυψέλες καυσίμων (FC) Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η παρουσίαση και ανάπτυξη των επιτευγμάτων της νανοτεχνολογίας στους διάφορους τομείς της ζωής μας. Οι επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας πηρεάζουν τόσο τον κοινωνικό και οικονομικό τομέα, όσο και τον περιβαλλοντικό. Αξίζει να αναφερθεί οτι χάρη στην τεχνολογία βελτιώθηκε το περιβάλλον, καθώς επίσης καινούριες εφευρέσεις στο χώρο της ιατρικής έδωσαν λύση στις διάφορες ασθένειες και άλλα προβλήματα υγίειας. Στη συνέχεια, γίνεται λόγος για τις εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην ενέργεια, και συγκεκριμένα στα φωτοβολταικά, στις μπαταρίες και στις μπαταρίες κυψέλων. Χάρη στις καινοτόμες και αποδοτικές εφαρμογές, μέσω της νανοτεχνολογίας, η ενέργεια μπορεί να αξιοποιηθεί σωστά και λειτουργικά. Εν κατακλείδι, παρατηρείτε οτι η ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας θα επιφέρει περισσότερο θετικά αποτελέσματα στη ζωή των ανθρώπων. 6

7 Abstract The aim of this paper is to present the benefits and development of nanotechnology in different sectors in our lives. The impact of nanotechnology affects both social and economic sector, as well as the environmental one. It is worth mentioning that thanks to nanotechnology the environment has improved, as well as new inventions in medicine gave a solution to various diseases and other healthy problems. Moreover, the project discusses the applications of nanotechnology in energy, particularly in photovoltaics, batteries and fuel cells. Thanks to innovative and efficient applications, through nanotechnology, energy can be handled properly. In conclusion, we observe that the development of nanotechnology will bring more positive results in people's lives than negative ones. 7

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα επιστημονική εργασία αναφέρεται στις καινοτομίες της νανοτεχνολογίας και συγκεκριμένα αναλύει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας. Σύμφωνα με την Ευρωπαική Επιτροπή (2007), η «νανοτεχνολογία είναι μια νέα προσέγγιση για την κατανόηση και την άρτια γνώση των ιδιοτήτων της ύλης σε νανοκλίμακα: ένα νανόμετρο είναι το μήκος ενός μικρού μορίου. Σε αυτό το επίπεδο αποκαλύπτονται διαφορετικές και συχνά καταπληκτικές ιδιότητες της ύλης και είναι δυσδιάκριτα τα όρια μεταξύ των καθιερωμένων επιστημών και τεχνικών κλάδων. Ως εκ τούτου, ο χαρακτήρας της νανοτεχνολογίας είναι άκρως διεπιστημονικός». Αξίζει να αναφερθεί οτι η νανοτεχνολογία θεωρείται μια απο τις επιστήμες η οποία καλύπτει πλήθος εφαρμογών σε διάφορους τομείς όπως, την ιατρική, τη βιολογία, την ενέργεια, την ηλεκτρονική και την επιστήμη υλικών. Μέσω της νανοτεχνολογίας, οι επιστήμονες αποκτούν ικανότητες για να κατανοήσουν και να χειριστούν τα υλικά στην κλίμακα των ατόμων και των μορίων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, ο άνθρωπος μπορεί να δει και να εντάξει νέους θεμελιώδης τρόπους. Μπορεί επίσης να αλλάξει τον τρόπο ζωής και να δημιουργήσει νέα θεμέλια για την κοινωνία. Όπως συμβαίνει με τα αυτοκίνητα, την ηλεκτρική ενέργεια και τους υπολογιστές, οι άνθρωποι θα χρησιμοποιούν τη νανοτεχνολογία για να αλλάξουν τη ζωή τους, τις συνήθειες τους, την εργασία τους, τις αντιλήψεις τους για διασκέδαση, το παιχνίδι, και τόσα άλλα [1]. «Η νανοτεχνολογία αποτελεί ένα από τα σίγουρα στοιχήματα του μέλλοντος, καθώς είναι μάλλον αναπόφευκτο πως μέσα σε λίγα χρόνια θα έχει διεισδύσει σε πάρα πολλά σημεία της καθημερινής και μη ζωής» [2]. Εντούτοις, αρκετά και διάφορες οργανώσεις κάνουν λόγο όσον αφορά τις πιθανές αρνητικές επιπτώσεις που πιθανόν να επιφέρει. Παραδείγματος χάρη, η μεξικανική οργάνωση ITS (Individualidades Tendiendo a lo Salvaje), έβαλε στο μάτι Μεξικανούς επιστήμονες οι οποίοι ασχολούνται με τις καινοτομίες και εφευρέσεις της νανοτεχνολογίας και της βιοτεχνολογίας, διότι θεωρεί οτι δουλειά τους αποτελεί κίνδυνο για την καταστροφή της ανθρωπότητας. «Σύμφωνα με το μανιφέστο, η οργάνωση βρίσκεται πίσω από την αποτυχημένη βομβιστική επίθεση εναντίον ενός ερευνητή του Ινστιτούτου Βιοτεχνολογίας του Εθνικού Αυτόνομου Πανεπιστημίου του Μεξικού» [2]. 8

9 Τα μέλη της μεξικάνικης οργάνωσης (ITS) είναι πρόθυμα να ενεργήσουν με επιθετικό τρόπο, έτσι ώστε να προστατεύσουν το περιβάλλον και απειλούν με πολλών ειδών επιθέσεις. Ορισμένες απο τις απόψεις τους είναι οι ακόλουθες: «Αυτοί που αλλάζουν και καταστρέφουν τη Γη νομίζουν πως οι ενέργειές τους δεν θα είχαν επιπτώσεις; Ότι δεν θα πλήρωναν το τίμημα; Αν πίστευαν κάτι τέτοιο, έκαναν λάθος» [2]. Η συγκεκριμένη οργάνωση για να τιμωρήσει τους Μεξικάνους επιστήμονες, απειλεί με νέες βομβιστικές επιθέσεις εναντίον, στεοχεύοντας στην εκδίκηση και οτι θα πληρώσουν για αυτό που προκαλούν στο περιβάλλον [2]. Η μεξικάνικη οργάνωση (ΙΤS), θεωρεί οτι τόσο η τεχνολογία όσο και οι πολιτισμοί πρόκειται να αποτύχουν, καθώς επίσης αναφέρουν οτι θα οδηγήσουν την ανθρωπότητα στην οικολογική καταστροφή [2]. Η τεχνολογία, κατά την ITS, πρέπει να καταστραφεί και οι άνθρωποι να επιστρέψουν στον παλαιό τρόπο ζωής. Η οργάνωση πιστεύει οτι η νανοτεχνολογία, θεωρείται ένας τεράστιος κίνδυνος για την κοινωνία, διότι η οργάνωση πιστεύει πως «αυτοαναπαραγόμενα ρομπότ κάποια στιγμή θα «αποδράσουν» από τα εργαστήρια για να «καταβροχθίσουν» τη Γη, ενώ είναι αναπόφευκτη και η χρήση της νανοτεχνολογίας ως όπλου» [2]. Στο Μεξικό, όπως και σε άλλες χώρες της Λατινικής Αμερικής (Βραζιλία, Αργεντινή, Χιλή, Ουρουγουάη) η νανοτεχνολογία θεωρείται ως «επένδυση προς το μέλλον» και υπάρχει αρκετό ενδιαφέρον σε αυτόν τον τομέα, εφόσον θεωρείται πως υπάρχουν δυνατότητες να θεωρηθεί ως μία ισχυρή βάση για οικονομική, κοινωνική και τεχνολογική ανάπτυξη [2]. Επομένως, για να γίνει η κατάλληλη και σωστή αξιοποίηση των εφαρμογών αυτών θα πρέπει να γίνει ο απαραίτητος συντονισμός των ερευνητικών προγραμμάτων και επενδύσεων, καθώς επίσης θα πρέπει να υπάρξει συνεργασία των δημοσίων και ερευνητικών φορέων [3]. Κατά τον Miller και τους συνεργάτες του [1] η κοινωνία θα πρέπει να λάβει υπόψη της τον ρυθμό με τον οποίο η νανοτεχνολογία αναπτύσσεται στις μέρες μας, και να συζητήσει τις επιλογές και αλλαγές που θα γίνουν στην μελλοντική 9

10 νανοτεχνολογική μας ζωή. Είναι αναμενόμενο και κατανοητό οτι ο κάθε άνθρωπος ανησυχεί για το μέλλον του και βεβαίως θα διερωτάτε το μέλλον της κοινωνίας που ζει απο τη χρήση της νανοτεχνολογίας. Έπειτα, θα σκέφτεται τις επιπτώσεις, θετικές ή αρνητικές, που ίσως να έχει η τεχνολογία στη ζωή εκατομμυρίων ανθρώπων. Πράγματι, μελέτες έδειξαν οτι η εμφάνιση της νανοτεχνολογίας στη βιομηχανική παραγωγή θα επιφέρει επιπτώσεις στις μεθόδους βιομηχανικής παραγωγής. Οι επιπτώσεις αυτές θα είναι θετικές εφόσον τα αποδοτικά υλικά, κατασκευαστικά στοιχεία και συστήματα που προσφέρει η νανοτεχνολογία έχουν τη δυνατότητα να δώσουν λύσεις σε διάφορα προβλήματα. Κατά συνέπεια, δημιουργούνται νέες και καινοτόμες ευκαιρίες για δημιουργία πλούτου και απασχόλησης. Εκτός απο αυτά, υπολογίζεται πως η νανοτεχνολογία θα συμβάλει στην αντιμετώπιση ποικίλων παγκόσμιων και περιβαλλοντικών προκλήσεων, όπως η μείωση αποβλήτων και των εκπομπών ρητών, καθώς επίσης θα συμβάλει στην εξοικονόμηση των πόρων [3]. Επομένως, παρατηρούμε οτι η νανοτεχνολογία θα συμβάλει θετικά, σε μεγάλο βαθμό, στη ζωή μας. Εντούτοις, θα πρέπει να γίνει σωστή χρήση και αξιολόγηση της, έτσι ώστε να μην επιφέρει αρνητικά προβλήματα τόσο στην κοινωνία και την οικονομία μιας χώρας, όσο και στο περιβάλλον. Συγκεκριμένα η μελέτη αυτή χωρίζεται σε 7 μέρη. Το πρώτο μέρος ασχολείται με τον ορισμό της νανοτεχνολογίας και την ιστορία της. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει την επίδραση της νανοτεχνολογίας στην ενέργεια, ακολουθεί το τρίτο μέρος με τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας, ενώ στο τέταρτο και πέμπτο μέρος αντίστοιχα γίνεται λόγος για την κοινωνία και την οικονομία. Στο έκτο μέρος, αναπτύσσεται γενικά ο τομέας της ενέργειας και πως βοήθησε η χρήση και εφαρμογή της νανοτεχνολογίας σε αυτό, καθώς επίσης στη συνέχεια αναπτύσσονται τα εξής σημεία: φωτοβολταικά, μπαταρίες και κυψέλες καυσίμων. Τέλος, γίνεται αναφορά στις διάφορες εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στον τομέα της ενέργειας. 10

11 ΜΕΡΟΣ 1. Νανοτεχνολογία Ο πρώτος που έδωσε έναν ορισμό για τη νανοτεχνολογία ήταν ο Norio Tanigutsi από το Πανεπιστήμιο Επιστημών του Τόκιο, το Ο ορισμός που έδωσε αποδεικνύεται διαχρονικός, και είναι ο ακόλουθος: Νανοτεχνολογία είναι η τεχνολογία παραγωγής με σκοπό την υπέρτατη ακρίβεια και τις υπέρ άριστες διαστάσεις, για παράδειγμα η ακρίβεια και η αρτιότητα στην κλίμακα 1nm(νανόμετρο), 10-9 μέτρα μήκους. Ο επίσημος ορισμός που δόθηκε απο το Εθνικό Ινστιτούτο Νανοτεχνολογίας των Ηνωμένων Πολιτειών της Αμερικής στην νανοτεχνολογία είναι: «η νανοτεχνολογία αναμειγνύει την έρευνα και την τεχνολογική πρόοδο σε ατομικό, μοριακό ή μεγάλομοριακό επίπεδο στο εύρος κλίμακας που εκτείνεται από το 1 έως τα 100nm, για να προμηθεύσουν μία ουσιαστική κατανόηση των φαινομένων και των υλικών της νανοκλίμακας, και να δημιουργήσει και να χρησιμοποιήσει δομές, συσκευές και συστήματα που έχουν ασυνήθιστες ιδιότητες και λειτουργίες εξ αιτίας του μικρού και/ή ενδιάμεσου μεγέθους τους» [4]. Η νανοτεχνολογία και οι δυνατότητές της έχουν συναρπάσει τόσο την επιστημονική κοινότητα, όσο και τον υπόλοιπο κόσμο σε παγκόσμιο επίπεδο Τα νανουλικά εφαρμόζονται σε διάφορες κατασκευές και δημιουργίες που προκύπτουν απο την νανοτεχνολογία. Ορισμένα απο αυτά είναι: τα νανοσωματίδια, το γραφένιο, οι 11

12 νανο-ίνες, τα νανοσύρματα και άλλα πολλά. Ξεκινόντας με τα νανοσωματίδια, στην ιστοσελίδα UnderstandingNano.com [5], παρατηρούμε οτι έχουν μία διάσταση η οποία μετρά 100 ή λιγότερα νανόμετρα. Όταν τα νανοσωματίδια συμβάλλουν στο σχηματισμό διαφόρων υλικών, τότε οι ιδιότητες τους αλλάζουν. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας του οτι τα νανοσωματίδια έχουν μεγαλύτερο εμβαδόν επιφάνειας ανά βάρος από ό, τι τα μεγαλύτερα σωματίδια τα οποία είναι πιο αντιδραστικά σε κάποια άλλα μόρια. Τα νανοσωματίδια χρησιμοποιούνται σε πολλούς τομείς. Πιο κάτω αναφέρονται μερικοί απο αυτούς. Τα νανοσωματίδια παρουσιάζονται σε διάφορες εφαρμογές στην ιατρική. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Ράις, απέδειξαν ότι τα νανοσωματίδια οξειδίου του δημητρίου δρουν ως αντιοξειδωτικά για την απομάκρυνση του οξυγόνου τα οποία παρουσιάζονται στο αίμα του ασθενούς μετά από κάποιο τραυματισμό. Τα νανοσωματίδια απορροφούν τις ελεύθερες ρίζες του οξυγόνου [5]. Ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου του Μίτσινγκαν χρησιμοποιούν τα νανοσωματίδια για την παροχή εμβολίου. Τα νανοσωματίδια προστατεύουν το εμβόλιο, δίνοντας του τον απαραίτητο χρόνο να προκαλέσει μια ισχυρότερη ανοσολογική απόκριση. Οι ερευνητές αναπτύσσουν διάφορους τρόπους χρήσης των νανοσωματιδίων διοξειδίου του άνθρακα, που ονομάζονται νανοδιαμάντια, σε ιατρικές εφαρμογές [5]. Παραδείγματος χάρη, τα νανοδιαμάντια με μόρια πρωτεΐνης χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη των οστών στην οδοντιατρική ή για εμφυτεύματα. Οι ερευνητές επίσης, δοκιμάζουν τη χρήση των φαρμάκων χημειοθεραπείας που συνδέονται με τα νανοδιαμάντια για τη θεραπεία των όγκων του εγκεφάλου. Ακόμη, άλλοι ερευνητές δοκιμάζουν τη χρήση των φαρμάκων χημειοθεραπείας που συνδέονται με τα νανοδιαμάντια για τη θεραπεία της λευχαιμίας [5]. Εκτός απο αυτά, οι ερευνητές βρήκαν άλλο τρόπο χρήσης των νανοσωματιδίων, ο οποίο βοηθάει στην πρόωρη διάγνωση μολυσματικών ασθενειών. Η χρήση των νανοσωματιδίων εμφανίζεται και στο περιβάλλον, όπου οι ερευνητές χρησιμοποιούν νανοσωματίδια φωτοκαταλυτικού βολφραμίου οξειδίου του χαλκού για να σπάσουν το πετρέλαιο σε βιοαποδομήσιμες ενώσεις. Τα νανοσωματίδια βρίσκονται σε ένα πλέγμα τα οποία προσφέρουν ψηλή επιφάνεια για την αντίδραση, ενεργοποιούνται από το φως του 12

13 ήλιου και μπορούν να λειτουργήσουν μέσα στο νερό, καθαρίζοντας τις πετρελαιοκηλίδες. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν νανοσωματίδια χρυσού τα οποία εμπλέκονται σε ένα πορώδες οξείδιο του μαγγανίου, ως καταλύτες, για την κατανομή των πτητικών οργανικών ρύπων στην ατμόσφαιρα. Τα νανοσωματίδια σιδήρου χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό της ρύπανσης στα υπόγεια ύδατα, ενώ τα νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου χρησιμοποιούνται για τον καθαρισμό του αρσενικού που βρίσκεται στα πηγάδια νερού [5]. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα νανοσωματίδια και σε διάφορες εφαρμογές της ενέργειας. Τα νανοσωματίδια αυτά ονομάζονται «νανοτετράποδα», και είναι κατάσπαρτα με νανοσωματίδια του διοξειδίου του άνθρακα για την ανάπτυξη ηλεκτροδίων για τις κυψέλες καυσίμου, με μειωμένο κόστος. Το ηλεκτρόδιο αυτό μπορεί να είναι σε θέση να αντικαταστήσει τα ακριβά λευκόχρυσα που απαιτούνται για τους καταλύτες των κυψελών καυσίμου [5]. Ο καταλύτης που χρησιμοποιεί νανοσωματίδια λευκόχρυσου-κοβαλτίου είναι πιο αναπτυγμένος για τις κυψέλες καυσίμου και παράγει δώδεκα φορές μεγαλύτερη καταλυτική δραστικότητα σε σχέση με τον καθαρό λευκόχρυσο. Για την επιτυχία της πιο πάνω μεθόδου, οι μελετητές διαμόρφωσαν τα νανοσωματίδια σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, μειώνοντας έτσι την απόσταση μεταξύ των ατόμων λευκοχρύσου επί της επιφανείας και την αύξηση της δραστικότητάς τους [5]. Επιπρόσθετα, οι ερευνητές απέδειξαν οτι το ηλιακό φως, που συγκεντρώνεται στα νανοσωματίδια, έχει τη δυνατότητα παραγωγής ατμού με υψηλή ενεργειακή απόδοση. Η ηλιακή συσκευή ατμού προορίζεται να χρησιμοποιηθεί σε περιοχές των αναπτυσσόμενων χωρών οι οποίες δεν έχουν παροχή ηλεκτρικού ρεύματος, για τον καθαρισμό νερού ή για την απολύμανση οδοντιατρικών οργάνων. Τα νανοσωματίδια πυριτίου ανόδου, των μπαταριών λιθίου-ιόντων έχουν τη δυνατότητα αύξησης της ισχύς της μπαταρίας και μείωσης του χρόνου επαναφόρτισης. Τα νανοσωματίδια ημιαγωγών εφαρμόζονται σε μια διαδικασία χαμηλής θερμοκρασίας εκτύπωσης που επιτρέπει την κατασκευή ηλιακών κυττάρων, με μειωμένο κόστος [5]. Εκτός απο τους πιο πάνω τομείς, τα νανοσωματίδια της νανοτεχνολογίας εφαρμόζονται και στον τομέα των ηλεκτρονικών. Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τόκιο, δημιούργησαν μια μέθοδο για την εκτύπωση πρωτότυπων κυκλωμάτων 13

14 χρησιμοποιώντας τυποποιημένους εκτυπωτές. Τα νανοσωματίδια με ασημί μελάνι, χρησιμοποιήθηκαν για το σχηματισμό των αγώγιμων γραμμών που απαιτούνται σε πλακέτες κυκλωμάτων [5]. Ο συνδυασμός νανοσωματιδίων χρυσού με οργανικά μόρια δημιουργεί ένα τρανζίστορ γνωστό με το όνομα «NOMFET» («Nanoparticle Organic Memory Field-Effect Transistor»). Το τρανζίστορ αυτό είναι ασυνήθιστο και μπορεί να λειτουργήσει με παρόμοιο τρόπο στο νευρικό σύστημα. Ένα στρώμα από νανοσωματίδια παλλαδίου χρησιμοποιείται σε αισθητήρα υδρογόνου και όταν το υδρογόνο απορροφάται, τα νανοσωματίδια παλλαδίου φουσκώνουν, επιφέροντας βραχυκυκλώματα μεταξύ των νανοσωματιδίων. Στη συνέχεια τα βραχυκυκλώματα μειώνουν την αντίσταση του στρώματος του παλλαδίου [5]. Στη συνέχεια, το νανουλικό γραφένιο, βρίσκεται στις μπαταρίες ιόντων-λιθίου. Αυτές οι μπαταρίες χρησιμοποιούν το γραφένιο στην επιφάνεια της επιφάνειας της ανόδου. Διάφορες μελέτες έχουν δείξει, ότι η επαναφόρτιση μιας μπαταρίας απαιτεί λιγότερο χρόνο με την χρήση της ανόδου του γραφενίου, σε σύγκριση με τις συμβατικές μπαταρίες λιθίου-ιόντων [5]. Όπως τα νανοσωματίδια, έτσι και το γραφένιο, χρησιμοποιείται στον τομέα των ηλεκτρονικών. Επίσης, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το γραφένιο είναι ο αντικαταστάτης των ηλεκτροδίων ινδίου που βασίζονται σε οργανικές διόδους εκπομπής φωτός. Οι συγκεκριμένες δίοδοι εφαρμόζονται στις ηλεκτρονικές οθόνες διαφόρων συσκευών που απαιτούν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Κατά συνέπεια, το κόστος των οθονών σε κινητές συσκευές είναι μειωμένο. Συμπεραίνουμε λοιπόν, οτι η χρήση του γραφενίου και όχι του ινδίου, μειώνει τόσο το κόστος, όσο και εξαλείφει την χρήση των μετάλλων στις οργανικές διόδους εκπομπής φωτός και μπορεί επίσης να δημιουργήσει συσκευές ευκολότερες για ανακύκλωση. Το γραφένιο υπάρχει επίσης στα τρανζίστορ, παρέχοντας τους ψηλές συχνότητες λειτουργίας. Η δημιουργία τρανζίστορ με αυξημένες ποσότητες γραφενίου είναι δυνατή εξαιτίας της ταχύτητας των ηλεκτρονίων του γραφενίου σε σχέση με τα ηλεκτρόνια του πυριτίου. Οι ερευνητές αναπτύσσουν επίσης 14

15 διάφορες τεχνικές λιθογραφίας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων με βάση το γραφένιο [5]. Το γραφένιο έχει τη δυνατότητα δημιουργίας αισθητήρων για τη διάγνωση ασθενειών. Τα μόρια αυτών των αισθητήρων είναι ευαίσθητα και σε κάποιες περιπτώσεις μπορούν να συνδεθούν με τα άτομα του άνθρακα. Παραδείγματος χάρη, μελετητές ανακάλυψαν ότι ο συνδυασμός του γραφενίου και των φθορίζων μορίων μπορούν να διαγνώσουν διάφορες νόσους. Ένας αισθητήρας σχηματίζεται με προσάρτηση φθορίζοντα μόρια σε ενιαίο κλώνου του DNA και στη συνέχεια συνδέοντας το DNA σε γραφένιο [5]. Η νανοτεχνολογία είναι μια συναρπαστική περιοχή της επιστημονικής ανάπτυξης που υπόσχεται «περισσότερα με λιγότερα». Προσφέρει τρόπους για να δημιουργήσουν μικρότερα, φθηνότερα, ελαφρύτερα και πιο γρήγορα συσκευές που μπορούν να κάνουν όλο και πιο έξυπνοι πράγματα, χρησιμοποιούν λιγότερες πρώτες ύλες και καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια 15

16 Άλλες εφαρμογές του γραφενίου περιλαμβάνουν τις μεμβράνες, οι οποίες προσφέρουν αποτελεσματικό διαχωρισμό των αερίων. Το υλικό κατασκευής αυτών των μεμβράνων είναι το γραφένιο. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο διαχωρισμός του φυσικού αερίου χρειάζεται λιγότερη ενέργεια σε σύγκριση με τις χοντρές μεμβράνες, λόγω του οτι το γραφένιο είναι ένα χοντρό άτομο. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου, πιστεύεται ότι αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού, όπου το κόστος θα είναι μειωμένο. Με τις διάφορες τεχνικές που υπάρχουν στις μέρες μας, το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομάκρυνση των ιόντων απο το νερό [5]. Έπειτα, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Ράις, με τη χρήση πλαστικού και νανοκορδέλων γραφενίου, έχουν αναπτύξει ένα σύνθετο υλικό που εμποδίζει τη δίοδο των μορίων του αερίου. Το υλικό που προκύπτει απο τα πειράματα χρησιμοποιείτε σε φιάλες αναψυκτικών και σε ελαφριές δεξαμενές φυσικού αερίου. Εκτός απο αυτά, οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι η προσθήκη γραφενίου σε εποξικά συνθετικά μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία σκληρότερων συστατικών από αυτά, με τη χρήση ενός παρόμοιου βάρος των νανοσωλήνων του άνθρακα. Το γραφένιο φαίνεται να ενώνεται καλύτερα στα πολυμέρη στο επόξυ, προσφέροντας μια πιο αποτελεσματική σύζευξη του γραφενίου στη δομή του σύνθετου υλικού. Η σύζευξη αυτή ίσως δημιουργήσει εξαρτήματα με υψηλή αντοχή, η οποία θα χρησιμοποιείται στις λεπίδες, στους ανεμόμυλους ή εξαρτήματα αεροσκαφών [5]. Σχετικά με τις νανοΐνες, η ίνα έχει διάμετρο 100 νανόμετρα ή λιγότερα, και οι ιδιότητες τους έχουν προσελκύσει διάφορους ερευνητές και εταιρείες να εξετάσουν τη χρήση τους αυτού σε διάφορους τομείς. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν νανοΐνες για τη σύλληψη μεμονωμένων καρκινικών κυττάρων που κυκλοφορούν στο αίμα του ανθρώπινου οργανισμού [5]. Οι ερευνητές και επιστήμονες χρησιμοποιούν τις νανοΐνες επικαλυμμένες με αντισώματα που δεσμεύονται με τα καρκινικά κύτταρα, έτσι ώστε να παγιδεύσουν τα καρκινικά κύτταρα για ανάλυση. Οι νανοΐνες επίσης έχουν τη δυνατότητα τόνωσης του χόνδρου των αρθρώσεων σε περίπτωση που υποστεί κάποια 16

17 βλάβη. Έρευνες του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνιας, του Πανεπιστημίου Τζον Χόπκινς και του Βορειοδυτικού Πανεπιστημίου, προσεγγίζουν με διαφορετικό τρόπο τη χρήση νανοϊνών για την τόνωση του χόνδρου αρθρώσεων που λαμβάνονται [5]. Οι μελετητές χρησιμοποιούν τις νανοΐνες για την μεταφορά θεραπευτικών φαρμάκων, γι αυτό και έχουν αναπτύξει ένα ελαστικό υλικό που είναι ενσωματωμένο με βελόνα όπως οι νανοΐνες του άνθρακα. Το ελαστικό αυτό υλικό έχει παραχθεί για να χρησιμοποιηθεί ως αερόστατο και στη συνέχεια να διογκωθεί. Όταν το μπαλόνι διογκωθεί οι νανοΐνες άνθρακα διεισδύουν στα νοσούντα κύτταρα για να γίνει η μεταφορά των θεραπευτικών φαρμάκων [5]. Οι ερευνητές στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο του Μίτσιγκαν χρησιμοποίησαν νανοΐνες άνθρακα για να φτιάξουν τα ηλεκτρόδια των μπαταριών ιόντων λιθίου οι οποίες μπαταρίες έχουν μεγαλύτερη αποθηκευτική χωρητικότητα. Εκτός από τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, υπάρχουν και οι μπαταρίες λιθίου θείου, οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να αποθηκεύουν αρκετές φορές την ενέργεια των μπαταριών ιόντων λιθίου. Επιπλέον, οι νανοΐνες χρησιμοποιούνται στους αισθητήρες για να αλλάζουν το χρώμα τους, κατά την απορρόφηση χημικών ατμών. Η χρήση αυτών των αισθητήρων είναι σχεδιασμένοι για να φανεί οτι το υλικό απορρόφησης σε μια μάσκα αερίου είναι κορεσμένο. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει πιεζοηλεκτρικές νανοΐνες που είναι αρκετά ευέλικτες ώστε να υπάρχουν σε είδη ένδυσης. Οι ίνες μπορούν να μετατρέψουν την κανονική κίνηση σε ηλεκτρική ενέργεια για να τροφοδοτήσει το κινητό τηλέφωνο και άλλες φορητές ηλεκτρονικές συσκευές [5]. Οι ιδιότητες των νανοσυρμάτων έχουν ωοθήσει τους ερευνητές για την εξέταση τους και τις εφαρμογές τους σε διάφορους τομείς. Αρχίζοντας, με την εφαρμογή των νανοσυρμάτων στην ενέργεια, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, οι ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου του Μίτσινγκαν δημιούργησαν ένα ηλιακό κύτταρο, με τη χρήση γραφενίου επικαλυμμένα με νανοσύρματα οξειδίου του ψευδαργύρου [5]. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η μέθοδος θα επιτρέψει την παραγωγή ηλιακών κυττάρων με χαμηλό κόστος, αλλά με υψηλή και ανταγωνιστική απόδοση. Οι αισθητήρες 17

18 τροφοδοτούνται με ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τα πιεζοηλεκτρικά νανοσύρματα οξειδίου του ψευδαργύρου [5]. Χρησιμοποιώντας το φως απορρόφησης των νανοσυρμάτων, το οποίο είναι ενσωματωμένο σε ένα εύκαμπτο πολυμερές φιλμ είναι μια άλλη μέθοδος παραγωγής ηλιακών πάνελ με μειωμένο κόστος. Μια διαδικασία για την κατασκευή ηλιακών κυψελών, οποία δεν κοστίζει αρκετά, είναι αυτή που πρότεινε το Πανεπιστήμιο του Λώρενς Μπέρκλει. Τα ηλιακά κύτταρα είναι φτιαγμένα από νανοσύρματα καδμίου θειούχου επικαλυμμένα με σουλφίδιο του χαλκού [5]. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ έχουν αυξήσει τα νανοσύρματα πυριτίου σε ένα υπόστρωμα από ανοξείδωτο χάλυβα και απέδειξαν ότι οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν σε αυτές τις ανόδους φτάνουν μέχρι και 10 φορές την πυκνότητα ισχύος των συμβατικών μπαταριών ιόντων λιθίου. Επομένως, η χρήση νανοσυρμάτων πυριτίου προβαίνει στη διόρθωση του προβλήματος της πυρόλυσης του πυριτίου, που παρατηρήθηκε σε ηλεκτρόδια, όπου το πυρίτιο ήταν χύμα [5].Η πυρόλυση προκαλείται εξαιτίας της διόγκωσης του πυριτίου, που απορροφά τα ιόντα λιθίου καθώς επαναφορτίζεται. Εξαιτίας αυτού του φαινομένου, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ενώ τα νανοσύρματα πυριτίου διογκώνονται καθώς τα ιόντα λιθίου απορροφώνται κατά την εκφόρτιση της μπαταρίας και της σύμβασης. Τα ιόντα λιθίου αποχωρούν κατά τη διάρκεια επαναφόρτισης της μπαταρίας, και τα νανοσύρματα δεν σπάζουν, σε αντίθεση με τις ανόδους όπου χρησιμοποιούν χύμα πυριτίου [5]. Όσον αφορά το περιβάλλον, η χρήση αημένιων χλωριδίων νανοσυρμάτων ως φωτοκαταλύτες προβαίνουν στην αποσύνθεση οργανικών μορίων σε μολυσμένα νερά. Επίσης, η χρήση ηλεκτρισμένων φίλτρων που αποτελούνται απο ασημένια νανοσύρματα, νανοσωλήνες άνθρακα και βαμβάκι μπορούν να σκοτώσουν τα διάφορα βακτηρίδια στο νερό [5]. Η παρουσία των νανοσυρμάτων φαίνεται και στον τομέα της ηλετρονικής. Η χρήση ηλεκτροδίων που κατασκευάζονται από νανοσύρματα θα επιφέρει τη δημιουργία επίπεδων οθονών. Τα νανοσύρματα επίσης, χρησιμοποιούνται για την κατασκευή τρανζίστορ χωρίς κόμβους και τη δημιουργία πυκνών συσκευών μνήμης [5]. 18

19 Οι επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ δημιούργησαν τον πρώτο υπολογιστή από νανοσωλήνες άνθρακα παγκόσμια. Ο υπολογιστής αυτός όμως δεν είναι ο συνηθισμένος που όλοι ξέρουμε και χρησιμοποιούμε, αλλά είναι ένα τσιπ που απoτελείται από τρανζίστορς νανοσωλήνων άνθρακα, στη θέση του πυρίτιου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη «δημιουργία μικρότερων, φθηνότερων, γρηγορότερων και ενεργειακά οικονομικότερων ηλεκτρονικών συσκευών, ξεπερνώντας παράλληλα τους φυσικούς περιορισμούς του πυριτίου» [2]. Ένας καθηγητής ισχυρίζεται οτι η δημιουργία ηλεκτρονικών από νανοσωλήνες άνθρακα αντί πυριτίου υπήρχε ανέκαθεν, απλώς δεν είχαν παρουσιαστεί μέχρι τώρα ολοκληρωμένες κατασκευές για να πεπειστεί ο κόσμος, για τα χαρίσματα αυτής της τεχνολογίας. Επομένως, η δημιουργία του υπολογιστή απο νανοσωλήνες άνθρακα θεωρείτε η πρώτη ολοκληρωμένη απόδειξη δημιουργίας μιας πραγματικής συσκευής χρησιμοποιώντας τη νανοτεχνολογία, αντί το πυρίτιο [2]. Η εξέλιξη αυτή επέφερε διάφορες έρευνες στον τομέα των ημιαγωγών, λόγω του οτι μέχρι σήμερα το κυρίαρχο υλικό για τη δημιουργία των τρανζιστορς ήταν το πυρίτιο [2]. Εξαιτίας των βολικών χαρακτηριστικών των νανοσωλήνων άνθρακα, οι οποίοι είναι λεπτοί και δεν σπαταλούν αρκετή ενέργεια για το άνοιγμα και κλείσιμο του τρανζίστορ, θεωρούνται σπουδαίοι και ιδανικοί για χρήση των τσιπς στους υπολογιστές [2]. Εντούτοις, μπορεί η χρήση των νανοσωλήνων στους υπολογιστές, να ακούγεται εύκολη και απλή, δεν είναι. Αυτό συμβαίνει, διότι θα πρέπει να ληφθούν υπόψη η ποσότητα για την κατασκευή τους, καθώς επίσης και η ανάγκη παραγωγής σε ευθείες παράλληλες γραμμές χωρίς ατέλειες στη δομή τους. Οι νανοσωλήνες δεν λειτουργούν πάντοτε στα τρανζίστορς, και αυτό εξαρτάται ανάλογα με τη διαδικασία παραγωγής, εφόσον κάποιοι νανοσωλήνες συμπεριφέρονται ως αγώγιμα μεταλλικά καλώδια [2]. Παρά τις δυσκολίες παραγωγής νανοσωλήνων σε ευθείες παράλληλες γραμμές, οι ερευνητές το κατόρθωσαν και δημιούργησαν νανοσωλήνες άνθρακα σε ευθείες γραμμές με ποσοστό 99.5%, παρόλο που το 0.5% θεωρείται αρκετά μεγάλο εφόσον ένα τσιπ 19

20 περιέχει δισεκατομμύρια νανοσωλήνες. Γι αυτό το λόγο, είναι απαραίτητο να βρεθεί λύση στα τυχόν προβλήματα και δυσκολίες που παρουσιάζονται [2]. Η ομάδα του Στάνφορτ βρήκε την εξής λύση στο πρόβλημα: έκλεισαν όλους τους καλούς νανοσωλήνες, εφαρμόζοντας τάση στο κύκλωμα έτσι ώστε το ηλεκτρικό φορτίο να συγκεντρωθεί στους μεταλλικούς νανοσωλήνες, οι οποίοι στη συνέχεια υπερθερμάνθηκαν και εξαερώθηκαν. Σύμφωνα με την ιστοσελίδα Planitikos.gr, [2] «για τους ατελείς μη-γραμμικούς νανοσωλήνες ανέπτυξαν έναν πανίσχυρο αλγόριθμο που χαρτογραφεί το κύκλωμα έτσι ώστε να λειτουργεί αγνοώντας την ύπαρξη τους». Έτσι δημιουργήθηκε ο πρώτος υπολογιστής στον κόσμο από νανοσωλήνες άνθρακα και περιλαμβάνει 178 τρανζίστορς. Έπειτα, ο υπολογιστής αυτός μπορεί να αριθμήσει και ταξινομήσει αριθμούς [2]. Ακόμη μια σημαντική εξέλιξη της νανοτεχνολογίας στο χώρο των ηλετρονικών είναι η μετατροπή βακτηριακών κυττάρων σε «ζωντανούς» υπολογιστές, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα «να υπολογίσουν λογαρίθμους, να κάνουν διαιρέσεις και να εξάγουν τετραγωνικές ρίζες, χρησιμοποιώντας τρία ή και λιγότερα γενετικά τμήματα» [2]. Η ιδέα μετατροπής βακτηριακών κυττάρων σε «ζωντανούς» υπολογιστές, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα να κάνουν διάφορους μαθηματικούς υπολογισμούς, προέκυψε από τον τρόπο λειτουργίας των αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Οι ερευνητές δημιούργησαν συνθετικά υπολογιστικά κυκλώματα και συνδύασαν τα γενετικά γονίδια με πρωτοποριακούς τρόπους [2]. Οι υπολογισμοί αυτών των κυκλωμάτων γίνονται με αναλογικό τρόπο, οι οποίοι εκμεταλλεύονται φυσικές βιοχημικές λειτουργίες που υπάρχουν ήδη στο κύτταρο. Επομένως, δεν χρησιμοποιείται «ψηφιακή λογική» με αποτέλεσμα να είναι πιο αποτελεσματικά από τα ψηφιακά κυκλώματα με τα οποία έρχονται σε επαφή οι πιο πολλοί συνθετικοί βιολόγοι [2]. Ερευνητές δήλωσαν οτι οι αναλογικοί υπολογισμοί ίσως φανούν χρήσιμοι στο σχεδιασμό κυτταρικών αισθητήρων για παθογόνα ή άλλα μόρια. Επίσης, αναλογικοί αισθητήρες έχουν τη δυνατότητα συνδυασμού με ψηφιακά κυκλώματα τα οποία αποσκοπούν σε εξειδικευμένες ενέργειες, οι οποίες εξαρτώνται απο συγκεκριμένα μόρια [2]. 20

21 Ο Σαρπεσκάρ θεωρείται απο τους ένθερμους υποστηρικτές της αντίληψης ότι οι αναλογικοί υπολογισμοί θεωρούνται πιο αποδοτικοί στον τομέα των «βιολογικών» υπολογιστών, ενώ τα αναλογικά κυκλώματα εκμεταλλεύονται τις φυσικές υπολογιστικές λειτουργίες που υπάρχουν ήδη στα κύτταρα και συνεχώς αλλάζουν τη ροή των δεδομένων [2]. Μελέτες αναφέρουν οτι η δημιουργία ψηφιακών κυκλωμάτων με αντίστοιχα επίπεδα ακριβείας απαιτεί περισσότερο αριθμό γενετικών τμημάτων. Οι ερευνητές στοχεύουν στη δημιουργία αναλογικών κυκλωμάτων σε μη βακτηριακά κύτταρα. Σύμφωνα με τον Σαρπεσκάρ, «η άνοδος της αποκαλούμενης αναλογικής συνθετικής βιολογίας θα δημιουργήσει ένα νέο πλαίσιο θεμελιωδών και εφαρμοσμένων κυκλωμάτων που θα βελτιώσουν δραματικά τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης, της διαχείρισης μορίων και των υπολογιστών» [2]. Οι επόμενες παραγράφοι αναφέρονται σε μερικούς ορισμούς που δόθηκαν για την τεχνολογία. Όπως συμβαίνει σε διάφορους τομείς, για διάφορα πράγματα, πάντοτε δεν υπάρχει ένας σταθερός ορισμός ενός φαινομένου, αλλά ο κάθε οργανισμός, το κάθε ινστιτούτο, ακόμη και το κάθε άτομο φτιάχνει το δικό του ορισμό. Το ίδιο συμβαίνει και στην περίπτωση της νανοτεχνολογίας, στην οποία δόθηκαν αρκετοί ορισμοί. Μερικοί απο αυτούς είναι οι ακόλουθοι: «η νανοτεχνολογία είναι η μελέτη και η χρήση των δομών μεταξύ ενός νανόμετρου ( nm ) και εκατόν νανομέτρων σε μέγεθος». Αυτός θεωρείται ο κυριότερος και πιο κατανοητός ορισμός της νανοτεχνολογίας. Μια άλλη δημοφιλής σύγκριση των νανομέτρων, είναι ότι μπορούν να χωρέσουν περίπου νανόμετρα στο πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας [5]. Η λέξη «νάνο» είναι ένα επιστημονικό πρόθεμα που αντιπροσωπεύει 10-9 ή ένα δισεκατομμύριο. Η λέξη αυτή έχει ελληνικές ρίζες και προέρχεται από την ελληνική λέξη «nano», που σημαίνει νάνος. Ένας άλλος ορισμός είναι ο εξής: "δομές, συσκευές 21