g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Çin Nano Teknik Raporu: Sondan Başlayan Ülkenin Büyük Silahı

Editörün notu: 29-31 Ağustos tarihleri arasında, Ulusal Nano Bilim ve Teknoloji Yönlendirme ve Koordinasyon Komitesi ev sahipliğinde ve Çin Bilimler Akademisi Ulusal Nano Bilim Merkezi tarafından üstlenilen 7. Çin Uluslararası Nano Bilim ve Teknoloji Konferansı (ChinaNANO 2017) Pekin'de düzenlendi. "Ulusun Büyük Silahı Sonunda Başlıyor - Çin'in Nanobilim ve Teknoloji Geliştirmesine Genel Bir Bakış" Çince ve İngilizce teknik raporu. Beyaz kağıt Çin'in nanobilim alanının avantajlarını ve zorluklarını ortaya koyuyor ve nasıl daha fazla zenginleşip geliştirileceğine dair öneriler sunuyor. Burada beyaz bülteni tam metin olarak okuyuculara iletiyoruz.

sıra

Bai Chunli Çin Bilimler Akademisi Dekanı

Nanobilim, nanoboyuttaki (atomlardan, moleküllerden mikron altı ölçeklere kadar) maddelerin etkileşimini, bileşimini, özelliklerini ve üretim yöntemlerini inceleyen bir bilimdir. Modern multidisipliner alandaki odak bilimsel konuları nano ölçekte bir araya getirir, disiplinler arası entegrasyonu destekler ve çok sayıda teknolojik atılımı ve orijinal inovasyon fırsatlarını doğurur. Aynı zamanda, nanoteknolojinin yüksek teknolojinin doğuşu da üretimimiz ve yaşamımız üzerinde büyük bir etkiye sahip olacak.

1980'lerden bu yana nanoteknoloji geniş ilgi gördü. 2000 yılında Amerika Birleşik Devletleri, uluslararası nanoteknoloji araştırmalarında bir artış başlatan "Ulusal Nanoteknoloji Programı (NNI)" nın yayınlanmasında başı çekti. Çin, nanoteknolojinin gelişimine büyük önem vermekte ve uluslararası gelişime uygun düzenlemeler yapmıştır.2000 yılında Ulusal Nanoteknoloji Yönlendirme ve Koordinasyon Komitesi, 2003 yılında Ulusal Nanobilim Merkezi kurulmuştur. Nanoteknoloji araştırma planları, ulusal orta ve uzun vadeli kalkınma planında konuşlandırılmıştır. Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi de nanoteknoloji ile ilgili araştırmaları uygulamaya koydu. Bu önlemler, Çin'in nanoteknolojisinin gelişimini büyük ölçüde destekledi.

Springer Nature Group, Ulusal Nanobilim Merkezi ve Çin Bilimler Akademisi Belge Bilgi Merkezi, üst düzey literatür yayını, patent başvuruları, temel geliştirme alanları, uluslararası işbirliği ağları vb. Perspektiflerinden büyük verileri kullanarak Çin Nano Beyaz Kitabını derlemek için birlikte çalıştı. Analiz ve görselleştirme yöntemleri, kapsamlı uzman yorumu ve görüşleri, son yıllarda Çin ve dünyadaki nanoteknolojinin gelişme eğilimini bilimsel ve doğru bir şekilde ortaya koymaktadır. Makale, nitel analizi ve nicel analizi birleştirir ve öznel yargı, nesnel verilerle doğrulanır. Rapor, bir yandan son yirmi yılda dünya çapında büyük ölçüde gelişmiş olan nanoteknolojinin insan sosyal yaşamının ilerlemesine büyük etkisi olduğunu görmemizi sağlarken, diğer yandan ilgili alanlardaki değişiklikleri ve değişiklikleri de görüyoruz. etkiler. Nanobilim araştırma ve teknoloji uygulamaları malzeme ve üretim, elektronik ve bilgi teknolojisi, enerji ve çevre ve tıp ve sağlık alanlarına yayılmıştır. Aynı zamanda, nanoteknolojinin hızla gelişmesinin toplum üzerindeki büyük etkisi, etik ve güvenlik sorunlarını da beraberinde getirdi ve potansiyel riskler dikkate alınmaya ve araştırmaya değer.

Rapor, Çin'in nanobilim alanında bugün dünyada nanobilim ve teknolojik ilerlemeye önemli bir katkı sağladığını ve dünyanın en büyük nanoteknoloji araştırma ve geliştirme ülkesi olduğunu ve bazı temel araştırmaların uluslararası lider seviyeye ulaştığını gösteriyor. Çin'in nanoteknoloji uygulama araştırmalarının ve başarı dönüşümünün etkinliği de şekillenmeye başladı. Patent başvuruları açısından Çin dünyanın ön sıralarında yer almaktadır. Bunlar, Çin'in nanoteknoloji alanındaki sürekli yatırımıyla yakından ilgilidir ve ayrıca Çin'in nanoteknoloji araştırmalarının nicelikten özgünlüğe ve kaliteye doğru bir değişim sağladığını ve nanoteknolojinin endüstriyel uygulamasına daha fazla önem verdiğini göstermektedir.

Geleceği dört gözle bekleyen nanoteknoloji birçok fırsat ve zorlukla karşı karşıyadır. Nano ölçekli temel araştırmada ilerleme sağlamalıyız, temel ve uygulama arasındaki boşluğu doldurmayı hızlandırmalıyız ve dünyanın enerji, çevre ve sağlık alanlarından daha büyük talepleri karşılamalıyız. Bu amaçla, yenilikçi yeteneklerin yetiştirilmesini daha da artıracak, değer zincirlerinin ve inovasyon zincirlerinin inşasını ve yetiştirilmesini hızlandıracak ve daha kapsamlı ve etkili bir küresel işbirliği gerçekleştireceğiz. Ortak çabalarımızla, nanoteknolojinin temel sınır alanlarında daha özgün atılımlar gerçekleştirebileceğini, daha fazla uygulama sonucunun meyve vereceğini, kök salacağını, ülkeye hizmet edeceğini, insanlara fayda sağlayacağını ve Çin'in erken bir dünya bilimsel ve teknolojik gücü kurmasına gereken katkılarda bulunacağını umuyoruz.

Küçük bir tohumdan yüksek bir ağaca

25 yıl önce, "Doğa" Tokyo'da bir konferans düzenledi ve o sırada gelişmekte olan bir araştırma alanında dünyanın en iyi uzmanlarını bir araya getirdi. Bu alandaki araştırma, maddeyi "nanoteknoloji" dedikleri atom ölçeğindeki1 anlamak ve manipüle etmektir. Ancak, herkes bu adı sevmiyor. Don Eigler, bir zamanlar alandaki en ikonik görüntülerden biri haline gelen "IBM" harflerini nikel yüzeyinde hecelemek için ayrı ksenon atomları kullandı, ancak nanoteknolojinin varlığından şüphe ediyordu. IBM'in bir başka temsilcisi Paul Horn, kullanabilecekleri araçların "harika bilimsel araçlar" olmasına rağmen, önümüzdeki 25 yıl içinde ana akım elektronik teknolojisi üzerinde herhangi bir etkisinin beklenmediğine inanıyor.

1992'de, dünyada nanometre ölçeğinde nesneler üzerinde araştırma yapan, belki de nanoteknolojiden daha uygun olan nanobilim olarak tanımlayan, çoğunlukla fizik veya kimya laboratuarları olmak üzere yalnızca birkaç laboratuvar vardı. O zamanlar bu alana adanmış dergi yoktu ve sadece altı araştırma kurumu adlarında "Nano" ön ekini kullandı. Bugün Clarivate Analytics tarafından yayınlanan 2016 "Dergi Atıf Raporu" nda "Nanobilim ve Nanoteknoloji" kategorisi altında 86 dergi bulunmaktadır. Şu anda Digital Science tarafından sağlanan Global Research Identifier Database'de yer alan araştırma kurumları arasında 192 araştırma kurumu, adlarında açıkça nanobilim veya nanoteknoloji kullandı.

Teknolojinin atom ölçeğinde bir şeyler inşa etmesini henüz başaramamış olsak da gerçekler, bu alandaki birçok kurucunun savunduğu tedbirin çok kötümser olduğunu kanıtladı. Günümüzde, bilgisayar yongalarının geleneksel üretim boyutu yalnızca onlarca nanometre boyutundadır ve IBM tarafından yakın zamanda duyurulan ticari seri üretilen yongalar, yalnızca 5 nanometre boyutunda transistörlere sahiptir. Pek çok TV'nin ışık yayan öğeleri, kuantum noktaları adı verilen nano ölçekli floresan parçacıkları kullanır. Şu anda, nanoteknoloji kullanan ürünler arasında boyalar, güneş kremleri, ilaçlar, güneş gözlükleri, kirlilik detektörleri ve gen sıralayıcılar bulunmaktadır.

Çin, nanobilimin bilimsel, teknolojik ve ekonomik gelişimine potansiyel katkısının farkına varmıştır. 2003 yılında Çin Bilimler Akademisi ve Eğitim Bakanlığı ortaklaşa Ulusal Nanobilim Merkezi'ni kurdu. Başarısının anahtarı, Çin'in en iyi araştırma kurumları olan Tsinghua Üniversitesi, Peking Üniversitesi ve Çin Bilimler Akademisi'nin temsilcilerinin katılımında yatıyor. Geçtiğimiz yirmi yılda, Ulusal Nanobilim Merkezi, Çin Bilimler Akademisi araştırma enstitüleri ve yerel birinci sınıf üniversitelerin ortak promosyonu altında Çin, nanobilim ve teknoloji alanında dünyanın önde gelen ülkesi haline geldi.

Bu teknik incelemede, ilk olarak Çin'in nanobilim ve teknolojisinin mevcut durumunu özetleyeceğiz. Ardından ikinci bölümde, disiplinin gelişim tarihini ve şimdiye kadarki dönüm noktası olaylarını kısaca tanıtın. Bu, nanobilimin dünyamızı oluşturan çeşitli materyalleri nasıl değiştirdiğini, iletişim yolunun nasıl değiştirileceğini, yeni enerjinin nasıl geliştirileceğini ve yeni enerji kullanımının verimliliğinin nasıl iyileştirileceğini ve hastalıkların teşhis ve tedavisine nasıl yardımcı olunacağını içerir.

Üçüncü bölümde, nanobilim disiplininin yükselişini ve bu disiplinde lider olarak Çin'in hızlı gelişimini göstermek için gerçek sayıları kullanacağız. Özellikle bu alanda en büyük etkiye sahip kağıtlar olmak üzere ilgili kağıt çıktılarına odaklanacağız. Nature Research tarafından geliştirilen en son nanobilim araştırma platformu olan Nano'nun ( yardımıyla, Çin'in bu alandaki güçlü yönlerini, zayıf yönlerini ve yeni ortaya çıkan araştırma alanlarını göstermek için bazı nitel görüşler sunmayı umuyoruz. Çin'deki ilgili alanlardaki patent çıktısını da inceleyeceğiz.

Dördüncü bölümde, Çin'deki nanobilimin mevcut gelişimi ve gelecekteki gelişme yönü ile ilgili röportajlarda bazı endüstri uzmanları tarafından ifade edilen görüşleri ve araştırma kurumlarının, finansman kurumlarının ve karar vericilerin bu alanın güçlü gelişimini nasıl desteklemeye devam edebileceğini sunacağız.

Nanobilim ve teknolojinin geçmişi, bugünü ve geleceği

Nanobilim, kısaca, esas olarak milyarda 1 ila 100 parça, yani 1-100 nanometre arasında çok küçük nesneleri inceler. Bu kadar küçük bir ölçekte, malzemelerin fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri, makro ölçekte nesnelerin özelliklerinden çok farklıdır - genellikle çok büyük farklılıklar vardır. Örneğin, düşük mukavemetli veya kırılgan alaşımlar yüksek mukavemete ve yüksek sünekliğe sahip olacak, düşük kimyasal aktiviteye sahip bileşikler güçlü katalizörler haline gelecek ve ışıkla uyarılamayan yarı iletkenler güçlü ışık yayabilecek hale gelecektir. Nano ölçekli işleme, bilim, teknoloji, mühendislik ve tıbbın çoğu alanı için pratik önemi olan maddenin özelliklerini değiştirebilir.

Nanoteknolojinin gelişimindeki kilometre taşları

Nanobilim ve teknoloji bağımsız bir araştırma alanı olarak ancak yakın zamanda gelişti. Herkes genellikle Feynman'ın (Richard Feynman) ölümünden sonraki meşhur konuşmasını alanın başlangıcı olarak anıyor - yani 1959'da California Teknoloji Enstitüsü'nde yaptığı konuşmayı "(mikro) altında bolca yer var). alt oda) ". Feynman konuşmasında, eğer tek bir atom kontrol edilebiliyorsa, teorik olarak Britannica ansiklopedisinin tamamının bir iğnenin ucuna yazılabileceğine dikkat çekti. Ancak bu konuşma, sonraki yıllarda sadece birkaç kez alıntılandı. "Nanoteknoloji" terimi 1974 yılına kadar ortaya çıkmadı. İlk olarak Taniguchi tarafından "Nanoteknolojinin Temel Kavramları" adlı makalede önerildi.Nanoyapıları sert yüzeylerde aşındırmak için iyon püskürtmenin nasıl kullanılacağını tanıttı.

Bununla birlikte, nanomalzemelerin kullanımı, seramik sırlar ve renkli pencere camı lekeleri gibi yüzyıllar öncesine kadar izlenebilir. Feynmanın yaklaşık bir yüzyıldır tek bir atomu kontrol etme fikrine öncülük eden İngiliz fizikçi ve elektromanyetik öncü Michael Faraday, ışığın dalga boyuna bağlı saçılımını (Tyndal fenomeni) açıkladı ve araştırma nesnesi kimyasal yöntemlerle hazırlanan altın kolloidler. süspansiyon. Kolloidal altın süspansiyonunun renginin altın nanopartiküllerin boyutuyla değiştiğini fark etti ve çok küçük altın parçacıklarının varlığını fark etti.

Atomları kontrol ederek dünyayı değiştirme olasılığının farkına varmak bir şeydir, ama ona nasıl ulaşılacağı ise bambaşka bir şeydir. Bu anlamda, maddeleri gözlemlemek ve kontrol etmek için araçların geliştirilmesi, nanobilim ve teknolojinin gelişmesi için zaman çizelgesini belirlemektedir. Geliştirilecek ilk araç, 1931'de Ernst Ruska ve Max Knoll tarafından icat edilen elektron mikroskobu idi - ancak atomik çözünürlüğe ulaşmak için bu cihazları geliştirmek onlarca yıl aldı. Ancak nano çağın gelişini gerçekten duyuran ve halkın gözüne giren şey, 1990 yılında Don Eigler ve meslektaşları, nikel bir yüzeye tek bir ksenon atomu yerleştirerek 'IBM'nin üç harfinin hecelenebileceğini gösterdiler. Taramalı tünelleme mikroskobu dokuz yıl önce icat edildi.

Ayrıca 1980'lerde ve 1990'larda, araştırmacılar optik alet çözünürlüğünün sınırını nanometre alanına zorlamaya başladı. Görünür ışığın dalga boyu yaklaşık 400 nanometreden başlar.Geleneksel anlayışa göre görünür ışık, nanoteknoloji ile ilgili 100 nanometrenin altındaki yapıları gözlemlemek için uygun değildir. 1928'de Edward Hutchinson Synge, yapıların 250 nanometrenin altındaki çözünürlüğünü geleneksel mikroskoplarla sınırlayan "Abbe kırınım sınırı" nı aşmak için "yakın alan" mikroskobu yapısını önerdi. Bununla birlikte, 1994 yılına kadar Stefan Hell ve Jan Wichmann, yukarıda bahsedilen 250 nanometre boyut sınırından çok daha küçük moleküler ölçekli optik görüntüleme elde etmek için süper çözünürlüklü floresan mikroskobu (uyarılmış emisyon tükenmesi, STED mikroskobu) olan ilk uygulanabilir çözümü önerdi. .

Nano ölçekli araştırma yeteneklerinin iyileştirilmesi, başlangıçta insanların doğal olarak oluşan birçok nano yapıyı keşfetmesine izin verdi. 1981'de Rus fizikçiler Alexei Ekimov ve Alexander Efros yarı iletkenlerle katkılı cam üzerinde çalışırken, daha sonra yarı iletken kuantum noktaları olarak adlandırılan gömülü nano ölçekli kristaller keşfettiler. Sadece birkaç yıl sonra, Bell Labs'dan Louis Brus, bu tür parçacıkların çözelti içinde nasıl sentezleneceğini gösterdi.

1985'te, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Rice Üniversitesi'nden Harold Kroto, Sean O'Brien, Robert Curl ve Richard Smalley, tamamen karbon atomlarından oluşan futbol şeklinde ve son derece kararlı bir molekül olan fulleren (C60) keşfetti. . Bu, karbonun yalnızca iki allotrop, grafit ve elmasa sahip olduğu şeklindeki geleneksel bilişi bozdu ve kimyagerlerin hayal gücünü açarak, önceki beklentilerinden çok daha büyük bir dizi yeni moleküler yapıyı sentezleme olasılığını düşünmelerini sağladı. 1991 yılında Sumio Iijima, özel elektronik, termal ve mekanik özelliklere sahip bir malzeme olan karbon nanotüplerin sentezini bildirdi ve bu boru şeklindeki nano yapının geniş bir şekilde uygulanmasının yolunu açtı.

Kısa süre sonra, Charles Kresge ve meslektaşları, şu anda petrol arıtma, kanalizasyon arıtma ve ilaç dağıtımında yaygın olarak kullanılan molekülleri filtreleyebilen mezogözenekli nanomateryaller MCM-41 ve MCM-48'i icat ettiler. 1990'ların ikinci yarısında, Charles Lieber, Lars Samuelsson ve Kenji Hiruma liderliğindeki ekip, kristalin yarı iletken nanotelleri sentezlemek için teknolojiyi geliştirdi - nanoteknolojiyi fotonik ve optoelektronik alanlarına tanıtmak için çok önemli bir adım. 2004 yılında Andre Geim ve Konstantin Novoselov, tek katmanlı grafenin ayrılmasını sağlayarak tek atom kalınlığında iki boyutlu bir karbon atomu yapısı elde ederek geleceğin sınırsız teknolojilerine kapı araladı. Ultra hafif, yüksek esneklik, yüksek mukavemet, yüksek iletkenlik ve diğer özellikler, grafeni yeni mucizevi bir malzeme olarak bilinir hale getirir.

1990'ların sonlarında ve bu yüzyılın başlarında, daha fazla nanoteknoloji uygulamaya konuldu. Bir örnek, 1998'de elektronik mürekkebin icadıdır. Bu, kağıt benzeri bir görüntüleme teknolojisidir Mürekkep, son derece küçük kapsüllerden oluşur ve şu anda Kindle gibi e-okuyucularda yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer bir örnek, 1988'de Albert Fert ve Peter Grünberg tarafından keşfedilen dev manyetore direnç etkisidir. Buna göre geliştirilen manyetik okuma kafası, bilgisayar sabit disklerinin boyutunu büyük ölçüde azalttı ve depolama kapasitesini artırdı. Ekimov, Efros, Brus (ve diğerleri) tarafından keşfedilen ve geliştirilen kuantum noktaları, düz ekran TV'ler için arka ışıklar ve canlı hücreler ve dokulardaki en küçük yapıları görüntülemek için boyalar dahil olmak üzere çok çeşitli pratik uygulamalarda da kullanıldı.

Nanoteknolojinin sosyal etkisi

Nano ölçekli materyallerin araştırma ölçeği nispeten küçük olsa da, yaşam tarzımız üzerindeki potansiyel etkisi büyüktür. Dünyanın her yerinden bilim adamları ve mühendisler bu mikro dünyayı keşfediyor ve bilimsel keşiflerini yeni ürünlere ve teknolojilere dönüştürüyor, böylece bir dizi endüstriyi, özellikle malzeme ve imalat, elektronik ve enformasyonu yeniden şekillendiriyor. Teknoloji, enerji ve çevre ile tıp ve sağlık endüstrileri. Geniş kapsamlı sosyal etkisi nedeniyle, nanoteknolojinin hızlı gelişimi, nanoteknolojinin beklenen sonuçlarından yararlanmadan önce çözülmesi gereken etik ve güvenlik sorunlarını da beraberinde getiriyor.

Malzemeler ve imalat

Nanoteknolojinin avantajları, esas olarak maddeleri atomik veya moleküler düzeyde kontrol ederek oluşturulan yeni materyallerde somutlaşmıştır. İdeal mekanik, kimyasal, elektriksel, termal veya optik özelliklerinden dolayı, bu yeni nanomalzemeler günlük ihtiyaçlarda ve endüstriyel üretimde kullanılmaktadır.

Wilson Center, gelişmekte olan nanoteknoloji üzerine bir proje başlattı.Üretici listesine göre, pazarda nanoteknolojiye dayalı 1.600'den fazla tüketici ürünü olduğu tahmin ediliyor. Nanomalzemeler en çok kozmetik, kişisel bakım ürünleri ve giyim gibi sağlık ve fitness ürünlerinde kullanılmaktadır. Sıradan saç kurutma makineleri veya saç düzleştiriciler, ağırlığı azaltmak veya hizmet ömrünü uzatmak için nano malzemeler kullanabilir. Güneş kremleri, cilt yüzeyinde görülemeyen nano-titanyum dioksit veya çinko oksit gibi güneş koruyucu maddeler kullanmıştır. Nano mühendislik ürünü lifler, sadece hafif değil, aynı zamanda bakteri üremesini bile engelleyebilen kırışıklık önleyici ve leke önleyici giysiler yapmak için kullanılır. Nanomalzemeler ayrıca hafif, sert tenis raketleri, bisikletler ve çantalardan otomobil parçaları ve şarj edilebilir pillere kadar çeşitli ürünlerde kullanılır.

İmalat endüstrisinde, nano yapılı malzemeler, aşınmayı azaltmak ve makine ömrünü uzatmak için makine parçaları için yüzey kaplamalarında veya yağlayıcılarda kullanılır. Nanoyapıya sahip alaşımlar, yüksek mukavemetleri, dayanıklılıkları ve hafif olmaları nedeniyle uçak ve havacılık parçalarının üretimi için ideal yüksek performanslı malzemelerdir. Uçak gövdelerinin, filtre malzemelerinin ve diğer parçaların imalatında kullanılırlar, daha fazla korozyon direnci, sismik ve yangın direnci ve mükemmel ağırlık / ağırlık oranı sağlarlar. Metallerin, oksitlerin, karbonun ve diğer bileşiklerin nano parçacıkları da iyi katalizörlerdir ve petrol arıtma, biyoyakıtlar ve diğer alanlarda önemli endüstriyel uygulamalara sahiptir. Mükemmel yüzey alanı / hacim oranı, yüksek katalitik aktivitesi ve düşük enerji tüketimi nedeniyle nanokataliz, optimum hammadde kullanımı, yüksek enerji verimliliği, minimum kimyasal atık emisyonları ve daha yüksek güvenlik gibi birçok avantaja sahiptir.

bilgi Teknolojisi

Nanoteknoloji, bilgi teknolojisi ve dijital elektronik endüstrilerinin gelişimini teşvik etmede kilit bir itici güç olarak, bilgisayarlar, cep telefonları ve TV'ler gibi birçok elektronik ürünün performansını daha da geliştirmiştir.

Intelin kurucu ortağı Gordon Moore, 1965 yılında ünlü Moore Yasasını önerdi - entegre bir yongadaki transistör sayısı her yıl ikiye katlanacak (daha sonra iki yılda bir ikiye katlanacak şekilde revize edildi). O zamanlar nanoteknoloji henüz emekleme aşamasındaydı. Nanoteknolojinin ilerlemesine bağlı olarak, entegre çipler ve transistörler Moore'un öngördüğü gibi küçüldü ve küçüldü, ancak Moore yasası son yıllarda kademeli olarak başarısız olmasına rağmen hesaplama hızı gün geçtikçe arttı. 2016 yılında dünyanın ilk 1 nanometre transistörü doğdu. Transistör, silikon yerine karbon nanotüpler ve molibden disülfürden yapılmıştır ve elektronik cihazların boyutunu daha da küçültme potansiyelini göstererek Moore yasasının en azından bir süre boyunca etkili olmaya devam etmesini sağlar.

İnsanların nanomalzemelerin fiziksel özelliklerini derinlemesine anlaması, daha düşük enerji tüketimiyle yüksek hızlı veri iletimi sağlamak için ışık algılamada, lazerlerde ve transistörlerde kullanılan kuantum cihazlarının geliştirilmesini teşvik etti. Nano ölçekli yarı iletken kuantum noktaları gibi bileşenler tek bir fotonu algılayabilir veya yayabilir.Cihaz şifreleme sistemine uygulandıktan sonra, bilgi sisteminin performansı ve güvenliği geliştirilebilir. Kuantum noktalarının veya inorganik yarı iletken nanokristallerin bir başka uygulama alanı da görüntüleme endüstrisidir. Nanoteknoloji sayesinde, TV'lerin, bilgisayarların ve mobil cihazların ekranları ultra yüksek çözünürlük, enerji tasarrufu ve hatta bükülebilirlik sağlayabilir ve daha gerçekçi görüntüler üretebilir. İnsanlar yeni şeffaf iletken malzemeler tasarlarken karbon nanotüpler veya gümüş nanoteller kullanıyorlar, bu da esnek ekranlar kullanan çeşitli elektronik cihazların geliştirilmesine kapı açıyor.

Enerji ve çevre

Nanoteknoloji, alternatif enerji kaynaklarının geliştirilmesini teşvik edebilir, enerji verimliliğini artırabilir ve çevre yönetişimi için yeni çözümler sunarak çevrenin korunmasına katkıda bulunabilir. Geleneksel enerji sektöründe, nanoteknoloji tabanlı yöntemler veya yeni katalizörler, petrol ve doğal gaz çıkarımını ve yakıt yakmayı daha verimli hale getirerek enerji santrallerinin, araçların ve diğer ağır ekipmanların kirliliğini ve enerji tüketimini azaltır.

Araştırmacılar, fotovoltaik enerji üretim ekipmanının performansını iyileştirmek (güneş enerjisini elektriğe dönüştürmek) ve maliyetleri düşürmek için uzun yıllardır temeldeki malzemeler ve yapılar üzerinde nano mühendislik kullandılar. Örneğin, daha fazla güneş ışığını emmek için bu cihazlara kuantum noktaları eklediler. Ek olarak, silikon dahil geleneksel fotovoltaik malzemelere düşük maliyetli alternatifler sağlamak için düşük sıcaklıklarda perovskit tipi metal-organik bileşikler ve iletken polimerler gibi düşük maliyetli substrat malzemeleri üzerinde büyüyebilen malzemeler kullanırlar.

Nanomateryaller, güneş ışığı toplama verimliliğini artırmaya yardımcı olmanın yanı sıra, otomobil egzozunu faydalı enerjiye dönüştürmek gibi atık ısı dönüşümü için de kullanılabilir. Başka bir örnek olarak, insanlar karbondioksiti temiz yakıt metanına dönüştürebilen nano partiküller ve hidrojenin üretim kapasitesini artırabilen nano-fotokatalizörler geliştirdiler, bu da yeni yenilenebilir enerji geliştirme umutlarını artırdı.

Enerji depolama açısından, nano yapılı elektrot malzemeleri daha farklı elektrokimyasal reaksiyonları destekleyebildiğinden, şarj edilebilir pillerin kapasitesini ve performansını iyileştirmek için kullanılabilirler. Bu sadece yeni nesil pillerin depolama kapasitesini artırmakla kalmaz, aynı zamanda pillerin ağırlığını da azaltarak elektrikli araçlar gibi araçların verimliliğini ve dayanıklılığını artırır.

Nanoteknoloji, su arıtımı ve kirletici temizliği için de kullanılabilir. Örneğin, molibden disülfür (MoS2) filmleri gibi nanomateryaller, daha verimli filtrasyonla tuzlu su tuzdan arındırmayı teşvik edebilirken, gözenekli nanomateryaller sudaki ağır metaller ve kaygan yağ gibi toksik maddeleri bir sünger gibi emebilir. Nanopartiküller ayrıca endüstriyel sudaki kirleticileri kimyasal reaksiyonlarla giderebilir. Ek olarak, nanolifler havadaki küçük parçacıkları emebilir, böylece hava temizleme için filtre olarak kullanılabilirler.

Nanoteknolojinin çevre yönetişiminde uygulanması aynı zamanda hava, su ve topraktaki kirleticilerin tespitini de içerir. Nanopartiküller, benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklerinden dolayı kimyasal veya biyolojik reaktiflere karşı daha hassastır, bu nedenle sensörlerdeki toksik maddeleri tanımlamak için kullanılabilirler, bu geleneksel saha test yöntemlerinden daha basit ve daha hızlıdır ve hatta tespit sırasında kirliliği giderebilirler. Bir şeyler.

Tıp ve sağlık

Nanoteknolojinin en olgun biçiminin, yaşamın kendisinin gösterdiği biçim olduğu söylenebilir. Organellerden alttaki ribozomlara, DNA'ya ve ATP'ye kadar, bu biyolojik sistemler nanobilimciler için sürekli bir ilham kaynağı sağlar. Veya sentetik biyolog Tom Knight'ın bir zamanlar dediği gibi, "Biyoloji iş başında olan nanoteknolojidir!" Bu nedenle nanoteknolojinin tıp ve sağlık endüstrileri üzerindeki etkisi giderek daha önemli hale geliyor, ilaç dağıtımında ve biyomalzemelerde de kullanılıyor. Görüntüleme, teşhis, aktif implantasyon ve diğer tıbbi uygulamalar sürekli olarak geliştirilmiştir.

Nanoteknolojinin biyotıpta belki de en dikkat çekici uygulaması, nanogözenekli gen dizileme teknolojisinin ortaya çıkmasıdır. Çalışma prensibi, her bir DNA ipliğini filmdeki nano boyutlu bir delikten, yani bir nano gözeneklerden geçirmek için bir elektrik alanı kullanmaktır. Tek bir DNA ipliği nano-gözeneklerden geçtiğinde, delikte üretilen akım değişikliği kaydedilir ve böylece tek iplikteki gen kodlama dizisi tanımlanır. Bu teknolojinin gen dizileme maliyetini önemli ölçüde azaltması ve dizileme hızını artırması bekleniyor.

Nanoteknolojinin ümit verici bir başka tıbbi uygulaması da ilaç dağıtımıdır. Nanoteknoloji, ilaçların kimyasal, anatomik ve fizyolojik engelleri aşmasına, hastalıklı dokulara ulaşmasına, hastalık bölgesindeki ilaç konsantrasyonunu artırmasına ve geleneksel ilaçlara göre önemli avantajları olan sağlıklı dokulara verilen zararı azaltmasına olanak tanır. Örneğin, iyi tasarlanmış nano ilaçlar, kan damarı sızıntı noktalarından kanserli dokulara girebilir ve hedef noktalarda birikebilir, böylece kanser hedefli tedavinin doğruluğunu artırır. Diğer uygulamalar, hedeflenen ilaç dağıtımını teşvik etmek için antikorlar gibi biyolojik olarak aktif molekülleri kapsüllemek için nanopartiküllerin kullanımını içerir.

Nanopartiküller ayrıca küçük boyutları ve özel kimyasal özellikleri nedeniyle tıbbi görüntülemede benzersiz uygulama olanaklarına sahiptir. Geleneksel floresan boyalar organik bileşiklerle hazırlanır, genellikle kısa ömürlüdür ve optik özelliklerinin herhangi bir çalışma dalga boyuna ayarlanması da zordur. İnorganik kuantum noktaları kullanarak, çalışma dalga boyu boyuta göre ayarlanabilir ve yukarıdaki iki eksikliğin üstesinden gelinebilir. Dahası, daha uygun ve doğru tanı elde etmek ve tedavi etkilerini iyileştirmek için spesifik dokularda ve tümör lokasyonlarında birikimler tasarlaması ve oluşturması daha uygundur.

Nanoteknoloji, biyolojik doku mühendisliğinde de kullanılmaktadır. Grafen, nanotüpler ve molibden disülfür gibi nanomateryaller, hasarlı dokuları onarmaya veya yeniden şekillendirmeye yardımcı olacak iskeleler yapmak için kullanılabilir. Nanoyapılı yapı iskeleleri, dokuların benzersiz mikro ortamını taklit edebilir, hücre bağlanmasını, çoğalmasını ve büyümesini teşvik edebilir ve normal hücre işlevlerini ve doku büyümesini tetikleyebilir.

Etik ve güvenlik sorunları

Yeni teknoloji, iki ucu keskin bir kılıç gibidir, hem faydalar hem de riskler getirir. Nanoteknoloji bir istisna değildir. Hızlı gelişimini överken, insanlar bunun getirdiği beklenmedik çevresel, sağlık ve sosyal etkilere de dikkat etmelidir.

Şu anda insanların en büyük endişesi, nanopartiküllerin sağlığa yönelik tehdididir, çünkü nanopartiküller insan sistemine akciğerlerden veya deriden kolayca girebilir. Örneğin, karbon nanotüpler ve dizel nanopartiküllerdeki metal kirleticilerin sağlık üzerinde olumsuz etkileri olduğu bulunmuştur. Üretim operasyonlarında nano kirleticilere maruz kalan işçiler daha yüksek sağlık riskine sahiptir ve nanoteknolojiye dayalı ürünler de tüketicileri risklere maruz bırakır. Nanotıpın geleceği parlak olsa da, insan vücudunda metabolize edilip edilmediği ve nasıl metabolize edildiği hala belirsizdir, bu nedenle beklenmedik sonuçlar da getirebilir. Dahası, nanotıpın uzun vadeli etkileri hala belirsizdir.

Ayrıca nanomalzemelerin üretim sürecinde ortaya çıkan endüstriyel emisyonlar ve kullanımdan sonra nano ürünlerin geri dönüştürülmesi de çevreye riskler getirecektir. Nanopartiküller, ekosistemi olumsuz etkileyebilecek ve hayvanların ve bitkilerin hayatta kalması için tehdit oluşturabilecek yüksek aktiviteye ve küçük boyuta sahiptir. Nanoteknoloji, ürünlerin üretim yöntemlerinde dünyayı sarsan değişikliklere neden olacağından, moleküler üretim bir örnektir ve birçok malın boyutunu değiştirir. İnsanlar bunun ne tür bir ekonomik etki ve sosyal değişiklikler getireceğini hala bilmiyorlar. Bu teknolojinin uygulanmasının etik sorunları dikkatlice değerlendirilir.

Bu endişelere yanıt olarak, dünyadaki birçok ülke harekete geçti. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Nanoteknoloji Girişimi'ni başlattı, ana hedeflerinden biri nanoteknolojinin gelişimini sorumlu bir şekilde desteklemek. Ek olarak, Amerika Birleşik Devletleri nanoteknolojinin getirdiği etik, yasal ve sosyal konuları tartışmak ve bunlara yanıt vermek için birkaç çalışma grubu oluşturmuştur. Avrupa Birliği, nanoteknolojinin geliştirilmesinden kaynaklanan sorunların üstesinden gelmek için bir politika oluşturma platformu oluşturmak için Amerika Birleşik Devletleri ile de işbirliği yaptı. 2001'den beri Çin, nano-güvenlik konularını incelemek için fon yatırdı.Nano teknoloji araştırma bütçesinin yaklaşık% 7'si nano-teknolojinin potansiyel çevre, sağlık ve güvenlik sorunları üzerine bilimsel araştırmalar için kullanılıyor. Bu çalışmalar aynı zamanda ilgili çevresel ve sağlık tehlikelerini ölçmek için standart yöntemlerin geliştirilmesini desteklerken, nano kirliliğin izlenmesi ve kontrol edilmesi için kılavuzlar oluşturulmasına yardımcı olacaktır.

İnsanlar, potansiyel risklerini dikkatle değerlendirerek, nanoteknolojiyi etkin bir şekilde kontrol edebilecek ve yaşamımızı ve çevremizi daha iyi hale getirebilecek.

(Aşağıdaki içerik için lütfen daha fazlasını görmek için aşağı kaydırın)

Nanobilimdeki Kilometre Taşları

1856: Nanopartiküller gözlemlendi

Michael Faraday, hazırlanan altın soludaki farklı boyutlardaki parçacıkların Tyndall saçılmasının farklı renklerini göstereceğini buldu.

1928: Yakın alan optik mikroskobu

Edward Hutchinson Synge, yakın alan taramalı optik mikroskopla kırınım sınırının ötesinde görüntüler elde etmeyi önerdi.

1931: Elektron mikroskobu

Ernst Ruska ve Max Knoll ilk elektron mikroskobunu sundular.

1935: Tek moleküllü film

Irving Langmuir ve Katharine Blodgett, tek tabakalı moleküler ince filmler hazırlama tekniğini icat etti.

1946: Moleküler kendi kendine montaj

Zisman, Bigelow ve Pickett, yüzeydeki sıralı tek katmanların kendiliğinden birleştiğini bildirdi.

1959: Altta çok yer var (mikro)

Richard Feynman, California Institute of Technology'de düzenlenen Amerikan Fizik Derneği toplantısında "Altında geniş alan var (mikroskobik)" başlıklı bir konuşma yaptı ve maddeyi atom düzeyinde manipüle etme olasılığı üzerine spekülasyon yaptı.

1968: Moleküler ışın epitaksi

John Arthur Jr ve Albert Cho, yüksek kaliteli tek kristal filmlerin hazırlanması için moleküler ışın epitaksi geliştirdi.

1974: "Nanoteknoloji" terimi doğdu

Norio Taniguchi "nanoteknoloji" terimini icat etti.

1974: Yüzey Geliştirilmiş Raman Spektroskopisi

Martin Fleischmann, Patrick Hendra ve James McQuillan, daha sonra Richard van Duyne ve Alan Creighton tarafından nano ölçekli metal yapıların oluşturduğu alan iyileştirmesinin bir sonucu olarak açıklanan Raman saçılmasının olağandışı artışını bildirdi.

1974: Moleküler Elektronik

Mark Ratner ve Arieh Aviram, moleküler diyot fikrini önerdiler.

1976: Atomik katman birikimi

Tuomo Suntola atomik katman epitaksiyel film hazırlama teknolojisini icat etti.

1980: Doğal olarak oluşan kuantum noktalarının gözlemlenmesi

Alexei Ekimov ve Alexander Efros, nanokristalin kuantum noktalarının varlığını ve optik özelliklerini bildirdi.

1981: Taramalı Tünel Açma Mikroskobu

Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer, taramalı tünelleme mikroskobunu icat etti.

1982: DNA Nanoteknolojisi

Nadrian Seeman, DNA nanoteknolojisi kavramını önerdi.

1983: Yarı iletken kuantum noktalarının büyümesi

Louis Brus, koloidal yarı iletken kuantum noktalarının sentezini bildirdi.

1985: Fullerenlerin keşfi

Harold Kroto, Sean OBrien, Robert Curl ve Richard Smalley, C60 fulleren molekülünü keşfetti.

1986: Atomik Kuvvet Mikroskobu

Gerd Binnig, Calvin Quate ve Christoph Gerber atomik kuvvet mikroskobunu icat etti.

1988: Dev manyetorezistans

Albert Fert ve Peter Grünberg, çok katmanlı filmlerde dev manyetoresistansı keşfetti.

1990: atom ölçeğinde manipülasyon

Don Eigler ve Erhard Schweizer, nikel yüzeyinde tek bir ksenon atomunu manipüle etmek için bir taramalı elektron mikroskobu kullandı ve "IBM" harflerini yazdı.

1991: karbon nanotüpler

Sumio Iijima, karbon nanotüplerin büyümesini bildirdi. Bir yıl sonra Millie Dresselhaus ve meslektaşları, metalin yarı iletken nanotüplere oranını doğru bir şekilde tahmin edebilecek bir teori önerdiler.

1992: Moleküler Elek

Charles Kresge, mezogözenekli moleküler elek materyalleri MCM-41 ve MCM-48'i icat etti.

1993: Kuantum Çiti

Michael Crommie, Christopher Lutz ve Don Eigler, bakır yüzeyinde demir atomlarının oluşturduğu kuantum çitin elektronları yakaladığını bildirdi.

1994: uyarılmış emisyon kaybı mikroskobu

Stefan Hell ve Jan Wichmann, optik görüntülemenin kırınım sınırını aşan uyarılmış emisyon kaybı mikroskobu önerdiler.

1994: İki durumlu moleküler mekik

Fraser Stoddart, kimyasal olarak değiştirilebilen iki dengeli bir moleküler mekik gösterdi.

1994: şablon nanotel

Martin Moskovits, sıralı nanotel dizilerini hazırlamak için şablon olarak gözenekli anodik alüminyum oksit kullandı.

1996: Nanopore gen sıralaması

John Kasianowicz, Eric Brandin, Daniel Branton ve David Deamer, tek bir DNA ipliğini, lipit çift tabakalı bir zarda bir nanogözenek içinden geçirdiler.

1997: Küresel sapma düzeltilmiş taramalı tünelleme mikroskobu

Ondrej Krivanek, taramalı tünel elektron mikroskobunun küresel aberasyonunu düzeltti.

1998: Anormal ışık iletimi

Ebbesen, Lezec, Ghaemi, Thio ve Wolff, metal film üzerindeki alt dalga boyu delik dizisinin anormal ışık iletimini gözlemledi.

1998: Elektronik mürekkep

Comiskey, Albert, Yoshizawa ve Jacobson elektronik mürekkebi icat etti.

1998: Kristalin nanoteller

Charles Lieber, Lars Samuelsson ve Kenji Hiruma, kristalin yarı iletken nanotelleri hazırlamak için teknolojiyi bağımsız olarak geliştirdiler.

1999: Moleküler Motor

Ben Feringa ve Ross Kelly, sırasıyla optik sürücü moleküler motorlar ve kimyasal tahrik moleküler motorlar hakkında rapor verdi.

2001: Nanowire lazer

Yang Peidong, oda sıcaklığında nanotel lazeri gösterdi.

2004: grafenin ayrılması

Andre Geim ve Konstantin Novoselov, tek katmanlı grafeni soymak için bir teknik icat etti.

2006: DNA Origami

Paul Rothemund, tek DNA ipliklerini karmaşık iki boyutlu şekillere katlamak için bir yöntem gösterdi.

2013: Yapay ribozom

David Leigh, amino asitleri belirli bir sırayla birbirine bağlayan yapay bir ribozoma eşdeğer moleküler bir makine yarattı.

Çin'in yükselen nanoteknoloji araştırması

Geçtiğimiz yirmi yılda, Çin'in bilimsel araştırma çıktısının insanlık tarihinde benzeri görülmemiş büyüme oranlarına ulaştığı bir sır değil. 1997'de Çinli araştırmacılar tarafından yazılan bilimsel araştırma makaleleri, dünya çapında Science Citation Index'te (SCI, şimdi Clarivate Analytics tarafından derlenmiştir) yayınlanan makale sayısının yaklaşık% 2'sini oluşturuyordu. Şu anda Çin, dünyadaki orijinal makalelerin neredeyse dörtte birine katkıda bulunuyor. Bunlar arasında, bu gelişme eğilimini vurgulayabilecek araştırma alanı neredeyse nanobilim dışı ve teknolojidir.

Çinin nanobilim araştırmalarının yükselişini daha iyi anlamak için, orijinal bilimsel araştırma makalelerinin sayısı, yeni başlatılan Nano doğal bilimsel araştırma veritabanına dahil edilen bilimsel katkılar ve patent çıktıları açısından Çini dünyadaki diğer büyük bilimsel araştırma ülkeleriyle karşılaştıracağız. Bilimsel araştırma çıktılarının karşılaştırılması.

Son yirmi yılda kağıt üretimi

Çin'in nano araştırmasının durumuna ilişkin bu araştırmayı başlatmak için, SCI'nin genişletilmiş veri tabanına dayanarak 'bilim ve teknoloji' ile ilgili anahtar kelimeleri kullanarak arama yaptık ve dünyadaki belli başlı bilimsel araştırma ülkelerinden her yıl yayınlanan makale sayısını elde ettik. Bu makalelerin temaları, "nanotüp", "kuantum noktası" ve "atomik kuvvet mikroskobu" gibi profesyonel terimleri kapsamaktadır.

1997'de dünya çapında nanobilim ile ilgili yaklaşık 13.000 makale yayınlandı. 2016 yılı itibarıyla,% 14 bileşik yıllık büyüme oranıyla 154.000'e yükseldi; bu, tüm alanlarda ortalama% 3,7'lik yıllık bileşik büyüme oranının üzerinde ve neredeyse dört katına çıktı. Aynı dönemde, Çin nano ile ilgili kağıtların çıktısı 1997'de 820'den 2016'da 52.000'in üzerine çıktı ve yıllık bileşik büyüme oranı% 24'tür (Şekil 1).

Beklendiği gibi, nano alandaki bilimsel araştırma çıktısının genel bilimsel araştırma çıktısına oranı da önemli ölçüde artmıştır (Şekil 2). Yirmi yıl önce, dünya çapında yayınlanan bilimsel araştırma makalelerinin yalnızca% 2'si nanobilim ve teknoloji içeriyordu. Bugün bu oran% 10'un üzerine çıktı. Bu dönemde, nano alandaki bilimsel araştırma makalelerinin genel bilimsel araştırma çıktısına katkı oranı, yalnızca Çin ve Güney Kore küresel ortalamayı aştı. Şimdi, Hindistan da bu kampa katıldı. Bu üç ülkedeki nano araştırmanın toplam bilimsel araştırma çıktısına oranı, bu alandaki diğer tüm önde gelen ülkelerin neredeyse iki katıdır.

Küresel üretimle karşılaştırıldığında, Çin'in nanobilim araştırmalarının büyümesi daha da etkileyici (Şekil 3). Çin'in küresel nanobilim araştırmalarına katkısı istikrarlı büyümeyi sürdürdü. 1997'de, nanoteknoloji ile ilgili SCI makalelerinin yalnızca% 6'sı Çinli yazarları içeriyordu. 2010'da Çin, Amerika Birleşik Devletleri ile eşit seviyedeydi. Şu anda Çin, dünyadaki nanobilim araştırma makalelerinin üçte birinden fazlasına katkıda bulunuyor, bu da ABD'nin neredeyse iki katı. Çin'in hızlı büyümesi bağlamında, yalnızca Güney Kore ve Hindistan da büyüme elde ederken, diğer birçok ülkede nanometre bilimsel araştırma makalelerinin çıktısının küresel payı ya yavaşça arttı ya da yavaş yavaş düştü. Bununla birlikte, bu ülkelerin nispi katkılarının azalmasına rağmen, çoğu ülkede nano ölçekli araştırma makalelerinin toplam çıktısının artmaya devam ettiği vurgulanmalıdır (Şekil 1).