Alles viimastel aastakümnetel on teadlastele selgemaks saanud, kui suur on ruum, võiks öelda „mikrokosmos“, aine kõige väiksemate osade ümber.
Asi sai konkreetsemaks, kui ameerika teadlane, Nobeli auhinna laureaat, Richard Feynman pidas 1959. a. loengu teemal There is plenty of room at the bottom. Tema teesiks oli, et aine sisemuses leidub küllalt ruumi töötada aatomite tasemel, st teha „aatomikäsitööd“. On ainult vaja vastavaid tööriistu.
Jaapani füüsik Norio Taniguchi püüdis tegevust mikrokosmoses süstematiseerida ja ristis selle „nanotehnoloogiaks“. (Nanos tähendab kreeka keeles kääbust.)
Rahvusvaheliselt on nüüd kokku lepitud, et üks miljardik meetrit on üks „nanomeeter“ (nm) ja et nanotehnoloogia haarab partiklite suurusepiirkonda 1-100 nm.
Võrdluseks mõned andmed: üks vesinikuaatom on 0,1 nm, viirus 100 nm, juuksekarva läbimõõt 20.000 nm ja ajalehepaberi paksus 100.000 nm. Vahekord ühe meetri ja nanomeetri vahel on sama suur kui maakera ja kirsimarja vahel. Nii on siis tegemist „hiigelruumiga“, aga väga väikeses skaalas.
Mis teeb nanotehnika huvitavaks? Teaduses ja tehnoloogias on alati püütud leida tugevamaid, kergemaid, vastupidavamaid, üldse efektiivsemaid materjale ja konstruktsioone. Nüüd leiti, et kui materjale pihustada nanosuurustesse osadesse, saavad nad juurde uusi atraktiivseid omadusi, mida neil tavalises suuruses ei ole. Neid uusi omadusi võib seletada kvantfüüsika seadustega, mis hakkavad kehtima nano-skaalas. Tegemist pole siiski mitte tuumafüüsikaga. Nanotehnoloogia rakendub ainult „aatomite katte peal“.
Uued huvitavad kogemused nanomaterjalide alal on pannud käima laialdase arendustöö terves maailmas.
Asi algas õieti tähelepanekutega looduses. Troopiline gekosisalik saab liikuda nii toa seintel kui laes. Leiti, et geko jalgade all on miljoneid väikeseid karvu ja igal neist ka nanosuurune plaat. Plaadid kinnituvad seina külge elektrostaatilise jõuga. Iga karva kohta on see jõud väike, aga kuna karvu on igal loomal kokku 3 miljardit, saavutatakse piisav külgetõmbejõud.
Ameerikas on nüüd hakatud tootma liimivaba „gekoteipi“, mis kinnitub teibi karvase pinna abil. Üks ruutsentimeeter seda tüüpi teipi suudab tõsta kaks kilogrammi. Varsti polegi enam tarvis kruvi või naela riiulite seinale kinnitamiseks.
Selleks, et tegelda nanosuuruses partiklitega, on vaja need nähtavaks teha ja leida meetodeid, kuidas neid töödelda. See polnud pikka aega võimalik.
Me teame, et tavaline valgusmikroskoop suurendab ainult 2500 korda ja elektroonmikroskoop 100.000 korda. Aga sellest ei piisa nanostruktuuri nägemiseks.
Asi lahenes aastal 1981. a., kui konstrueeriti „skaneeriv tunnelmikroskoop“ (STM), millel on võime teha ka aatomid nähtavaks.
STM-i abil on nüüd võimalik näha aatomisuuruses nanopartikleid. Lisaks sellele saab STM-i abil haarata ja liigutada pinnas olevaid aatomeid ning nendest konstrueerida soovitud struktuure.
Praktikas kasutati pikemat aega materjale, mis on nanosuuruses, ilma et ise sellest teadlik oldi. Üks selline väga levinud materjal on kiindrus ehk lambitahm ( carbon black) autoratta rehvides. Umbes 30% rehvist koosneb sellest materjalist. Rehvide suur vastupidavus on meil teada. See tuleneb asjaolust, et tahma partiklid on nanosuurused.
Puhtast süsinikust saab teha ka uut väga olulist nanomaterjali, millest on kasu nii materjalitehnoloogias kui elektroonikas. Eriliste tootmismeetodite kasutamisel organiseeruvad süsiniku aatomid spontaanselt eri struktuuridega molekulideks. Nad võivad end näiteks kokku siduda nagu jalgpall, mille pinnal on 60 süsiniku aatomi seatud viie- ja kuuekandiliste elementide ümber. Sellise molekuli nimeks on „fullereen“. Lisaks sellele võivad süsiniku aatomid end organiseerida süsiniku „nanotorudena” kuuekandiliste elementidega seintel. Nanotorude diameeter on 10 nm ja nendel on suurepärane elektri juhtimise võime, kuna nano suuruses juhtmetes voolutakistust pole. Siis ei teki ka soojust. Need omadused teevad nanotoru struktuurid väga atraktiivseteks elektroonikas.
Nüüd materjali tugevusest. Nanotorude materjal on 100 korda tugevam kui teras. Seda segatakse terase hulka ja kasutatakse konstruktsioonimaterjalina näiteks spordivahendites, mis peavad olema kerged ja tugevad (nt golfikepid, tennisereketid ja võidusõidujalgratta raamid).
(Järgneb)