Nanotehnologije u preradi drveta

1. Nanotehnologije u preradi drveta Уводу нанотехнологију инанонауку Nanotehnologije u preradi drveta

2. Nanotehnologije u preradi drveta Definicija NANOTEHNOLOGIJE

3. Kako definisati nanotehnologiju Ima dugu istoriju Ima solidnu teoretsku osnovu Ozbiljno se razvija skoro 30 godina Dakle, šta je nanotehnologija ? Nauka Tehnologija

4. Kako definisati nanotehnologiju Najkraće bi se za nanotehnologiju moglo reći da predstavlja: INŽENJERSTVO U NANO-RAZMERI znači “precizno postavljanje pojedinačnih atoma na pravo mesto”.....skoro bez troškova, koristeći atome pojedinačno, kao što računari koriste bitove informacija. Ovo bi omogućilo automatsku konstrukciju robe i uređaja bez tradicionalnog ljudskog rada, kao što štampač ili fotokopir mašina proizvodi neograničen broj kopija bez prekucavanja originalne informacije. Nanotehnologije u preradi drveta

5. Kako definisati nanotehnologiju • Kako definisati nanotehnologiju? • Projektovanje, karakterizacija, proizvodnja i primena materijala, uređaja i sistema putem kontrole oblika i veličine na nanoskali. • Namenska i kontrolisana manipulacija, precizno postavljanje, merenje, modelovanje i proizvodnja materije na nanoskali u cilju stvaranja materijala, uređaja i sistema sa fundamentalno novim svojstvima i funkcijama. • Projektovanje, sinteza, karakterizacija i primena materijala, uređaja i sistema koji imaju funkcionalnu organizaciju i kod kojih je najmanje jedna dimenzija u nanometarskoj skali. • Nanotehnologija je grupa novih tehnologija u kojima se struktura materijala kontroliše na nanometarskoj skali, kako bi se proizveli novi materijali i uređaji koji imaju upotrebne i jedinstvene karakteristike. Nanotehnologije u preradi drveta

6. Kako definisati nanotehnologiju • ... Šta je u osnovi pomenutih definicija? • U svim ranije pomenutim definicijama podrazumeva se da nano-skala (ili nano-razmera) pokriva raspon između 1 i 100 nm, odnosno površinu od 1 do 100 nm2. • Pojam "kontrole" (izdvaja nanotehnologiju od hemije). • Pojmovi: "nova svojstva/funkcije", "jedinstvene karakteristike (isključuju već postojeće predmete malih dimenzija). • "Multidisciplinarnost". Šta je ispravno: nanotehnologija ili nanotehnologije? Nanotehnologije u preradi drveta

7. Rieč nanotehnologija, koristi se kao sinonim i za nauku i za tehnologiju NAUKA Multidisciplinarna nauka koja uključuje fiziku, hemiju, biologiju, nauke o materijalima i širok skup inženjerskih disciplina Kao nauka, nanotehnologija proučava fizičke, hemijske i biološke osobine molekula i atomskih čestica. TEHNOLOGIJA Primenjuje istraživanja iz navedenih nauka i različite inženjerske discipline za proizvodnju materijala i funkcionalnih sistema sa posebnim, jedinstvenim osobinama

8. nanotehnologija Zašto je nanoskala jedinstvena? Nanotehnologije u preradi drveta

9. ...menja svojstva postojećih materijala! • Materijali koje poznajemo pokazuju bitno drugačija svojstva kada su smanjeni na nano-veličinu: • Inertna platina postaje katalizator • Stabilni aluminijum postaje zapaljiv • Čvrsto zlato na sobnoj temperaturi prelazi u tečno stanje • Silikoni - izolatori postaju provodnici • Uključuje naučno-fantastične koncepte - nanorobote • Skladištenje podataka - sve što je dosad napisano moglo bi se staviti u veličinu kocke šećera

10. Šta je posebno na nano skali ? • Jedinstvene mehaničke, elektronske, fotonske i magnetne osobine nanomaterijala • Ne koriste se kvantni zakoni (mada važe), a sistemi nisu dovoljno veliki za klasične zakone. • Hemijska reaktivnost materijala nanoskale veoma se razlikuju od makroskopskih • Ogromno povećanje površine po jedinici mase i do 1000 m2/g • Nove hemijske forme običnih hemijskih elemenata npr. fulereni, nanocevi ugljenika, titanijum-oksida, zink-oksida i drugih slojevitih jedinjenja

11. Koje osobine zavise od veličine čestica? • Struktura materijala se menja sa veličinom • što može dovodi do različitih osobina u zavisnosti od veličine: • - Optičke osobine (emisija svetlosti) • - Fizičke (tačka topljenja, specifična toplota) • - Hemijske (reaktivnost) • - Mehaničke (jačina, otpornost) • - Električne (provodljivost) • Dobijanje materijala sa novim, boljim osobinama

12. Kodvećine primena postoji optimalna veličina čestica: Ukus butera od kikirikija zavisi od veličine čestica Ekstremno fin amorfni SiO2 se dodaje da bi se kontrolisala tečljivost kečapa Tablete (lekovi) se resorbuju u organizmu brzinom koja zavisi od veličine čestica Veličina čestica pigmenatakontroliše zasićenje i sjaj boja Efikasnost sredstava za uklanjanje mirisa zavisi od površine adsorbenata

13. Odnos površina / zapremina: • 3 nm čestica gvožđa - 50% atoma na površini • 10 nm čestica gvožđa -20% atoma na površini • 30 nm čestica gvožđa - samo 5% atoma na površini J. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p. 12142

14. Nanoskala= Veliki odnos površina / zapremina Ponovljeno 24 puta Primer:kocka materijala zapremine 5 cm3– dužina strane oko1.7 cm–podeljena na 8 dela 24 puta daje kocke dužine strane 1 nm Njihovim ređanjem dobijemo sloj koji može pokriti fudbalsko igralište

15. Boja • U klasičnom smislu do obojenosti materijala dolazi usled apsorpcije svetlosti od strane elektrona u materijalu što rezultira da materijal ima komplementarnu boju • Na metalnim površinama dolazi do potpune refleksije svetlosti tako da nema boje • Male čestice apsorbuju što dovodi do pojave boje tako da je ovo osobina koja zavisi od veličine čestica • Zlato ima različitu boju u zavisnosti od veličine čestica • - koristi se za bojenje stakla još od samih početaka proizvodnje stakla (crveno) • Srebro i bakar takođe daju atraktivne boje Nano - Au • Nosač lekova • Detekcija tumora Nanotehnologije u preradi drveta

16. Tačka topljenja Tačka topljenja čestica zlata znatno opada sa veličinom čestica ispod 5 nm Nanotehnologije u preradi drveta

17. Dodavanje nanočestica (neorganske gline ) gumi veoma poboljšava vek i otpornost na habanje • Zašto ? • Nanočestice se vezuju za krajeve polimernih molekula i sprečavaju njihovo rasplitanje Nanotehnologije u preradi drveta

18. Nanomašina - budućnost

19. UNIVERZALNI ASEMBLERI Eric Drexler opisuje asemblere kao uređaje koji imaju minijaturne robotske ruke pod kontrolom računara. • Oni bi bili u stanju da upravljaju položajima atoma, u cilju kontrolisanja i određivanja precizne lokacije na kojoj se odvijaju hemijske reakcije. Mogućnost ovog pristupa može biti ilustrovana ribozomima. Ribozomi proizvode sve proteine u živim bićima na ovoj planeti. Tipičan ribozom je relativno mali (nekoliko hiljada kubnih nanometara) a sposoban je da gradi gotovo svaki protein vezivanjem amino kiselina (gradivne jedinice proteina) u precizne linenearne nizove. Instrukcije za građenje proteina ribozomima prosleđuje mRNA (informaciona RNA). Ovaj polimer je sastavljen od osnovnih nukleotida adenina, citozina, guanina i uracila. Niz od nekoliko stotina do nekoliko hiljada (400-1800) takvih kodova je osnova za građenje specifičnog proteina.

20. UNIVERZALNI ASEMBLERI • Asembleri će biti sposobni da grade više različitih hemijskih struktura a ne samo jednu vrstu (belančevine) kao ribozomi. • Izračunavanja pokazuju da asembleri ne moraju biti veliki. Težina tipičnih enzima je otprilike 105 AJ (atomskih jedinica mase) dok ribozom ima težinu od 106 AJ. Najmanji asembler bi mogao da ima masu otprilike deset puta veću od mase ribozoma. Trenutna idejna rešenja asemblera su malo veća od ovoga. Nanotehnologije u preradi drveta

21. Cena asemblera!!! Nanotehnologije u preradi drveta • Asembleri bi mogli biti programirani za gradnju bilo koje sturkture, mogu biti programirani da grade druge asemblere.Oni bi bili jeftini. • Posle amortizacije astronomskih troškova razvoja i proizvodnje prvog asemblera, njihova cena kao i objekata koje oni grade ne bi trebalo da bude veća od cene materijala i energije potrebne za njihovu izgradnju. • Na primer krompiri – imaju zapanjujuću kompleksnost u dizajnu koji uključuje desetak hiljada različitih gena i različitih proteina koju su upravljani od mnogo megabita genetskih informacija – ali je ipak cena krompira svega nekoliko desetina dinara po kilogramu. • Radeći na molekularnom nivou, proizvodnja će biti ekstremno čista (bez sporednih proizvoda i zagađenja).

22. MOLEKULARNI RAČUNARI Asembleri zahtevaju detaljne nizove kontrolnih signala, kao što ribozom zahteva mRNA za kontrolisanje svojih postupaka. Takve detaljne signale obezbeđuju minijaturni računari. Dizajn molekularnih računara je dao Eric Drexler. Dizajn je mehanički sličan prirodnom, i bazira se na čvrstim štapićima koji u interakciji jedni sa drugima predstavljaju logička kola. logička kola dizajnirana na ovaj način bila bi veličine 5 nm3. Za obezbeđivanje minimalne kontrole potrebna je zapremina od 2*105nm3(0.0002 mikrona) za jedan jednostavan 4-bitni ili 8-bitni procesor opšte namene. Postojaće verovatno i “alati” koji će se moći dodavati krajevima ruku asemblera. Zajedno sa svim dodacima, mali asembler sa rukama, računarem, i “alatima” bi trebalo da bude lakši od 109 AJ. Poređenja radi Escherichia coli (vrsta bakterije) ima težinu od 1012 AJ. Ovakav asembler bi bio daleko veći od ribozoma ali mnogo manji od bakterije. Nanotehnologije u preradi drveta

23. MOLEKULARNI (NANO) MOTORI Pre nego što budemo u stanju da gradimo mašine koje su sposobne da se samo-repliciraju, prvo moramo imati nano-računare, sposobne da upravljaju takvim mašinama, koji će moći da memorišu algoritme i njihove osnovne instrukcije. Za konstrukciju bilo kakvih mikro mašina, moramo biti sposobni da konstruišemo funkcionalne nano-zupčanike molekularne veličine, da bi bili u stanju da konstruišemo složenije uređaje. Nakon konstrukcije zupčanika dolaze na red nano-manipulatori, to jest uređaji koji su sposobni da pomeraju atome i postavljaju ih na željeno mesto. Nanotehnologije u preradi drveta

24. MOLEKULARNI (NANO) MOTORI Nanotehnologije u preradi drveta

25. MOLEKULARNI (NANO) MOTORI Molekularni motori Simulacija rada zavojnog vretena Molekularni prenosni mehanizam “menjač” Nanotehnologije u preradi drveta

26. KADA ĆE PRISTIĆI NANOTEHNOLOGIJA? Dolazak doba nanotehnologije je potpuno definisan kao dolazak prvog “Univerzalnog Asemblera”, koji je sposoban da gradi od pojedinačnih atoma sve ono što softver definiše. Univerzalni asembler će biti povezan sa rezervama sirovih atoma (ugljenikom, kiseonikom, sumporom, i ostalim elementima). Neke naprednije verzije bi mogle da izdvajaju atome iz vazduha i zemlje. Asembler može napraviti odevni predmet jednako lako kao i superkompjuter ili hamburger ili čak svoju kopiju. Nanotehnologije u preradi drveta

27. KADA ĆE PRISTIĆI NANOTEHNOLOGIJA? Proizvodnju prvog univerzalnog asemblera možemo očekivati za 8-15 godina, ali sa obzirom na napredak tehnologije iz drugih oblasti koje nisu direktno povezane sa nanotehnologijom i dodaju svoj doprinos, može se pretpostaviti da će se ovo okvirno vreme skratiti. Naravno posle otkrića univerzalnih asemblera biće potreban još jedan dodatni period vremena da se razvije odgovarajući softver za upravljanje njima, to jest, da se izrade matrice za proizvodnju odgovarajućih artikala. Nanotehnologije u preradi drveta

28. 3.5 biliona godina prirodne selekcije do evolucije života na zemlji!! Pokušaje da zamislite trodimenzionalnu slagalicu sa trilionima i trilionima povezanih delova. Genetski materijal, koji predstavlja samo-replicirajuću šemu svog biološkog života na zemlji, bio je u centru pažnje istraživača, kao osnova za manipulaciju budućim "nano mašinama". Biolozima je zastrašujuće da se suoče sa činjenicom da će ubrzo biti moguće kreirati evolucioni niz, od prvih “nano-mašina", kojima je trebalo nekih 3.5 biliona godina prirodne selekcije da evoluiraju, do života na zemlji kakav danas poznajemo. Nanotehnologije u preradi drveta

29. NANO FABRIKE Prvi asembleri praktično neće biti pokretni; njih možete zamisliti kao minijaturne fabrike. Svaka ima “mozak” i nekoliko prostijih pod-robota koji rade na specijalnim zadacima. Asembleri će proizvoditi nano delove i odlagati ih u skladu sa instrukcijama ostalih asemblera. Neki od specijalizovanih nano mašina će pokretati delove, drugi će ih spajati u celinu, dok će ostali samo pratiti šta se dešava i informisati “mozak” fabrike. Nanotehnologije u preradi drveta

30. Primena nanotehnologije InformacionaTehnologija Energija • Efikasniji i jeftinijie tehnologije za proizvodnju energije • Solarnećelije • Gorivne ćelije • Baterije • Bio goriva • Manji, brži, efikasniji i moćniji kompjuterski i drugi IT sistemi Medicina Potrošački proizvodi • Hrana i piće • Novi materijali za pakovanje, senzori, and lab-on-chips for testiranje kvaliteta hrane • Aparati i tekstili • Otpornost na fleke, kvašenje i gužvanje • Sredstva za kuću i kozmetika • Samočisteći i proizvodi otporni na ogrebotine, boje i bolja kozmetika • Tretman kancera • Tretman kostiju • Drug delivery • Kontrola apetita • Razvoj lekova • Medicinska sredstva • Diagnostički testovi • Skeneri

31. Nanomaterijali Nanowire Solar Cell: The nanowires create a surface that is able to absorb more sunlight than a flat surface – McMaster Univ., 2008 NanožiceiNanocevi • Dimenzije: 1 – 100 nm • Pokazuju nove fizičke, elektronske i optičke osobine • Kvantno-mehanički efekti značajni • Strukturna jednodimenzionalnost • Veliki odnos površina/zapremina • Moguća široka primena kod nanouređaja i sistema • Nanosenzori • Solarne ćelije • Tranzistori, diode, laseri

32. Nanomaterijali Protein Cross-linked enzymes used as catalyst – Univ. of Connecticut, Storrs , 2007 Enzymes are used as oxidation catalysts Porous silicon (PSi) Human cell on PSi Bone cell on porous silicon – Univ. of Rochester, 2007 Bio-nanomaterijali • Biološki materijali u nanotehnologiji - Proteini, enzimi, DNA, RNA, peptidi 2) Sintetičkinanomaterijali koji se koriste u biomedicini - Polimeri, poroznisilicijum, CNT nanotube

33. Nanouređaji i nanosistemi Nanočip • Trenutno dostupni mikroprocesori koriste čipove rezolucije od 32 nm • U jednom čipu se nalazi do milijardu tranzistora • MEMS (mikro-elektro-mehanički sistem) čipovi daju1TB memorije počipu A MEMS based nanochip – Nanochip Inc., 2006 Nano-elektro-mehaničkiSistem (NEMS) Sensori • NEMS tehnologija omogućava stvaranje ultra malih i visoko senzitivnih senzora za različite primene • NEMS sensor se može primeniti za detekciju patogenih bakterija A NEMS bacteria sensor – Nano Lett., 2006, DOI: 10.1021/nl060275y

34. Nanouređaji i nanosistemi Nanofotonski Sistemi • Nanofotonski sistemi rade sa svetlosnim sistemimanasuprot električnim signalima u elektronskim sistemima • Omogućava paralelno procesuiranje što znači veću mogućnost računanja u manjem čipu A silicon processor featuring on-chip nanophotonic network – IBM Corp., 2008 Gorivne ćelije • Koriste vodonik i vazduh kao gorivo i proizvode vodu kao nusproizvod • Tehnologija koristi membranu od nanomaterijala za proizvodnju struje 500 W fuel cell – H2economy.com Schematic of a fuel cell – Energy solution center Inc.

35. Nanotehnologijau medicini • Termalno topljenje ćelija raka • Nanoshellsimaju metalni spoljašnji sloj oko zrna peska (SiO2) • Selektivno su privučeni ćelijama raka korišćenjem određenih molekula na površini ili usled fenomena povećane propustljivosti i zadržavanja (karakteristika ćelija raka) • Nanoshells se greju IR zračenjem i na taj način se ćelije raka tope Thermal ablation of cancer cells assisted by nanoshells coated with metallic layer and an external energy source – National Cancer Institute

36. Nanotehnologijau medicini • Lečenje • Ciljana dostava lekova • (drug delivery) • Nanočestice koje sadrže lek se oblažu antitelima ćelija raka • Nanočestice se kreću kroz krvne sudove i dolaze do ciljnih ćelija • Lek se oslobađa direktno na ciljnu ćeliju raka • Poboljšana dostava lekova slabo rastvorljivih u vodi • Istovremena dostava dva ili više lekova • Praćenje mesta dostave lekova Targeted drug delivery– Targeted drug delivery using a multicomponent nanoparticle containing therapeutic as well as biological surface modifying agents – Mauro Ferrari, Univ. of Cal. Berkley

37. Nanotehnologijau medicini • Nanotehnologija nudi sredstva i tehnike za efikasniju detekciju, dijagnozu i lečenje bolesti • Detekcijai Dijagnoza • Lab-on-chips • Integriše jednu ili više laboratorijskih operacija na jednom čipu • Obezbeđuje brzi rezultat i lako rukovanje • Primena: Biohemijske analize (DNA/protein/ćelijske analize) • Pomažu kod rane detekcije raka – tumor markeri The microfluidic channel with nanowire sensor can detect the presence of altered genes associated with cancer – J. Heath, Cali. Insti. of Technology The nanoscale cantilever detects the presence and concentration of various molecular expressions of a cancer cell – A. Majumdar, Univ. of Cal. at Berkeley

38. ...i još mnogo toga... Sredstva za sunčanje Tkanine otporne na fleke, kvašenje, izdržljivije Nanoboje u autoindustriji otporne na grebanje, prljanje Katalizatori, poboljšavaju ubrzavaju procese, efikasniji procesi sa manjim utroškom energije Nanokozmetika

40. Trend rasta tržišta proizvoda na bazi nanotehnologije Ilustracija uticaja postojećih tehnologija i nanotehnologije na društvo Nanotehnologije u preradi drveta

41. Nedostaci nanotehnologije • Najveća prednost i glavna i fascinantna odlika nanotehnologije, ujedno je i njena najveća mana tj. opasnost, a to je veličina čestica kojima se bavi. • Svet nanotehnologije golom je oku nevidljiv, ali je njegov potencijalni učinak na naš svet zapravo ogroman. • O opasnostima nanotehnologije za zdravlje, sigurnost i okolinu, malo se zna, a rizik je velik i prilično zabrinjava Zato predstavnici industrija i prvenstveno organizacija za zaštitu okoline traže od vlasti u visokorazvijenim zemljama veća ulaganja u istraživanja sigurnosti primjene nanotehnologije. • Velike svote ulažu se u razvoj nanotehnologije, a iznosi namenjeni za istraživanje na području sigurnosti su višestruko manji.

42. Grey goo