thumb|Voorbeelden van verschillende vormen van nanomaterialen uit koolstofatomen, zoals fullereen ofwel Buckyballs (d,e,f) Nanotechnologie is de techniek die het mogelijk maakt te werken met deeltjes in de grootte-orde van nanometers (afkorting nm, een miljardste van een meter). Dit is een schaal van grootte die net boven die van atomen (0,060 nm tot 0,275 nm) en eenvoudige moleculen ligt. Een criterium is dat een structuur in op zijn minst één dimensie minder dan 100 nanometer groot is.
Veelgebruikte toepassingen van nanotechnologie zijn de emulsie van kleine deeltjes ('nanodeeltjes') titaniumoxide in verf- en vernissoorten, deeltjes in zonnebrandcreme, cosmetica, koolstof in geckotape (sterk plakband, principe bewezen, in ontwikkeling)Geim, A.K., Dubonos, S.V., Grigorieva, I.V., Novoselov, K.S., Zhukov, A.A. and Shapoval, S.Y. (2003), Microfabricated adhesive mimicking gecko foot-hair, Nature Materials, Vol. 2, pp. 461–3.Nanofabricated gecko-like fasteners with adhesive hairs for disposable absorbent articles, US Patent 7811272, zilver in voedselverpakking, kleding, verband, desinfectiemiddelen en huishoudapparatuur en cerium als katalysator bij verbranding.
De grote opslagcapaciteit van computergeheugens is tevens een toepassing van nanotechnologie. Een probleem van nanotechnologie is de mogelijke onbekende giftigheid van de nieuwe producten.
Algemeen De term werd breder bekend door de publicatie van Eric Drexlers boek The Engines of Creation: The coming era of nanotechnology uit 1986 dat voor het eerst voor een groter publiek dieper op de problemen en mogelijkheden inging. De natuurkundige Richard Feynman had al in 1959 op dit mogelijke vakgebied gewezen. Drexler introduceerde de moleculaire nanotechnologie en is voorstander van een techniek om nanoapparaten te bouwen vanuit atomaire bouwstenen door deze mechanisch in de gewenste volgorde te plaatsen. Het basisidee achter nanotechnologie is dus dat het mogelijk moet zijn, als de chemische samenstelling en het driedimensionale bouwplan van een stof bekend is, deze stof te maken door de juiste bouwstenen op de goede plaats samen te voegen.
De term "nanotechnologie" werd in 1974N. Taniguchi, On the Basic Concept of ‘Nano-Technology’, Proc. Intl. Conf. Prod. London, Part II, British Society of Precision Engineering, 1974. door Norio Taniguchi van de Tokyo Science University gedefinieerd als: "Nanotechnologie bestaat vooral uit het bewerken, scheiden, vastleggen en vervormen van materialen door een atoom of molecuul te manipuleren".Nano-technology mainly consists of the processing of, separation, consolidation and deformation of materials by one atom or by one molecule.
Het betreft het bewerken van materie in de schaal tussen 0,1 en 100 nanometer door voorwerpen van een grotere schaal. Er zijn twee benaderingen: van onderaf (uit het atomaire gebied) en van bovenaf (uit het micrometergebied).
Aanvankelijk was het onderwerp niet bekend in Nederland. Daarom werd het project Nanopodium gestart. Dit is een initiatief van de onafhankelijke Commissie Maatschappelijke Dialoog Nanotechnologie. Het is een podium voor het uitwisselen van gedachten, meningen, ideeën en suggesties om met elkaar in gesprek te komen over kansen en bedreigingen van nanotechnologie voor individu en samenleving. Een van de projecten is het nanopanel.
Geschiedenis In feite is er al lang voor de uitvinding van de term aan het manipuleren van structuren in het nanometerbereik gedaan. Al in de negentiende eeuw kende men solen van goud die uit een suspensie van gouddeeltjes van deze grootte in water bestaan. Er bestond ook al een naam voor dit soort onderzoek: colloïdenchemie. Nu noemt men deze deeltjes goudnanopartikeltjes en is er zelfs een 'chemisch symbool' voor: AuNP (dat dus niet voor een 'goudstikstoffosfide' staat).
Ook polymeren kunnen vaak bogen op een structuur in het nanobereik. Semikristallijne polymeren hebben vaak lamellaire kristallieten met een dikte of twee soorten domeinen in dit groottebereik en het is deze fijnstructuur die grotendeels voor de begeerde eigenschappen verantwoordelijk is. Ook voor biopolymeren geldt iets dergelijks: eiwitmoleculen zijn ook voorwerpen in dit schaalbereik.
Andere materialen zoals metalen of zouten zijn in dit schaalbereik vaak vrij saai en er zijn thermodynamische redenen waarom materialen meestal evolueren naar een toestand van homogeniteit op een grotere schaal (micro- of millimeter). In het algemeen kan men zeggen dat er een mechanisme moet bestaan dat deze neiging tot 'klontering' tot grotere eenheden blokkeert. Anders kunnen nanostructuren niet stabiel zijn.
In zekere zin kunnen we eiwitmoleculen die bijvoorbeeld als katalysator optreden (enzymen) als een soort heel klein machientje beschouwen en de gedachte ligt voor de hand dat dit soort machientjes ook kunstmatig gemaakt zouden kunnen worden.
Dit idee werd al in 1959 geuit door de Amerikaanse natuurkundige en Nobelprijswinnaar Richard Feynman in zijn lezing There's plenty of room at the bottom. Met een geschikte "nanomachine" is het in theorie mogelijk om losse atomen of moleculen op een rij of in een bepaald patroon te plaatsen.
De aftasttechnieken op basis van piëzo-elektrische elementen Het idee om individuele atomen te kunnen verplaatsen kwam vooral voort uit de ontwikkeling van microscopische technieken waarbij een oppervlak wordt afgetast met een fijne naald zoals AFM en STM. Deze technieken danken hun bestaan aan de mogelijkheid bewegingen elektronisch op te leggen met een precisie van kleiner dan een atoom. Uiteraard is een computer daarbij onontbeerlijk. Het is hiermee mogelijk geworden atomen vrij direct 'zichtbaar' te maken en zelfs het oppervlak op atomaire schaal te 'beschrijven'.
Met behulp van scanning tunneling microscopy (STM) kunnen atomen en moleculen worden bestudeerd. Dit berust op het kwantummechanisch tunnelen van elektronen. Voordeel van deze techniek is de extreem hoge resolutie. Het nadeel is dat er geleidende monsters gebruikt moeten worden. Voor het aftasten van niet-geleidende oppervlakken kan gebruikgemaakt worden van een atoomkrachtmicroscoop. Bij deze methode betast een AFM-tip het monster. De tip zit vast aan een hefboom, waarvan de doorbuiging gemeten wordt met een laser. thumb|Afzonderlijke goudatomen zichtbaar gemaakt met scanning tunneling microscopy Onderzoekers slaagden er in 1990 in, met behulp van STM, een aantal xenonatomen zodanig op een nikkelkristal te schikken dat ze samen de letters IBM vormden - het bedrijf waar de onderzoekers werkten.
Nanotechnologie begeeft zich daarmee op het snijvlak van natuurkunde en scheikunde en men streeft naar een samensmelting van scheikunde, biologie en techniek.
Aanvankelijk (1988 tot 2000) dacht men dat de beste aanpak om tot een werkende nanomachine te komen een mechanistische benadering zou zijn. De onderzoekers probeerden onderdelen uit de machinetechniek te maken zoals stangen, tandwielen en motortjes op nanoschaal. Met deze basisonderdelen zouden dan steeds ingewikkeldere constructies gemaakt worden.
In de periode 2000 tot 2004 zocht men het steeds meer in de biologische natuur. De onderzoekers keken hoe in de celstructuur van levende wezens en eencelligen de gang van zaken geregeld is en proberen deze technieken na te bootsen in eigen constructies.
In 2006 werd op dit vlak een doorbraak gerealiseerd door MIT-wetenschappers Paula Hammond, Yet-Ming Chiang en Belcher. Door genetische manipulatie wisten ze een virus genetisch te moduleren zodat dit virus door elektrisch geleidende moleculen uit zijn omgeving te gebruiken zichzelf wist om te bouwen tot een lithium-ionbatterij. Zo is nanotechnologie geëvolueerd tot een uitzonderlijk middel om materialen, systemen, gebruiksvoorwerpen in bijna alle denkbare sectoren (farmaceutica, burgerlijke bouwkunde, agro-bio, foodprocessing, ziekenzorg, automobielsector, transport, micro-elektronica, etc) te verbeteren op zowat alle vlakken: duurzaamheid, gewicht, reinheid.
Toepassingen Medische techniek Een veelbelovend toepassingsgebied is de medische industrie, want op moleculair niveau is de cel ook opgebouwd als een (zeer ingewikkelde) machine.
Het onderzoek spitst zich vooral toe op het gericht bezorgen van medicatie op die plekken in het lichaam waar deze het meest werkzaam is, in plaats van medicatie maar min of meer lukraak in het lichaam te brengen. Men zoekt daarvoor naar vectoren, nanostructuren die als voertuig kunnen dienen. Zo kan bijvoorbeeld AuNP, voorzien van een biochemische schutlaag, de cel en zelfs de kern ervan binnengesmokkeld worden. Ook uit een andere hoek van de colloïden zijn veelbelovende vorderingen te melden. Het is al lang bekend dat met zeepachtige moleculen (amfifiele moleculen) een soort blaasjes of zakjes (micellen) te maken zijn in het nanobereik. In zekere zin is de celmembraan van een cel een vergelijkbare structuur. Er is veel onderzoek naar het gebruik van dit soort structuren als een soort verpakking rond de moleculen van het medicijn.
Materiaaltechniek Men vermoedt voorts ook praktische toepassing te vinden in de verdere miniaturisering van de elektronische chiptechnologie omdat de huidige fotolithografische technieken hun natuurkundige grenzen naderen. Verder vindt nanotechnologie ook zijn weg in tal van nieuwe materialen zoals coatings en vezels.
Nanotechnologie zou in de toekomst ook een 150.000 keer zo grote geheugencapaciteit van geheugenchips kunnen opleveren, door gebruik te maken van moleculaire schakelingen en op koolstof gebaseerde chips.physorg.com; Nanotechnology paves way for super iPods
Koolstofvezels zijn waarschijnlijk een van de best gekende composietmaterialen. Door de koolstofbuisjes op nanoschaal te gaan produceren is men er o.a. in geslaagd om een filtersysteem te ontwikkelen voor drinkwaterzuivering waarbij men er, zonder chemicaliën te gebruiken, in slaagt om water te zuiveren van chemische vervuiling, organisch afval, proteïnen, DNA en zoverder. Nanobuizen kunnen als geleider worden gebruikt.
Fotovoltaïsche cellen Op het vlak van zonnecellen en energieopslag wordt gewerkt aan technologie in dit schaalbereik. Cellen die uit meerdere lagen bestaan (met een dikte in de orde van nanometers), ieder met hun eigen bandgap, hebben de hoogste rendementen en het is ook mogelijk cellen uiterst dun te maken zodat ze in de vorm van een folie toegepast kunnen worden. Deze ontwikkelingen zijn veelbelovend omdat zij de toepassing van de technologie goedkoper kunnen maken.
Foto-elektrochemie Sedert 2004 commercialiseren een aantal fabrikanten in verschillende delen van de wereld vrij eenvoudige systemen en producten die stilaan inburgering vinden in ons dagelijks leven. Zo heeft een Amerikaanse spin-off van een aantal universiteiten een serie nanogemodificeerde coatings gelanceerd. Deze 'verven' op acrylaatbasis tonen uitzonderlijke eigenschappen op het vlak van corrosiebescherming, het voorkomen en behandelen van fungi (schimmels) maar ook mossen, algen etc. én thermische isolatie. Deze coating heeft vrij snel wereldwijd toepassing gevonden als oplossing voor het CUI-fenomeen (corrosie onder isolatie), voornamelijk in HVAC-conductors, pijpleidingen, tankisolatie maar ook in privéwoningen. Het blijkt inderdaad dat met de nanotechnologie ultradunne coatings met uitzonderlijke thermisch isolerende eigenschappen kunnen worden gerealiseerd.