Wat is Nanotechnologie

Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Onderdeel C
Wat is er eigenlijk zo speciaal aan de nanodimensie dat er een hele wetenschap naar
vernoemd is. Wat maakt een nanodeeltje speciaal?
§C.1 Het woord nanotechnologie
Nu we weten hoe klein een nanometer is kunnen we ons gaan bezig houden met de
nanotechnologie. Maar wat is dat nu eigenlijk
Het woord nanotechnologie is opgebouwd uit verschillende woorden uit het Grieks,
•
νανος (nanos): dwerg
•
τεχνη (techni): vakmanschap
•
λογος (logos): woord, gedachte, beschrijving
Dus:
Nanotechnologie is een beschrijving van het vakmanschap van
de dwerg ???
Nou niet dus. Iedereen had een eigen definitie van wat nanotechnologie eigenlijk zou
moeten zijn en wanneer een deeltje een nanodeeltje was. Dat gaf natuurlijk
verwarring. Het is wel zo handig als iedereen dezelfde definitie hanteert zodat je weet
waarover iemand het heeft als hij het over nanotechnologie heeft. Op 7 februari 2008
heeft de EU de volgende definitie voor nanotechnologie bedacht. (Code of conduct
for responsible nanosciences and nanotechnologies research, EU commission
Recommendation, 07-02-2008)
•
Materie op de nanometerschaal heeft een afmeting tussen 1 nm en 100 nm.
•
Nano-objecten worden door de mens gemaakt.
•
Bedoelde en onbedoelde nano-objecten door de mens gemaakt tellen als
nanotechnologie
•
Natuurlijke nano-objecten, die dus door de natuur gemaakt worden, zijn van
deze definitie uitgesloten. Ze behoren niet tot de nanowetenschap of
nanotechnologie
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Maar waar ligt het begin van nanotechnologie?
Opdracht
Bekijk het filmpje Richard Feynman Intro
Opgaven
1. Zoek via internet op wie Richard Feynman is. Waarom hoor je op de achtergrond
van het filmpje een bongo?
2. Richard Feynman is een beroemd didacticus. Wat is dat?
§C.2 In de wereld van nano
Als je stapt in de wereld van nano zul je merken dat er dingen anders zijn dan in de
onze. Hele kleine (nano-) deeltjes hebben ander eigenschappen dan grotere
hoeveelheden materiaal. Zo kan opeens het smelt en kookpunt (zoals bepaald in de
praktische opdracht 1) van een materiaal veranderen, of de breekbaarheid, de
magnetische reactie of de geleiding.
Een nanodeeltje van een stof reageert dus anders dan grotere hoeveelheden van die
stof.
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Dat maakt het ook zo interessant voor wetenschappers om te onderzoeken. Als iets
anders reageert, kun je het gebruiken voor nieuwe ontwikkelingen. Je kunt nieuwe
materialen ontwikkelen met verbluffende eigenschappen zoals we later zullen zien.
Om beter te begrijpen waarom nanodeeltjes andere eigenschappen hebben moeten we
eerst iets meer weten van de ordening van deze deeltjes.
Hiervoor moeten we nog kleiner gaan naar de kleinste bouwstenen waaruit de materie
is opgebouwd. De moleculen en atomen.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Intermezzo moleculen en atomen
Je zult misschien nog niet weten wat moleculen of atomen zijn. Bekijk daarom de site
www.techna.nl
Atomen:
Onder stoffen
Kies alchemie en lees de tekst
Kies atomen
Bekijk de presentatie
Moleculen:
Onder Begrippen
Kies Fase
Bekijk de presentatie
Zuiver water bestaat uit slechts een soort moleculen, namelijk H2O-moleculen, die op
hun beurt weer bestaan uit een tweetal verschillende atomen (H en O)
Als water in een zuivere vorm voorkomt, dan heeft water karakteristieke
stofeigenschappen. Stofeigenschappen zijn eigenschappen die kenmerkend zijn voor
een bepaalde stof, dus waaraan je de stof kunt herkennen en identificeren.
Stofeigenschappen zijn bijvoorbeeld: oplosbaarheid, kleur, geur, dichtheid, smeltpunt,
kookpunt en zo verder.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
In onze nanowereld liggen de atomen en moleculen in geordende structuren. Als je
atomen of moleculen bij elkaar brengt blijven ze niet zomaar op een hoop liggen. Ze
organiseren zich tot bolletjes, plaatjes of kristallen. In het twee dimensionale vlak
ordenen ze zich in laagjes. In het driedimensionale vlak kunnen ze geordend zijn in
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
rasters( vergelijkbaar met de bouw van een steiger), poreuze voortbrengsel (denk
bijvoorbeeld aan sponzen) of regelmatige structuren van deeltjes(vergelijkbaar met
dicht op elkaar geplakte tennisballen)
Zij doen dit helemaal automatisch, er komt geen kracht van buiten aan te pas. We
noemen dit proces zelfordening.
Een goed voorbeeld van zelfordening (ook wel zelforganisatie of zelfassemblage
genoemd) is het DNA.
Opgave
3. Zoek op Internet op wat DNA is en omschrijf wat je gevonden hebt (schrijf het
antwoord in je eigen worden). Zoek ook uit hoe DNA eruit ziet. Maakt hiervan een
tekening of voeg een plaatje aan je tekst toe.
Bij DNA werken 20 aminozuren, 5 basen, 2 suikers en 3 lipiden samen en vormen
helemaal zelfstandig het DNA molecuul. Je kunt dit vergelijken met verschillende
kleuren legoblokken die zichzelf opbouwen tot een bepaalde structuur.
De vorm van het DNA is zoals je in de opdracht hebt opgezocht, een dubbele helix.
§C.3 Verrassingen op nanoschaal
Bekijk het onderstaande plaatje. Er staat er staat linksboven een blokje ijzer
afgebeeld. Het ijzer is een kubus met alle zijden 1 cm lang.
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Zoals je bij het intermezzo hebt kunnen zien bestaat ijzer uit allemaal ijzeratomen.
Die liggen netjes opgestapeld (net als tennisballen). Bij de kubus bevinden zich maar
0,00001 % van alle ijzeratomen aan het oppervlak. De rest zit aan de binnenkant van
de kubus.
In het volgende plaatje is de kubus een aantal keer doormidden gesneden. Nu liggen
er veel meer atomen aan het oppervlak van de kubus. Bij een kubus met zijden van
5nm ligt al 20 % van alle atomen aan een oppervlak.
Hoe kleiner de kubussen hoe meer atomen er aan de buitenkant van de kubussen
liggen. En laat het nou net de buitenste atomen zijn die een wisselwerking met de
omgeving hebben. Als er meer atomen aan de buitenkant liggen kunnen er dus meer
atomen reageren met andere materialen in de omgeving. Daardoor kan een blokje ijzer
met zijden van 1 cm hele andere stofeigenschappen hebben dan hele kleine kubussen
ijzer met zijden van 5 nm.
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
§C.4 Nano en kwantummechanica
De natuurkunde die je hier op school krijgt noem je de klassieke
wetten van de natuurkunde. Alle dingen om je heen voldoen aan
deze wetten. Zo is er bijvoorbeeld de wet van de zwaartekracht.
Als de boom bijvoorbeeld een appel loslaat zal die naar de aarde
toevallen (alle andere dingen overigens ook).
Nanodeeltjes zijn zo klein dat ze ook te maken krijgen met een
heel andere natuurkunde de theorie van de kwantummechanica.
Opgaven
4. Zoek via internet op wat klassieke natuurkunde is. Beschrijf de gevonden term in
je eigen woorden
5. Zoek via internet op wat kwantummechanica is. Beschrijf de gevonden term in je
eigen woorden
6. Het bekendste verhaal over kwantummechanica is het verhaal van de kat van
Schrödinger. Zoek het verhaal op van de kat van Schrödinger. Lees het verhaal
goed door en noteer de belangrijkste trefwoorden. Wat is de bedoeling van dit
verhaal?
In de wereld van alledag is zoiets absurd, maar in de nanowereld is het doodgewoon.
Kwantumsystemen kennen een “superpositie” van toestanden. Ze kunnen met andere
woorden verkeren in verschillende toestanden, die elkaar in klassieke termen
uitsluiten (zoals levend en dood, aan en uit). Maar zodra we het deeltje gaan
observeren moet het “kiezen” voor één toestand.
De toestanden zoals “leven” en “dood” zijn op nanoschaal niet van toepassing. De kat
kan het beide zijn zolang je maar niet kijkt.
En omdat nanodeeltjes en laagjes ook de kwantumwetten volgen en niet alleen de
klassieke wetten hebben ze dus ook andere eigenschappen dan groter deeltjes van
dezelfde stof.
§C.5 Nanotechnologie en wetenschap
Nanotechnologie = multidisciplinair = vakoverstijgend
Nanomaterialen zijn voor zowat alle (technische) gebieden van grote betekenis: je
vindt toepassingen van de productie van lakken en kleuren, over de productie van
werkstoffen voor de automobielsector, de lucht- en ruimtevaart, de electronica- en
bouwsector tot de ontwikkeling van nieuwe medicamenten en medisch-technische
systemen, schoonheidsproducten en nog veel meer.
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
In het onderstaande plaatje zie je hoe de vakken natuurkunde, biologie en scheikunde
(chemie) iets met nanotechniek te maken hebben. De rode lijn staat voor natuurkunde.
Zoals je zult zien in het volgende hoofdstuk probeert de natuurkunde de techniek
onder de knie te krijgen om alles steeds kleiner te maken, te miniaturisering.
Vanuit de biologie bekeken probeer je de processen die er in de natuur zijn te
begrijpen, na te bouwen en voor nieuwe producten te gebruiken. Bijvoorbeeld de
fotosynthese van bladeren voor het maken van zonnecellen (grätzer-cel).
Met behulp van chemie probeer je moleculen en atomen aan elkaar te koppelen zodat
er nieuwe materialen ontstaan.
Maar het blijft niet bij die drie vakken. Op nationaal en internationaal niveau werken
in bedrijven en aan universiteiten multidisciplinaire teams bestaande uit
scheikundigen, natuurkundigen, biologen, medici, wiskundigen, informatici,
materiaalwetenschappers en ingenieurs samen.
Module 10 Nanotechnologie voor alle 3e klassen 2009 – 2010
bms SMC 2009-2010
Hieronder staat een voorbeeld beschreven van hoe een dergelijk team werkt.
Voorbeeld:
“Chemici willen in het laboratorium uit bestaande stoffen nieuwe materialen
samenstellen. Het nieuwe materiaal bestaat uit onderdelen die maar enkele
nanometers groot zijn.
Ze testen de nieuwe stofeigenschappen eerst in kleine hoeveelheden en verbeteren
eventueel het productieproces. Samen met natuurkundigen en
materiaalwetenschappers worden de nieuwe materialen, die bv. als onderdelen van
metalen, kunststoffen of keramische delen moeten dienen, op de bruikbaarheid getest.
Daarnaast werken informatici mee door berekeningsmodellen en computersimulaties
te ontwikkelen, om de eigenschappen van het materiaal te voorspellen en de
simulatiegegevens met de resultaten uit de materiaaltesten te vergelijken. In
pilotexperimenten wordt vervolgens samen met ingenieurs een grotere hoeveelheid
van deze stof geproduceerd om conclusies te kunnen trekken voor de eisen voor de
productie op een grotere schaal.” (Bron: FCI: Nanobox)
Al vanaf het begin van de ontwikkelingsfase zijn ook andere nietnatuurwetenschappelijke beroepsgroepen bij het proces betrokken. Wanneer het
materiaal interessant blijkt te zijn voor de afnemer, wordt door bedrijfseconomen
getoetst of deze materialen economischer zijn dan de op de gebruikelijke manier
geproduceerde materialen. Is dat zo, dan begint de productie en de marketing.
Bij alle stappen, van het idee tot de toepassing van de nanomaterialen, spelen
natuurlijk ook veiligheidsdeskundigen een belangrijke rol. Ze bespreken en toetsen of
met de productie van het nanomateriaal gevaar voor mens en milieu zou kunnen
ontstaan. Op basis hiervan geven zij aanbevelingen voor de veilige omgang met het
materiaal tijdens onderzoek, productie en toepassing.
Zo zie je maar. Je hebt heel veel verschillende mensen met verschillende kennis nodig
om een nieuw product op de markt te zetten.
Praktische opdracht 3
Nano-oplossingen