Nanoteknologi

Nanoteknologi ialah satu bidang sains gunaan yang menumpukan kepada reka bentuk, sintesis, pencirian, dan penggunaan bahan-bahan dan peranti-peranti pada skala nano. Kejayaan-kejayaan cemerlang dalam nanoteknologi telah menghasilkan alat solek dan losen pelindung cahaya matahari yang lebih baik, serta seluar kalis air.
Nanoteknologi ialah satu subklasifikasi teknologi dalam sains koloid, biologi, fizik, kimia, dan bidang-bidang saintifik yang lain, sebagaimana yang ditakrifkan oleh laman web Inisiatif Nanoteknologi Nasional Amerika Syarikat. Takrifnya ialah "pemahaman dan pengawalan jirim-jirim pada dimensi sebanyak lebih kurang 1 hingga 100 nanometer yang mana fenomena unik membolehkan penggunaan baru".
Nanosains ialah kajian untuk fenomena dan pengolahan bahan-bahan pada skala nano. Pada dasarnya, bidang ini merupakan peluasan sains-sains yang sedia ada ke dalam skala nano. Nanosains ialah dunia atom, molekul, makromolekul, titik kuantum, serta himpunan makromolekul, dan dikuasai oleh kesan-kesan permukaan seperti daya tarikan Van der Waals, ikatan hidrogen, cas elektron, ikatan ion, ikatan kovalen, kehidrofoban, kehidrofilan, dan penerowongan mekanik kuantum. Bagaimanapun, nanosains tidak merangkumi kesan-kesan skala makro seperti gelora dan inersia. Umpamanya, nisbah antara luas permukaan dengan isi padu yang amat dinaikkan membuka kemungkinan-kemungkinan baru untuk sains berasaskan permukaan, seperti pemangkinan. Keaktifan bermangkin ini juga mengakibatkan risiko-risiko berpotensi daripada saling tindak dengan biobahan.
Pencarian peminiaturan yang berlangsung telah menghasilkan alat-alat seperti mikroskop daya atom (AFM) dan mikroskop penerowongan imbasan (STM). Bergabung dengan proses-proses halus seperti litografi alur elektron, peralatan-peralatan ini membenarkan nanostruktur untuk dimanipulasikan dan dihasilkan dengan sengaja. Bahan-bahan nano tereka bentuk, baik melalui pendekatan atas bawah (suatu bahan pukal dikurangkan saiznya kepada pola nanoskala) mahupun pendekatan bawah atas (struktur-struktur yang lebih besar dibina atau ditumbuh secara atom demi atom ataupun molekul demi molekul), melampaui hanya satu lagi langkah dalam proses peminiaturan. Ahli-ahli sains telah merempuh rintangan di bawah mana pengkuantuman tenaga bagi elektron-elektron dalam pepejal menjadi relevan. Apa yang digelarkan "kesan saiz kuantum" memerihalkan fizik untuk sifat-sifat elektron pepejal yang mengalami pengurangan hebat saiz zarahnya. Kesan ini tidak terjadi ketika mengurangkan saiz elektron dari dimensi makro ke dimensi mikro, tetapi menjadi dominan ketika julat saiz nanometer dicapai. Bahan-bahan yang diturunkan ke skala nano boleh tiba-tiba menampilkan sifat-sifat yang amat berbeza berbanding dengan sifat-sifat yang ditampilkan pada skala makro. Umpamanya, bahan-bahan legap menjadi lut sinar (tembaga); bahan-bahan lengai menjadi mangkin (platinum); bahan-bahan stabil menjadi bahan boleh bakar (aluminium); pepejal-pepejal menjadi cecair-cecair pada suhu bilik (emas); penebat-penebat menjadi konduktor-konduktor (silikon).
Aspek skala nano yang kedua terpenting adalah bahawa semakin zarah nano menjadi kecil, semakin besar nisbahnya antara luas permukaan dengan isi padu. Struktur elektroniknya juga berubah secara hebat. Kedua-dua kesan ini menyebabkan keaktifan bermangkin menjadi lebih baik, tetapi juga boleh mengakibatkan kereaktifan kimia yang agresif.

Keterpesonaan terhadap nanoteknologi terdiri daripada fenomena-fenomena kuantum dan permukaan ini yang unik yang ditampilkan oleh jirim pada skala nano, dan memungkinkan penggunaan baru serta bahan-bahan yang menarik.

Sejarah penggunaan

Nanoteknologi melewati akhir abad ke-19 apabila sains koloid mula-mula berakar umbi. Walaupun tidak dirujuk sebagai "nanoteknologi" ketika itu, teknik-teknik yang sama masih digunakan pada hari ini untuk mensintesiskan banyak daripada bahan-bahan pada skala nanometer. Sebutan pertama untuk sesetengah konsep pembezaan dalam nanoteknologi (tetapi sebelum penggunaan nama itu) adalah dalam "Masih Terdapat Banyak Ruang di Bawah" ("There's Plenty of Room at the Bottom)", sebuah ceramah yang disampaikan oleh ahli fizik Richard Feynman kepada Persatuan Fizikal Amerika di Caltech pada 29 Disember 1959. Feynman menghuraikan sebuah proses yang mengembangkan keupayaan untuk memanipulasikan setiap atom dan molekul. Prosesnya melibatkan secara berterusan satu set alat persis untuk membina dan mengendalikan lagi sebuah set yang lebih kecil mengikut kadar sehingga skala yang diperlukan. Dalam proses ini, beliau memerhatikan bahawa persoalan-persoalan penskalaan akan timbul disebabkan magnitud pelbagai fenomena fizikal yang berubah: graviti akan menjadi kurang penting, ketegangan permukaan dan tarikan Van der Waals akan menjadi lebih mustahak, dan sebagainya. Idea asas ini kelihatan munasabah, dan himpunan eksponen memperkukuh idea itu dengan keselarian untuk menghasilkan sebilangan keluaran akhir yang berguna.
Istilah "nanoteknologi" telah ditakrifkan oleh Norio Taniguchi, Profesor Universiti Sains Tokyo, pada tahun 1974 dalam sebuah kertas kerja (N. Taniguchi, "Mengenai Konsep Asas 'Nanoteknologi'," Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Bahagian II, Persatuan Kejuruteraan Kepersisan Jepun, 1974.) sebagai berikut: "'Nanoteknologi' terdiri terutamanya daripada pemprosesan bahan-bahan melalui pemisahan, pengukuhan, dan canggaan oleh sebiji atom atau sebiji molekul." Pada dekad 1980-an, idea asas untuk takrif ini telah diperiksa dengan teliti oleh Dr. Eric Drexler. Beliau mempromosikan keertian teknologi untuk fenomena-fenomena dan peranti-peranti skala nano melalui ucapan-ucapan dan buku-bukunya, Enjin-enjin Penciptaan: Era Nanoteknologi Yang Akan Datang (Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology) dan Sistem-sistem Nano: Jentera Molekul, Pengilangan dan Pengiraan (Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation), (ISBN 0-471-57518-6) dan disebabkan beliau, istilah itu memperoleh maksud kini.

More broadly, nanotechnology includes the many techniques used to create structures at a size scale below 100 nm, including those used for fabrication of nanowires, those used in semiconductor fabrication such as deep ultraviolet lithography, electron beam lithography, focused ion beam machining, nanoimprint lithography, atomic layer deposition, and molecular vapor deposition, and further including molecular self-assembly techniques such as those employing di-block copolymers. However, all of these techniques preceded the nanotech era, and are extensions in the development of scientific advancements rather than techniques which were devised with the sole purpose of creating nanotechnology or which were results of nanotechnology research.
Nanotechnology and nanoscience reaches back into the late part of the 19th century, when nanometer-sized colloidal particles were first undergoing rigorous study. Nanotechnology and nanoscience got started in the early 1980s with two major developments; the birth of cluster science and the invention of the scanning tunneling microscope (STM). This development led to the discovery of fullerenes in 1986 and carbon nanotubes a few years later. In another development, the synthesis and properties of semiconductor nanocrystals was studied. This led to a fast increasing number of metal oxide nanoparticles of quantum dots.
Technologies currently branded with the term 'nano' are little related to and fall far short of the most ambitious and transformative technological goals of the sort in molecular manufacturing proposals, but the term still connotes such ideas. Thus there may be a danger that a "nano bubble" will form from the use of the term by scientists and entrepreneurs to garner funding, regardless of (and perhaps despite a lack of) interest in the transformative possibilities of more ambitious and far-sighted work. The diversion of support based on the promises of proposals like molecular manufacturing to more mundane projects also risks creating a perhaps unjustifiedly cynical impression of the most ambitious goals: an investor intrigued by molecular manufacturing who invests in 'nano' only to find typical materials science advances result might conclude that the whole idea is hype, unable to appreciate the bait-and-switch made possible by the vagueness of the term. On the other hand, some have argued that the publicity and competence in related areas generated by supporting such 'soft nano' projects is valuable, even if indirect, progress towards nanotechnology's most ambitious goals.
The National Science Foundation (NSF), a major funding instrument for nanotechnology, commissioned Professor David M. Berube to conduct a comprehensive survey of the field. His conclusions are documented in an extensively footnoted monograph “Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz.” This published study (with a forward by Mihail Roco, head of the NNI) concludes that much of what is sold as “nanotechnology” is in fact a recasting of straightforward materials science, which is leading to a “nanotech industry built solely on selling nanotubes, nanowires, and the like” which will “end up with a few suppliers selling low margin products in huge volumes."