ナノテクノロジー

ナノテクノロジーは、原子分子レベルでの物質の制御に関する科学技術の一部です。

ナノテクノロジーには、電子デバイス、触媒、センサーなど、このような小さな部品を使った製品を作ることが含まれます。その小ささをご理解いただくために、1インチの中には400マイルの中にあるインチよりも多くのナノメートルがあります。

その小ささを国際的に理解してもらうためには、100キロにセンチメートルがあるのと同じように、1センチメートルにナノメートルがあります。

ナノテクノロジーは、応用物理学、材料科学、界面・コロイド科学、デバイス物理学、化学、超分子化学(分子の非共有結合相互作用に着目した化学の領域を指す)、自己複製機械・ロボット工学、化学工学機械工学、生物学、生物工学、生物工学、電気工学など、さまざまな分野の科学者や技術者を集めています

一般的にナノテクノロジーというと、100ナノメートル以下の大きさの構造物を指します。1ミリに100万ナノメートルあります。ナノテクノロジーは、その大きさの材料や機械を作ろうとします。

ナノテクノロジーの分野では、さまざまな種類の仕事が行われています。現在の仕事のほとんどは、光を散乱させたり、X線を吸収したり、電流や熱を輸送したりする方法など、特別な特性を持つナノ粒子(ナノメートルサイズの粒子)を作ることに注目しています。この分野では、より「サイエンスフィクション」的な分野では、より大きな機械の小さなコピーを作ろうとする試みや、自分自身を作る構造のための本当に新しいアイデアがあります。ナノサイズの構造で新しい材料を作ることができます。単一の原子を使って作業することさえ可能です。

ナノテクノロジーの将来とその危険性について、多くの議論がなされています。ナノテクノロジーは、医療、コンピュータ、クリーンな電気を作る(ナノ電気機械システムは、次世代のソーラーパネルや効率的な低エネルギー照明の設計に役立っている)など、非常に有用な新しい材料や機器を発明することができるかもしれません。一方で、ナノテクノロジーは新しいものであり、未知の問題があるかもしれません。例えば、その材料が人の健康や自然に悪い影響を与えるかどうか。経済や地球そのもののような大きな自然システムにも悪い影響を与えるかもしれません。一部のグループは、ナノテクノロジーの利用にはルールがあるべきだと主張している。

代表的なナノ構造体の形状。Zoom
代表的なナノ構造体の形状。

ナノテクノロジーの始まり

ナノテクノロジーのアイデアは、最初のトーク"There's Plenty of Room at the Bottom"、科学者リチャードファインマンによって与えられたトークで使用されていた1959年12月29日、カリフォルニア工科大学でのアメリカ物理学会の会議で。ファインマンは、小さな機器を構築し、その規模で動作するように個々の原子を移動する方法を説明した。プロパティは、表面張力とファンデル壁力などの非常に重要になるだろう。

ファインマンのシンプルな発想は可能に思えた。ナノテクノロジー」という言葉は、東京理科大学の谷口則夫教授が1974年の論文で説明しています。彼は、ナノテクノロジーとは、1つの原子や1つの分子で物質を変化させる仕事であると述べた。1980年代には、K.エリック・ドレクスラー博士がこの考えを研究し、ナノスケールの事象の重要性を説き、執筆しています。"Engines of Creation.ナノテクノロジーの到来する時代』(1986年)は、ナノテクノロジーに関するウィリーファーストの本だと考えられています。ナノテクノロジーとナノ科学は、クラスター科学の開始と走査型トンネル顕微鏡(STM)の発明という2つの重要な発展から始まりました。その後すぐに、炭素を持つ新しい分子が発見されました - 1986年に最初のフラーレンが、数年後にはカーボンナノチューブが発見されました。別の開発では、人々は半導体ナノ結晶を作る方法を研究しました。現在では、多くの金属酸化物ナノ粒子が量子ドット(単一電子の振る舞いが重要になるナノ粒子)として使われています。2000年には、米国国立ナノテクノロジー・イニシアチブがこの分野の科学を発展させるための取り組みを始めました。

ナノ材料の分類

ナノテクノロジーには、1次元、2次元、3次元のナノ粒子に分類できるナノマテリアルがあります。この分類は、光の散乱、X線の吸収、電流の輸送、または熱など、それが保持するさまざまな特性に基づいています。ナノテクノロジーは、複数の伝統的な技術や異なる科学分野に影響を与える学際的な特徴を持っています。原子サイズでもスケールアップが可能な新材料の製造が可能です。

事実

  • 1ナノメートル(nm)は10-9または0.000,000,001メートルです。
  • 2つの炭素原子が一緒になって分子を作るとき、それらの間の距離は0.12-0.15 nmの範囲内にあります。
  • DNAの二重らせんは片側からもう片側まで約2nm。それは、DNAナノテクノロジーの新分野へと発展していきます。将来的には、DNAを操作して新しい革命を起こすことができます。ヒトのゲノムは、必要に応じて操作することができる。
  • ナノメートルとメートルは、ゴルフボールと地球の大きさの違いと同じように理解できます。
  • 1ナノメートルは、人間の髪の毛の直径の約25万分の1。
  • 1秒に1ナノメートル成長します。

ナノ材料の物理的特性

ナノスケールでは、システムや粒子の物理的性質が大きく変化します。量子サイズ効果のような物理的性質は、非常に小さなサイズの粒子では電子の動きが異なります。巨視的なシステムが最も重要な微視的なシステムに変化したときに、機械的、電気的、光学的な特性が変化する。

ナノ材料や粒子は、他の触媒と比較して、反応速度を向上させ、収率を向上させる触媒としての役割を果たします。粒子がナノスケールになると、通常は光を止めている物質が透明になる(銅)、物質を燃やすことができるようになる(アルミ)、室温で固体が液体になる(金)、絶縁体が導電体になる(シリコン)など、興味深い性質を持つものがあります。通常のスケールでは他の化学物質と反応しない金のような物質が、ナノスケールでは強力な化学触媒になるのです。このようなナノスケールでしか見ることのできない特殊な性質が、ナノテクノロジーの面白さの一つです。

質問と回答

Q:ナノテクノロジーとは何ですか?


A:ナノテクノロジーとは、原子や分子のスケールで物質を制御する科学技術の一部で、電子デバイス、触媒、センサーなど、このように小さな部品を使用した製品を作ることも含まれます。

Q: ナノメートルはどのくらい小さいのですか?


A: ナノメートルは非常に小さく、1インチに含まれるナノメートルの数は、400マイルに含まれるインチの数よりも多いのです。国際的には、1センチメートルの中に100キロメートルのセンチメートルと同じ数のナノメートルがあることになります。

Q: ナノテクノロジーの分野では、どのような仕事をしているのでしょうか?


A: ナノテクノロジー分野の人々は、光を散乱させたりX線を吸収したりするような特別な性質を持つナノ粒子(ナノメートルサイズの粒子)を作ることに取り組んでいます。また、大きな機械の小さなコピーを作ったり、自分で作る構造の新しいアイデアを作ろうとします。新しい材料はナノサイズの構造で作ることができ、単一原子で作業することさえ可能です。

Q: ナノテクノロジーにはどのような潜在的な用途があるのでしょうか?


A: ナノテクノロジーは、医療、コンピューター、クリーンな電力生産(ナノ電気機械システム)など、さまざまな分野への応用が期待されています。また、次世代のソーラーパネルや効率的な低エネルギー照明の設計にも役立つ可能性があります。

Q:ナノテクノロジーを利用することによるリスクはあるのでしょうか?


A:ナノテクノロジーを利用することで、人の健康や自然に対して悪い材料が使われていないかなど、未知の問題が発生する可能性があります。経済や地球などの大きな自然システムに悪い影響を与えるかもしれないので、その使用に関してルールを設けるべきだと主張するグループもあります。

Q: どのような科学者がナノテクノロジーを研究しているのですか?


A: ナノテクノロジーを研究する科学者は、応用物理学、材料科学、界面・コロイド科学、デバイス物理学、化学超分子化学、自己複製機械・ロボット工学など、さまざまな分野の出身者です。

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