Redakcja: Często słyszymy "nano". Ale nie zawsze wiemy co to znaczy. Proszę wyjaśnić nam czym są nanocząstki.

Dr Krzysztof Sozański: Nanotechnologia pojawiła się w szerokim odbiorze w mediach w latach 90-tych. Odbyło się to z początku w dużej mierze za sprawą elektroniki, kiedy okazało się, że potrzebujemy produkować procesory, które będą coraz szybsze oraz zbudowane z tranzystorów, które będą coraz mniejsze. Potrzebowaliśmy więc coraz mniejszych struktur. Jeszcze w połowie ubiegłego wieku pracowaliśmy na lampach dość dużych rozmiarów. W tej chwili w jednym mikroprocesorze jesteśmy w stanie upchnąć miliardy pojedynczych tranzystorów, czyli na płytce o rozmiarach pojedynczych centymetrów dostajemy obiekty o rozmiarach nano. Do ich produkowania potrzebna nam jest właśnie nanotechnologia.

Skąd się to pojęcie wzięło? Nano jest po prostu przedrostkiem, mówiącym o rzędzie, i rozmiarze. Podobnie jak kilometr mieści w sobie 1000 metrów, tak nano można również odnieść do metrów, ale w drugą stronę, ponieważ jest to jednostka zmniejszająca. Nano oznacza wartość 10x do minus dziewiątej. Nanometr jest jednostką długości, która odpowiada 10 do potęgi minus dziewiątej metra. Analogicznie, grubość pojedynczego ludzkiego włosa wynosi około 100 000 nanometrów. Tak więc, jeżeli mówimy o obiektach w skali nano, to mówimy o obiektach ekstremalnie małych, których nie możemy zobaczyć gołym okiem, ani z wykorzystaniem zwykłych mikroskopów, ani nawet przy pomocy zaawansowanych mikroskopów optycznych. Żeby oglądać takie nanostruktury potrzebujemy mikroskopów elektronowych, działających na zupełnie innej zasadzie niż zwykłe, bo nie wykorzystujących światła widzialnego, a korzystających z wiązek elektronów. Te z kolei zderzając się z powierzchnią albo odbijając się od niej dają nam bardzo dokładny obraz tego, co dzieje się na powierzchni.

Z naszej perspektywy skala nano jest ekstremalnie mała, a jednak to, co się w niej dzieje jest dla technologii i dla właściwości materiałów niezwykle interesujące. Skąd się tak naprawdę bierze różnica? Dlaczego nano jest takie magiczne? Jest to skala długości oscylująca pomiędzy pojedynczymi atomami i pojedynczmi cząsteczkami a takim naszym światem normalnych dużych projektów. W tej pośredniej skali również obiekty tych rozmiarów mają właściwości pomiędzy światem kwantowym, w którym żyją pojedyncze cząsteczki a światem zwykłej newtonowskiej fizyki, w której żyjemy i do której jesteśmy przyzwyczajeni.

Pojedyncza nano cząstka to wobec obecnie przyjętej definicji obiekt liczący poniżej stu nanometrów. Oznacza to, że taka nanocząstka może się składać z kilku, kilkunastu lub kilku tysięcy atomów. Są to jednakże cały czas atomy, które możemy policzyć, czyli skończona liczba atomów. Te atomy nie do końca zachowują się się normalnie w makroskopowym materiale. W momencie, kiedy mamy duży przedmiot przeważająca liczba atomów czy cząsteczek znajduje się w jego wnętrzu. Na powierzchni jest ich stosunkowo niewiele, i te nieomal pojedyncze atomy znajdujące się na powierzchni zachowują się trochę inaczej niż te będące w środku. Jest ich natomiast na tyle niewiele, że tak naprawdę nie mają one wpływu na makroskopowe właściwości całego obiektu.

W nanocząstce sprawa wygląda zupełnie inaczej. Mamy w niej obiekt, w którym całkiem spora część atomów znajduje się na powierzchni. W związku z tym one już nie widzą wszędzie dookoła siebie takich samych atomów jak one same. Z jednej strony widzą to, co znajduje się w środku nanocząstki, ale z drugiej to, co znajduje się na zewnątrz, czyli np. rozpuszczalnik albo powietrze. Dodatkowo, jeżeli będziemy mówić o nanocząstkach zrobionych z metalu, a takie stosuje się całkiem często, to okaże się, że to, co robią w nich elektrony też nie jest oczywiste. Zazwyczaj w dużym obiekcie metalowym mamy jądra atomowe, poumieszczane w jakiejś sieci, a dookoła nich coś, co się luźno nazywa gazem elektronowym, czyli elektronami śmigającymi sobie w tę i z powrotem. Dzięki temu metale są w stanie przewodzić prąd elektryczny. A więc ten gaz elektronowy, ta chmura elektronów zamkniętych w strukturze metalu jest się w stanie przemieszczać.

W nanocząstce te wszystkie luźne elektrony zamknięte są w bardzo niewielkim obiekcie. Przez to np. jesteśmy w stanie wprawić je w pewne szczególne rodzaje oscylacji czy rezonansów. Dlatego np. nanocząstki bywają dość często kolorowe. Jeżeli na nanocząstki skierujemy światło o określonej długości fali, czyli będziemy dostarczać określoną energię, która jest potrzebna do wzbudzenia rezonansu elektronów na tej nanocząstce, to one wszystkie razem w jednym tempie zaczną oscylować i w rezultacie pojawi się rezonans. Najbardziej znane z tego są nanocząstki złota. Nawet jeśli roztwór posiada barwę czerwonawą i złota jako takiego nie przypomina, to złożony jest z normalnych atomów złota, połączonych ze sobą, tak jak w sztabce złota, tyle tylko, że w bardzo małych kawałkach. Są one czerwone właśnie dlatego, że absorbują tę długość światła, która odpowiada ich wewnętrznym rezonansom, a dodatkowo są  także zawieszone w wodzie.

Jeżeli mielibyśmy zwykłe złoto, który wrzucilibyśmy do wody, utonęłoby ono zbyt szybko. Nanocząstki tego nie robią, ponieważ są bardzo małe, rzędu w tym wypadku około pięciu nanometrów i utrzymują się w wodzie dzięki temu, że cały czas ze wszystkich stron bombardowane są dyfundującymi cząstkami wody. W ich skali długości grawitacja praktycznie nie istnieje. Bombardowanie ruszającymi się cząsteczkami wody ze wszystkich stron sprawia, że one o tej sile grawitacyjnej dawno zapominają, bo cały czas podskakują w całym tłumie innych cząsteczek.

To, że są kolorowe i że się rozpuszczają to jednak jeszcze nie wszystko. Właściwości nanocząstek są inne od materiałów o dużej skali długości pod właściwie każdym względem. Chociażby w wypadku złota, temperatura topnienia takich nanocząstek, gdybyśmy je wydzielili z roztworu i spróbowali stopić, w zależności od rozmiaru będzie wynosić kilkaset stopni. Jest to o wiele mniej niż w złocie w sztabce. Tak samo może się okazać, że nanocząstki np. miedzi będą ekstremalnie twarde. Drut miedziany jesteśmy w stanie wyginać, ponieważ jest kowalny. W bardzo małym obiekcie te atomy nie mogą się już bliżej do siebie ścieśniać, bo i tak są już mocno upakowane, więc takie nanocząstki okazują się super-twarde.

Same właściwości to jednakże jeszcze nie wszystko na czym nam zależy. Najciekawsze jest to, co można z takim małym obiektem zrobić. Pierwsza myśl, która się nasuwa odnosi się do wykorzystania niewielkiego rozmiaru nanocząstek. Ma ona znaczenie zwłaszcza dla osób zajmujących się dostarczaniem leków. Układ krwionośny szczególnie w peryferyjnych, obwodowych regionach składa się z bardzo niewielkich naczyń krwionośnych, gdzie trudno jest dotrzeć jakimś dużym obiektem. Nanocząstka z kolei w momencie, kiedy dostanie się do krwioobiegu będzie w stanie dotrzeć wszędzie. Do powierzchni takiej nanocząstki jesteśmy w stanie przyczepić np. jakieś receptory białkowe, które będą rozpoznawać komórki rakowe, dany organ czy przeciwciała. Oczywiście do takiej nanocząstki możemy również doczepić jakiś czynnik aktywny, czyli na przykład lek. Będziemy mieć wtedy kulkę, która nie dość, że wie, dokąd ma iść, to jeszcze transportuje na sobie substancję, jaką w tamto miejsce chcemy dostarczyć.

Tak samo możemy np. wykorzystać nanocząstki magnetyczne. Przykładając pole magnetyczne w odpowiednim miejscu w organizmie jesteśmy w stanie zasugerować nanocząstkom, żeby wszystkie się w tym konkretnym miejscu zgromadziły.

Oglądaj całość