Nanodalelės: nuo savaime nusivalančių paviršių iki ateities kompiuterių

Teksto autorius Simas Račkauskas.

Nanotechnologijos dažnai skamba kaip tolima ateitis, tačiau iš tikrųjų jos jau kuriamos ir tiriamos Lietuvos laboratorijose. Nanodalelės tokios mažos, kad jų matmenys tesiekia milijardines metro dalis, bet jų efektas gali būti labai didelis. Pakeitus nanometrinių matmenų medžiagos struktūrą galima gauti visiškai naujų savybių. Paviršius pradeda atstumti vandenį, medžiaga tampa itin jautri dujoms, o elektrinis tinklas veikia tarsi žmogaus smegenų jungtys.

Tyrimai KTU
Kauno technologijos universitete tyrinėjame cinko oksido — ZnO — nanostruktūras. Šie tyrimai yra tarptautinio „Horizon Europe“ projekto TETRANET dalis. Tai puslaidininkinė medžiaga, iš kurios formuojamos nanovielos, tetrapodai, dalelės ar erdviniai tinklai. Tokių struktūrų aktyvus paviršiaus plotas labai didelis. Todėl jos ypač jautriai reaguoja į aplinkos pokyčius. Būtent dėl to tinka elektriniams jutikliams.

Elektrinis jutiklis gali būti įsivaizduojamas kaip labai plonas kelias, kuriuo teka srovė. Kai ant nanostruktūrų paviršiaus prisijungia tam tikros dujų molekulės, pasikeičia medžiagos elektrinė varža. Iš šio pokyčio galima spręsti, kokių medžiagų yra aplinkoje. Tokie jutikliai gali būti taikomi oro kokybei stebėti, pramonėje, aplinkosaugoje ar medicinoje.
Viena iš naujausių krypčių — žmogaus iškvėpto oro analizė. Iškvėptas oras yra tarsi organizmo ataskaita: jame gali būti junginių, susijusių su uždegimų, medžiagų apykaitos pokyčiais ar kitais patologiniais procesais. Ateityje, naudojant tokius jautrius nanojutiklius, bus kuriami greiti ir neinvaziniai patikros prietaisais. Žmogui tereiktų iškvėpti į mažą įrenginį, o jutiklių sistema parodytų, ar verta atlikti išsamesnius tyrimus. Tokie prietaisai nepakeistų gydytojo, bet galėtų tapti ankstyvo perspėjimo įrankiu.
Nanodalelės praverčia ne tik jutikliuose. Kitas pavyzdys — superhidrofobiniai arba vandenį labai stipriai atstumiantys paviršiai. Gamtoje tokį reiškinį matome ant lotoso lapų: vandens lašai nuo jų nurieda, kartu nusinešdami dulkes. Panašus efektas gimsta dirbtiniuose paviršiuose, turinčiuose tinkamą cheminę sudėtį ir labai smulkią mikro- bei nanostruktūrą. Iš tokių dangų gaminami saulės elementai, langai, optiniai paviršiai ar jutikliai. Jie ilgai išlieka švarūs ir todėl veikia efektyviau.

Neuromorfiniai kompiuteriai
Dar viena perspektyvi kryptis — neuromorfiniai kompiuteriai. Ši idėja remiasi žmogaus smegenų veikimo principu. Įprastuose kompiuteriuose atmintis ir skaičiavimas dažniausiai yra atskirti, todėl duomenys nuolat keliauja pirmyn ir atgal. Smegenyse informacija apdorojama ir saugoma tame pačiame neuronų jungčių tinkle, todėl jos veikia itin efektyviai. Nanostruktūrų tinklai iš ZnO tetrapodų savybėmis primena dirbtines sinapses. Jų elektrinis laidumas priklauso nuo ankstesnių signalų. Tai atveria kelią naujos kartos, mažai energijos naudojančioms skaičiavimo sistemoms.
Pasaulyje šios kryptys sparčiai vystomos: kuriami vis jautresni dujų jutikliai, savaime nusivalančios dangos, spausdinama elektronika ir dirbtinių sinapsių elementai. Lietuvos mokslininkai taip pat kuria nanostruktūrų sintezės metodus, tiria jų elektrines savybes, ieško būdų, kaip tokias medžiagas integruoti į realius prietaisus. Didžiausias iššūkis šiandien – ne tik sukurti įspūdingą nanostruktūrą laboratorijoje, bet padaryti ją pakartojamą, pigią bei tinkamą praktiniam naudojimui. Jeigu tai pavyksta, nanodalelės gali tapti nematoma, bet labai svarbia ateities technologijų dalimi — nuo sveikatos stebėsenos iki švaresnės energetikos ir kompiuterių, kurie mokosi taip, kaip mes.
Plačiau apie tai sužinosite, apsilankę Mokslo festivalyje „Erdvėlaivis Žemė“, dr. Simo Račkausko paskaitoje rugsėjo 11 d. 10 val. „Nanodalelių taikymas paviršiams ir kompiuteriams“ KTU Santakos slėnio A231 aud. (K. Baršausko g. 59, Kaunas). Renginys nemokamas, bet būtina registracija.