Nanoteknologia tai nanotekniikka on tekniikka, jolla valmistetaan hyvin pieniä, vain 1–100 nanometrin (millimetrin miljoonasosan) kokoluokan rakenteita siten, että muodostunut uusi rakenne tuottaa jonkin uuden suunnitellun ominaisuuden tai toiminnon. Nanoteknologiaa käytetään nykyaikana hyvin monella alalla.
Lykurgoksen malja edestä valaistuna. Värin vaihtelu johtuu nanohiukkasista.
Nanoteknologiaa on käytetty jo 300-luvulta lähtien veistoksissa, maalauksissa ja muissa esineissä. Esimerkiksi niin sanotun Lykurgoksen maljan lasi sisältää 70 nanometrin paksuisia kulta- ja hopeahiukkasia, jotka saavat lasin vaihtamaan väriä valaistuksen mukaan. Muinaisiin damaskimiekkoihin saatiin sisällytettyä hiilinanoputkia käyttämällä valmistuksessa orgaanisia aineita. Keskiajan kirkkojen ikkunamaalausten rubiininpunainen väri saatiin sekoittamalla kultaa sulaan lasiin, mikä synnytti 25 nanometrin kultahiukkasia, jotka tuottivat punaisen värin. Käsityöläiset eivät kuitenkaan ymmärtäneet ilmiön johtuvan nanokokoisista hiukkasista, vaan ilmiön selitti vasta 1800-luvulla fyysikko Michael Faraday.[1]
Fyysikko Richard Feynman visioi vuonna 1959 mahdollisuudesta rakentaa molekyyleja "mekaanisesti" tuomalla atomit hallitusti toistensa luo ja valmistaa siten uusia aineita.[2]
Nanoteknologia-sanaa käytti ensimmäisenä japanilainen Norio Taniguchi vuonna 1974. Hän määritteli nanoteknologian materiaalien erottelemiseksi, yhdistelemiseksi ja muutteluksi yksi atomi tai molekyyli kerrallaan. Tarkemman nykymääritelmänsä nanoteknologia sai vasta myöhemmin.[3]
K. Eric Drexler tarttui asiaan 1970-luvun lopulla ja kehitti ajatuksia molekyylikokoisista koneista, jotka halvoista raaka-aineista kokoaisivat suunniteltuja aineita. Drexlerin ensimmäinen kirja Engines of creation: the coming era of nanotechnology vuonna 1986 sai innostuneen vastaanoton ja toi nanotekniikan julkisuuteen. Drexlerin toinen kirja, Nanosystems, molecular machinery, manufacturing and computation, perustui hänen väitöskirjaansa. Nanokokoiset koneet ajatuksena vaikuttavat utopistisilta, mutta luonnosta tunnetaan samankaltaisia prosesseja kuten ribosomi, joka rakentaa proteiineja amonihapoista DNA:n tietojen pohjalta. Nanotekniikkaan alettiin panostamaan 2000-luvun alussa. Samalla alkuperäinen ajatus molekyylien rakentamistekniikasta laajeni nanokokoisiin rakenteisiin, joista oli saatavissa nopeammin taloudellista hyötyä. Alkuperäisestä nanotekniikasta alettiin tieteellisen väittelyn jälkeen käyttämään nimitystä molekulaarinen nanoteknologia.[2]
Nanomateriaalit
Vasemmalla nanomateriaalien kokoluokka atomien ja virusten välissä, ja oikealla erilaisia nanomateriaalien rakennetyyppejä.
Nanomateriaali on materiaalia, jonka ulottuvuuksista vähintään yksi on nanokokoluokkaa eli 1–100 nanometriä. Jos vain yksi ulottuvuus on nanokokoluokkaa, kyseessä on levymäinen tai hiutalemainen nanorakenne. Jos kaksi ulottuvuutta on nanokokoluokkaa, kyseessä on nanoputki, nanovaijeri tai nanokuitu. Jos kaikki kolme ulottuvuutta ovat nanokokoluokkaa, kyseessä on yleensä pallomainen rakenne.[4]
Teollisia nanomateriaaleja yhdistää vain niiden koko. Rakenteeltaan ja kemialtaan nanomateriaaleja on hyvin monenlaisia, ja niitä on valmistettu satojatuhansia erilaisia.[4] Yleisiä nanomateriaalityyppejä ovat:[5][6]
Nanomateriaaleja tuotetaan yleensä kahdella päämenetelmällä:[7]
Suurikokoista lähtömateriaalia hienonnetaan, kunnes saadaan nanokokoista materiaalia. Lähtömateriaali voi olla esimerkiksi silikonikiekko. Tämä menetelmä on ollut 2010-luvulla yleisin nanomateriaalien valmistustapa.[7]
Pienemmistä hiukkasista tiivistetään suurempia nanohiukkasia. Niitä voidaan tiivistää esimerkiksi kaasusta tai metallihuuruista, tai koota makromolekyylejä eli polymeerejä yksittäisistä atomeista tai molekyyleistä. Tämä menetelmä on yleistynyt 2010-luvulta alkaen, ja sen etuna on mahdollisuus räätälöidä tarkkaan valmistuksessa tarvittavat molekyyli- ja atomitason kemialliset reaktiot.[7]
Nanomateriaalin keskeinen ominaisuus on sen koko. Nanokokoluokan hiukkaset noudattavat pikemmin kvanttimekaniikan periaatteita kuin klassisen fysiikan periaatteita. Nanomateriaalissa on paljon enemmän pintaa suhteessa painoon kuin tavanomaisessa materiaalissa, ja vain hiukkasen pinnassa olevat atomit voivat olla yhteydessä ympäristöönsä. Nanomateriaali voikin reagoida ympäristönsä kanssa hyvin eri tavoin kuin suuremmat hiukkaset. Esimerkiksi nanokokoinen kulta ja hopea ovat hyvin reaktiivisia, vaikka metallisessa muodossaan ne ovat hyvin vakaita eivätkä reagoi ympäristönsä kanssa. Pienen kokonsa ansiosta jotkin nanorakenteet johtavat sähköä hyvin, tai niillä on suuri vetolujuus.[8]
Pienet nanohiukkaset pääsevät elimistöön helposti ja pystyvät kulkeutumaan verenkierron kautta elimiin. Solussa nanohiukkanen vaikuttaa tavoin, joita ei vielä tunneta kunnolla. Nanohiukkasten haitalliset biologiset vaikutukset ovat yleensä painoa kohti suurempia kuin suuremmilla hiukkasilla.[8]
Sovelluksia
Nanomateriaalit ovat sellaisenaan hyödyttömiä, mutta ne mahdollistavat monenlaisia asioita, kun niiden ominaisuudet yhdistetään olemassa oleviin tai uusiin tekniikoihin. Nanomateriaalien avulla tuotteiden teknisiä ominaisuuksia pystytään parantamaan olennaisesti, mikä tuo merkittäviä taloudellisia hyötyjä ja innovaatioiden nopeaa kaupallistamista. Nanomateriaaleilla parannetaan tuotteiden käytettävyyttä sekä säästetään materiaaleja ja energiaa.[9] Nanomateriaalit ja nanoteknologiat helpottavat ja mahdollistavat monen nykyajan megatrendin toteuttamista, kuten digitalisaatiota, uusiutuvien energian tuotantoa, ilmastonmuutoksen hallintaa, energian varastointia, tiedonsiirtoa valokaapeleiden avulla sekä maailman verkottumista.[10]
Nanoteknologian keskeisimmät sovellusalueet vuonna 2016 olivat tutkijoiden mukaan (esimerkkeineen):[11]
Nanorakenteiset metallit ja metalliseokset, joilla saadaan entistä kestävämpiä ja aerodynaamisempia ulkopintoja sekä mukavia ja helposti huollettavia matkustamomateriaaleja.
Nanokomposiittipolymeerit esimerkiksi pintojen kitkan vähentämiseen.
Käytössä hyvin laajalti muun muassa prosessiteollisuudessa, hiilipohjaisten materiaalien tuotannossa, metallituotteiden ja -seosten tuotannossa sekä polymeerien ja keramiikan tuotannossa.
Riskit
Nanohiukkaset reagoivat suhteellisen suuren pinta-alansa vuoksi herkästi biomolekyylien kanssa. Tämän vuoksi synteettisille nanohiukkasille altistumisella arvellaan voivan olla lisääntyneitä terveyshaittoja, kuten keuhkotulehdusta ja keuhkojen arpeutumista, vaikutuksia verenkiertoelimistöön ja aivoihin sekä syöpää. Nanohiukkasten myrkyllisyydestä ei kuitenkaan tiedetä vielä riittävän paljoa, jotta nanoteknologian terveysriskejä voitaisiin arvioida.[22][23] Suomessa nanomateriaalien turvallisuutta tutkitaan muun muassa Työterveyslaitoksen Nanoturvallisuuskeskuksessa.
Yksi kehittyneeseen nanoteknologiaan liittyvä pelko on se, että nanobotit pääsevät vapaaksi ja replikoituvat loputtomasti, ”syövät” koko maapallon ekosysteemin (globaali ekofagia) ja muuttavat maapallon lopulta ”harmaaksi mönjäksi”. Tämä pelko on kuitenkin melko aiheeton, kuten K. Eric Drexler ja Chris Phoenix osoittavat julkaisussaan Safe Exponential Manufacturing.[24]
