Maturski, seminarski i diplomski radovi

Kvantna fizika , grana fizike utemeljena na kvantnoj teoriji. Zakoni klasične fizike ne vrijede na skalama od interesa za nanotehnologiju. Svi fenomeni koji se pojavljuju na skali atoma moraju se opisivati koristeći formalizam kvantne fizike. Objekti na skalama nanometara ne ponašaju se kao klasična tijela koja slijede putanje pod utjecajem sila. Takvi objekti ponašaju se i kao valovi i kao čestice, ovisno o konkretnim okolnostima i mjerenjima koja se na njima obavljaju. Ova činjenica poznata je i kao 'dualna priroda tvari'. Pridjev kvantni ili kvantna potječe iz činjenice da, prema kvantnoj teoriji, energija može biti odaslana iz ili apsorbirana u tvar samo u diskretnim jedinicama, 'paketima' zvanim kvanti.

Atom , stabilno, neutralno stanje jezgre (protona i neutrona) i okružujućih elektrona. Ponekad se definira (unutar kemije) kao najmanji dio elementarne tvari (elementa) koji ima sva svojstva elementa. Jezgra atoma je nekoliko desetaka tisuća puta manja od atoma u ukupnosti (uključujući elektrone) čija dimenzija ovisi o konkretnom atomu, ali se tipično radi o nekoliko desetih dijelova nanometra. Različiti atomi poznati kemiji i fizici na shematski i informativan način popisani su u periodnom sustavu elemenata

Princip neodređenosti , kamen temeljac kvantne teorije. Princip kaže da se položaj i impuls (brzina) čestice ne mogu istovremeno mjeriti sa proizvoljnom točnošću - što je mjerenje položaja čestice preciznije, to je nužno mjerenje njene brzine nepreciznije, tj. promatrač mjerenjem 'ometa' česticu ili sistem. Ugrubo, produkt nepouzdanosti mjerenja položaja i impulsa mora biti veći od Planckove konstante. Princip je poznat i kao Heisenbergov princip neodređenosti prema njemačkom fizičaru i dobitniku Nobelove nagrage, Werneru Heisenbergu. Posljedica ovog principa je da se tvari na nanometarskoj skali i manjoj (atomi) ne može manipulirati s proizvoljnom točnošću jer je to zabranjeno na fundamentalnom nivou kvantnom teorijom. Heisenberg je jednom prilikom izjavio da 'atomi čine svijet potencijalnosti i mogućnosti prije nego svijet činjenica i stvari.'

Planckova konstanta , fundamentalna konstanta kvantne fizike. Prvi put uporabio ju je Max Planck 1900. godine u pokušaju da objasni zračenje crnog tijela. U to doba, zračenje crnog tijela nije se moglo objasniti zakonima klasične fizike (isti problem pojavljivao se sa specifičnom toplinom materijala na niskim temperaturama). Planck je predložio da energija elektromagnetskog zračenja ne može biti proizvoljna, tj. može biti samo iz skupa diskretnih vrijednosti u kojemu je svaka energija umnožak prirodnog broja i neke osnovne, fundamentalne energije (kvantna elektromagnetskog polja, fotona). Planck je shvatio da se tada dostupni eksperimentalni rezultati mogu objasniti pretpostavljajući da su energija kvanta (E) i frekvencija elektromagnetskog polja (f) proporcionalne, E=h*f. Konstantu proporcionalnosti zovemo Planckovom konstantnom (h). Ona iznosi h=6.626*10-34 Js (Džul-sekundi). Isti pristup mogao je objasniti u to doba 'anomalnu' specifičnu toplinu materijala. U tom slučaju, vibracije materijala su kvantizirane, a atomi koji osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja mogu biti samo u stanjima diskretne energije koja je jednaka umnošku prirodnog broja i osnovne, fundamentalne energije titranja (fonona). Ova kasnija otkrića pripisuju se uglavnom Einsteinu i Debyeu. Ovo Planckovo otkriće označilo je početak kvantne fizike, teorije koja objašnjava ponašanje sistema na nanometarskoj skali.
Foton , kvant elektromagnetskog zračenja, svjetlosti. Svjetlost koju svakodnevno doživljavamo je 'roj' elektromagnetskih kvanata tj. fotona. Svaki foton nosi kvant energije jednak Planckovoj konstanti umnoženoj sa frekvencijom fotona. Fotonska frekvencija netrivijalno je vezana uz boju koju opažamo, ukoliko se nalazi u vidljivom dijelu spektra elektromagnetskog zračenja (X-zrake ili X-fotoni npr. nisu vidljivi).

Osnovno stanje , stanje ili konfiguracija sistema u kojem sistem ima najmanju moguću energiju. Sistemi na nanometarskoj skali ne mogu poprimiti kontinuirani spektar energija, tj. oni mogu postojati samo u kvantnim stanjima točno određene energije. Ovo je svojstvo svih kvantnih sistema. Pobuđenjem, moguće je promijeniti stanje sistema. Npr. osvjetljujući vodikov atom fotonima određene valne duljine (ili energije), moguće je pobuditi ga iz osnovnog stanja (1s orbitale) u jedno od njegovih karakterističnih pobuđenih stanja.

Kvantni broj , svojstvo kvantnog sistema. Skup kvantnih brojeva koji opisuju sistem može se iskoristiti za jednoznačnu karakterizaciju sistema. Kvantni sistem može biti u različitim stanjima koja se mogu pobrojati i predstaviti različitim skupovima kvantnih brojeva.

Apsolutna nula , najniža moguća temperatura jednaka nuli Kelvina (tj. -273.17 stupnjeva Celzija). Prostor potpuno prazan (bez tvari i zračenja) ima ovu temperaturu. Čak i na apsolutnoj nuli, atomi i molekule ne miruju, nego se gibaju zbog Heisenbergovog principa neodređenosti. Ovakvo gibanje zove se gibanje oko nulte točke (zero-point motion). U laboratorijima, vrlo niske temperature postižu se uporabom tekućeg dušika ili tekućeg helija. Ove supstance vrlo su uobičajene u laboratorijima i različitim industrijama, posebno tekući dušik.

Entropija , termodinamička veličina vezana uz toplinu i temperaturu. Nosi informaciju o količini nereda u sistemu i njegovoj mogućnosti da obavlja koristan rad - što je nered veći to je sistem manje sposoban obavljati koristan rad. Entropija sistema u zadanom stanju vezana je uz broj različitih mikroskopskih uređenja sistema, tj. čestica od kojih se sastoji, koji proizvode isto makroskopsko stanje danih termodinamičkih parametara (temperature, volumena i tlaka). Prema drugom zakonu termodinamike, entropija zatvorenog sistema može samo rasti do maksimuma ili ostati konstantna. To znači da sistem postaje 'neuređeniji' s protokom vremena i sve manje koristan s obzirom na izvlačenje korisnog rada iz sistema. Otvoreni sistemi (kao organizmi npr.) mogu postajati 'uređeniji' s protokom vremena na račun 'uneređenja' ;) okoline, ali entropija cijelog svemira se i dalje povećava. Ovaj osnovni zakon fizike baca sjenu sumnje na mogućnost proizvodnje nanometarskih strojeva (nanorobota), jer bi to zahtijevalo pozicioniranje molekula u vrlo termodinamički nevjerojatne konfiguracije. Takve strukture morale bi imati vrlo nisku entropiju i prema tome bi težile degradaciji ('uneređenju') osim ako bi bile u mogućnosti ekstrahirati energiju i 'negativnu' entropiju iz okoline, što bi im omogućilo očuvanje strukture i svrhe. Ovo je karakteristika živih bića, pa bi nanoroboti prema tome morali imati osnovne karakteristike života.

Termodinamička stabilnost , stabilnost određenog sistema s obzirom na promjene termodinamičkih parametara (tlaka i temperature). Za nanoskopske sisteme najvažniji parametar je temperatura , tj. stabilnost sistema s obzirom na povećanje temperature. Neke od nanoskopskih strukture stabilne su samo na dovoljno niskim temperaturama, dok se na višim temperaturama razgrađuju. Na višim temperaturama, atomi od kojih su nanostrukture građene titraju sa većim amplitudama što može uzrokovati raspadanje strukture. Dodatno, nanostrukturirani materijal ili nančestica može biti nestabilan kad je izložen kemijskim utjecajima iz okoline, tj. atomima i molekulama. Neke nanostrukture stabilne su samo u uvjetima ultra-visokog vakuuma što vrlo ograničava njihovu uporabu. Termodinamička i kemijska stabilnost je glavni problem za primjenu nanočestica i nanostrukturiranih materijala.

Enzim , biološki katalizator. Specifični protein koji katalizira jednu od biokemijskih reakcija. Enzimi su jedan od primarnih izuma života. Njihova prisutnost omogućuje komplicirane kemijske cikluse u organizmima uključujući i one koje organizmi koriste za metabolizam. Na primjer, pepsin i tripsin se koriste u procesu probave proteina.

Protein , polimer aminokiselina velike molekularne mase (1000 - 1000000). U osnovi, protein možemo opisati kao lanac aminokiselina. Zbog slika koje djeluju među aminokiselinama, trodimenzionalna struktura proteina nije linearna i lančasta već se protein 'mota' u kompleksni trodimenzionalni oblik. Svejedno, dugački dijelovi proteina su gotovo linearni. U tim dijelovima (polipeptidnim lancima) aminokiseline su uređene u spiralne, manje-više ravne lance. Nije teško zamisliti da se ogroman broj proteina može izgraditi slaganjem dvadeset različitih aminokiselina na različite načine. Pretpostavlja se da ljudsko tijelo sadrži oko 30000 različitih proteina.


Supernova , eksplozija masivne zvijezde. Jedan od najspektakularnijih događaja u Svemiru. U jezgrama zvijezda odvijaju se nuklearne reakcije. U njima se iz lakših jezgara (vodika i helija) stvaraju teže. Ukoliko je masa zvijezde dovoljno velika, zbog gravitacijske sile zvijezde se urušavaju stoga što tlak koji nuklearne reakcije stvaraju nije dovoljan da spriječi gravitacijski kolaps. Ovo se događa kad se nuklearno gorivo u jezgri potroši i kad je jezgra zvijezde bogata teškim elementima (atomima). Tijekom kolapsa, tvar sa površine zvijezde odbija se od jezgre i raspršuje u Svemir. Na taj način teški elementi šire se Svemirom, a neki od njih završavaju i na planetima koji će možda jednom bujati životom.