В тази публикация в блога ще разгледаме стъпка по стъпка концепцията за нанотехнологиите, нейното развитие, ключови технологии, приложения, бъдещи перспективи и ограничения.
В научнофантастичния филм от 1987 г. „Вътрешно пространство“, режисиран от Джо Данте, има сцена, в която главният герой изследва вътрешността на кръвоносните съдове на борда на миниатюрен дирижабъл. Концепцията за механично устройство, пътуващо през кръвоносните съдове, е била изключително иновативен научнофантастичен сюжет по онова време, но днес тя вече не е пресилена идея. Всъщност, в ход са активни изследвания за използване на ултрамалки механични устройства в кръвоносните съдове, а нанотехнологиите служат като основа за тази технология. Често се казва, че 21-ви век е ерата на ИТ (информационни технологии), BT (биотехнологии) и NT (нанотехнологии); нанотехнологиите се утвърдиха като основна технология в различни индустриални сектори и продължават да се развиват бързо. Въпреки важността си обаче, повечето хора не разбират напълно нанотехнологиите. В тази статия ще разгледаме какво представляват нанотехнологиите, ще проучим техническата им основа и процес на разработване, ще категоризираме нанотехнологиите в подтехнологии, за да разгледаме областите им на приложение, и накрая ще разгледаме бъдещето на нанотехнологиите и потенциалните проблеми, които могат да възникнат по пътя.
Нанотехнологията се отнася до технологията за синтезиране, сглобяване и контролиране на материали в изключително малък мащаб от атоми или молекули, както и за измерване и изясняване на техните свойства. „Малък мащаб“, използван тук, обикновено означава диапазона от 1 до 100 нанометра (nm). Един нанометър е една милиардна част от метъра, а терминът „нано“ произлиза от гръцката дума „nanos“, което означава „джудже“. Като се има предвид, че човешкият косъм е с дебелина около 80 000 до 100 000 нанометра, е лесно да се разбере в колко малък мащаб работи нанотехнологията.
Концепцията за нанотехнологиите е предложена за първи път от американския физик Ричард Файнман. В лекция от 1959 г., озаглавена „Има много място на дъното“, изнесена в Американското физическо дружество, той предсказва, че ще дойде ера, в която ще бъде възможно свободно да се създават изключително малки структури дори в малки пространства на молекулярно ниво. Като пример той обяснява, че цялата енциклопедия „Британика“ може да бъде записана върху повърхност с размерите на една фиба. Тъй като нивото на технологиите по това време все още не е било достатъчно напреднало, за да превърне това в реалност, много от присъстващите отхвърлят твърдението му като нереалистично.
Сканиращият тунелен микроскоп (СТМ), изобретен през 1981 г., изигра ключова роля в трансформирането на нанотехнологиите – които преди това изглеждаха като научна фантастика – в практическа научна и технологична област. СТМ е устройство, способно да наблюдава или модифицира повърхностната структура на полупроводници или проводими материали в нанометров мащаб. То анализира повърхностните структури, като доближава сонда с изключително остър връх до повърхността на обект, след което прилага напрежение между сондата и обекта, за да измери получения ток. Разработването на СТМ надхвърля простото наблюдение на материалните повърхности; то открива възможността за преместване и подреждане на атоми и молекули. През 1986 г., пет години след изобретяването на СТМ, е разработен атомно-силовият микроскоп (АСМ).
За разлика от СТМ, АСМ е устройство, при което сондата осъществява директен контакт с повърхността на обекта, за да измери степента на движение, причинена от вълнообразните движения на атомите. Точно както човек би използвал пръст, за да усети повърхността на обект и да определи формата му, АСМ наблюдава повърхността, като анализира движението на сондата. Разработването на АСМ направи възможно анализирането дори на повърхности на изолационни материали, които бяха трудни за наблюдение със СТМ.
Въпреки това, както STM, така и AFM имаха критични ограничения. Най-големият проблем беше, че процесът отнемаше твърде много време. Използването на тези устройства, които можеха да преместват само един атом или молекула наведнъж, за сглобяване на материали, видими с просто око, на практика беше задача, изискваща огромно количество време.
Човекът, който предложи машини на молекулярно ниво като решение на този проблем, беше американският учен Ерик Дрекслър. В книгата си от 1986 г. „Двигатели на сътворението“ той твърди, че към нанотехнологиите трябва да се подхожда чрез молекулярните машини, открити в природата. В книгата той обяснява, че крайната цел на нанотехнологиите е да се разработят машини на молекулярно ниво – като рибозоми – които използват молекулите като градивни елементи за сглобяване на желаните макроскопични структури. Рибозомата е комплекс от РНК и протеини, който в живите организми комбинира аминокиселини, за да произвежда протеини въз основа на генетична информация. С други думи, Дрекслър твърди, че се нуждаем от машини на молекулярно ниво – които, точно както рибозомите синтезират протеини въз основа на генетична информация от ДНК, биха сглобявали молекули според предварително програмирана последователност, за да произвеждат желаните материали – и той нарече тези машини „асемблери“. Асемблер от предложената от него форма обаче все още не е реализиран, което означава, че съвременната наука и технологии все още не са достигнали крайния етап на нанотехнологиите, който той си е представял. Нека тогава разгледаме докъде са стигнали съвременните нанотехнологии.
Най-общо казано, нанотехнологиите могат да бъдат категоризирани в пет подтехнологии въз основа на техническата им сложност. По-конкретно, те включват технологии за производство на наноматериали; технологии за измерване за оценка на физичните и химичните свойства на наночастици; технологии за манипулиране и интегриране на произведени наноматериали; технологии за приложение на наноустройства; и технологии за моделиране и симулация.
Първата категория, технологията за производство на наноматериали, е допълнително разделена на два подхода. Единият е процесът „отгоре надолу“, който включва постепенно намаляване на размера на материала. Този метод обработва съществуващите материали до наномащаб, подобно на издълбаването на голям камък, за да се направи копие или брадва. Макар че този метод има предимството да позволява сравнително лесно производство на желани форми, той има ограничения, когато става въпрос за прецизна обработка до изключително малки размери. Другият е технологията „отдолу нагоре“, която изгражда материали чрез комбиниране на атоми и молекули една по една. Този метод използва химични реакции за последователно сглобяване на молекули, предлагайки предимството да създава много малки структури; той обаче има недостатъка, че затруднява поддържането на постоянно качество и има бавна скорост на производство, което е недостатък за масовото производство.
Отличен пример за технология за обработка „отдолу нагоре“ е въглеродната нанотръба (CNT). Въглеродните нанотръби са цилиндрични въглеродни структури, базирани на „бъкибол“ (фулерени) – въглеродни молекули, оформени като футболни топки – и в момента се изследват и използват широко в различни промишлени сектори. Въглеродните нанотръби са едни от най-представителните въглеродни структури, след диаманта и графита, и имат диаметър само около 1 нанометър. Благодарение на изключително малкия си размер и уникална структура на свързване, те притежават якост на опън, по-висока от тази на стоманата, и показват отлична електрическа и топлопроводимост. Освен това, в зависимост от структурата си, те могат да проявяват полупроводникови свойства, което ги прави обещаващ кандидат за полупроводникови материали от следващо поколение. Освен това, те се използват в различни области като плоски дисплеи, батерии, композитни материали и биосензори, и се провеждат текущи изследвания.
След като наноматериалите бъдат произведени с помощта на технологиите за производство „отгоре надолу“ и „отдолу нагоре“, обсъдени по-горе, следващата стъпка е разработването на технологии за манипулиране и интегриране на тези материали. Първо обаче трябва да се разработи технология за измерване, способна точно да измерва свойствата на произведените наноматериали. Това е така, защото без достатъчно напреднала технология за измерване е невъзможно да се разбере точно какви явления се случват в наномащаба. Съществува обаче основна пречка в разработването на технологията за измерване в наномащаб: фактът, че квантовите ефекти се появяват, когато размерът на материала стане изключително малък. Когато се появят квантови ефекти, става трудно да се обяснят явленията, използвайки само законите на физиката, приложими в ежедневни мащаби, което затруднява точното измерване на свойствата на материалите. Освен това, с намаляването на размера, самият измервателен сигнал става много слаб и е силно повлиян от околния шум, което налага високочувствително измервателно оборудване. Поради тези причини нанометрологията остава област на активни изследвания днес.
Технологиите за манипулиране и интегриране на наноматериали също са области, които изискват по-нататъшно развитие в бъдеще. В момента технологиите за прецизна манипулация и интеграция се използват широко в микрометров мащаб – който е много по-голям от наномащаба. Отличен пример е полупроводниковата индустрия. Непрекъснатото подобрение в производителността на полупроводниците днес е резултат от напредъка в тези технологии за микропроизводство. Ако в бъдеще станат възможни още по-прецизна манипулация и интеграция на нанометрово ниво, се очаква производителността на различни електронни устройства, включително полупроводници, да се подобри значително в сравнение с настоящите нива. Наред с това се очаква технологиите за приложение на наноустройства, както и технологиите за моделиране и симулация, също да станат по-усъвършенствани въз основа на напредъка в технологиите за измерване, манипулация и интеграция.
И така, как ще изглежда нанотехнологията, след като тези технически предизвикателства бъдат решени? В книгата си от 1991 г. „Освобождаване на бъдещето“ Ерик Дрекслер определя компютрите, производството и медицината като области с особено висок потенциал за бъдещо развитие. В областта на компютърните науки той подчертава развитието на биоелектрониката като ключова възможност. Биоелектрониката е конвергентна област, съчетаваща биотехнологиите и електрониката, като разработването на биокомпютри е една от основните ѝ изследователски цели. Въпреки че все още не е ясно точно каква форма ще приемат биокомпютрите, в ход са различни проучвания за преодоляване на ограниченията на съществуващите силициеви полупроводници чрез използване на биомолекули като протеини.
Биокомпютрите са само един пример за бъдещи технологии, осъществени благодарение на нанотехнологиите. С по-нататъшното им развитие, производствените техники, които прецизно контролират материалите на атомно ниво, вероятно ще станат още по-усъвършенствани. Докато настоящите производствени методи включват едновременна обработка на голям брой атоми за създаване на продукти, се очаква способността за проектиране и сглобяване на материали с прецизност на атомно ниво да позволи производството на продукти, които по-точно отговарят на първоначалното дизайнерско намерение. Освен това се очаква това значително да допринесе за подобряване на качеството и надеждността на продуктите, както и за разработването на материали и продукти с нови свойства, които преди това бяха трудни за постигане.
Очаква се медицинската област също да бъде силно повлияна от нанотехнологиите. Областта, която съчетава нанотехнологиите и медицината, се нарича наномедицина. Тъй като заболяванията в човешкото тяло често произхождат на клетъчно и молекулярно ниво, нанотехнологиите могат да играят решаваща роля в диагностицирането и лечението на заболявания с по-голяма прецизност. Всъщност, изследванията и клиничните приложения, използващи нанотехнологиите, са активно в ход в различни области, включително системи за доставяне на лекарства, които селективно доставят лекарства до специфични места, лечение на рак, регенерация на тъкани и диагностични технологии. Очаква се, че развитието на още по-усъвършенствани нанотехнологии в бъдеще значително ще подобри ефективността и безопасността на лечението на заболявания.
Въз основа на обсъденото досега, бъдещето изглежда по-светло благодарение на напредъка в нанотехнологиите. Въпреки това, подобно на други авангардни технологии, нанотехнологиите имат и няколко отрицателни аспекта. Тъй като наночастиците са изключително малки, те могат да проявяват свойства, различни от тези на обикновените частици, когато бъдат въведени в човешкото тяло. Всъщност, съобщени са резултати от изследвания, показващи, че някои наноматериали могат да попаднат в тялото през дихателните пътища или кожата и потенциално да повлияят на здравето; тъй като нивото на риск може да варира в зависимост от вида на материала и метода на експозиция, се провеждат текущи изследвания и оценки на безопасността. Освен това постоянно се изразяват опасения относно потенциала на нанотехнологиите да се използват за злонамерени цели. Следователно, за да се използва нанотехнологията в полза на човечеството, проверката на безопасността и етичните и социалните дискусии трябва да протичат успоредно с технологичното развитие.
Досега разгледахме нанотехнологиите от различни гледни точки. В момента не само Съединените щати и други развити страни, но и страни по света, включително Южна Корея, признават нанотехнологиите като ключова индустрия на бъдещето и продължават да инвестират сериозно в научноизследователска и развойна дейност. Южна Корея също непрекъснато прилага национални политики за насърчаване на нанотехнологиите и засилва конкурентоспособността си в различни индустриални сектори, като полупроводници, дисплеи, акумулаторни батерии, биотехнологии и съвременни материали. Като такива, нанотехнологиите се развиват бързо въз основа на постоянни изследвания и инвестиции и се очаква да продължат да играят значителна роля в природните науки и в целия индустриален сектор. Освен това, с разширяването на обхвата на тяхното приложение в различни индустриални сектори, те ще се утвърдят като основна технология, която е още по-тясно свързана с нашето ежедневие.
