V tomto blogovém příspěvku se krok za krokem podíváme na koncept nanotechnologie, její vývoj, klíčové technologie, aplikace, budoucí vyhlídky a omezení.
Ve sci-fi filmu „Innerspace“ z roku 1987, který režíroval Joe Dante, se nachází scéna, kde hlavní hrdina zkoumá vnitřek cév na palubě miniaturní vzducholodi. Koncept mechanického zařízení pohybujícího se cévami byl v té době velmi inovativním sci-fi prvkem, ale dnes už to není přitažená za vlasy představa. Ve skutečnosti probíhá aktivní výzkum využití ultra malých mechanických zařízení v cévách a nanotechnologie slouží jako základ této technologie. Často se říká, že 21. století je érou IT (informačních technologií), BT (biotechnologií) a NT (nanotechnologií); nanotechnologie se etablovala jako klíčová technologie v různých průmyslových odvětvích a nadále se rychle rozvíjí. Navzdory svému významu však většina lidí nanotechnologii plně nerozumí. V tomto článku se budeme zabývat tím, co nanotechnologie je, prozkoumáme její technické pozadí a proces vývoje, rozdělíme nanotechnologie do subtechnologií, abychom prozkoumali oblasti jejího použití, a nakonec se podíváme na budoucnost nanotechnologie a potenciální problémy, které se mohou v jejím průběhu objevit.
Nanotechnologie označuje technologii syntézy, sestavování a řízení materiálů v extrémně malém měřítku atomů nebo molekul, jakož i měření a objasňování jejich vlastností. „Malé měřítko“, o kterém se zde mluví, obecně znamená rozsah od 1 do 100 nanometrů (nm). Jeden nanometr je jedna miliardtina metru a termín „nano“ je odvozen z řeckého slova „nanos“, což znamená „trpaslík“. Vzhledem k tomu, že lidský vlas má tloušťku asi 80 000 až 100 000 nanometrů, je snadné pochopit, v jak malém měřítku nanotechnologie funguje.
Koncept nanotechnologie poprvé navrhl americký fyzik Richard Feynman. V přednášce s názvem „Dole je spousta místa“, kterou přednesl v Americké fyzikální společnosti v roce 1959, předpověděl, že nastane éra, kdy bude možné volně vytvářet extrémně malé struktury i v nepatrných prostorech na molekulární úrovni. Jako příklad uvedl, že celá encyklopedie Britannica by se dala zaznamenat na povrch o velikosti jediné vlásenky. Vzhledem k tomu, že úroveň technologií v té době ještě nebyla dostatečně pokročilá, aby se to stalo skutečností, mnoho účastníků jeho tvrzení odmítlo jako nereálné.
Skenovací tunelový mikroskop (STM), vynalezený v roce 1981, sehrál klíčovou roli v transformaci nanotechnologie – která se dříve jevila jako sci-fi – do praktické vědecké a technologické oblasti. STM je zařízení schopné pozorovat nebo modifikovat povrchovou strukturu polovodičů nebo vodivých materiálů v nanometrovém měřítku. Analyzuje povrchové struktury tak, že přiblíží sondu s extrémně ostrým hrotem k povrchu objektu a poté mezi sondu a objekt přivede napětí za účelem měření výsledného proudu. Vývoj STM šel nad rámec pouhého pozorování povrchů materiálů; otevřel možnost pohybu a uspořádání atomů a molekul. V roce 1986, pět let po vynálezu STM, byl vyvinut atomární silový mikroskop (AFM).
Na rozdíl od STM je AFM zařízení, ve kterém sonda navazuje přímý kontakt s povrchem objektu a měří stupeň pohybu způsobený vlněním atomů. Stejně jako by se prst použil k ohmatání povrchu objektu a určení jeho tvaru, AFM pozoruje povrch analýzou pohybu sondy. Vývoj AFM umožnil analyzovat i povrchy izolačních materiálů, které bylo pomocí STM obtížné pozorovat.
STM i AFM však měly kritická omezení. Největším problémem bylo, že proces trval příliš dlouho. Použití těchto zařízení, která dokázala pohybovat pouze jedním atomem nebo molekulou najednou, k sestavení materiálů viditelných pouhým okem byl v praxi úkol vyžadující enormní množství času.
Osobou, která navrhla stroje na molekulární úrovni jako řešení tohoto problému, byl americký vědec Eric Drexler. Ve své knize „Stroje stvoření“ z roku 1986 argumentoval, že k nanotechnologiím by se mělo přistupovat prostřednictvím molekulárních strojů, které se nacházejí v přírodě. V knize vysvětlil, že konečným cílem nanotechnologie je vyvinout stroje na molekulární úrovni – jako jsou ribozomy – které využívají molekuly jako stavební bloky k sestavení požadovaných makroskopických struktur. Ribozom je komplex RNA a proteinů, který v živých organismech kombinuje aminokyseliny za účelem produkce proteinů na základě genetické informace. Jinými slovy, Drexler tvrdil, že potřebujeme stroje na molekulární úrovni – které, stejně jako ribozomy syntetizují proteiny na základě genetické informace z DNA, by sestavovaly molekuly podle předem naprogramované sekvence za účelem produkce požadovaných materiálů – a tyto stroje nazval „assemblery“. Assembler v podobě, jakou navrhl, však dosud nebyl realizován, což znamená, že moderní věda a technika dosud nedosáhly konečného stádia nanotechnologie, které si představoval. Pojďme se tedy podívat na to, jak daleko pokročila současná nanotechnologie.
Nanotechnologie lze obecně rozdělit do pěti podtechnologií na základě technické obtížnosti. Konkrétně se jedná o technologii pro výrobu nanomateriálů, měřicí technologii pro posuzování fyzikálních a chemických vlastností nanočástic, technologii pro manipulaci a integraci vyrobených nanomateriálů, aplikační technologii pro nanozařízení a modelovací a simulační technologii.
První kategorie, technologie výroby nanomateriálů, se dále dělí na dva přístupy. Jedním je proces shora dolů, který zahrnuje postupné zmenšování velikosti materiálu. Tato metoda zpracovává existující materiály až do nanoměřítka, podobně jako vyřezávání velkého kamene na kopí nebo sekeru. I když má tato metoda výhodu v tom, že umožňuje relativně snadnou výrobu požadovaných tvarů, má omezení, pokud jde o přesné zpracování až do extrémně malých velikostí. Druhou je technologie procesu zdola nahoru, která vytváří materiály kombinováním atomů a molekul jeden po druhém. Tato metoda využívá chemické reakce k postupnému sestavování molekul, což nabízí výhodu vytváření velmi malých struktur; má však nevýhodu v tom, že ztěžuje udržení konzistentní kvality a má pomalou rychlost výroby, což je nevýhodou pro hromadnou výrobu.
Ukázkovým příkladem technologie zpracování zdola nahoru jsou uhlíkové nanotrubice (CNT). Uhlíkové nanotrubice jsou válcové uhlíkové struktury založené na buckyballech (fullerenech) – molekulách uhlíku ve tvaru fotbalových míčů – a v současné době jsou rozsáhle zkoumány a využívány v různých průmyslových odvětvích. Uhlíkové nanotrubice jsou jednou z nejreprezentativnějších uhlíkových struktur, hned po diamantu a grafitu, a mají průměr pouze asi 1 nanometr. Díky své extrémně malé velikosti a jedinečné vazebné struktuře mají pevnost v tahu vyšší než ocel a vykazují vynikající elektrickou a tepelnou vodivost. Navíc v závislosti na své struktuře mohou vykazovat polovodičové vlastnosti, což z nich činí slibného kandidáta pro polovodičové materiály nové generace. Kromě toho se používají v různých oblastech, jako jsou ploché displeje, baterie, kompozitní materiály a biosenzory, a probíhá i nadále výzkum.
Jakmile jsou nanomateriály vyrobeny pomocí výše uvedených technologií výroby shora dolů a zdola nahoru, dalším krokem je vývoj technologií pro manipulaci s těmito materiály a jejich integraci. Nejprve je však nutné vyvinout měřicí technologii schopnou přesně měřit vlastnosti vyrobených nanomateriálů. Je to proto, že bez dostatečně pokročilé měřicí technologie není možné přesně pochopit, k jakým jevům dochází v nanoměřítku. Ve vývoji měřicí technologie v nanoměřítku však existuje hlavní překážka: skutečnost, že kvantové efekty se objevují s tím, jak se velikost materiálu extrémně zmenšuje. Když dojde ke kvantovým efektům, je obtížné vysvětlit jevy pouze pomocí fyzikálních zákonů platných v každodenním měřítku, což ztěžuje přesné měření vlastností materiálů. Navíc se s klesající velikostí samotný měřicí signál stává velmi slabým a je silně ovlivněn okolním šumem, což vyžaduje vysoce citlivé měřicí zařízení. Z těchto důvodů je nanometrologie i dnes oblastí aktivního výzkumu.
Technologie pro manipulaci a integraci nanomateriálů jsou také oblasti, které vyžadují v budoucnu další rozvoj. V současné době se technologie přesné manipulace a integrace široce používají v mikrometrovém měřítku – které je mnohem větší než nanoměřítko. Ukázkovým příkladem je polovodičový průmysl. Neustálé zlepšování výkonu polovodičů je dnes výsledkem pokroku v těchto technologiích mikrofabrikace. Pokud bude v budoucnu možná ještě přesnější manipulace a integrace na nanometrové úrovni, očekává se, že výkon různých elektronických zařízení, včetně polovodičů, se ve srovnání se současnou úrovní výrazně zlepší. Spolu s tím se očekává, že aplikační technologie pro nanozařízení, stejně jako technologie modelování a simulace, budou také sofistikovanější na základě pokroku v technologiích měření, manipulace a integrace.
Jak tedy bude nanotechnologie vypadat, jakmile budou tyto technické výzvy vyřešeny? Ve své knize „Unbounding the Future“ z roku 1991 označil Eric Drexler počítače, výrobu a medicínu za oblasti s obzvláště vysokým potenciálem pro budoucí rozvoj. V oblasti informatiky zdůraznil pokrok v bioelektronice jako klíčovou možnost. Bioelektronika je konvergentní obor kombinující biotechnologii a elektroniku, přičemž jedním z jejích hlavních výzkumných cílů je vývoj biopočítačů. Ačkoli zatím není zcela jasné, jakou formu biopočítače budou mít, probíhají různé studie, jejichž cílem je překonat omezení stávajících křemíkových polovodičů využitím biomolekul, jako jsou proteiny.
Biopočítače jsou jen jedním z příkladů budoucích technologií, které nanotechnologie umožňuje. S dalším pokrokem nanotechnologie se pravděpodobně stanou ještě sofistikovanějšími výrobními technikami, které přesně řídí materiály na atomární úrovni. Zatímco současné výrobní metody zahrnují zpracování velkého množství atomů současně za účelem vytvoření produktů, očekává se, že schopnost navrhovat a sestavovat materiály s přesností na atomární úrovni umožní výrobu produktů, které lépe odpovídají původnímu záměru návrhu. Dále se očekává, že nanotechnologie významně přispěje ke zlepšení kvality a spolehlivosti produktů, jakož i k vývoji materiálů a produktů s novými vlastnostmi, kterých bylo dříve obtížné dosáhnout.
Očekává se, že nanotechnologie bude také výrazně ovlivněna lékařskou oblastí. Oblast, která kombinuje nanotechnologie a medicínu, se nazývá nanomedicína. Vzhledem k tomu, že nemoci v lidském těle často vznikají na buněčné a molekulární úrovni, může nanotechnologie hrát klíčovou roli v diagnostice a léčbě onemocnění s větší přesností. Výzkum a klinické aplikace využívající nanotechnologie aktivně probíhají v různých oblastech, včetně systémů pro podávání léků, které selektivně dodávají léky na specifická místa, léčby rakoviny, regenerace tkání a diagnostických technologií. Očekává se, že vývoj ještě sofistikovanějších nanotechnologií v budoucnu výrazně zlepší účinnost a bezpečnost léčby onemocnění.
Na základě toho, co jsme dosud diskutovali, se budoucnost jeví jako světlejší díky pokroku v nanotechnologiích. Stejně jako jiné špičkové technologie má však i nanotechnologie několik negativních aspektů. Protože nanočástice jsou extrémně malé, mohou po zavedení do lidského těla vykazovat vlastnosti odlišné od běžných částic. Ve skutečnosti byly publikovány výzkumné výsledky, které naznačují, že některé nanomateriály se mohou do těla dostat dýchacími cestami nebo kůží a potenciálně ovlivnit zdraví; vzhledem k tomu, že míra rizika se může lišit v závislosti na typu materiálu a způsobu expozice, probíhá výzkum a hodnocení bezpečnosti. Kromě toho se neustále objevují obavy ohledně potenciálu použití nanotechnologií ke škodlivým účelům. Aby tedy mohly být nanotechnologie využívány ve prospěch lidstva, musí ověřování bezpečnosti a etické a sociální diskuse probíhat souběžně s technologickým rozvojem.
Doposud jsme zkoumali nanotechnologie z různých perspektiv. V současné době nejen Spojené státy a další rozvinuté země, ale i země po celém světě, včetně Jižní Koreje, uznávají nanotechnologie jako klíčové odvětví budoucnosti a nadále značně investují do výzkumu a vývoje. I Jižní Korea neustále zavádí národní politiky na podporu nanotechnologií a posiluje svou konkurenceschopnost v různých průmyslových odvětvích, jako jsou polovodiče, displeje, dobíjecí baterie, biotechnologie a pokročilé materiály. Nanotechnologie se tak rychle rozvíjí na základě stálého výzkumu a investic a očekává se, že bude i nadále hrát významnou roli v přírodních vědách a v celém průmyslovém sektoru. Navíc s rozšiřováním rozsahu jejich uplatnění v různých průmyslových odvětvích se etabluje jako klíčová technologie, která je ještě úžeji propojena s naším každodenním životem.
