Selles blogipostituses vaatleme samm-sammult nanotehnoloogia kontseptsiooni, selle arengut, võtmetehnoloogiaid, rakendusi, tulevikuväljavaateid ja piiranguid.
Joe Dante'i lavastatud 1987. aasta ulmefilmis „Innerspace“ on stseen, kus peategelane uurib pisikese õhulaeva pardal veresoonte sisemust. Mehaanilise seadme kontseptsioon, mis liigub läbi veresoonte, oli tollal väga uuenduslik ulmeline süžee, kuid tänapäeval pole see enam kaugeleulatuv idee. Tegelikult käib aktiivne uurimistöö üliväikeste mehaaniliste seadmete kasutamiseks veresoontes ja nanotehnoloogia on selle tehnoloogia aluseks. Tihti öeldakse, et 21. sajand on IT (infotehnoloogia), BT (biotehnoloogia) ja NT (nanotehnoloogia) ajastu; nanotehnoloogia on ennast sisse seadnud põhitehnoloogiana erinevates tööstussektorites ja areneb jätkuvalt kiiresti. Vaatamata selle olulisusele ei mõista enamik inimesi nanotehnoloogiat täielikult. Selles artiklis uurime, mis on nanotehnoloogia, uurime selle tehnilist tausta ja arendusprotsessi, liigitame nanotehnoloogia alamtehnoloogiateks, et uurida selle rakendusvaldkondi, ning lõpuks vaatleme nanotehnoloogia tulevikku ja võimalikke probleeme, mis võivad teel tekkida.
Nanotehnoloogia viitab tehnoloogiale, mille abil sünteesitakse, pannakse kokku ja kontrollitakse materjale äärmiselt väikeses aatomite või molekulide mastaabis, samuti mõõdetakse ja selgitatakse nende omadusi. Siin viidatud „väike mastaap” tähendab üldiselt vahemikku 1 kuni 100 nanomeetrit (nm). Üks nanomeeter on üks miljardik meetrist ja termin „nano” on tuletatud kreekakeelsest sõnast „nanos”, mis tähendab „kääbust”. Arvestades, et inimese juuksekarv on umbes 80 000 kuni 100 000 nanomeetrit paksune, on lihtne mõista, kui väikesel mastaabil nanotehnoloogia töötab.
Nanotehnoloogia kontseptsiooni pakkus esmakordselt välja Ameerika füüsik Richard Feynman. 1959. aastal Ameerika Füüsikaühingus peetud loengus pealkirjaga „Altpoolt on küllaga ruumi“ ennustas ta ajastu saabumist, mil on võimalik vabalt luua äärmiselt väikeseid struktuure isegi molekulaarsel tasandil asuvates pisikestes ruumides. Näiteks selgitas ta, et kogu Britannica entsüklopeedia saab salvestada ühe juuksenõela suurusele pinnale. Kuna tollane tehnoloogia tase polnud selle teostamiseks veel piisavalt arenenud, pidasid paljud kohalolijad tema väidet ebareaalseks.
1981. aastal leiutatud skaneeriv tunnelmikroskoop (STM) oli oluline nanotehnoloogia – mis varem tundus ulmena – muutmisel praktiliseks teadus- ja tehnoloogiavaldkonnaks. STM on seade, mis on võimeline jälgima või muutma pooljuhtide või juhtivate materjalide pinnastruktuuri nanomeetri skaalal. See analüüsib pinnastruktuure, viies äärmiselt terava otsaga sondi objekti pinnale lähedale ja seejärel rakendades sondi ja objekti vahele pinget, et mõõta saadud voolutugevust. STM-i areng ulatus kaugemale pelgalt materjalipindade vaatlemisest; see avas võimaluse aatomite ja molekulide liigutamiseks ja paigutamiseks. 1986. aastal, viis aastat pärast STM-i leiutamist, töötati välja aatomjõumikroskoop (AFM).
Erinevalt STM-ist on AFM seade, milles sond puutub otse kokku objekti pinnaga, et mõõta aatomite lainetuse põhjustatud liikumise astet. Nii nagu objekti pinda kompida ja selle kuju määrata sõrmega, jälgib AFM pinda sondi liikumist analüüsides. AFM-i väljatöötamine võimaldas analüüsida isegi isoleerivate materjalide pindu, mida oli STM-iga keeruline jälgida.
Siiski olid nii STM-il kui ka AFM-il kriitilised piirangud. Suurim probleem oli see, et protsess võttis liiga palju aega. Nende seadmete kasutamine, mis said korraga liigutada ainult ühte aatomit või molekuli, palja silmaga nähtavate materjalide kokkupanekuks oli praktikas tohutult aeganõudev ülesanne.
Selle probleemi lahenduseks pakkus molekulaartaseme masinaid Ameerika teadlane Eric Drexler. Oma 1986. aasta raamatus „Loomise mootorid“ väitis ta, et nanotehnoloogiale tuleks läheneda looduses leiduvate molekulaarmasinate kaudu. Raamatus selgitas ta, et nanotehnoloogia lõppeesmärk on arendada molekulaartaseme masinaid – näiteks ribosoome –, mis kasutavad molekule ehitusplokkidena soovitud makroskoopiliste struktuuride kokkupanekuks. Ribosoom on RNA ja valkude kompleks, mis elusorganismides ühendab aminohappeid, et toota geneetilise teabe põhjal valke. Teisisõnu väitis Drexler, et meil on vaja molekulaartaseme masinaid – mis, nagu ribosoomid sünteesivad DNA geneetilise teabe põhjal valke, paneksid molekule kokku vastavalt eelnevalt programmeeritud järjestusele, et toota soovitud materjale – ja ta nimetas need masinad „assembleriteks“. Tema pakutud vormis assemblerit pole aga veel realiseeritud, mis tähendab, et tänapäevane teadus ja tehnoloogia pole veel jõudnud tema ette kujutatud nanotehnoloogia lõppjärku. Uurime siis, kui kaugele on praegune nanotehnoloogia arenenud.
Üldiselt saab nanotehnoloogia tehnilise keerukuse põhjal jagada viide alamtehnoloogiasse. Täpsemalt hõlmavad need nanomaterjalide tootmise tehnoloogiat; nanoskaala osakeste füüsikaliste ja keemiliste omaduste hindamise mõõtmistehnoloogiat; toodetud nanomaterjalide manipuleerimise ja integreerimise tehnoloogiat; nanoseadmete rakendustehnoloogiat; ning modelleerimis- ja simulatsioonitehnoloogiat.
Esimene kategooria, nanomaterjalide valmistamise tehnoloogia, jaguneb omakorda kaheks lähenemisviisiks. Üks on ülalt-alla protsess, mis hõlmab materjali suuruse järkjärgulist vähendamist. See meetod töötleb olemasolevaid materjale nanoskaalani, sarnaselt suure kivi nikerdamisele oda või kirve valmistamiseks. Kuigi selle meetodi eeliseks on soovitud kujundite suhteliselt lihtne valmistamine, on sellel piirangud äärmiselt väikeste suuruste täppistöötlemisel. Teine on alt-üles protsessitehnoloogia, mis ehitab materjale aatomite ja molekulide ükshaaval ühendamise teel. See meetod kasutab molekulide järjestikuseks kokkupanekuks keemilisi reaktsioone, mis pakub eelise väga väikeste struktuuride loomisel; selle puuduseks on aga ühtlase kvaliteedi säilitamise raskus ja aeglane tootmiskiirus, mis on masstootmise puuduseks.
Alt-üles töötlemistehnoloogia suurepärane näide on süsiniknanotorud (CNT). Süsiniknanotorud on silindrilised süsinikstruktuurid, mis põhinevad buckyballidel (fullereenidel) – jalgpalli kujulistel süsinikmolekulidel – ning neid uuritakse ja kasutatakse praegu ulatuslikult erinevates tööstussektorites. Süsiniknanotorud on teemandi ja grafiidi järel ühed tüüpilisemad süsinikstruktuurid ning nende läbimõõt on vaid umbes 1 nanomeeter. Tänu oma äärmiselt väikesele suurusele ja ainulaadsele sidestruktuurile on neil terasest parem tõmbetugevus ning suurepärane elektri- ja soojusjuhtivus. Lisaks võivad nad olenevalt oma struktuurist omada pooljuhtivaid omadusi, mis teeb neist paljulubava kandidaadi järgmise põlvkonna pooljuhtmaterjalide jaoks. Lisaks sellele kasutatakse neid erinevates valdkondades, näiteks lameekraaniga ekraanides, patareides, komposiitmaterjalides ja biosensorites, ning uuringuid tehakse pidevalt.
Kui nanomaterjalid on eespool käsitletud ülalt-alla ja alt-üles tootmistehnoloogiate abil toodetud, on järgmine samm tehnoloogiate väljatöötamine nende materjalide manipuleerimiseks ja integreerimiseks. Esmalt tuleb aga välja töötada mõõtetehnoloogia, mis suudab täpselt mõõta valmistatud nanomaterjalide omadusi. Seda seetõttu, et ilma piisavalt arenenud mõõtetehnoloogiata on võimatu täpselt mõista, millised nähtused nanoskaalas toimuvad. Nanoskaala mõõtmistehnoloogia arendamisel on aga peamine takistus: kvantefektid tekivad materjali suuruse muutudes äärmiselt väikeseks. Kvantefektide ilmnemisel muutub nähtuste selgitamine ainult igapäevases skaalas rakendatavate füüsikaseaduste abil keeruliseks, mistõttu on materjalide omaduste täpne mõõtmine keeruline. Lisaks muutub suuruse vähenedes mõõtesignaal ise väga nõrgaks ja seda mõjutab suuresti ümbritsev müra, mis nõuab ülitundlikke mõõteseadmeid. Nendel põhjustel on nanometroloogia tänapäeval aktiivse uurimisvaldkonnana.
Nanomaterjalide manipuleerimise ja integreerimise tehnoloogiad on samuti valdkonnad, mis vajavad tulevikus edasist arendamist. Praegu kasutatakse täppismanipulatsiooni ja integreerimise tehnoloogiaid laialdaselt mikromeetri skaalal, mis on palju suurem kui nanoskaal. Hea näide on pooljuhtide tööstus. Pooljuhtide jõudluse pidev paranemine tänapäeval on mikrotootmistehnoloogiate arengu tulemus. Kui tulevikus on võimalik veelgi täpsem manipulatsioon ja integreerimine nanomeetri tasandil, eeldatakse, et erinevate elektroonikaseadmete, sealhulgas pooljuhtide jõudlus paraneb praeguse tasemega võrreldes märkimisväärselt. Lisaks eeldatakse, et nanoseadmete rakendustehnoloogiad ning modelleerimis- ja simulatsioonitehnoloogiad muutuvad ka mõõtmis-, manipuleerimis- ja integreerimistehnoloogiate arengu põhjal keerukamaks.
Milline näeb nanotehnoloogia välja siis, kui need tehnilised väljakutsed on lahendatud? Oma 1991. aasta raamatus „Unbounding the Future“ („Tuleviku piirideta“) nimetas Eric Drexler arvutid, tootmise ja meditsiini valdkondadeks, millel on eriti suur tulevikupotentsiaal. Arvutiteaduse valdkonnas tõi ta esile bioelektroonika arengu kui peamise võimaluse. Bioelektroonika on biotehnoloogiat ja elektroonikat ühendav koonduv valdkond, mille üks peamisi uurimiseesmärke on bioarvutite arendamine. Kuigi pole veel täpselt selge, millist vormi bioarvutid võtavad, on käimas mitmesugused uuringud olemasolevate ränipooljuhtide piirangute ületamiseks, kasutades biomolekule, näiteks valke.
Bioarvutid on vaid üks näide nanotehnoloogia abil võimaldatud tulevikutehnoloogiatest. Nanotehnoloogia edasi arenedes muutuvad tõenäoliselt veelgi keerukamaks tootmistehnikad, mis võimaldavad materjalide täpset kontrolli aatomitasandil. Kuigi praegused tootmismeetodid hõlmavad toodete loomiseks suure hulga aatomite samaaegset töötlemist, eeldatakse, et materjalide aatomitasandil täpne kavandamine ja kokkupanek võimaldab toota tooteid, mis vastavad paremini algsele kavandatud eesmärgile. Lisaks eeldatakse, et see aitab oluliselt kaasa toodete kvaliteedi ja töökindluse parandamisele ning materjalide ja toodete väljatöötamisele, millel on uued omadused, mida oli varem raske saavutada.
Nanotehnoloogia peaks oluliselt mõjutama ka meditsiinivaldkonda. Valdkonda, mis ühendab nanotehnoloogiat ja meditsiini, nimetatakse nanomeditsiiniks. Kuna inimkehas esinevad haigused saavad sageli alguse rakulisel ja molekulaarsel tasandil, võib nanotehnoloogia mängida olulist rolli haiguste täpsemal diagnoosimisel ja ravimisel. Tegelikult on nanotehnoloogiat kasutavad uuringud ja kliinilised rakendused aktiivselt käimas erinevates valdkondades, sealhulgas ravimite manustamissüsteemides, mis manustavad ravimeid valikuliselt kindlatesse kohtadesse, vähiravis, kudede regenereerimises ja diagnostilistes tehnoloogiates. Eeldatakse, et veelgi keerukama nanotehnoloogia arendamine tulevikus parandab oluliselt haiguste ravi tõhusust ja ohutust.
Seni arutatu põhjal näib tulevik tänu nanotehnoloogia edusammudele helgem. Nagu ka teistel tipptehnoloogiatel, on ka nanotehnoloogial mitmeid negatiivseid külgi. Kuna nanoosakesed on äärmiselt väikesed, võivad nad inimkehasse sattudes omada tavaliste osakeste omadustest erinevaid omadusi. Tegelikult on avaldatud uuringutulemusi, mis näitavad, et mõned nanomaterjalid võivad organismi sattuda hingamisteede või naha kaudu ja potentsiaalselt tervist mõjutada; kuna riskitase võib varieeruda sõltuvalt materjali tüübist ja kokkupuuteviisist, viiakse läbi käimasolevaid uuringuid ja ohutushinnanguid. Lisaks tõstatatakse pidevalt muret nanotehnoloogia võimaliku pahatahtliku kasutamise pärast. Seetõttu peavad nanotehnoloogia inimkonna hüvanguks kasutamiseks ohutuse kontrollimine ning eetilised ja sotsiaalsed arutelud toimuma paralleelselt tehnoloogia arenguga.
Oleme seni uurinud nanotehnoloogiat erinevatest vaatenurkadest. Praegu tunnustavad mitte ainult Ameerika Ühendriigid ja teised arenenud riigid, vaid ka riigid üle maailma, sealhulgas Lõuna-Korea, nanotehnoloogiat tuleviku võtmetööstusena ning jätkavad suuri investeeringuid teadus- ja arendustegevusse. Ka Lõuna-Korea rakendab pidevalt riiklikku poliitikat nanotehnoloogia edendamiseks ja tugevdab oma konkurentsivõimet erinevates tööstussektorites, nagu pooljuhid, ekraanid, laetavad akud, biotehnoloogia ja täiustatud materjalid. Seega areneb nanotehnoloogia tänu pidevale uurimistööle ja investeeringutele kiiresti ning eeldatavasti mängib see jätkuvalt olulist rolli nii loodusteadustes kui ka kogu tööstussektoris. Lisaks, kuna selle rakendusala laieneb erinevatesse tööstussektoritesse, kujuneb see põhitehnoloogiaks, mis on veelgi tihedamalt seotud meie igapäevaeluga.
