Tässä blogikirjoituksessa tutkimme, miten näkymätön nanoteknologia voi mullistaa jokapäiväistä elämäämme ja samalla aiheuttaa uhkan ympäristölle ja terveydellemme.
Nanoteknologia herättää nykyään paljon kiinnostusta. Se ei ehkä vaikuta suurelta asialta, mutta pelkkä sanan "nano" mainitseminen nostaa usein tuotteen hintaa. Esimerkiksi "hopea-nanopuhdistusteknologialla" varustettu pesukone tulee paljon kalliimmaksi kuin tavallinen pesukone. Mitä nanoteknologia sitten on?
Ensinnäkin sana nano tulee kreikan sanasta ”nanos”, joka tarkoittaa ”kääpiötä”. Nanometri (nm) on metrin miljardisosa, noin sadastuhannesosa ihmisen hiuksen paksuudesta ja karkeasti kolmen tai neljän atomin kokoinen. Nanoteknologialle on monia määritelmiä, mutta ne voidaan tiivistää kolmeen päätapaan. Ensinnäkin se on mikroskooppisten materiaalien tai koneiden valmistamisen taidetta nanomittakaavan materiaaleista; toiseksi se on laitteiden suorituskyvyn parantamisen taidetta hyödyntämällä uusia fysikaalisia ominaisuuksia, jotka ilmenevät vain nanomittakaavassa; ja kolmanneksi se on mikroskooppisen alueen luonnonilmiöiden mittaamisen ja ennustamisen taidetta, joita ei voida havaita paljaalla silmällä.
Kuten näette, nanoteknologia kattaa laajan kirjon alueita. Yhdysvaltain kansallinen nanoteknologia-aloite (NNI) määrittelee kolme keskeistä edellytystä nanoteknologialle. Ensinnäkin tutkimuksen ja teknologian kehittämisen on tapahduttava atomi- ja molekyylitasolla, noin 1–100 nanometrin alueella; toiseksi on luotava laitteita tai järjestelmiä, joilla on uusia ominaisuuksia ja toimintoja, jotka nousevat esiin tästä mikroskooppisesta koosta; ja kolmanneksi niitä on voitava manipuloida ja ohjata atomitasolla.
Amerikkalainen fyysikko Richard Feynman tunnisti ensimmäisenä nanoteknologian potentiaalin. Hän korosti atomitason manipuloinnin mahdollisuutta sanoessaan: "Koko Encyclopedia Britannican voisi laittaa naulan kantaan." Kvanttimekaniikan kehittymisen ja IBM:n vuonna 1981 kehittämän pyyhkäisytunnelointimikroskoopin (STM) myötä, joka toteutti atomitason resoluution, nanoteknologia oli tulossa. STM mahdollisti nanoskaalan alueiden havaitsemisen, jotka eivät olleet näkyvissä perinteisillä optisilla mikroskoopeilla, ja vuonna 1986 AT&T Bell Labs käytti STM:ää onnistuneesti atomien eristämiseen ja muokkaamiseen. Myöhemmät kehitysaskeleet, kuten pyyhkäisymikroskooppi (SPM) ja läpäisyelektronimikroskooppi (TEM), ovat avanneet pääsyn nanomaailmaan.
Nanoteknologian erottaa muista teknologioista ainutlaatuiset ominaisuudet, jotka ilmenevät vain nanoskaalassa. Ensinnäkin pintaominaisuuksista tulee materiaalin ominaisuuksien ensisijainen määräävä tekijä. Nanomittakaavaan kutistuessa pinta-alan suhde tilavuuteen kasvaa eksponentiaalisesti, mikä on tärkeää useissa sovelluksissa, kuten katalyysissä, lääkeaineiden annostelussa ja energian varastoinnissa. Toiseksi niiden elektronisia, magneettisia ja optisia ominaisuuksia säätelevät kvantti-ilmiöt. Kolmanneksi mikroskooppiset fysikaaliset ilmiöt, kuten Brownin liike, ovat hallitsevassa roolissa, mikä liittyy läheisesti nanovaihteisiin, tunnelointiefekteihin ja yksielektroni-ilmiöihin.
Näiden ominaisuuksien ansiosta nanomateriaaleilla on laaja valikoima fysikaalisia ominaisuuksia. Esimerkiksi optisten ominaisuuksien osalta väri muuttuu nanopartikkelien koon mukaan. Metallien tapauksessa ne ovat kultaisia makrokoossa, mutta alle 10 nanometrin kokoisina ne näyttävät punaisilta. Kemiallisten ominaisuuksien osalta suurempi pinta-ala lisää reaktiivisuutta, kuten sterilointia, jolla on kaupallisia sovelluksia. Mekaanisten ominaisuuksien osalta on raportoitu jyrkkää lujuuden kasvua tietyillä raekooilla, ja sähkömagneettisten ominaisuuksien osalta magneettiset ominaisuudet maksimoituvat tietyillä raekooilla.
Nanoteknologia on luova teknologia, jolla on loputtomasti mahdollisuuksia. Sen sovellukset kattavat lähes kaikki teollisuudenalat, mukaan lukien televiestintä, ilmailu ja lääketiede. Lähitulevaisuudessa voimme odottaa läpimurtoja suuren kapasiteetin tiedontallennuksessa, erittäin vahvoissa materiaaleissa, nanokatalyyteissä, tarkoissa lääkeaineiden annostelujärjestelmissä, geenimanipulaatiossa, erittäin hienoissa epäpuhtauksien poistolaitteissa ja muissa. Nanoteknologialla on sovelluksia myös arkielämässä. Esimerkiksi itsepuhdistuvat pinnat, ilmanpuhdistusjärjestelmät ja yksilölliset elintarvikkeiden tuotantojärjestelmät ovat tulossa todellisuudeksi.
Myös korkearesoluutioiset näytöt, mukaansatempaavat 3D-televisiot ja todentuntuiset taidekokemukset voitaisiin toteuttaa nanoteknologialla. Mutta tämän valoisan tulevaisuuden taustalla ovat nanoteknologian riskit. On huolta siitä, että erittäin hienot nanomateriaalit voivat kertyä ihmiskehoon tai saastuttaa ympäristöä, ja tutkimus on käynnissä.
Hyvä esimerkki on hiilinanoputkien kiistanalainen haitallisuus. Tutkimukset ovat osoittaneet, että ne voivat aiheuttaa pitkäaikaisia terveyshaittoja, jos ne kertyvät elimistöön. On myös raportteja, joiden mukaan fullereeni (C60) voi tuottaa vapaita radikaaleja ja että titaanidioksidi, dieselhiukkaset jne. muuttuvat myrkyllisemmiksi kutistuessaan nanomittakaavaan. On myös raportteja nanopartikkeleista, jotka saastuttavat elektroniikkaa ja heikentävät tuottavuutta, ja valtion virastot ovat alkaneet arvioida nanomateriaalien ympäristövaikutuksia.
Tämä on johtanut uuden tutkimusalan, nanotoksikologian, syntymiseen. Sen tavoitteena on arvioida nanomateriaalien myrkyllisyyttä ja niiden vaikutuksen laajuutta. Myrkyllisyyteen vaikuttavat monet muuttujat, kuten kemiallinen koostumus, funktionaaliset ryhmät, pintarakenne, liukoisuus ja liukenevuus, eivätkä vain hiukkaskoko, mikä edellyttää kunkin nanomateriaalin yksilöllistä ja tarkkaa arviointia.
Yhteenvetona voidaan todeta, että nanoteknologialla on potentiaalia muuttaa ihmiselämää dramaattisesti, mutta sen rinnalla on oltava perusteellista tutkimusta ja varautumista sen riskeihin. Tasapainoinen näkemys ja tieteellinen lähestymistapa ovat välttämättömiä sen varmistamiseksi, että teknologinen kehitys hyödyttää ihmisiä ja ympäristöä.
