Tässä blogikirjoituksessa tarkastelemme askel askeleelta nanoteknologian käsitettä, sen kehitystä, keskeisiä teknologioita, sovelluksia, tulevaisuudennäkymiä ja rajoituksia.
Joe Danten ohjaamassa vuoden 1987 scifi-elokuvassa "Innerspace" on kohtaus, jossa päähenkilö tutkii verisuonten sisäpuolta pienen pienikokoisella ilmalaivalla. Verisuonten läpi kulkevan mekaanisen laitteen käsite oli tuolloin erittäin innovatiivinen scifi-juoni, mutta nykyään se ei ole enää kaukaa haettu ajatus. Itse asiassa käynnissä on aktiivinen tutkimus erittäin pienten mekaanisten laitteiden hyödyntämiseksi verisuonissa, ja nanoteknologia toimii tämän teknologian perustana. Usein sanotaan, että 21-luku on tietotekniikan (IT), bioteknologian (BT) ja nanoteknologian (NT) aikakautta; nanoteknologia on vakiinnuttanut asemansa ydinteknologiana eri teollisuudenaloilla ja kehittyy edelleen nopeasti. Tärkeydestään huolimatta useimmat ihmiset eivät kuitenkaan täysin ymmärrä nanoteknologiaa. Tässä artikkelissa tarkastelemme, mitä nanoteknologia on, tutkimme sen teknistä taustaa ja kehitysprosessia, luokittelemme nanoteknologian alateknologioihin sen sovellusalueiden tutkimiseksi ja lopuksi tarkastelemme nanoteknologian tulevaisuutta ja mahdollisia ongelmia, joita matkan varrella saattaa ilmetä.
Nanoteknologialla tarkoitetaan tekniikkaa, jolla syntetisoidaan, kootaan ja hallitaan materiaaleja erittäin pienessä atomien tai molekyylien mittakaavassa sekä mitataan ja selvitetään niiden ominaisuuksia. Tässä viitattu "pieni mittakaava" tarkoittaa yleensä aluetta 1–100 nanometriä (nm). Yksi nanometri on metrin miljardisosa, ja termi "nano" on johdettu kreikan sanasta "nanos", joka tarkoittaa "kääpiötä". Kun otetaan huomioon, että ihmisen hius on noin 80 000–100 000 nanometriä paksu, on helppo ymmärtää, kuinka pienessä mittakaavassa nanoteknologia toimii.
Nanoteknologian käsitteen esitti ensimmäisenä yhdysvaltalainen fyysikko Richard Feynman. Vuonna 1959 American Physical Societyssa pitämässään luennossa "There's Plenty of Room at the Bottom" hän ennusti aikakauden koittavan, jolloin olisi mahdollista luoda vapaasti erittäin pieniä rakenteita jopa molekyylitason pienissä tiloissa. Esimerkkinä hän selitti, että koko Britannica-tietosanakirja voitaisiin tallentaa yhden hiusneulan kokoiselle pinnalle. Koska teknologian taso ei tuolloin ollut vielä riittävän kehittynyttä tämän toteuttamiseksi, monet osallistujat hylkäsivät hänen väitteensä epärealistisena.
Vuonna 1981 keksitty pyyhkäisytunnelointimikroskooppi (STM) oli keskeisessä asemassa muuttaessaan aiemmin tieteisfiktiolta tuntuvaa nanoteknologiaa käytännönläheiseksi tieteen ja teknologian alaksi. STM on laite, jolla voidaan tarkkailla tai muokata puolijohteiden tai johtavien materiaalien pintarakennetta nanometritasolla. Se analysoi pintarakenteita tuomalla erittäin teräväkärkisen anturin lähelle kappaleen pintaa ja kytkemällä sitten jännite anturin ja kappaleen välille syntyvän virran mittaamiseksi. STM:n kehitys meni pelkän materiaalipintojen tarkkailun ulkopuolelle; se avasi mahdollisuuden atomien ja molekyylien liikuttamiseen ja järjestämiseen. Vuonna 1986, viisi vuotta STM:n keksimisen jälkeen, kehitettiin atomivoimamikroskooppi (AFM).
Toisin kuin STM, AFM on laite, jossa luotain on suorassa kosketuksessa kohteen pintaan mitatakseen atomien aaltoilun aiheuttaman liikkeen astetta. Aivan kuten sormella tunnustelisi kohteen pintaa ja määrittäisi sen muodon, AFM tarkkailee pintaa analysoimalla luotaimen liikettä. AFM:n kehitys mahdollisti jopa eristävien materiaalien pintojen analysoinnin, joita oli vaikea havaita STM:llä.
Sekä STM:llä että AFM:llä oli kuitenkin kriittisiä rajoituksia. Suurin ongelma oli, että prosessi vei aivan liian kauan aikaa. Näiden laitteiden, jotka pystyivät liikuttamaan vain yhtä atomia tai molekyyliä kerrallaan, käyttäminen paljaalla silmällä näkyvien materiaalien kokoamiseen oli käytännössä valtavasti aikaa vaativa tehtävä.
Amerikkalainen tiedemies Eric Drexler ehdotti ratkaisuksi molekyylitason koneita tähän ongelmaan. Vuonna 1986 julkaistussa kirjassaan "Engines of Creation" hän väitti, että nanoteknologiaa tulisi lähestyä luonnossa esiintyvien molekyylikoneiden kautta. Kirjassa hän selitti, että nanoteknologian perimmäisenä tavoitteena on kehittää molekyylitason koneita – kuten ribosomeja – jotka käyttävät molekyylejä rakennuspalikoina haluttujen makroskooppisten rakenteiden kokoamiseen. Ribosomi on RNA:n ja proteiinien kompleksi, joka elävissä organismeissa yhdistää aminohappoja tuottaakseen proteiineja geneettisen tiedon perusteella. Toisin sanoen Drexler väitti, että tarvitsemme molekyylitason koneita – jotka aivan kuten ribosomit syntetisoivat proteiineja DNA:sta peräisin olevan geneettisen tiedon perusteella, kokoaisivat molekyylejä ennalta ohjelmoidun sekvenssin mukaisesti haluttujen materiaalien tuottamiseksi – ja hän nimesi nämä koneet "kokoonpanijiksi". Hänen ehdottamansa muotoista kokoonpanijaa ei kuitenkaan ole vielä toteutettu, mikä tarkoittaa, että moderni tiede ja teknologia eivät ole vielä saavuttaneet hänen kuvittelemaansa nanoteknologian lopullista vaihetta. Tarkastellaanpa siis, kuinka pitkälle nykyinen nanoteknologia on edennyt.
Yleisesti ottaen nanoteknologia voidaan luokitella viiteen alateknologiaan teknisen vaikeuden perusteella. Näitä ovat erityisesti nanomateriaalien valmistusteknologia; mittausteknologia nanomittakaavan hiukkasten fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien arvioimiseksi; teknologia valmistettujen nanomateriaalien manipuloimiseksi ja integroimiseksi; nanolaitteiden sovellusteknologia; sekä mallinnus- ja simulointiteknologia.
Ensimmäinen luokka, nanomateriaalien valmistustekniikka, jaetaan edelleen kahteen lähestymistapaan. Toinen on ylhäältä alas -prosessi, jossa materiaalin kokoa pienennetään asteittain. Tämä menetelmä käsittelee olemassa olevia materiaaleja nanomittakaavaan asti, aivan kuten suuren kiven kaivertaminen keihään tai kirveen tekemiseksi. Vaikka tällä menetelmällä on etuna haluttujen muotojen suhteellisen helppo valmistus, sillä on rajoituksia tarkkuuskäsittelyssä erittäin pieniin kokoihin asti. Toinen on alhaalta ylös -prosessitekniikka, jossa materiaaleja rakennetaan yhdistämällä atomeja ja molekyylejä yksi kerrallaan. Tämä menetelmä käyttää kemiallisia reaktioita molekyylien kokoamiseen peräkkäin, mikä tarjoaa etuna erittäin pienten rakenteiden luomisen. Sen haittapuolena on kuitenkin se, että tasaisen laadun ylläpitäminen on vaikeaa ja tuotantonopeus on hidasta, mikä on haittapuoli massatuotannossa.
Hyvä esimerkki alhaalta ylös -prosessitekniikasta on hiilinanoputki (CNT). Hiilinanoputket ovat sylinterimäisiä hiilirakenteita, jotka perustuvat buckyballeihin (fullereeneihin) – jalkapallon muotoisiin hiilimolekyyleihin – ja niitä tutkitaan ja hyödynnetään tällä hetkellä laajasti eri teollisuudenaloilla. Hiilinanoputket ovat yksi edustavimmista hiilirakenteista timantin ja grafiitin jälkeen, ja niiden halkaisija on vain noin 1 nanometri. Erittäin pienen kokonsa ja ainutlaatuisen sidosrakenteensa ansiosta niillä on terästä parempi vetolujuus ja erinomainen sähkön- ja lämmönjohtavuus. Lisäksi rakenteestaan riippuen niillä voi olla puolijohdeominaisuuksia, mikä tekee niistä lupaavan ehdokkaan seuraavan sukupolven puolijohdemateriaaleiksi. Tämän lisäksi niitä käytetään useilla aloilla, kuten litteissä näytöissä, akuissa, komposiittimateriaaleissa ja biosensoreissa, ja tutkimusta tehdään jatkuvasti.
Kun nanomateriaalit on valmistettu edellä käsitellyillä ylhäältä alas- ja alhaalta ylös -valmistustekniikoilla, seuraava askel on kehittää teknologioita näiden materiaalien manipuloimiseksi ja integroimiseksi. Ensin on kuitenkin kehitettävä mittausteknologiaa, joka pystyy mittaamaan tarkasti valmistettujen nanomateriaalien ominaisuuksia. Tämä johtuu siitä, että ilman riittävän kehittynyttä mittausteknologiaa on mahdotonta ymmärtää tarkasti, mitä ilmiöitä nanoskaalassa tapahtuu. Nanoskaalan mittausteknologian kehittämisessä on kuitenkin merkittävä este: kvanttiefektit syntyvät, kun materiaalin koko pienenee erittäin pieneksi. Kun kvanttiefektejä esiintyy, ilmiöiden selittäminen pelkästään arkipäivän mittakaavoissa sovellettavilla fysiikan laeilla vaikeutuu, mikä tekee materiaalien ominaisuuksien tarkan mittaamisen haastavaksi. Lisäksi koon pienentyessä itse mittaussignaalista tulee hyvin heikko ja ympäristön kohina vaikuttaa siihen suuresti, mikä edellyttää erittäin herkkiä mittauslaitteita. Näistä syistä nanometrologia on edelleen aktiivisen tutkimuksen alue.
Nanomateriaalien manipulointi- ja integrointiteknologiat ovat myös alueita, jotka vaativat jatkokehitystä tulevaisuudessa. Tällä hetkellä tarkkuusmanipulaatio- ja integrointiteknologioita käytetään laajalti mikrometritasolla, joka on paljon suurempi kuin nanomittakaava. Hyvä esimerkki tästä on puolijohdeteollisuus. Puolijohteiden suorituskyvyn jatkuva parantuminen on nykyään seurausta näiden mikrovalmistusteknologioiden kehityksestä. Jos entistä tarkempi manipulointi ja integrointi nanometritasolla on mahdollista tulevaisuudessa, erilaisten elektronisten laitteiden, mukaan lukien puolijohteiden, suorituskyvyn odotetaan paranevan merkittävästi nykytasoon verrattuna. Tämän ohella nanolaitteiden sovellusteknologioiden sekä mallinnus- ja simulointiteknologioiden odotetaan kehittyvän kehittyneemmiksi mittaus-, manipulointi- ja integrointiteknologioiden kehityksen ansiosta.
Miltä nanoteknologia sitten näyttää, kun nämä tekniset haasteet on ratkaistu? Vuoden 1991 kirjassaan "Unbounding the Future" Eric Drexler tunnisti tietokoneet, valmistuksen ja lääketieteen aloiksi, joilla on erityisen suuri tulevaisuuden kehityspotentiaali. Tietojenkäsittelyn alalla hän korosti bioelektroniikan kehittämistä keskeisenä mahdollisuutena. Bioelektroniikka on konvergentti ala, joka yhdistää bioteknologian ja elektroniikan, ja biotietokoneiden kehittäminen on yksi sen ensisijaisista tutkimustavoitteista. Vaikka ei ole vielä tarkalleen selvää, minkä muodon biotietokoneet tulevat ottamaan, meneillään on useita tutkimuksia, joilla pyritään voittamaan nykyisten piipuolijohteiden rajoituksia hyödyntämällä biomolekyylejä, kuten proteiineja.
Biotietokoneet ovat vain yksi esimerkki nanoteknologian mahdollistamista tulevaisuuden teknologioista. Nanoteknologian kehittyessä valmistustekniikat, jotka kontrolloivat materiaaleja tarkasti atomitasolla, todennäköisesti kehittyvät entisestään. Vaikka nykyiset valmistusmenetelmät edellyttävät suurten atomimäärien samanaikaista käsittelyä tuotteiden luomiseksi, kyvyn suunnitella ja koota materiaaleja tarkasti atomitasolla odotetaan mahdollistavan sellaisten tuotteiden tuotannon, jotka vastaavat paremmin alkuperäistä suunnittelutarkoitusta. Lisäksi sen odotetaan edistävän merkittävästi tuotteiden laadun ja luotettavuuden parantamista sekä sellaisten materiaalien ja tuotteiden kehittämistä, joilla on uusia ominaisuuksia, joita oli aiemmin vaikea saavuttaa.
Nanoteknologian odotetaan vaikuttavan merkittävästi myös lääketieteen alaan. Nanoteknologian ja lääketieteen yhdistävää alaa kutsutaan nanolääketieteeksi. Koska ihmiskehon sairaudet saavat usein alkunsa solu- ja molekyylitasolla, nanoteknologialla voi olla ratkaiseva rooli sairauksien diagnosoinnissa ja hoidossa suuremmalla tarkkuudella. Itse asiassa nanoteknologiaa hyödyntävää tutkimusta ja kliinisiä sovelluksia on aktiivisesti käynnissä useilla aloilla, mukaan lukien lääkeaineiden annostelujärjestelmät, jotka toimittavat lääkkeitä valikoivasti tiettyihin kohtiin, syövän hoito, kudosten uudistaminen ja diagnostiset teknologiat. On odotettavissa, että entistä kehittyneemmän nanoteknologian kehitys tulevaisuudessa parantaa merkittävästi sairauksien hoidon tehokkuutta ja turvallisuutta.
Tähänastisen keskustelumme perusteella tulevaisuus näyttää valoisammalta nanoteknologian edistyksen ansiosta. Kuten muillakin huipputeknologioilla, nanoteknologialla on kuitenkin myös useita kielteisiä puolia. Koska nanopartikkelit ovat erittäin pieniä, niillä voi olla erilaisia ominaisuuksia kuin tavallisilla hiukkasilla, kun ne joutuvat ihmiskehoon. Itse asiassa tutkimustuloksia on raportoitu, jotka osoittavat, että jotkut nanomateriaalit voivat päästä elimistöön hengitysteiden tai ihon kautta ja mahdollisesti vaikuttaa terveyteen. Koska riskitaso voi vaihdella materiaalin tyypin ja altistumistavan mukaan, tehdään jatkuvaa tutkimusta ja turvallisuusarviointeja. Lisäksi jatkuvasti herää huolta nanoteknologian mahdollisuudesta käyttää sitä haitallisiin tarkoituksiin. Siksi, jotta nanoteknologiaa voidaan hyödyntää ihmiskunnan hyödyksi, turvallisuuden varmistamisen sekä eettisten ja sosiaalisten keskustelujen on edettävä teknologian kehityksen rinnalla.
Olemme tähän mennessä tarkastelleet nanoteknologiaa useista näkökulmista. Tällä hetkellä Yhdysvaltojen ja muiden kehittyneiden maiden lisäksi myös maat ympäri maailmaa, mukaan lukien Etelä-Korea, tunnustavat nanoteknologian tulevaisuuden keskeiseksi teollisuudenalaksi ja jatkavat voimakkaita investointeja tutkimukseen ja kehitykseen. Myös Etelä-Korea toteuttaa jatkuvasti kansallisia nanoteknologian edistämiseen tähtääviä toimia ja vahvistaa kilpailukykyään eri teollisuudenaloilla, kuten puolijohteissa, näyttöissä, ladattavissa akuissa, bioteknologiassa ja edistyneissä materiaaleissa. Siten nanoteknologia kehittyy nopeasti tasaisen tutkimuksen ja investointien ansiosta, ja sen odotetaan jatkavan merkittävää roolia luonnontieteissä ja koko teollisuudessa. Lisäksi, kun sen sovellusala laajenee eri teollisuudenaloille, siitä tulee ydinteknologia, joka on entistä tiiviimmin sidoksissa jokapäiväiseen elämäämme.
