U ovom blog postu, korak po korak ćemo pogledati koncept nanotehnologije, njezin razvoj, ključne tehnologije, primjene, buduće izglede i ograničenja.
U znanstvenofantastičnom filmu 'Unutarnji prostor' iz 1987. godine, u režiji Joea Dantea, postoji scena u kojoj protagonist istražuje unutrašnjost krvnih žila na minijaturnom zračnom brodu. Koncept mehaničkog uređaja koji putuje kroz krvne žile bio je vrlo inovativna znanstvenofantastična radnja u to vrijeme, ali danas to više nije nategnuta ideja. Zapravo, u tijeku su aktivna istraživanja korištenja ultramalih mehaničkih uređaja unutar krvnih žila, a nanotehnologija služi kao temelj za tu tehnologiju. Često se kaže da je 21. stoljeće era IT-a (informacijske tehnologije), BT-a (biotehnologije) i NT-a (nanotehnologije); nanotehnologija se etablirala kao ključna tehnologija u raznim industrijskim sektorima i nastavlja brzo napredovati. Međutim, unatoč svojoj važnosti, većina ljudi ne razumije u potpunosti nanotehnologiju. U ovom ćemo članku ispitati što je nanotehnologija, istražiti njezinu tehničku pozadinu i proces razvoja, kategorizirati nanotehnologiju u podtehnologije kako bismo ispitali njezina područja primjene i na kraju, pogledati budućnost nanotehnologije i potencijalne probleme koji se mogu pojaviti na tom putu.
Nanotehnologija se odnosi na tehnologiju sinteze, sastavljanja i kontrole materijala na izuzetno maloj skali atoma ili molekula, kao i mjerenja i objašnjavanja njihovih svojstava. "Mala skala" koja se ovdje spominje općenito znači raspon od 1 do 100 nanometara (nm). Jedan nanometar je milijarditi dio metra, a izraz "nano" potječe od grčke riječi "nanos", što znači "patuljak". S obzirom na to da je ljudska dlaka debela oko 80 000 do 100 000 nanometara, lako je razumjeti na koliko maloj skali nanotehnologija djeluje.
Koncept nanotehnologije prvi je predložio američki fizičar Richard Feynman. U predavanju iz 1959. pod naslovom „Ima puno mjesta na dnu“ održanom u Američkom fizičkom društvu, predvidio je da će doći doba kada će biti moguće slobodno stvarati izuzetno male strukture čak i unutar sićušnih prostora na molekularnoj razini. Kao primjer, objasnio je da se cijela Britannica enciklopedija može zabilježiti na površini veličine jedne ukosnice. Budući da razina tehnologije u to vrijeme još nije bila dovoljno napredna da bi to postala stvarnost, mnogi sudionici odbacili su njegovu tvrdnju kao nerealnu.
Skenirajući tunelski mikroskop (STM), izumljen 1981. godine, odigrao je ključnu ulogu u transformaciji nanotehnologije - koja se prije činila znanstvenom fantastikom - u praktično znanstveno i tehnološko područje. STM je uređaj sposoban promatrati ili modificirati površinsku strukturu poluvodiča ili vodljivih materijala na nanometarskoj skali. Analizira površinske strukture približavanjem sonde s izuzetno oštrim vrhom površini objekta, a zatim primjenom napona između sonde i objekta za mjerenje rezultirajuće struje. Razvoj STM-a nadilazio je puko promatranje površina materijala; otvorio je mogućnost pomicanja i raspoređivanja atoma i molekula. Godine 1986., pet godina nakon izuma STM-a, razvijen je atomski silovni mikroskop (AFM).
Za razliku od STM-a, AFM je uređaj u kojem sonda ostvaruje izravan kontakt s površinom objekta kako bi izmjerila stupanj kretanja uzrokovan valovitošću atoma. Baš kao što bi se prstom opipala površina objekta i odredio njegov oblik, AFM promatra površinu analizirajući kretanje sonde. Razvoj AFM-a omogućio je analizu čak i površina izolacijskih materijala, koje je bilo teško promatrati STM-om.
Međutim, i STM i AFM imali su kritična ograničenja. Najveći problem bio je što je proces trajao predugo. Korištenje ovih uređaja, koji su mogli pomicati samo jedan atom ili molekulu odjednom, za sastavljanje materijala vidljivih golim okom bio je, u praktičnom smislu, zadatak koji je zahtijevao ogromnu količinu vremena.
Osoba koja je predložila strojeve na molekularnoj razini kao rješenje ovog problema bio je američki znanstvenik Eric Drexler. U svojoj knjizi 'Strojevi stvaranja' iz 1986. godine, tvrdio je da se nanotehnologiji treba pristupiti kroz molekularne strojeve koji se nalaze u prirodi. U knjizi je objasnio da je krajnji cilj nanotehnologije razvoj strojeva na molekularnoj razini - poput ribosoma - koji koriste molekule kao građevne blokove za sastavljanje željenih makroskopskih struktura. Ribosom je kompleks RNA i proteina koji unutar živih organizama kombinira aminokiseline kako bi proizveo proteine na temelju genetskih informacija. Drugim riječima, Drexler je tvrdio da su nam potrebni strojevi na molekularnoj razini - koji bi, baš kao što ribosomi sintetiziraju proteine na temelju genetskih informacija iz DNK, sastavljali molekule prema unaprijed programiranom slijedu kako bi proizveli željene materijale - i nazvao je te strojeve "asembleri". Međutim, asembleri oblika koji je predložio još nisu ostvareni, što znači da moderna znanost i tehnologija još nisu dosegle krajnju fazu nanotehnologije koju je on zamislio. Ispitajmo, dakle, koliko je napredovala trenutna nanotehnologija.
Općenito, nanotehnologija se može podijeliti u pet podtehnologija na temelju tehničke složenosti. To uključuje tehnologiju za proizvodnju nanomaterijala; tehnologiju mjerenja za procjenu fizikalnih i kemijskih svojstava nanočestica; tehnologiju za manipuliranje i integraciju proizvedenih nanomaterijala; tehnologiju primjene nanouređaja; te tehnologiju modeliranja i simulacije.
Prva kategorija, tehnologija izrade nanomaterijala, dalje je podijeljena u dva pristupa. Jedan je proces od vrha prema dolje, koji uključuje postupno smanjenje veličine materijala. Ova metoda obrađuje postojeće materijale do nanoskalnih dimenzija, slično kao što se klesanje velikog kamena za izradu koplja ili sjekire. Iako ova metoda ima prednost što omogućuje relativno jednostavnu izradu željenih oblika, ima ograničenja kada je u pitanju precizna obrada do izuzetno malih veličina. Druga je tehnologija procesa od dna prema vrhu, koja gradi materijale kombiniranjem atoma i molekula jedan po jedan. Ova metoda koristi kemijske reakcije za sekvencijalno sastavljanje molekula, nudeći prednost stvaranja vrlo malih struktura; međutim, ima nedostatak što otežava održavanje dosljedne kvalitete i ima malu brzinu proizvodnje, što je nedostatak za masovnu proizvodnju.
Vrhunski primjer tehnologije obrade odozdo prema gore je ugljikova nanocjevčica (CNT). Ugljikove nanocjevčice su cilindrične ugljikove strukture temeljene na buckyballima (fulerenima) - molekulama ugljika oblikovanim poput nogometnih lopti - i trenutno se opsežno istražuju i koriste u raznim industrijskim sektorima. Ugljikove nanocjevčice jedna su od najreprezentativnijih ugljikovih struktura, nakon dijamanta i grafita, a imaju promjer od samo oko 1 nanometar. Zahvaljujući svojoj izuzetno maloj veličini i jedinstvenoj strukturi vezivanja, posjeduju vlačnu čvrstoću superiorniju od čelika i pokazuju izvrsnu električnu i toplinsku vodljivost. Nadalje, ovisno o svojoj strukturi, mogu pokazivati poluvodička svojstva, što ih čini obećavajućim kandidatom za poluvodičke materijale sljedeće generacije. Osim toga, koriste se u raznim područjima kao što su ravni zasloni, baterije, kompozitni materijali i biosenzori, a istraživanja su u tijeku.
Nakon što se nanomaterijali proizvedu korištenjem gore spomenutih tehnologija izrade od vrha prema dolje i od dna prema vrhu, sljedeći korak je razvoj tehnologija za manipuliranje i integraciju tih materijala. Međutim, prvo se mora razviti mjerna tehnologija sposobna za točno mjerenje svojstava proizvedenih nanomaterijala. To je zato što je bez dovoljno napredne mjerne tehnologije nemoguće točno razumjeti koje se pojave događaju na nanoskali. Međutim, postoji velika prepreka u razvoju mjerne tehnologije na nanoskali: činjenica da se kvantni efekti pojavljuju kako veličina materijala postaje izuzetno mala. Kada se pojave kvantni efekti, postaje teško objasniti pojave koristeći samo zakone fizike koji se primjenjuju na svakodnevnim skalama, što otežava točno mjerenje svojstava materijala. Nadalje, kako se veličina smanjuje, sam mjerni signal postaje vrlo slab i na njega uvelike utječe ambijentalna buka, što zahtijeva visoko osjetljivu mjernu opremu. Iz tih razloga, nanometrologija i danas ostaje područje aktivnog istraživanja.
Tehnologije za manipuliranje i integraciju nanomaterijala također su područja koja zahtijevaju daljnji razvoj u budućnosti. Trenutno se tehnologije precizne manipulacije i integracije široko koriste na mikrometarskoj skali - koja je mnogo veća od nanoskali. Glavni primjer je industrija poluvodiča. Kontinuirano poboljšanje performansi poluvodiča danas rezultat je napretka u ovim tehnologijama mikrofabrikacije. Ako u budućnosti postanu moguće još preciznije manipuliranje i integracija na nanometarskoj razini, očekuje se da će se performanse raznih elektroničkih uređaja, uključujući poluvodiče, značajno poboljšati u usporedbi sa sadašnjim razinama. Uz to, očekuje se da će tehnologije primjene nanouređaja, kao i tehnologije modeliranja i simulacije, postati sofisticiranije na temelju napretka u tehnologijama mjerenja, manipulacije i integracije.
Dakle, kako će nanotehnologija izgledati nakon što se riješe ovi tehnički izazovi? U svojoj knjizi 'Unbounding the Future' iz 1991. godine, Eric Drexler je identificirao računala, proizvodnju i medicinu kao područja s posebno visokim potencijalom za budući razvoj. U području računarstva istaknuo je napredak bioelektronike kao ključnu mogućnost. Bioelektronika je konvergentno područje koje kombinira biotehnologiju i elektroniku, s razvojem bioračunala kao jednim od primarnih istraživačkih ciljeva. Iako još nije jasno kakav će točno oblik bioračunala poprimiti, u tijeku su razne studije kako bi se prevladala ograničenja postojećih silicijskih poluvodiča korištenjem biomolekula poput proteina.
Bioračunala su samo jedan primjer budućih tehnologija koje omogućuje nanotehnologija. Kako nanotehnologija napreduje, proizvodne tehnike koje precizno kontroliraju materijale na atomskoj razini vjerojatno će postati još sofisticiranije. Dok trenutne metode proizvodnje uključuju istovremenu obradu velikog broja atoma za stvaranje proizvoda, očekuje se da će sposobnost dizajniranja i sastavljanja materijala s preciznošću na atomskoj razini omogućiti proizvodnju proizvoda koji se više podudaraju s izvornom namjerom dizajna. Nadalje, očekuje se da će značajno doprinijeti poboljšanju kvalitete i pouzdanosti proizvoda, kao i razvoju materijala i proizvoda s novim svojstvima koja su prije bila teško postići.
Očekuje se da će nanotehnologija uvelike utjecati i na medicinsko područje. Područje koje kombinira nanotehnologiju i medicinu naziva se nanomedicina. Budući da bolesti u ljudskom tijelu često nastaju na staničnoj i molekularnoj razini, nanotehnologija može igrati ključnu ulogu u dijagnosticiranju i liječenju bolesti s većom preciznošću. Zapravo, istraživanja i kliničke primjene koje koriste nanotehnologiju aktivno su u tijeku u raznim područjima, uključujući sustave za dostavu lijekova koji selektivno dostavljaju lijekove na određena mjesta, liječenje raka, regeneraciju tkiva i dijagnostičke tehnologije. Očekuje se da će razvoj još sofisticiranije nanotehnologije u budućnosti značajno poboljšati učinkovitost i sigurnost liječenja bolesti.
Na temelju onoga što smo do sada raspravljali, budućnost se čini svjetlijom zahvaljujući napretku nanotehnologije. Međutim, kao i druge vrhunske tehnologije, nanotehnologija ima i nekoliko negativnih aspekata. Budući da su nanočestice izuzetno male, mogu pokazivati svojstva koja se razlikuju od svojstava običnih čestica kada se unesu u ljudsko tijelo. Zapravo, objavljeni su istraživački nalazi koji ukazuju na to da neki nanomaterijali mogu ući u tijelo putem dišnih putova ili kože i potencijalno utjecati na zdravlje; budući da razina rizika može varirati ovisno o vrsti materijala i načinu izloženosti, provode se stalna istraživanja i procjene sigurnosti. Nadalje, stalno se izražava zabrinutost u vezi s potencijalom korištenja nanotehnologije u zlonamjerne svrhe. Stoga, da bi se nanotehnologija koristila za dobrobit čovječanstva, provjera sigurnosti te etičke i društvene rasprave moraju se odvijati usporedno s tehnološkim razvojem.
Do sada smo nanotehnologiju ispitali iz različitih perspektiva. Trenutno ne samo Sjedinjene Američke Države i druge razvijene zemlje, već i zemlje diljem svijeta, uključujući Južnu Koreju, prepoznaju nanotehnologiju kao ključnu industriju budućnosti i nastavljaju ulagati u istraživanje i razvoj. Južna Koreja također kontinuirano provodi nacionalne politike za poticanje nanotehnologije i jača svoju konkurentnost u raznim industrijskim sektorima, kao što su poluvodiči, zasloni, punjive baterije, biotehnologija i napredni materijali. Kao takva, nanotehnologija brzo napreduje na temelju stalnog istraživanja i ulaganja te se očekuje da će i dalje igrati značajnu ulogu u prirodnim znanostima i u cijelom industrijskom sektoru. Nadalje, kako se njezin opseg primjene širi u raznim industrijskim sektorima, etablirati će se kao ključna tehnologija koja je još više isprepletena s našim svakodnevnim životima.
