Šiame tinklaraščio įraše žingsnis po žingsnio apžvelgsime nanotechnologijų koncepciją, jos plėtrą, pagrindines technologijas, pritaikymą, ateities perspektyvas ir apribojimus.
1987 m. Joe Dante'o režisuotame mokslinės fantastikos filme „Vidinė erdvė“ yra scena, kurioje pagrindinis veikėjas tyrinėja kraujagyslių vidų mažyčiu dirižabliu. Mechaninio įtaiso, keliaujančio kraujagyslėmis, koncepcija tuo metu buvo labai novatoriškas mokslinės fantastikos siužeto elementas, tačiau šiandien ji nebėra tolima mintis. Iš tiesų, aktyviai atliekami tyrimai, siekiant panaudoti itin mažus mechaninius įtaisus kraujagyslėse, o nanotechnologijos yra šios technologijos pagrindas. Dažnai sakoma, kad XXI amžius yra IT (informacinių technologijų), BT (biotechnologijų) ir NT (nanotechnologijų) era; nanotechnologijos įsitvirtino kaip pagrindinė technologija įvairiuose pramonės sektoriuose ir toliau sparčiai tobulėja. Tačiau, nepaisant jų svarbos, dauguma žmonių iki galo nesupranta nanotechnologijų. Šiame straipsnyje nagrinėsime, kas yra nanotechnologijos, išnagrinėsime jų techninį pagrindą ir kūrimo procesą, suskirstysime nanotechnologijas į subtechnologijas, kad išnagrinėtume jų taikymo sritis, ir galiausiai apžvelgsime nanotechnologijų ateitį ir galimas problemas, kurios gali kilti pakeliui.
Nanotechnologija – tai technologija, skirta sintetinti, surinkti ir valdyti medžiagas itin mažu atomų ar molekulių mastu, taip pat matuoti ir išaiškinti jų savybes. Čia minimas „mažas mastelis“ paprastai reiškia diapazoną nuo 1 iki 100 nanometrų (nm). Vienas nanometras yra viena milijardinė metro dalis, o terminas „nano“ kilęs iš graikiško žodžio „nanos“, reiškiančio „nykštukas“. Atsižvelgiant į tai, kad žmogaus plaukas yra maždaug 80 000–100 000 nanometrų storio, nesunku suprasti, kokiame mažame maste veikia nanotechnologija.
Nanotechnologijos koncepciją pirmasis pasiūlė amerikiečių fizikas Richardas Feynmanas. 1959 m. Amerikos fizikos draugijoje skaitytoje paskaitoje pavadinimu „Apačioje yra daug vietos“ jis numatė, kad ateis era, kai bus galima laisvai kurti itin mažas struktūras net ir mažytėse molekulinio lygmens erdvėse. Kaip pavyzdį jis paaiškino, kad visą „Britannica“ enciklopediją galima užrašyti ant vieno plaukų segtuko dydžio paviršiaus. Kadangi tuo metu technologijų lygis dar nebuvo pakankamai pažengęs, kad tai taptų realybe, daugelis dalyvių jo teiginį atmetė kaip nerealistišką.
1981 m. išrastas skenuojantis tunelinis mikroskopas (STM) atliko svarbų vaidmenį transformuojant nanotechnologijas, kurios anksčiau atrodė kaip mokslinė fantastika, į praktinę mokslo ir technologijų sritį. STM yra prietaisas, galintis stebėti arba modifikuoti puslaidininkių ar laidžių medžiagų paviršiaus struktūrą nanometrų mastu. Jis analizuoja paviršiaus struktūras priartindamas zondą su itin aštriu galu prie objekto paviršiaus, o tada tarp zondo ir objekto prijungdamas įtampą, kad išmatuotų susidariusią srovę. STM kūrimas neapsiribojo vien medžiagų paviršių stebėjimu; jis atvėrė galimybę judinti ir išdėstyti atomus ir molekules. 1986 m., praėjus penkeriems metams po STM išradimo, buvo sukurtas atominės jėgos mikroskopas (AFM).
Skirtingai nuo STM, AFM yra prietaisas, kuriame zondas tiesiogiai liečiasi su objekto paviršiumi, kad išmatuotų atomų bangavimo sukelto judėjimo laipsnį. Lygiai taip pat, kaip pirštu būtų galima paliesti objekto paviršių ir nustatyti jo formą, AFM stebi paviršių analizuodamas zondo judėjimą. AFM sukūrimas leido analizuoti net izoliacinių medžiagų paviršius, kuriuos buvo sunku stebėti naudojant STM.
Tačiau tiek STM, tiek AFM turėjo esminių apribojimų. Didžiausia problema buvo ta, kad procesas užtrukdavo per ilgai. Šių prietaisų, kurie vienu metu galėjo judinti tik vieną atomą ar molekulę, naudojimas plika akimi matomoms medžiagoms surinkti praktiškai buvo užduotis, reikalaujanti labai daug laiko.
Molekulinio lygio mašinas kaip šios problemos sprendimą pasiūlė amerikiečių mokslininkas Ericas Drexleris. Savo 1986 m. knygoje „Kūrybos varikliai“ jis teigė, kad nanotechnologijos turėtų būti sprendžiamos per gamtoje randamas molekulines mašinas. Knygoje jis paaiškino, kad pagrindinis nanotechnologijų tikslas yra sukurti molekulinio lygio mašinas, tokias kaip ribosomos, kurios naudotų molekules kaip statybinius blokus norimoms makroskopinėms struktūroms surinkti. Ribosoma yra RNR ir baltymų kompleksas, kuris gyvuose organizmuose jungia aminorūgštis, kad pagamintų baltymus, pagrįstus genetine informacija. Kitaip tariant, Drexleris teigė, kad mums reikia molekulinio lygio mašinų, kurios, kaip ribosomos sintetina baltymus, remdamosi genetine DNR informacija, surinktų molekules pagal iš anksto užprogramuotą seką, kad pagamintų norimas medžiagas, ir šias mašinas pavadino „asemblėjais“. Tačiau tokio tipo asembleris, kokį jis pasiūlė, dar nėra įgyvendintas, o tai reiškia, kad šiuolaikinis mokslas ir technologijos dar nepasiekė jo numatyto nanotechnologijų etapo. Taigi, panagrinėkime, kiek toli pažengė dabartinės nanotechnologijos.
Paprastai nanotechnologijas galima suskirstyti į penkias subtechnologijas pagal techninį sudėtingumą. Konkrečiai, tai apima nanomedžiagų gamybos technologijas; matavimo technologijas, skirtas nanoskalės dalelių fizinėms ir cheminėms savybėms įvertinti; pagamintų nanomedžiagų manipuliavimo ir integravimo technologijas; nanoįrenginių taikymo technologijas; ir modeliavimo bei imitavimo technologijas.
Pirmoji kategorija – nanomedžiagų gamybos technologija – yra suskirstyta į du metodus. Vienas iš jų – „iš viršaus į apačią“ procesas, apimantis laipsnišką medžiagos dydžio mažinimą. Šis metodas apdoroja esamas medžiagas iki nanoskalės, panašiai kaip išdrožiant didelį akmenį iečiai ar kirviui pagaminti. Nors šis metodas turi pranašumą, kad leidžia gana lengvai pagaminti norimas formas, jis turi apribojimų, kai kalbama apie tikslų apdorojimą iki itin mažų dydžių. Kitas metodas yra „iš apačios į viršų“ proceso technologija, kai medžiagos gaminamos sujungiant atomus ir molekules po vieną. Šis metodas naudoja chemines reakcijas molekulėms surinkti nuosekliai, todėl galima sukurti labai mažas struktūras; tačiau jis turi trūkumą, nes sunku išlaikyti pastovią kokybę ir yra lėtas gamybos greitis, o tai yra masinės gamybos trūkumas.
Puikus „iš apačios į viršų“ apdorojimo technologijos pavyzdys yra anglies nanovamzdeliai (CNT). Anglies nanovamzdeliai yra cilindrinės anglies struktūros, pagrįstos fulerenais (anglies molekulėmis), kurių forma primena futbolo kamuolį, ir šiuo metu yra plačiai tiriami bei naudojami įvairiuose pramonės sektoriuose. Anglies nanovamzdeliai yra viena iš reprezentatyviausių anglies struktūrų po deimanto ir grafito, o jų skersmuo yra tik apie 1 nanometras. Dėl itin mažo dydžio ir unikalios jungimo struktūros jie pasižymi didesniu tempiamuoju stiprumu nei plienas ir puikiu elektros bei šilumos laidumu. Be to, priklausomai nuo jų struktūros, jie gali pasižymėti puslaidininkinėmis savybėmis, todėl yra perspektyvus kandidatas į naujos kartos puslaidininkines medžiagas. Be to, jie naudojami įvairiose srityse, tokiose kaip plokščiaekraniai ekranai, baterijos, kompozicinės medžiagos ir biosensoriai, ir nuolat atliekami tyrimai.
Kai nanomedžiagos jau pagamintos naudojant aukščiau aptartas „iš viršaus į apačią“ ir „iš apačios į viršų“ gamybos technologijas, kitas žingsnis yra sukurti technologijas šioms medžiagoms manipuliuoti ir integruoti. Tačiau pirmiausia reikia sukurti matavimo technologiją, galinčią tiksliai išmatuoti pagamintų nanomedžiagų savybes. Taip yra todėl, kad neturint pakankamai pažangios matavimo technologijos neįmanoma tiksliai suprasti, kokie reiškiniai vyksta nanoskalėje. Tačiau nanoskalės matavimo technologijų kūrime yra didelė kliūtis: kvantiniai efektai atsiranda, kai medžiagos dydis tampa itin mažas. Kai atsiranda kvantiniai efektai, sunku paaiškinti reiškinius naudojant tik kasdieniame maste taikomus fizikos dėsnius, todėl sunku tiksliai išmatuoti medžiagų savybes. Be to, mažėjant dydžiui, pats matavimo signalas tampa labai silpnas ir jį labai veikia aplinkos triukšmas, todėl reikalinga labai jautri matavimo įranga. Dėl šių priežasčių nanometrologija šiandien išlieka aktyvių tyrimų sritimi.
Nanomedžiagų manipuliavimo ir integravimo technologijos taip pat yra sritys, kurias ateityje reikės toliau tobulinti. Šiuo metu tiksliojo manipuliavimo ir integravimo technologijos plačiai naudojamos mikrometrų mastu, kuris yra daug didesnis nei nanoskalė. Puikus pavyzdys yra puslaidininkių pramonė. Nuolatinis puslaidininkių našumo gerėjimas šiandien yra šių mikrogamybos technologijų pažangos rezultatas. Jei ateityje taps įmanoma dar tikslesnė manipuliacija ir integracija nanometrų lygmeniu, tikimasi, kad įvairių elektroninių prietaisų, įskaitant puslaidininkius, našumas gerokai pagerės, palyginti su dabartiniu lygiu. Kartu tikimasi, kad nanotechnologijų taikymo technologijos, taip pat modeliavimo ir imitavimo technologijos taps sudėtingesnės, remiantis matavimo, manipuliavimo ir integravimo technologijų pažanga.
Taigi, kaip atrodys nanotechnologijos, kai šie techniniai iššūkiai bus išspręsti? Savo 1991 m. knygoje „Unbounding the Future“ Ericas Drexleris kompiuterius, gamybą ir mediciną įvardijo kaip sritis, turinčias ypač didelį potencialą būsimai plėtrai. Skaičiavimo srityje jis pabrėžė bioelektronikos pažangą kaip pagrindinę galimybę. Bioelektronika yra konvergentinė sritis, jungianti biotechnologijas ir elektroniką, o vienas iš pagrindinių jos tyrimų tikslų yra biokompiuterių kūrimas. Nors dar neaišku, kokią formą įgaus biokompiuteriai, atliekami įvairūs tyrimai, siekiant įveikti esamų silicio puslaidininkių apribojimus, panaudojant tokias biomolekules kaip baltymai.
Biokompiuteriai yra tik vienas iš ateities technologijų, kurias įgalina nanotechnologijos, pavyzdžių. Nanotechnologijoms toliau tobulėjant, gamybos metodai, tiksliai kontroliuojantys medžiagas atominiu lygmeniu, greičiausiai taps dar sudėtingesni. Nors dabartiniai gamybos metodai apima didelio atomų skaičiaus apdorojimą vienu metu, siekiant sukurti produktus, tikimasi, kad galimybė tiksliai projektuoti ir surinkti medžiagas atominiu lygmeniu leis gaminti produktus, kurie labiau atitiks pradinį projektavimo tikslą. Be to, tikimasi, kad tai reikšmingai prisidės prie produktų kokybės ir patikimumo gerinimo, taip pat prie medžiagų ir produktų, turinčių naujų savybių, kurias anksčiau buvo sunku pasiekti, kūrimo.
Tikimasi, kad nanotechnologijos turės didelę įtaką ir medicinos sričiai. Sritis, jungianti nanotechnologijas ir mediciną, vadinama nanomedicina. Kadangi žmogaus kūno ligos dažnai kyla ląstelių ir molekulių lygmenimis, nanotechnologijos gali atlikti lemiamą vaidmenį diagnozuojant ir gydant ligas tiksliau. Iš tiesų, nanotechnologijų tyrimai ir klinikiniai pritaikymai aktyviai vykdomi įvairiose srityse, įskaitant vaistų tiekimo sistemas, kurios selektyviai tiekia vaistus į konkrečias vietas, vėžio gydymą, audinių regeneraciją ir diagnostikos technologijas. Tikimasi, kad dar sudėtingesnių nanotechnologijų kūrimas ateityje žymiai pagerins ligų gydymo efektyvumą ir saugumą.
Remiantis tuo, ką iki šiol aptarėme, ateitis atrodo šviesesnė dėl nanotechnologijų pažangos. Tačiau, kaip ir kitos pažangiausios technologijos, nanotechnologijos turi ir keletą neigiamų aspektų. Kadangi nanodalelės yra itin mažos, patekusios į žmogaus organizmą, jos gali pasižymėti kitokiomis savybėmis nei įprastos dalelės. Iš tiesų, buvo paskelbti tyrimų rezultatai, rodantys, kad kai kurios nanomedžiagos gali patekti į organizmą per kvėpavimo takus ar odą ir gali paveikti sveikatą; kadangi rizikos lygis gali skirtis priklausomai nuo medžiagos rūšies ir sąlyčio būdo, atliekami nuolatiniai tyrimai ir saugos vertinimai. Be to, nuolat keliamas susirūpinimas dėl galimybės, kad nanotechnologijos gali būti naudojamos kenkėjiškais tikslais. Todėl norint, kad nanotechnologijos būtų panaudotos žmonijos labui, saugos patikrinimas ir etinės bei socialinės diskusijos turi vykti kartu su technologijų plėtra.
Iki šiol nanotechnologijas nagrinėjome iš įvairių perspektyvų. Šiuo metu ne tik Jungtinės Valstijos ir kitos išsivysčiusios šalys, bet ir viso pasaulio šalys, įskaitant Pietų Korėją, pripažįsta nanotechnologijas pagrindine ateities pramone ir toliau daug investuoja į mokslinius tyrimus ir plėtrą. Pietų Korėja taip pat nuolat įgyvendina nacionalinę politiką, skirtą nanotechnologijoms skatinti, ir stiprina savo konkurencingumą įvairiuose pramonės sektoriuose, tokiuose kaip puslaidininkiai, ekranai, įkraunamos baterijos, biotechnologijos ir pažangios medžiagos. Todėl nanotechnologijos sparčiai tobulėja, remdamosi nuolatiniais tyrimais ir investicijomis, ir tikimasi, kad jos ir toliau atliks svarbų vaidmenį gamtos moksluose ir visame pramonės sektoriuje. Be to, plečiantis jos taikymo sričiai įvairiuose pramonės sektoriuose, ji taps pagrindine technologija, kuri dar glaudžiau susijusi su mūsų kasdieniu gyvenimu.
