Šajā emuāra ierakstā mēs soli pa solim aplūkosim nanotehnoloģijas koncepciju, tās attīstību, galvenās tehnoloģijas, pielietojumu, nākotnes perspektīvas un ierobežojumus.
1987. gada zinātniskās fantastikas filmā “Innerspace”, kuras režisors ir Džo Dante, ir aina, kurā galvenais varonis izpēta asinsvadu iekšpusi, atrodoties niecīgā dirižablī. Mehāniskas ierīces, kas pārvietojas caur asinsvadiem, koncepcija tolaik bija ļoti inovatīva zinātniskās fantastikas sižeta ierīce, taču mūsdienās tā vairs nav tāla ideja. Patiesībā notiek aktīvi pētījumi par īpaši mazu mehānisku ierīču izmantošanu asinsvados, un nanotehnoloģija kalpo par šīs tehnoloģijas pamatu. Bieži tiek teikts, ka 21. gadsimts ir IT (informācijas tehnoloģiju), BT (biotehnoloģiju) un NT (nanotehnoloģiju) laikmets; nanotehnoloģija ir kļuvusi par galveno tehnoloģiju dažādās rūpniecības nozarēs un turpina strauji attīstīties. Tomēr, neskatoties uz tās nozīmi, lielākā daļa cilvēku pilnībā neizprot nanotehnoloģiju. Šajā rakstā mēs aplūkosim, kas ir nanotehnoloģija, izpētīsim tās tehnisko pamatojumu un izstrādes procesu, kategorizēsim nanotehnoloģiju apakštehnoloģijās, lai izpētītu tās pielietojuma jomas, un visbeidzot aplūkosim nanotehnoloģiju nākotni un iespējamās problēmas, kas varētu rasties šajā procesā.
Nanotehnoloģija attiecas uz materiālu sintezēšanas, montāžas un kontroles tehnoloģiju ārkārtīgi mazā atomu vai molekulu mērogā, kā arī to īpašību mērīšanu un noskaidrošanu. Šeit minētais "mazais mērogs" parasti nozīmē diapazonu no 1 līdz 100 nanometriem (nm). Viens nanometrs ir viena miljardā daļa no metra, un termins "nano" ir atvasināts no grieķu vārda "nanos", kas nozīmē "punduris". Ņemot vērā, ka cilvēka mati ir aptuveni 80 000 līdz 100 000 nanometru biezi, ir viegli saprast, cik mazā mērogā darbojas nanotehnoloģija.
Nanotehnoloģijas koncepciju pirmo reizi ierosināja amerikāņu fiziķis Ričards Feinmans. 1959. gada lekcijā ar nosaukumu “Apakšā ir daudz vietas” (“There’s Plenty of Place at the Bottom”), ko viņš nolasīja Amerikas Fizikas biedrībā, viņš paredzēja, ka pienāks laikmets, kad būs iespējams brīvi radīt ārkārtīgi mazas struktūras pat ļoti mazās telpās molekulārā līmenī. Kā piemēru viņš minēja, ka visu Britannica enciklopēdiju varētu ierakstīt uz virsmas vienas matadatas lielumā. Tā kā tehnoloģiju līmenis tajā laikā vēl nebija pietiekami attīstīts, lai to īstenotu, daudzi klātesošie noraidīja viņa apgalvojumu kā nereālu.
Skenējošais tunelēšanas mikroskops (STM), kas tika izgudrots 1981. gadā, bija nozīmīgs nanotehnoloģijas, kas iepriekš šķita kā zinātniskā fantastika, pārveidošanā par praktisku zinātnes un tehnoloģiju jomu. STM ir ierīce, kas spēj novērot vai modificēt pusvadītāju vai vadošu materiālu virsmas struktūru nanometru mērogā. Tā analizē virsmas struktūras, novietojot zondi ar ārkārtīgi asu galu tuvu objekta virsmai un pēc tam pieliekot spriegumu starp zondi un objektu, lai izmērītu iegūto strāvu. STM attīstība sniedzās tālāk par vienkāršu materiālu virsmu novērošanu; tā pavēra iespēju pārvietot un sakārtot atomus un molekulas. 1986. gadā, piecus gadus pēc STM izgudrošanas, tika izstrādāts atomspēka mikroskops (AFM).
Atšķirībā no STM, AFM ir ierīce, kurā zonde tieši saskaras ar objekta virsmu, lai izmērītu atomu viļņošanās izraisītās kustības pakāpi. Tāpat kā ar pirkstu sataustītu objekta virsmu un noteiktu tā formu, AFM novēro virsmu, analizējot zondes kustību. AFM attīstība ļāva analizēt pat izolācijas materiālu virsmas, kuras bija grūti novērot ar STM.
Tomēr gan STM, gan AFM bija kritiski ierobežojumi. Lielākā problēma bija tā, ka process aizņēma pārāk daudz laika. Šo ierīču, kas vienlaikus varēja pārvietot tikai vienu atomu vai molekulu, izmantošana, lai saliktu ar neapbruņotu aci redzamus materiālus, praktiski bija uzdevums, kam vajadzēja ļoti daudz laika.
Persona, kas ierosināja molekulārā līmeņa mašīnas kā risinājumu šai problēmai, bija amerikāņu zinātnieks Ēriks Drekslers. Savā 1986. gada grāmatā “Radīšanas dzinēji” viņš apgalvoja, ka nanotehnoloģija būtu jāaplūko, izmantojot dabā sastopamās molekulārās mašīnas. Grāmatā viņš paskaidroja, ka nanotehnoloģijas galvenais mērķis ir izstrādāt molekulārā līmeņa mašīnas, piemēram, ribosomas, kas izmanto molekulas kā celtniecības blokus, lai saliktu vēlamās makroskopiskās struktūras. Ribosoma ir RNS un olbaltumvielu komplekss, kas dzīvos organismos apvieno aminoskābes, lai ražotu olbaltumvielas, pamatojoties uz ģenētisko informāciju. Citiem vārdiem sakot, Drekslers apgalvoja, ka mums ir nepieciešamas molekulārā līmeņa mašīnas, kas, tāpat kā ribosomas sintezē olbaltumvielas, pamatojoties uz DNS ģenētisko informāciju, saliktu molekulas saskaņā ar iepriekš ieprogrammētu secību, lai ražotu vēlamos materiālus, un viņš šīs mašīnas nosauca par “assembleriem”. Tomēr tāda veida asemblers, kādu viņš ierosināja, vēl nav realizēts, kas nozīmē, ka mūsdienu zinātne un tehnoloģijas vēl nav sasniegušas viņa iztēloto nanotehnoloģijas galīgo pakāpi. Tad aplūkosim, cik tālu ir attīstījusies pašreizējā nanotehnoloģija.
Parasti nanotehnoloģijas var iedalīt piecās apakštehnoloģijās, pamatojoties uz tehnisko sarežģītību. Konkrēti, tās ietver nanomateriālu ražošanas tehnoloģiju; mērīšanas tehnoloģiju nanodaļiņu fizikālo un ķīmisko īpašību novērtēšanai; tehnoloģiju ražotu nanomateriālu manipulēšanai un integrēšanai; nanoierīču lietojumprogrammu tehnoloģiju; un modelēšanas un simulācijas tehnoloģiju.
Pirmā kategorija, nanomateriālu ražošanas tehnoloģija, ir sīkāk iedalīta divās pieejās. Viena ir augšupvērsta metode, kas ietver pakāpenisku materiāla izmēra samazināšanu. Šī metode apstrādā esošos materiālus līdz nanoskalai, līdzīgi kā liela akmens izgrebšana, lai izgatavotu šķēpu vai cirvi. Lai gan šīs metodes priekšrocība ir tā, ka tā ļauj relatīvi viegli izgatavot vēlamās formas, tai ir ierobežojumi attiecībā uz precīzu apstrādi līdz ārkārtīgi maziem izmēriem. Otra ir augšupvērsta procesa tehnoloģija, kas veido materiālus, apvienojot atomus un molekulas pa vienai. Šī metode izmanto ķīmiskas reakcijas, lai secīgi saliktu molekulas, piedāvājot priekšrocību izveidot ļoti mazas struktūras; tomēr tai ir trūkums, jo ir grūti uzturēt nemainīgu kvalitāti un ir lēns ražošanas ātrums, kas ir trūkums masveida ražošanai.
Lielisks augšupējas apstrādes tehnoloģijas piemērs ir oglekļa nanocaurulītes (CNT). Oglekļa nanocaurulītes ir cilindriskas oglekļa struktūras, kuru pamatā ir fullerēni — oglekļa molekulas, kas veidotas kā futbola bumbas —, un pašlaik tās tiek plaši pētītas un izmantotas dažādās rūpniecības nozarēs. Oglekļa nanocaurulītes ir viena no reprezentatīvākajām oglekļa struktūrām pēc dimanta un grafīta, un to diametrs ir tikai aptuveni 1 nanometrs. Pateicoties to ārkārtīgi mazajam izmēram un unikālajai savienojuma struktūrai, tām ir pārāka stiepes izturība nekā tēraudam, un tās uzrāda lielisku elektrisko un siltumvadītspēju. Turklāt, atkarībā no to struktūras, tām var būt pusvadītāju īpašības, padarot tās par daudzsološu kandidātu nākamās paaudzes pusvadītāju materiāliem. Papildus tam tās tiek izmantotas dažādās jomās, piemēram, plakanā ekrāna displejos, baterijās, kompozītmateriālos un biosensoros, un tiek veikti pastāvīgi pētījumi.
Kad nanomateriāli ir ražoti, izmantojot iepriekš apspriestās augšupējās un lejupējās ražošanas tehnoloģijas, nākamais solis ir izstrādāt tehnoloģijas šo materiālu manipulēšanai un integrēšanai. Tomēr vispirms ir jāizstrādā mērīšanas tehnoloģija, kas spēj precīzi izmērīt izgatavoto nanomateriālu īpašības. Tas ir tāpēc, ka bez pietiekami attīstītas mērīšanas tehnoloģijas nav iespējams precīzi izprast, kādas parādības notiek nanoskalā. Tomēr nanoskalas mērīšanas tehnoloģijas attīstībā pastāv būtisks šķērslis: fakts, ka kvantu efekti rodas, materiāla izmēram kļūstot ārkārtīgi mazam. Kad rodas kvantu efekti, kļūst grūti izskaidrot parādības, izmantojot tikai ikdienas mērogā piemērojamos fizikas likumus, tāpēc ir grūti precīzi izmērīt materiālu īpašības. Turklāt, samazinoties izmēram, pats mērījumu signāls kļūst ļoti vājš un to ievērojami ietekmē apkārtējais troksnis, tāpēc ir nepieciešams ļoti jutīgs mērīšanas aprīkojums. Šo iemeslu dēļ nanometroloģija mūsdienās joprojām ir aktīvu pētījumu joma.
Nanomateriālu manipulācijas un integrēšanas tehnoloģijas ir arī jomas, kurām nākotnē nepieciešama turpmāka attīstība. Pašlaik precīzas manipulācijas un integrācijas tehnoloģijas tiek plaši izmantotas mikrometru mērogā, kas ir daudz lielāks nekā nanomērogs. Spilgts piemērs ir pusvadītāju rūpniecība. Pusvadītāju veiktspējas nepārtraukta uzlabošana mūsdienās ir šo mikroražošanas tehnoloģiju attīstības rezultāts. Ja nākotnē kļūs iespējama vēl precīzāka manipulācija un integrācija nanometru līmenī, paredzams, ka dažādu elektronisko ierīču, tostarp pusvadītāju, veiktspēja ievērojami uzlabosies, salīdzinot ar pašreizējo līmeni. Līdz ar to paredzams, ka arī nanoierīču lietojumprogrammu tehnoloģijas, kā arī modelēšanas un simulācijas tehnoloģijas kļūs sarežģītākas, pamatojoties uz sasniegumiem mērīšanas, manipulācijas un integrācijas tehnoloģijās.
Tātad, kā izskatīsies nanotehnoloģija, kad šīs tehniskās problēmas būs atrisinātas? Savā 1991. gada grāmatā “Unbounding the Future” Ēriks Drekslers datorus, ražošanu un medicīnu nosauca par jomām ar īpaši augstu nākotnes attīstības potenciālu. Datortehnikas jomā viņš kā galveno iespēju izcēla bioelektronikas attīstību. Bioelektronika ir konverģenta joma, kas apvieno biotehnoloģiju un elektroniku, un biodatoru izstrāde ir viens no tās galvenajiem pētniecības mērķiem. Lai gan vēl nav skaidrs, kādu formu biodatori ieņems, tiek veikti dažādi pētījumi, lai pārvarētu esošo silīcija pusvadītāju ierobežojumus, izmantojot biomolekulas, piemēram, olbaltumvielas.
Biodatori ir tikai viens no nākotnes tehnoloģiju piemēriem, ko nodrošina nanotehnoloģijas. Nanotehnoloģijām attīstoties, ražošanas metodes, kas precīzi kontrolē materiālus atomu līmenī, visticamāk, kļūs vēl sarežģītākas. Lai gan pašreizējās ražošanas metodes ietver liela skaita atomu vienlaicīgu apstrādi, lai radītu produktus, paredzams, ka spēja projektēt un salikt materiālus ar precizitāti atomu līmenī ļaus ražot produktus, kas precīzāk atbilst sākotnējam projektēšanas mērķim. Turklāt paredzams, ka tas būtiski veicinās produktu kvalitātes un uzticamības uzlabošanu, kā arī materiālu un produktu izstrādi ar jaunām īpašībām, kuras iepriekš bija grūti sasniegt.
Paredzams, ka nanotehnoloģijas būtiski ietekmēs arī medicīnas jomu. Nozare, kas apvieno nanotehnoloģijas un medicīnu, tiek saukta par nanomedicīnu. Tā kā slimības cilvēka organismā bieži rodas šūnu un molekulārā līmenī, nanotehnoloģijai var būt izšķiroša nozīme slimību diagnosticēšanā un ārstēšanā ar lielāku precizitāti. Faktiski pētījumi un klīniskie pielietojumi, izmantojot nanotehnoloģijas, aktīvi notiek dažādās jomās, tostarp zāļu piegādes sistēmās, kas selektīvi piegādā zāles noteiktās vietās, vēža ārstēšanā, audu reģenerācijā un diagnostikas tehnoloģijās. Paredzams, ka vēl sarežģītāku nanotehnoloģiju attīstība nākotnē ievērojami uzlabos slimību ārstēšanas efektivitāti un drošību.
Balstoties uz līdz šim apspriesto, nākotne šķiet gaišāka, pateicoties nanotehnoloģiju attīstībai. Tomēr, tāpat kā citām modernajām tehnoloģijām, arī nanotehnoloģijai ir vairāki negatīvi aspekti. Tā kā nanodaļiņas ir ārkārtīgi mazas, nonākot cilvēka organismā, tām var būt īpašības, kas atšķiras no parastajām daļiņām. Faktiski ir ziņots par pētījumu rezultātiem, kas liecina, ka daži nanomateriāli var iekļūt organismā caur elpceļiem vai ādu un potenciāli ietekmēt veselību; tā kā riska līmenis var atšķirties atkarībā no materiāla veida un iedarbības metodes, tiek veikti pastāvīgi pētījumi un drošības novērtējumi. Turklāt pastāvīgi tiek paustas bažas par nanotehnoloģiju potenciālu izmantošanu ļaunprātīgiem mērķiem. Tāpēc, lai nanotehnoloģiju varētu izmantot cilvēces labā, drošības pārbaudei un ētiskām un sociālām diskusijām jānotiek līdztekus tehnoloģiju attīstībai.
Līdz šim esam pētījuši nanotehnoloģijas no dažādiem skatupunktiem. Pašlaik ne tikai Amerikas Savienotās Valstis un citas attīstītās valstis, bet arī valstis visā pasaulē, tostarp Dienvidkoreja, atzīst nanotehnoloģijas par vienu no galvenajām nākotnes nozarēm un turpina ieguldīt ievērojamus līdzekļus pētniecībā un attīstībā. Arī Dienvidkoreja nepārtraukti īsteno valsts politiku nanotehnoloģiju veicināšanai un stiprina savu konkurētspēju dažādās rūpniecības nozarēs, piemēram, pusvadītāju, displeju, uzlādējamo bateriju, biotehnoloģijas un progresīvu materiālu ražošanā. Tādējādi nanotehnoloģijas strauji attīstās, pateicoties stabiliem pētījumiem un investīcijām, un tiek sagaidīts, ka tām arī turpmāk būs nozīmīga loma dabaszinātnēs un visā rūpniecības nozarē kopumā. Turklāt, paplašinoties to piemērošanas jomai dažādās rūpniecības nozarēs, tās kļūs par galveno tehnoloģiju, kas vēl ciešāk saistīta ar mūsu ikdienas dzīvi.
