Dalam catatan blog ini, kita akan melihat langkah demi langkah konsep nanoteknologi, perkembangannya, teknologi utama, aplikasi, prospek masa depan dan batasannya.
Dalam filem fiksyen sains 1987 'Innerspace', yang diarahkan oleh Joe Dante, terdapat babak di mana protagonis meneroka bahagian dalam saluran darah di atas kapal udara yang sangat kecil. Konsep peranti mekanikal yang bergerak melalui saluran darah merupakan peranti plot fiksyen sains yang sangat inovatif pada masa itu, tetapi hari ini ia bukan lagi tanggapan yang mengarut. Malah, penyelidikan aktif sedang dijalankan untuk menggunakan peranti mekanikal ultra-kecil dalam saluran darah, dan nanoteknologi berfungsi sebagai asas untuk teknologi ini. Sering dikatakan bahawa abad ke-21 adalah era IT (Teknologi Maklumat), BT (Bioteknologi), dan NT (Nanoteknologi); nanoteknologi telah mengukuhkan dirinya sebagai teknologi teras merentasi pelbagai sektor perindustrian dan terus maju pesat. Walau bagaimanapun, walaupun kepentingannya, kebanyakan orang tidak memahami sepenuhnya nanoteknologi. Dalam artikel ini, kita akan mengkaji apa itu nanoteknologi, meneroka latar belakang teknikal dan proses pembangunannya, mengkategorikan nanoteknologi kepada sub-teknologi untuk mengkaji bidang aplikasinya, dan akhirnya, melihat masa depan nanoteknologi dan potensi isu yang mungkin timbul di sepanjang jalan.
Nanoteknologi merujuk kepada teknologi mensintesis, memasang dan mengawal bahan pada skala atom atau molekul yang sangat kecil, serta mengukur dan menjelaskan sifatnya. "Skala kecil" yang dirujuk di sini secara amnya bermaksud julat 1 hingga 100 nanometer (nm). Satu nanometer ialah satu persebilion meter, dan istilah "nano" berasal daripada perkataan Yunani "nanos," yang bermaksud "kerdil." Memandangkan sehelai rambut manusia mempunyai ketebalan kira-kira 80,000 hingga 100,000 nanometer, mudah untuk memahami betapa kecilnya skala nanoteknologi beroperasi.
Konsep nanoteknologi pertama kali dicadangkan oleh ahli fizik Amerika Richard Feynman. Dalam kuliah pada tahun 1959 bertajuk “There's Plenty of Room at the Bottom” yang disampaikan di Persatuan Fizikal Amerika, beliau meramalkan bahawa suatu era akan tiba di mana adalah mungkin untuk mencipta struktur yang sangat kecil secara bebas walaupun di dalam ruang kecil pada peringkat molekul. Sebagai contoh, beliau menjelaskan bahawa keseluruhan Ensiklopedia Britannica boleh direkodkan pada permukaan sebesar sebatang jepit rambut. Memandangkan tahap teknologi pada masa itu belum cukup maju untuk menjadikan ini kenyataan, ramai peserta menolak dakwaannya sebagai tidak realistik.
Mikroskop terowong imbasan (STM), yang dicipta pada tahun 1981, berperanan penting dalam mengubah nanoteknologi—yang sebelum ini kelihatan seperti fiksyen sains—menjadi bidang saintifik dan teknologi yang praktikal. STM ialah peranti yang mampu memerhati atau mengubah suai struktur permukaan semikonduktor atau bahan konduktif pada skala nanometer. Ia menganalisis struktur permukaan dengan membawa prob dengan hujung yang sangat tajam dekat dengan permukaan objek, kemudian mengenakan voltan antara prob dan objek untuk mengukur arus yang terhasil. Perkembangan STM melangkaui sekadar memerhati permukaan bahan; ia membuka kemungkinan untuk menggerakkan dan menyusun atom dan molekul. Pada tahun 1986, lima tahun selepas penciptaan STM, mikroskop daya atom (AFM) telah dibangunkan.
Tidak seperti STM, AFM ialah peranti di mana prob membuat sentuhan langsung dengan permukaan objek untuk mengukur tahap pergerakan yang disebabkan oleh alun-alun atom. Sama seperti seseorang menggunakan jari untuk merasa permukaan objek dan menentukan bentuknya, AFM memerhatikan permukaan dengan menganalisis pergerakan prob. Perkembangan AFM membolehkan analisis walaupun permukaan bahan penebat, yang sukar diperhatikan dengan STM.
Walau bagaimanapun, kedua-dua STM dan AFM mempunyai batasan kritikal. Masalah terbesar ialah proses itu mengambil terlalu banyak masa. Menggunakan peranti ini, yang hanya boleh menggerakkan satu atom atau molekul pada satu masa, untuk memasang bahan yang boleh dilihat dengan mata kasar, secara praktikalnya, merupakan tugas yang memerlukan sejumlah besar masa.
Orang yang mencadangkan mesin peringkat molekul sebagai penyelesaian kepada masalah ini ialah saintis Amerika Eric Drexler. Dalam bukunya 'Engines of Creation' pada tahun 1986, beliau berhujah bahawa nanoteknologi harus didekati melalui mesin molekul yang terdapat di alam semula jadi. Dalam buku itu, beliau menjelaskan bahawa matlamat utama nanoteknologi adalah untuk membangunkan mesin peringkat molekul—seperti ribosom—yang menggunakan molekul sebagai blok binaan untuk memasang struktur makroskopik yang diingini. Ribosom ialah kompleks RNA dan protein yang, dalam organisma hidup, menggabungkan asid amino untuk menghasilkan protein berdasarkan maklumat genetik. Dalam erti kata lain, Drexler berhujah bahawa kita memerlukan mesin berskala molekul—yang, sama seperti ribosom mensintesis protein berdasarkan maklumat genetik daripada DNA, akan memasang molekul mengikut urutan yang telah diprogramkan untuk menghasilkan bahan yang diingini—dan beliau menamakan mesin ini sebagai "pemasang." Walau bagaimanapun, pemasang dalam bentuk yang dicadangkannya masih belum direalisasikan, yang bermaksud bahawa sains dan teknologi moden belum mencapai peringkat akhir nanoteknologi yang dibayangkannya. Marilah kita kaji sejauh mana nanoteknologi semasa telah maju.
Secara amnya, nanoteknologi boleh dikategorikan kepada lima sub-teknologi berdasarkan kesukaran teknikal. Secara khususnya, ini termasuk teknologi untuk pembuatan bahan nano; teknologi pengukuran untuk menilai sifat fizikal dan kimia zarah skala nano; teknologi untuk memanipulasi dan mengintegrasikan bahan nano yang dihasilkan; teknologi aplikasi untuk peranti nano; dan teknologi pemodelan dan simulasi.
Kategori pertama, teknologi fabrikasi nanomaterial, dibahagikan lagi kepada dua pendekatan. Satu ialah proses atas ke bawah, yang melibatkan pengurangan saiz bahan secara beransur-ansur. Kaedah ini memproses bahan sedia ada sehingga skala nano, seperti mengukir batu besar untuk membuat tombak atau kapak. Walaupun kaedah ini mempunyai kelebihan membolehkan fabrikasi bentuk yang diingini agak mudah, ia mempunyai batasan apabila melibatkan pemprosesan ketepatan sehingga saiz yang sangat kecil. Satu lagi ialah teknologi proses bawah ke atas, yang membina bahan dengan menggabungkan atom dan molekul satu demi satu. Kaedah ini menggunakan tindak balas kimia untuk memasang molekul secara berurutan, menawarkan kelebihan mencipta struktur yang sangat kecil; walau bagaimanapun, ia mempunyai kelemahan iaitu menjadikannya sukar untuk mengekalkan kualiti yang konsisten dan mempunyai kelajuan pengeluaran yang perlahan, yang merupakan kelemahan untuk pengeluaran besar-besaran.
Satu contoh utama teknologi pemprosesan dari bawah ke atas ialah nanotube karbon (CNT). Nanotube karbon ialah struktur karbon silinder berdasarkan buckyballs (fullerenes)—molekul karbon berbentuk seperti bola sepak—dan kini sedang dikaji dan digunakan secara meluas merentasi pelbagai sektor perindustrian. Nanotube karbon ialah salah satu struktur karbon yang paling mewakili, selepas berlian dan grafit, dan mempunyai diameter hanya kira-kira 1 nanometer. Disebabkan saiznya yang sangat kecil dan struktur ikatan yang unik, ia mempunyai kekuatan tegangan yang lebih tinggi daripada keluli dan mempamerkan kekonduksian elektrik dan haba yang sangat baik. Tambahan pula, bergantung pada strukturnya, ia boleh mempamerkan sifat semikonduktor, menjadikannya calon yang berpotensi untuk bahan semikonduktor generasi akan datang. Selain itu, ia sedang digunakan dalam pelbagai bidang seperti paparan panel rata, bateri, bahan komposit dan biosensor, dan penyelidikan berterusan sedang dijalankan.
Setelah bahan nano dihasilkan menggunakan teknologi fabrikasi atas ke bawah dan bawah ke atas yang dibincangkan di atas, langkah seterusnya adalah untuk membangunkan teknologi untuk memanipulasi dan mengintegrasikan bahan-bahan ini. Walau bagaimanapun, apa yang mesti dibangunkan terlebih dahulu ialah teknologi pengukuran yang mampu mengukur sifat-sifat bahan nano yang dibuat dengan tepat. Ini kerana, tanpa teknologi pengukuran yang cukup maju, adalah mustahil untuk memahami dengan tepat fenomena yang berlaku pada skala nano. Walau bagaimanapun, terdapat halangan utama dalam pembangunan teknologi pengukuran skala nano: hakikat bahawa kesan kuantum muncul apabila saiz bahan menjadi sangat kecil. Apabila kesan kuantum berlaku, menjadi sukar untuk menjelaskan fenomena hanya menggunakan hukum fizik yang terpakai pada skala harian, menjadikannya sukar untuk mengukur sifat-sifat bahan dengan tepat. Tambahan pula, apabila saiz berkurangan, isyarat pengukuran itu sendiri menjadi sangat lemah dan sangat dipengaruhi oleh hingar ambien, yang memerlukan peralatan pengukuran yang sangat sensitif. Atas sebab-sebab ini, nanometrologi kekal sebagai bidang penyelidikan aktif hari ini.
Teknologi untuk memanipulasi dan mengintegrasikan bahan nano juga merupakan bidang yang memerlukan pembangunan selanjutnya pada masa hadapan. Pada masa ini, teknologi manipulasi dan penyepaduan ketepatan digunakan secara meluas pada skala mikrometer—yang jauh lebih besar daripada skala nano. Contoh utama ialah industri semikonduktor. Peningkatan berterusan dalam prestasi semikonduktor hari ini adalah hasil daripada kemajuan dalam teknologi mikrofabrikasi ini. Jika manipulasi dan penyepaduan yang lebih tepat pada peringkat nanometer dapat dilakukan pada masa hadapan, prestasi pelbagai peranti elektronik, termasuk semikonduktor, dijangka meningkat dengan ketara berbanding tahap semasa. Seiring dengan ini, teknologi aplikasi untuk peranti nano, serta teknologi pemodelan dan simulasi, juga dijangka menjadi lebih canggih berdasarkan kemajuan dalam teknologi pengukuran, manipulasi dan penyepaduan.
Jadi, bagaimana rupa nanoteknologi sebaik sahaja cabaran teknikal ini diselesaikan? Dalam bukunya pada tahun 1991 'Unbounding the Future', Eric Drexler mengenal pasti komputer, pembuatan dan perubatan sebagai bidang yang mempunyai potensi yang sangat tinggi untuk pembangunan masa hadapan. Dalam bidang pengkomputeran, beliau menekankan kemajuan bioelektronik sebagai kemungkinan utama. Bioelektronik ialah bidang konvergen yang menggabungkan bioteknologi dan elektronik, dengan pembangunan biokomputer sebagai salah satu matlamat penyelidikan utamanya. Walaupun masih belum jelas dengan tepat bentuk biokomputer yang akan diambil, pelbagai kajian sedang dijalankan untuk mengatasi batasan semikonduktor silikon sedia ada dengan menggunakan biomolekul seperti protein.
Biokomputer hanyalah satu contoh teknologi masa hadapan yang didayakan oleh nanoteknologi. Seiring kemajuan nanoteknologi, teknik pembuatan yang mengawal bahan secara tepat pada peringkat atom berkemungkinan akan menjadi lebih canggih. Walaupun kaedah pembuatan semasa melibatkan pemprosesan sejumlah besar atom secara serentak untuk menghasilkan produk, keupayaan untuk mereka bentuk dan memasang bahan dengan ketepatan pada peringkat atom dijangka membolehkan penghasilan produk yang lebih sepadan dengan niat reka bentuk asal. Tambahan pula, ia dijangka menyumbang dengan ketara kepada peningkatan kualiti dan kebolehpercayaan produk, serta pembangunan bahan dan produk dengan sifat baharu yang sebelum ini sukar dicapai.
Bidang perubatan juga dijangka akan banyak dipengaruhi oleh nanoteknologi. Bidang yang menggabungkan nanoteknologi dan perubatan dipanggil nanoperubatan. Memandangkan penyakit dalam tubuh manusia sering berasal dari peringkat selular dan molekul, nanoteknologi boleh memainkan peranan penting dalam mendiagnosis dan merawat penyakit dengan lebih tepat. Malah, penyelidikan dan aplikasi klinikal yang menggunakan nanoteknologi sedang giat dijalankan dalam pelbagai bidang, termasuk sistem penghantaran ubat yang secara selektif menghantar ubat ke tapak tertentu, rawatan kanser, pertumbuhan semula tisu dan teknologi diagnostik. Dijangkakan bahawa pembangunan nanoteknologi yang lebih canggih pada masa hadapan akan meningkatkan kecekapan dan keselamatan rawatan penyakit dengan ketara.
Berdasarkan apa yang telah kita bincangkan setakat ini, masa depan nampaknya lebih cerah hasil daripada kemajuan dalam nanoteknologi. Walau bagaimanapun, seperti teknologi canggih yang lain, nanoteknologi juga mempunyai beberapa aspek negatif. Oleh kerana nanopartikel sangat kecil, ia mungkin mempamerkan sifat yang berbeza daripada zarah biasa apabila dimasukkan ke dalam tubuh manusia. Malah, dapatan penyelidikan telah dilaporkan menunjukkan bahawa sesetengah nanobahan mungkin memasuki badan melalui saluran pernafasan atau kulit dan berpotensi menjejaskan kesihatan; memandangkan tahap risiko boleh berbeza-beza bergantung pada jenis bahan dan kaedah pendedahan, penyelidikan dan penilaian keselamatan yang berterusan sedang dijalankan. Tambahan pula, kebimbangan sentiasa ditimbulkan mengenai potensi nanoteknologi untuk digunakan untuk tujuan yang berniat jahat. Oleh itu, agar nanoteknologi dapat digunakan untuk kepentingan manusia, pengesahan keselamatan dan perbincangan etika dan sosial mesti diteruskan seiring dengan perkembangan teknologi.
Setakat ini, kami telah mengkaji nanoteknologi dari pelbagai perspektif. Pada masa ini, bukan sahaja Amerika Syarikat dan negara maju lain tetapi juga negara-negara di seluruh dunia, termasuk Korea Selatan, mengiktiraf nanoteknologi sebagai industri utama masa depan dan terus melabur banyak dalam penyelidikan dan pembangunan. Korea Selatan juga terus melaksanakan dasar-dasar negara untuk memupuk nanoteknologi dan memperkukuh daya saingnya dalam pelbagai sektor perindustrian, seperti semikonduktor, paparan, bateri boleh dicas semula, bioteknologi dan bahan termaju. Oleh itu, nanoteknologi berkembang pesat berdasarkan penyelidikan dan pelaburan yang stabil, dan ia dijangka terus memainkan peranan penting dalam sains semula jadi dan merentasi sektor perindustrian secara keseluruhan. Tambahan pula, apabila skop aplikasinya berkembang merentasi pelbagai sektor perindustrian, ia akan mengukuhkan dirinya sebagai teknologi teras yang lebih berkait rapat dengan kehidupan seharian kita.
