W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej, w jaki sposób niewidzialna nanotechnologia może zrewolucjonizować nasze codzienne życie, a jednocześnie stanowić zagrożenie dla środowiska i naszego zdrowia.
Nanotechnologia cieszy się obecnie ogromnym zainteresowaniem. Może się wydawać, że to nic wielkiego, ale samo słowo „nano” często podnosi cenę produktu. Na przykład pralka z technologią „srebrnej nanotechnologii dezynfekującej” staje się znacznie droższa niż zwykła pralka. Czym więc jest nanotechnologia?
Po pierwsze, słowo „nano” pochodzi od greckiego słowa „nanos”, które oznacza „karzeł”. Nanometr (nm) to jedna miliardowa metra, około stutysięczna grubość ludzkiego włosa i mniej więcej rozmiar trzech do czterech atomów. Istnieje wiele definicji nanotechnologii, ale można je streścić na trzy główne sposoby. Po pierwsze, jest to sztuka wytwarzania mikroskopijnych materiałów lub maszyn wykonanych z materiałów w skali nano; po drugie, jest to sztuka ulepszania wydajności sprzętu poprzez wykorzystanie nowych właściwości fizycznych, które pojawiają się tylko w skali nano; i po trzecie, jest to sztuka pomiaru i przewidywania zjawisk naturalnych w skali mikroskopowej, których nie można zaobserwować gołym okiem.
Jak widać, nanotechnologia obejmuje szeroki wachlarz dziedzin. Amerykańska Narodowa Inicjatywa Nanotechnologiczna (NNI) określa trzy kluczowe warunki dla nanotechnologii. Po pierwsze, badania i rozwój technologii muszą odbywać się na poziomie atomowym i molekularnym, w zakresie od około 1 do 100 nanometrów; po drugie, muszą być tworzone urządzenia lub systemy o nowych właściwościach i funkcjach, wynikających z tej mikroskopijnej wielkości; po trzecie, muszą być manipulowane i kontrolowane na poziomie atomowym.
Amerykański fizyk Richard Feynman jako pierwszy dostrzegł potencjał nanotechnologii. Podkreślał możliwość manipulacji na poziomie atomowym, mówiąc: „Można by zmieścić całą Encyklopedię Britannica na główce gwoździa”. Wraz z rozwojem mechaniki kwantowej i opracowaniem skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) w IBM w 1981 roku, który umożliwiał rozdzielczość rzędu atomów, nanotechnologia była w drodze. STM umożliwił obserwację obszarów w skali nano, niewidocznych dla konwencjonalnych mikroskopów optycznych, a w 1986 roku AT&T Bell Labs z powodzeniem wykorzystało STM do izolowania i modyfikowania atomów. Późniejsze osiągnięcia, takie jak mikroskop z sondą skaningową (SPM) i transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM), otworzyły dostęp do świata nano.
Tym, co wyróżnia nanotechnologię od innych technologii, są unikalne właściwości, które ujawniają się dopiero w skali nano. Po pierwsze, właściwości powierzchni stają się głównym czynnikiem determinującym właściwości materiału. Wraz ze zmniejszaniem się do skali nano, stosunek powierzchni do objętości rośnie wykładniczo, co jest istotne w wielu zastosowaniach, takich jak kataliza, dostarczanie leków i magazynowanie energii. Po drugie, ich właściwości elektroniczne, magnetyczne i optyczne są kontrolowane przez zjawiska kwantowe. Po trzecie, dominującą rolę odgrywają mikroskopowe zjawiska fizyczne, takie jak ruchy Browna, które są ściśle powiązane z nanoprzekładniami, efektami tunelowania i zjawiskami pojedynczych elektronów.
Dzięki tym cechom nanomateriały charakteryzują się szerokim zakresem właściwości fizycznych. Na przykład, jeśli chodzi o właściwości optyczne, kolor zmienia się wraz z rozmiarem nanocząstek. W przypadku metali, w makrocząsteczkach są one złote, ale gdy są mniejsze niż 10 nanometrów, stają się czerwone. Jeśli chodzi o właściwości chemiczne, większa powierzchnia zwiększa reaktywność, np. w sterylizacji, która ma zastosowania komercyjne. Jeśli chodzi o właściwości mechaniczne, odnotowano gwałtowny wzrost wytrzymałości przy określonych rozmiarach ziaren, a jeśli chodzi o właściwości elektromagnetyczne, właściwości magnetyczne są maksymalizowane przy określonych rozmiarach.
Nanotechnologia to kreatywna technologia o nieograniczonych możliwościach. Jej zastosowania obejmują niemal każdą branżę, w tym telekomunikację, lotnictwo i kosmonautykę oraz medycynę. W niedalekiej przyszłości możemy spodziewać się przełomów w dziedzinie wysokopojemnościowego przechowywania informacji, ultrawytrzymałych materiałów, nanokatalizatorów, precyzyjnych systemów dostarczania leków, manipulacji genetycznych, urządzeń do ultradokładnego usuwania zanieczyszczeń i wielu innych. Nanotechnologia znajduje również zastosowanie w życiu codziennym. Na przykład, samoczyszczące się powierzchnie, systemy oczyszczania powietrza i spersonalizowane systemy produkcji żywności stają się rzeczywistością.
Ekrany o wysokiej rozdzielczości, telewizory 3D z efektem immersji i realistyczne wrażenia artystyczne również mogą być napędzane nanotechnologią. Jednak za tą świetlaną przyszłością kryją się zagrożenia związane z nanotechnologią. Istnieją obawy, że ultracienkie nanomateriały mogą gromadzić się w ludzkim ciele lub zanieczyszczać środowisko, a badania w tym zakresie są w toku.
Doskonałym przykładem jest kontrowersyjna szkodliwość nanorurek węglowych. Badania wykazały, że mogą one powodować długotrwałe szkody zdrowotne, jeśli kumulują się w organizmie. Istnieją również doniesienia, że fuleren (C60) może wytwarzać wolne rodniki, a dwutlenek tytanu, cząsteczki oleju napędowego itp. stają się bardziej toksyczne, gdy kurczą się do rozmiarów nano. Pojawiły się również doniesienia o zanieczyszczeniu elektroniki nanocząsteczkami i zmniejszeniu produktywności, a agencje rządowe zaczęły oceniać wpływ nanomateriałów na środowisko.
Doprowadziło to do powstania nowej dziedziny badań, zwanej nanotoksykologią. Jej celem jest ocena toksyczności nanomateriałów i zakresu ich oddziaływania. Na toksyczność wpływa wiele czynników, w tym skład chemiczny, grupy funkcyjne, struktura powierzchni, rozpuszczalność i rozpuszczalność, a nie tylko wielkość cząstek, która wymaga indywidualnej i precyzyjnej oceny każdego nanomateriału.
Podsumowując, nanotechnologia ma potencjał, by radykalnie zmienić ludzkie życie, ale musi być poparta gruntownymi badaniami i przygotowaniem na związane z nią zagrożenia. Zrównoważony punkt widzenia i podejście naukowe są niezbędne, aby zapewnić, że postęp technologiczny będzie korzystny dla ludzi i środowiska.
