V tomto blogovom príspevku sa krok za krokom pozrieme na koncept nanotechnológie, jej vývoj, kľúčové technológie, aplikácie, budúce vyhliadky a obmedzenia.
Vo sci-fi filme „Innerspace“ z roku 1987, ktorý režíroval Joe Dante, sa nachádza scéna, v ktorej hlavný hrdina skúma vnútro ciev na palube miniatúrnej vzducholode. Koncept mechanického zariadenia pohybujúceho sa cez cievy bol v tom čase veľmi inovatívnym sci-fi prvkom, ale dnes už nie je pritiahnutou za vlasy predstavou. V skutočnosti prebieha aktívny výskum využitia ultra malých mechanických zariadení v cievach a nanotechnológia slúži ako základ tejto technológie. Často sa hovorí, že 21. storočie je érou IT (informačných technológií), BT (biotechnológií) a NT (nanotechnológií); nanotechnológia sa etablovala ako kľúčová technológia v rôznych priemyselných odvetviach a naďalej rýchlo napreduje. Napriek jej dôležitosti však väčšina ľudí nanotechnológii úplne nerozumie. V tomto článku sa budeme zaoberať tým, čo je nanotechnológia, preskúmame jej technické pozadie a proces vývoja, rozdelíme nanotechnológiu do podtechnológií s cieľom preskúmať jej oblasti použitia a nakoniec sa pozrieme na budúcnosť nanotechnológie a potenciálne problémy, ktoré môžu na ceste vzniknúť.
Nanotechnológia označuje technológiu syntézy, zostavovania a riadenia materiálov v extrémne malom meradle atómov alebo molekúl, ako aj merania a objasňovania ich vlastností. Pojem „malé meradlo“, o ktorom sa tu hovorí, vo všeobecnosti znamená rozsah od 1 do 100 nanometrov (nm). Jeden nanometer je jedna miliardtina metra a termín „nano“ je odvodený z gréckeho slova „nanos“, čo znamená „trpaslík“. Vzhľadom na to, že ľudský vlas má hrúbku približne 80 000 až 100 000 nanometrov, je ľahké pochopiť, v akom malom meradle nanotechnológia funguje.
Koncept nanotechnológie prvýkrát navrhol americký fyzik Richard Feynman. V prednáške s názvom „Na dne je dosť miesta“, ktorú predniesol v Americkej fyzikálnej spoločnosti v roku 1959, predpovedal, že príde éra, keď bude možné voľne vytvárať extrémne malé štruktúry aj v malých priestoroch na molekulárnej úrovni. Ako príklad vysvetlil, že celá encyklopédia Britannica by sa dala zaznamenať na povrch veľkosti jedinej vlásenky. Keďže úroveň technológie v tom čase ešte nebola dostatočne pokročilá na to, aby sa to stalo skutočnosťou, mnohí účastníci jeho tvrdenie odmietli ako nereálne.
Skenovací tunelový mikroskop (STM), vynájdený v roku 1981, zohral kľúčovú úlohu v transformácii nanotechnológie – ktorá sa predtým zdala byť sci-fi – na praktickú vedeckú a technologickú oblasť. STM je zariadenie schopné pozorovať alebo modifikovať povrchovú štruktúru polovodičov alebo vodivých materiálov v nanometrovej mierke. Analyzuje povrchové štruktúry tak, že priblíži sondu s extrémne ostrým hrotom k povrchu objektu a potom medzi sondu a objekt aplikuje napätie na meranie výsledného prúdu. Vývoj STM presiahol rámec jednoduchého pozorovania povrchov materiálov; otvoril možnosť pohybu a usporiadania atómov a molekúl. V roku 1986, päť rokov po vynáleze STM, bol vyvinutý atómový silový mikroskop (AFM).
Na rozdiel od STM je AFM zariadenie, v ktorom sonda priamo nadväzuje kontakt s povrchom objektu, aby zmerala stupeň pohybu spôsobený vlnením atómov. Rovnako ako by sme použili prst na ohmatanie povrchu objektu a určenie jeho tvaru, AFM pozoruje povrch analýzou pohybu sondy. Vývoj AFM umožnil analyzovať aj povrchy izolačných materiálov, ktoré bolo pomocou STM ťažké pozorovať.
STM aj AFM však mali kritické obmedzenia. Najväčším problémom bolo, že proces trval príliš dlho. Použitie týchto zariadení, ktoré dokázali pohybovať iba jedným atómom alebo molekulou naraz, na zostavenie materiálov viditeľných voľným okom bolo v praxi úlohou vyžadujúcou si obrovské množstvo času.
Osobou, ktorá navrhuje stroje na molekulárnej úrovni ako riešenie tohto problému, bol americký vedec Eric Drexler. Vo svojej knihe „Stroje tvorenia“ z roku 1986 tvrdil, že k nanotechnológii by sa malo pristupovať prostredníctvom molekulárnych strojov nachádzajúcich sa v prírode. V knihe vysvetlil, že konečným cieľom nanotechnológie je vyvinúť stroje na molekulárnej úrovni – ako sú ribozómy – ktoré používajú molekuly ako stavebné bloky na zostavenie požadovaných makroskopických štruktúr. Ribozóm je komplex RNA a proteínov, ktorý v živých organizmoch kombinuje aminokyseliny za účelom produkcie proteínov na základe genetickej informácie. Inými slovami, Drexler tvrdil, že potrebujeme stroje na molekulárnej úrovni – ktoré, rovnako ako ribozómy syntetizujú proteíny na základe genetickej informácie z DNA, by zostavovali molekuly podľa vopred naprogramovanej sekvencie na produkciu požadovaných materiálov – a tieto stroje nazval „zostavovače“. Zostavovač v podobe, ktorú navrhol, však ešte nebol realizovaný, čo znamená, že moderná veda a technika ešte nedosiahli konečný stupeň nanotechnológie, aký si predstavoval. Pozrime sa teda, ako ďaleko pokročila súčasná nanotechnológia.
Vo všeobecnosti možno nanotechnológiu rozdeliť do piatich podtechnológií na základe technickej náročnosti. Konkrétne ide o technológiu na výrobu nanomateriálov, technológiu merania na posudzovanie fyzikálnych a chemických vlastností nanočastíc, technológiu na manipuláciu a integráciu vyrobených nanomateriálov, aplikačnú technológiu pre nanozariadenia a technológiu modelovania a simulácie.
Prvá kategória, technológia výroby nanomateriálov, sa ďalej delí na dva prístupy. Jedným je proces zhora nadol, ktorý zahŕňa postupné zmenšovanie veľkosti materiálu. Táto metóda spracováva existujúce materiály až do nanorozmerov, podobne ako vyrezávanie veľkého kameňa na výrobu kopije alebo sekery. Hoci má táto metóda výhodu v tom, že umožňuje relatívne jednoduchú výrobu požadovaných tvarov, má obmedzenia, pokiaľ ide o presné spracovanie až do extrémne malých veľkostí. Druhou je technológia procesu zdola nahor, ktorá vytvára materiály kombináciou atómov a molekúl jeden po druhom. Táto metóda využíva chemické reakcie na postupné zostavovanie molekúl, čo ponúka výhodu vytvárania veľmi malých štruktúr; má však nevýhodu v tom, že sťažuje udržiavanie konzistentnej kvality a má pomalú rýchlosť výroby, čo je nevýhodou pre hromadnú výrobu.
Ukážkovým príkladom technológie spracovania zdola nahor sú uhlíkové nanotrubice (CNT). Uhlíkové nanotrubice sú valcovité uhlíkové štruktúry založené na buckyballoch (fullerénoch) – uhlíkových molekulách tvarovaných ako futbalové lopty – a v súčasnosti sa intenzívne skúmajú a využívajú v rôznych priemyselných odvetviach. Uhlíkové nanotrubice sú jednou z najreprezentatívnejších uhlíkových štruktúr, hneď po diamante a grafite, a majú priemer iba približne 1 nanometer. Vďaka svojej extrémne malej veľkosti a jedinečnej väzbovej štruktúre majú pevnosť v ťahu vyššiu ako oceľ a vykazujú vynikajúcu elektrickú a tepelnú vodivosť. Okrem toho môžu v závislosti od svojej štruktúry vykazovať polovodičové vlastnosti, čo z nich robí sľubného kandidáta na polovodičové materiály novej generácie. Okrem toho sa používajú v rôznych oblastiach, ako sú ploché displeje, batérie, kompozitné materiály a biosenzory, a výskum v tejto oblasti stále prebieha.
Keď sa nanomateriály vyrobia pomocou vyššie uvedených technológií výroby zhora nadol a zdola nahor, ďalším krokom je vývoj technológií na manipuláciu s týmito materiálmi a ich integráciu. Najprv však treba vyvinúť meraciu technológiu schopnú presne merať vlastnosti vyrobených nanomateriálov. Je to preto, že bez dostatočne pokročilej meracej technológie nie je možné presne pochopiť, aké javy sa vyskytujú v nanoškále. Vo vývoji meracej technológie v nanoškále však existuje hlavná prekážka: skutočnosť, že kvantové efekty sa objavujú, keď sa veľkosť materiálu extrémne zmenší. Keď sa vyskytnú kvantové efekty, je ťažké vysvetliť javy iba pomocou fyzikálnych zákonov platných v každodenných mierkach, čo sťažuje presné meranie vlastností materiálov. Okrem toho, ako sa veľkosť zmenšuje, samotný merací signál sa stáva veľmi slabým a je výrazne ovplyvnený okolitým šumom, čo si vyžaduje vysoko citlivé meracie zariadenia. Z týchto dôvodov zostáva nanometrológia v súčasnosti oblasťou aktívneho výskumu.
Technológie na manipuláciu a integráciu nanomateriálov sú tiež oblasti, ktoré si v budúcnosti vyžadujú ďalší rozvoj. V súčasnosti sa technológie presnej manipulácie a integrácie široko používajú v mikrometrovej mierke – ktorá je oveľa väčšia ako nanoškála. Ukážkovým príkladom je polovodičový priemysel. Neustále zlepšovanie výkonu polovodičov je dnes výsledkom pokroku v týchto mikrofabrikačných technológiách. Ak bude v budúcnosti možná ešte presnejšia manipulácia a integrácia na nanometrovej úrovni, očakáva sa, že výkon rôznych elektronických zariadení vrátane polovodičov sa v porovnaní so súčasnou úrovňou výrazne zlepší. Spolu s tým sa očakáva, že aplikačné technológie pre nanozariadenia, ako aj technológie modelovania a simulácie, sa stanú sofistikovanejšími na základe pokroku v technológiách merania, manipulácie a integrácie.
Ako teda bude nanotechnológia vyzerať po vyriešení týchto technických výziev? Eric Drexler vo svojej knihe „Unbounding the Future“ z roku 1991 označil počítače, výrobu a medicínu za oblasti s obzvlášť vysokým potenciálom pre budúci rozvoj. V oblasti výpočtovej techniky zdôraznil pokrok v bioelektronike ako kľúčovú možnosť. Bioelektronika je konvergentná oblasť, ktorá kombinuje biotechnológiu a elektroniku, pričom jedným z jej hlavných výskumných cieľov je vývoj biopočítačov. Hoci zatiaľ nie je úplne jasné, akú formu budú biopočítače nadobudať, prebiehajú rôzne štúdie zamerané na prekonanie obmedzení existujúcich kremíkových polovodičov využitím biomolekúl, ako sú proteíny.
Biopočítače sú len jedným príkladom budúcich technológií, ktoré umožňuje nanotechnológia. S ďalším pokrokom nanotechnológie sa výrobné techniky, ktoré presne riadia materiály na atómovej úrovni, pravdepodobne stanú ešte sofistikovanejšími. Zatiaľ čo súčasné výrobné metódy zahŕňajú spracovanie veľkého množstva atómov súčasne na vytvorenie produktov, očakáva sa, že schopnosť navrhovať a zostavovať materiály s presnosťou na atómovej úrovni umožní výrobu produktov, ktoré sa viac zhodujú s pôvodným zámerom návrhu. Okrem toho sa očakáva, že významne prispeje k zlepšeniu kvality a spoľahlivosti produktov, ako aj k vývoju materiálov a produktov s novými vlastnosťami, ktoré boli predtým ťažko dosiahnuteľné.
Očakáva sa, že nanotechnológia výrazne ovplyvní aj oblasť medicíny. Oblasť, ktorá spája nanotechnológiu a medicínu, sa nazýva nanomedicína. Keďže choroby v ľudskom tele často vznikajú na bunkovej a molekulárnej úrovni, nanotechnológia môže zohrávať kľúčovú úlohu pri diagnostikovaní a liečbe chorôb s väčšou presnosťou. V skutočnosti výskum a klinické aplikácie využívajúce nanotechnológiu aktívne prebiehajú v rôznych oblastiach vrátane systémov na dodávanie liekov, ktoré selektívne dodávajú lieky na špecifické miesta, liečby rakoviny, regenerácie tkanív a diagnostických technológií. Očakáva sa, že vývoj ešte sofistikovanejšej nanotechnológie v budúcnosti výrazne zlepší účinnosť a bezpečnosť liečby chorôb.
Na základe toho, čo sme doteraz diskutovali, sa budúcnosť javí ako svetlejšia vďaka pokroku v nanotechnológii. Avšak, rovnako ako iné špičkové technológie, aj nanotechnológia má niekoľko negatívnych aspektov. Keďže nanočastice sú extrémne malé, môžu po zavedení do ľudského tela vykazovať vlastnosti odlišné od vlastností bežných častíc. V skutočnosti boli publikované výskumné zistenia, ktoré naznačujú, že niektoré nanomateriály sa môžu do tela dostať cez dýchacie cesty alebo pokožku a potenciálne ovplyvniť zdravie; keďže úroveň rizika sa môže líšiť v závislosti od typu materiálu a spôsobu expozície, prebieha výskum a hodnotenia bezpečnosti. Okrem toho sa neustále objavujú obavy týkajúce sa potenciálu použitia nanotechnológie na škodlivé účely. Preto, aby sa nanotechnológia mohla využívať v prospech ľudstva, overovanie bezpečnosti a etické a sociálne diskusie musia prebiehať súbežne s technologickým rozvojom.
Doteraz sme skúmali nanotechnológiu z rôznych perspektív. V súčasnosti nielen Spojené štáty a ďalšie rozvinuté krajiny, ale aj krajiny na celom svete vrátane Južnej Kórey uznávajú nanotechnológiu ako kľúčové odvetvie budúcnosti a naďalej výrazne investujú do výskumu a vývoja. Aj Južná Kórea neustále implementuje národné politiky na podporu nanotechnológií a posilňuje svoju konkurencieschopnosť v rôznych priemyselných odvetviach, ako sú polovodiče, displeje, nabíjateľné batérie, biotechnológie a pokročilé materiály. Nanotechnológia sa preto rýchlo rozvíja na základe stabilného výskumu a investícií a očakáva sa, že bude naďalej zohrávať významnú úlohu v prírodných vedách a v celom priemyselnom sektore. Okrem toho, s rozširovaním rozsahu jej uplatnenia v rôznych priemyselných odvetviach sa etabluje ako kľúčová technológia, ktorá je ešte viac prepojená s naším každodenným životom.
