V tej objavi na blogu si bomo korak za korakom ogledali koncept nanotehnologije, njen razvoj, ključne tehnologije, aplikacije, prihodnje možnosti in omejitve.
V znanstvenofantastičnem filmu "Innerspace" iz leta 1987, ki ga je režiral Joe Dante, je prizor, v katerem protagonist raziskuje notranjost krvnih žil na krovu drobne zračne ladje. Koncept mehanske naprave, ki potuje skozi krvne žile, je bil takrat zelo inovativna znanstvenofantastična zgodba, danes pa ni več nerealna ideja. Pravzaprav potekajo aktivne raziskave za uporabo ultra majhnih mehanskih naprav v krvnih žilah, nanotehnologija pa služi kot temelj te tehnologije. Pogosto se reče, da je 21. stoletje doba IT (informacijske tehnologije), BT (biotehnologije) in NT (nanotehnologije); nanotehnologija se je uveljavila kot osrednja tehnologija v različnih industrijskih sektorjih in še naprej hitro napreduje. Vendar pa kljub svojemu pomenu večina ljudi nanotehnologije ne razume v celoti. V tem članku bomo preučili, kaj nanotehnologija je, raziskali njeno tehnično ozadje in proces razvoja, jo razvrstili v podtehnologije, da bi preučili njena področja uporabe, in nazadnje si ogledali prihodnost nanotehnologije in morebitne težave, ki se lahko pojavijo na tej poti.
Nanotehnologija se nanaša na tehnologijo sinteze, sestavljanja in nadzora materialov v izjemno majhnem obsegu atomov ali molekul ter na merjenje in pojasnjevanje njihovih lastnosti. Izraz »majhen obseg«, o katerem se tukaj govori, običajno pomeni območje od 1 do 100 nanometrov (nm). En nanometer je ena milijardinka metra, izraz »nano« pa izhaja iz grške besede »nanos«, kar pomeni »pritlikavec«. Glede na to, da je človeški las debel približno 80,000 do 100,000 nanometrov, je enostavno razumeti, na kako majhnem obsegu deluje nanotehnologija.
Koncept nanotehnologije je prvi predlagal ameriški fizik Richard Feynman. V predavanju leta 1959 z naslovom »Na dnu je dovolj prostora« v Ameriškem fizikalnem društvu je napovedal, da bo prišla doba, ko bo mogoče prosto ustvarjati izjemno majhne strukture tudi v drobnih prostorih na molekularni ravni. Kot primer je pojasnil, da bi lahko celotno enciklopedijo Britannica zapisali na površini velikosti ene same lasnice. Ker takratna raven tehnologije še ni bila dovolj napredna, da bi to uresničila, so mnogi udeleženci njegovo trditev zavrnili kot nerealno.
Vrstični tunelski mikroskop (STM), izumljen leta 1981, je bil ključnega pomena za preoblikovanje nanotehnologije – ki se je prej zdela znanstvena fantastika – v praktično znanstveno in tehnološko področje. STM je naprava, ki lahko opazuje ali spreminja površinsko strukturo polprevodnikov ali prevodnih materialov na nanometrski ravni. Analizira površinske strukture tako, da sondo z izjemno ostro konico približa površini predmeta, nato pa med sondo in predmetom uporabi napetost za merjenje nastalega toka. Razvoj STM je presegel zgolj opazovanje površin materialov; odprl je možnost premikanja in razporejanja atomov in molekul. Leta 1986, pet let po izumu STM, je bil razvit atomski silovni mikroskop (AFM).
Za razliko od STM je AFM naprava, pri kateri sonda vzpostavi neposreden stik s površino predmeta, da izmeri stopnjo gibanja, ki jo povzročajo valovanja atomov. Tako kot bi s prstom otipali površino predmeta in določili njegovo obliko, AFM opazuje površino z analizo gibanja sonde. Razvoj AFM je omogočil analizo celo površin izolacijskih materialov, ki jih je bilo s STM težko opazovati.
Vendar sta imela tako STM kot AFM kritične omejitve. Največja težava je bila, da je postopek trajal veliko predolgo. Uporaba teh naprav, ki so lahko premikale le en atom ali molekulo naenkrat, za sestavljanje materialov, vidnih s prostim očesom, je bila v praksi naloga, ki je zahtevala ogromno časa.
Oseba, ki je predlagala stroje na molekularni ravni kot rešitev za ta problem, je bil ameriški znanstvenik Eric Drexler. V svoji knjigi »Motorji ustvarjanja« iz leta 1986 je trdil, da bi se nanotehnologiji morali približati prek molekularnih strojev, ki jih najdemo v naravi. V knjigi je pojasnil, da je končni cilj nanotehnologije razvoj strojev na molekularni ravni – kot so ribosomi – ki uporabljajo molekule kot gradnike za sestavljanje želenih makroskopskih struktur. Ribosom je kompleks RNK in beljakovin, ki v živih organizmih združuje aminokisline za proizvodnjo beljakovin na podlagi genetskih informacij. Z drugimi besedami, Drexler je trdil, da potrebujemo stroje na molekularni ravni – ki bi, tako kot ribosomi sintetizirajo beljakovine na podlagi genetskih informacij iz DNK, sestavljali molekule po vnaprej programiranem zaporedju za proizvodnjo želenih materialov – in te stroje je poimenoval »sestavljalci«. Vendar sestavljalec v obliki, ki jo je predlagal, še ni bil realiziran, kar pomeni, da sodobna znanost in tehnologija še nista dosegli končne stopnje nanotehnologije, ki si jo je zamislil. Poglejmo si torej, kako daleč je napredovala trenutna nanotehnologija.
Na splošno lahko nanotehnologijo glede na tehnično zahtevnost razdelimo v pet podtehnologij. Sem spadajo predvsem tehnologija za proizvodnjo nanomaterialov, merilna tehnologija za ocenjevanje fizikalnih in kemijskih lastnosti nanodelcev, tehnologija za manipulacijo in integracijo proizvedenih nanomaterialov, tehnologija uporabe nanonaprav ter tehnologija modeliranja in simulacije.
Prva kategorija, tehnologija izdelave nanomaterialov, je nadalje razdeljena na dva pristopa. Eden je postopek od zgoraj navzdol, ki vključuje postopno zmanjševanje velikosti materiala. Ta metoda obdeluje obstoječe materiale do nanoskopa, podobno kot klesanje velikega kamna za izdelavo sulice ali sekire. Čeprav ima ta metoda prednost, da omogoča relativno enostavno izdelavo želenih oblik, ima omejitve pri natančni obdelavi do izjemno majhnih velikosti. Druga je tehnologija postopka od spodaj navzgor, ki gradi materiale z združevanjem atomov in molekul enega za drugim. Ta metoda uporablja kemične reakcije za zaporedno sestavljanje molekul, kar ponuja prednost ustvarjanja zelo majhnih struktur; vendar ima slabost, da otežuje vzdrževanje dosledne kakovosti in ima počasno hitrost proizvodnje, kar je pomanjkljivost za množično proizvodnjo.
Odličen primer tehnologije obdelave od spodaj navzgor so ogljikove nanocevke (CNT). Ogljikove nanocevke so valjaste ogljikove strukture, ki temeljijo na buckyballih (fulerenih) – molekulah ogljika v obliki nogometnih žog – in se trenutno obsežno raziskujejo in uporabljajo v različnih industrijskih sektorjih. Ogljikove nanocevke so ena najbolj reprezentativnih ogljikovih struktur, takoj za diamantom in grafitom, in imajo premer le približno 1 nanometer. Zaradi izjemno majhnosti in edinstvene vezne strukture imajo natezno trdnost, ki je boljšja od jekla, in kažejo odlično električno in toplotno prevodnost. Poleg tega lahko, odvisno od njihove strukture, kažejo polprevodniške lastnosti, zaradi česar so obetaven kandidat za polprevodniške materiale naslednje generacije. Poleg tega se uporabljajo na različnih področjih, kot so ploski zasloni, baterije, kompozitni materiali in biosenzorji, raziskave pa še potekajo.
Ko so nanomateriali proizvedeni z uporabo zgoraj omenjenih tehnologij izdelave od zgoraj navzdol in od spodaj navzgor, je naslednji korak razvoj tehnologij za manipulacijo in integracijo teh materialov. Najprej pa je treba razviti merilno tehnologijo, ki lahko natančno izmeri lastnosti izdelanih nanomaterialov. To je zato, ker brez dovolj napredne merilne tehnologije ni mogoče natančno razumeti, kateri pojavi se pojavljajo na nanoskali. Vendar pa obstaja velika ovira pri razvoju merilne tehnologije na nanoskali: dejstvo, da se kvantni učinki pojavijo, ko velikost materiala postane izjemno majhna. Ko se pojavijo kvantni učinki, je težko razložiti pojave le z zakoni fizike, ki veljajo v vsakdanjem merilu, zaradi česar je težko natančno izmeriti lastnosti materialov. Poleg tega z zmanjšanjem velikosti sam merilni signal postane zelo šibek in nanj močno vpliva šum iz okolice, kar zahteva zelo občutljivo merilno opremo. Zaradi teh razlogov nanometrologija ostaja področje aktivnih raziskav še danes.
Tehnologije za manipulacijo in integracijo nanomaterialov so prav tako področja, ki zahtevajo nadaljnji razvoj v prihodnosti. Trenutno se tehnologije precizne manipulacije in integracije pogosto uporabljajo na mikrometrski ravni – ki je veliko večja od nanometrske. Odličen primer je polprevodniška industrija. Nenehno izboljševanje delovanja polprevodnikov danes je posledica napredka v teh tehnologijah mikrofabrikacije. Če bo v prihodnosti mogoča še natančnejša manipulacija in integracija na nanometrski ravni, se pričakuje, da se bo delovanje različnih elektronskih naprav, vključno s polprevodniki, znatno izboljšalo v primerjavi s trenutnimi ravnmi. Poleg tega naj bi tudi tehnologije uporabe nanonaprav ter tehnologije modeliranja in simulacije postale bolj dovršene zaradi napredka v tehnologijah merjenja, manipulacije in integracije.
Kakšna bo torej nanotehnologija, ko bodo ti tehnični izzivi rešeni? Eric Drexler je v svoji knjigi »Unbounding the Future« iz leta 1991 računalnike, proizvodnjo in medicino opredelil kot področja s še posebej velikim potencialom za prihodnji razvoj. Na področju računalništva je kot ključno možnost izpostavil napredek bioelektronike. Bioelektronika je konvergentno področje, ki združuje biotehnologijo in elektroniko, razvoj bioračunalnikov pa je eden glavnih raziskovalnih ciljev. Čeprav še ni povsem jasno, kakšno obliko bodo imeli bioračunalniki, potekajo različne študije za premagovanje omejitev obstoječih silicijevih polprevodnikov z uporabo biomolekul, kot so beljakovine.
Bioračunalniki so le en primer prihodnjih tehnologij, ki jih omogoča nanotehnologija. Z nadaljnjim napredkom nanotehnologije bodo proizvodne tehnike, ki natančno nadzorujejo materiale na atomski ravni, verjetno postale še bolj dovršene. Medtem ko trenutne proizvodne metode vključujejo hkratno obdelavo velikega števila atomov za ustvarjanje izdelkov, naj bi sposobnost načrtovanja in sestavljanja materialov z natančnostjo na atomski ravni omogočila proizvodnjo izdelkov, ki se bolj ujemajo z prvotnim načrtom. Poleg tega naj bi to pomembno prispevalo k izboljšanju kakovosti in zanesljivosti izdelkov ter k razvoju materialov in izdelkov z novimi lastnostmi, ki jih je bilo prej težko doseči.
Pričakuje se, da bo nanotehnologija močno vplivala tudi na medicinsko področje. Področje, ki združuje nanotehnologijo in medicino, se imenuje nanomedicina. Ker bolezni v človeškem telesu pogosto izvirajo na celični in molekularni ravni, lahko nanotehnologija igra ključno vlogo pri diagnosticiranju in zdravljenju bolezni z večjo natančnostjo. Pravzaprav se raziskave in klinične aplikacije, ki uporabljajo nanotehnologijo, aktivno izvajajo na različnih področjih, vključno s sistemi za dajanje zdravil, ki selektivno dostavljajo zdravila na določena mesta, zdravljenjem raka, regeneracijo tkiv in diagnostičnimi tehnologijami. Pričakuje se, da bo razvoj še bolj dovršene nanotehnologije v prihodnosti znatno izboljšal učinkovitost in varnost zdravljenja bolezni.
Glede na to, kar smo do sedaj razpravljali, se zdi prihodnost svetlejša zaradi napredka nanotehnologije. Vendar pa ima tudi nanotehnologija, tako kot druge vrhunske tehnologije, več negativnih vidikov. Ker so nanodelci izjemno majhni, lahko ob vnosu v človeško telo kažejo lastnosti, ki se razlikujejo od lastnosti običajnih delcev. Pravzaprav so poročali o ugotovitvah raziskav, ki kažejo, da lahko nekateri nanomateriali vstopijo v telo skozi dihala ali kožo in potencialno vplivajo na zdravje; ker se raven tveganja lahko razlikuje glede na vrsto materiala in način izpostavljenosti, se izvajajo stalne raziskave in ocene varnosti. Poleg tega se nenehno pojavljajo pomisleki glede možnosti uporabe nanotehnologije v zlonamerne namene. Da bi se nanotehnologija uporabljala v korist človeštva, je treba zato preverjanje varnosti ter etične in družbene razprave nadaljevati vzporedno s tehnološkim razvojem.
Do sedaj smo nanotehnologijo preučili z različnih zornih kotov. Trenutno ne le Združene države Amerike in druge razvite države, temveč tudi države po vsem svetu, vključno z Južno Korejo, prepoznavajo nanotehnologijo kot ključno industrijo prihodnosti in še naprej veliko vlagajo v raziskave in razvoj. Tudi Južna Koreja nenehno izvaja nacionalne politike za spodbujanje nanotehnologije in krepi svojo konkurenčnost v različnih industrijskih sektorjih, kot so polprevodniki, zasloni, polnilne baterije, biotehnologija in napredni materiali. Kot taka nanotehnologija hitro napreduje na podlagi stalnih raziskav in naložb ter pričakuje se, da bo še naprej igrala pomembno vlogo v naravoslovju in v celotnem industrijskem sektorju. Poleg tega se bo s širitvijo njenega področja uporabe v različnih industrijskih sektorjih uveljavila kot osrednja tehnologija, ki je še tesneje prepletena z našim vsakdanjim življenjem.
