У овом блог посту, корак по корак ћемо погледати концепт нанотехнологије, њен развој, кључне технологије, примене, будуће изгледе и ограничења.
У научнофантастичном филму „Унутрашњи простор“ из 1987. године, у режији Џоа Дантеа, постоји сцена у којој протагониста истражује унутрашњост крвних судова на минијатурном ваздушном броду. Концепт механичког уређаја који путује кроз крвне судове био је веома иновативан научнофантастични заплет у то време, али данас то више није натегнута идеја. У ствари, у току су активна истраживања коришћења ултрамалих механичких уређаја унутар крвних судова, а нанотехнологија служи као основа за ову технологију. Често се каже да је 21. век ера ИТ-а (информационе технологије), БТ-а (биотехнологије) и НТ-а (нанотехнологије); нанотехнологија се етаблирала као основна технологија у различитим индустријским секторима и наставља брзо да напредује. Међутим, упркос свом значају, већина људи не разуме у потпуности нанотехнологију. У овом чланку ћемо испитати шта је нанотехнологија, истражити њену техничку позадину и процес развоја, категорисати нанотехнологију у подтехнологије како бисмо испитали њене области примене и на крају, погледати будућност нанотехнологије и потенцијалне проблеме који се могу појавити успут.
Нанотехнологија се односи на технологију синтезе, склапања и контроле материјала на изузетно малој скали атома или молекула, као и на мерење и разјашњавање њихових својстава. „Мала скала“ која се овде помиње генерално значи опсег од 1 до 100 нанометара (nm). Један нанометар је милијардити део метра, а термин „нано“ потиче од грчке речи „nanos“, што значи „патуљак“. Узимајући у обзир да је људска длака дебљине око 80,000 до 100,000 нанометара, лако је разумети на колико малој скали нанотехнологија делује.
Концепт нанотехнологије први је предложио амерички физичар Ричард Фајнман. У предавању из 1959. године под називом „Има пуно простора на дну“, одржаном у Америчком физичком друштву, он је предвидео да ће доћи ера када ће бити могуће слободно стварати изузетно мале структуре чак и унутар сићушних простора на молекуларном нивоу. Као пример, објаснио је да се цела Британика енциклопедија може снимити на површини величине једне укоснице. Пошто ниво технологије у то време још увек није био довољно напредан да би се ово остварило, многи присутни су одбацили његову тврдњу као нереалну.
Скенирајући тунелски микроскоп (СТМ), изумео 1981. године, био је кључан у трансформацији нанотехнологије – која је раније изгледала као научна фантастика – у практичну научну и технолошку област. СТМ је уређај способан да посматра или модификује површинску структуру полупроводника или проводних материјала на нанометарској скали. Анализира површинске структуре тако што сонду са изузетно оштрим врхом приближава површини објекта, а затим примењује напон између сонде и објекта да би се измерила резултујућа струја. Развој СТМ-а је отишао даље од пуког посматрања површина материјала; отворио је могућност померања и распоређивања атома и молекула. Године 1986, пет година након проналаска СТМ-а, развијен је атомски силови микроскоп (АСМ).
За разлику од СТМ-а, АФМ је уређај у коме сонда остварује директан контакт са површином објекта како би измерила степен кретања изазван таласањем атома. Баш као што би се прстом опипала површина објекта и одредио његов облик, АФМ посматра површину анализирајући кретање сонде. Развој АФМ-а омогућио је анализу чак и површина изолационих материјала, које је било тешко посматрати помоћу СТМ-а.
Међутим, и СТМ и АФМ су имали критична ограничења. Највећи проблем је био што је процес трајао превише дуго. Коришћење ових уређаја, који су могли да померају само један атом или молекул истовремено, за састављање материјала видљивих голим оком, био је, у практичном смислу, задатак који је захтевао огромну количину времена.
Особа која је предложила машине на молекуларном нивоу као решење за овај проблем био је амерички научник Ерик Дрекслер. У својој књизи „Мотори стварања“ из 1986. године, тврдио је да нанотехнологији треба приступити кроз молекуларне машине које се налазе у природи. У књизи је објаснио да је крајњи циљ нанотехнологије развој машина на молекуларном нивоу – попут рибозома – које користе молекуле као градивне блокове за склапање жељених макроскопских структура. Рибозом је комплекс РНК и протеина који, унутар живих организама, комбинује аминокиселине да би произвео протеине на основу генетских информација. Другим речима, Дрекслер је тврдио да су нам потребне машине на молекуларном нивоу – које, баш као што рибозоми синтетишу протеине на основу генетских информација из ДНК, би склапале молекуле према унапред програмираном низу да би произвеле жељене материјале – и назвао је ове машине „асемблери“. Међутим, асемблер облика који је предложио још увек није реализован, што значи да савремена наука и технологија још увек нису достигле крајњу фазу нанотехнологије коју је он замислио. Хајде да, дакле, испитамо колико је напредовала тренутна нанотехнологија.
Генерално, нанотехнологија се може категорисати у пет подтехнологија на основу техничке сложености. Конкретно, то укључује технологију за производњу наноматеријала; технологију мерења за процену физичких и хемијских својстава наночестица; технологију за манипулацију и интеграцију произведених наноматеријала; технологију примене наноуређаја; и технологију моделирања и симулације.
Прва категорија, технологија израде наноматеријала, даље је подељена на два приступа. Један је процес одозго надоле, који подразумева постепено смањење величине материјала. Ова метода обрађује постојеће материјале до наноскале, слично као што се прави велико камено дело за копље или секира. Иако ова метода има предност што омогућава релативно лаку израду жељених облика, има ограничења када је у питању прецизна обрада до изузетно малих величина. Друга је технологија процеса одоздо нагоре, која гради материјале комбиновањем атома и молекула један по један. Ова метода користи хемијске реакције за секвенцијално састављање молекула, нудећи предност стварања веома малих структура; међутим, има ману што отежава одржавање конзистентног квалитета и има малу брзину производње, што је недостатак за масовну производњу.
Одличан пример технологије обраде „одоздо нагоре“ је угљенична наноцев (CNT). Угљеничне наноцеви су цилиндричне угљеничне структуре засноване на бакиболовима (фулеренима) – молекулима угљеника обликованим попут фудбалских лопти – и тренутно се интензивно истражују и користе у различитим индустријским секторима. Угљеничне наноцеви су једна од најрепрезентативнијих угљеничних структура, после дијаманта и графита, и имају пречник од само око 1 нанометар. Захваљујући својој изузетно малој величини и јединственој структури везивања, поседују затезну чврстоћу већу од оне код челика и показују одличну електричну и топлотну проводљивост. Штавише, у зависности од њихове структуре, могу показивати полупроводничка својства, што их чини обећавајућим кандидатом за полупроводничке материјале следеће генерације. Поред тога, користе се у разним областима као што су равни дисплеји, батерије, композитни материјали и биосензори, а истраживања су у току.
Када се наноматеријали произведу коришћењем горе поменутих технологија израде „одозго надоле“ и „одоздо нагоре“, следећи корак је развој технологија за манипулацију и интеграцију ових материјала. Међутим, оно што се прво мора развити јесте технологија мерења способна да прецизно измери својства произведених наноматеријала. То је зато што је, без довољно напредне технологије мерења, немогуће прецизно разумети које се појаве дешавају на наноскали. Међутим, постоји велика препрека у развоју технологије мерења на наноскали: чињеница да се квантни ефекти јављају како величина материјала постаје изузетно мала. Када се појаве квантни ефекти, постаје тешко објаснити појаве користећи само законе физике који се примењују на свакодневним размерама, што отежава прецизно мерење својстава материјала. Штавише, како се величина смањује, сам сигнал мерења постаје веома слаб и на њега у великој мери утиче амбијентална бука, што захтева високо осетљиву опрему за мерење. Из ових разлога, нанометрологија и данас остаје област активног истраживања.
Технологије за манипулацију и интеграцију наноматеријала су такође области које захтевају даљи развој у будућности. Тренутно се технологије прецизне манипулације и интеграције широко користе на микрометарској скали – која је много већа од нанометарске. Главни пример је индустрија полупроводника. Континуирано побољшање перформанси полупроводника данас је резултат напретка у овим технологијама микрофабрикације. Ако још прецизнија манипулација и интеграција на нанометарском нивоу постану могуће у будућности, очекује се да ће се перформансе разних електронских уређаја, укључујући полупроводнике, значајно побољшати у поређењу са тренутним нивоима. Уз то, очекује се да ће технологије примене наноуређаја, као и технологије моделирања и симулације, постати софистицираније на основу напретка у технологијама мерења, манипулације и интеграције.
Дакле, како ће нанотехнологија изгледати када се ови технички изазови реше? У својој књизи „Unbounding the Future“ из 1991. године, Ерик Дрекслер је идентификовао рачунаре, производњу и медицину као области са посебно високим потенцијалом за будући развој. У области рачунарства, истакао је напредак биоелектронике као кључну могућност. Биоелектроника је конвергентна област која комбинује биотехнологију и електронику, са развојем биорачунара као једним од њених примарних истраживачких циљева. Иако још није јасно какав ће тачно облик биорачунари имати, у току су разне студије како би се превазишла ограничења постојећих силицијумских полупроводника коришћењем биомолекула као што су протеини.
Биорачунари су само један пример будућих технологија које омогућава нанотехнологија. Како нанотехнологија буде даље напредовала, производне технике које прецизно контролишу материјале на атомском нивоу вероватно ће постати још софистицираније. Док тренутне методе производње укључују истовремену обраду великог броја атома ради стварања производа, очекује се да ће могућност пројектовања и склапања материјала са прецизношћу на атомском нивоу омогућити производњу производа који се више подударају са оригиналном намером дизајна. Штавише, очекује се да ће значајно допринети побољшању квалитета и поузданости производа, као и развоју материјала и производа са новим својствима која су раније била тешка за постизање.
Очекује се да ће и медицинска област бити под великим утицајем нанотехнологије. Област која комбинује нанотехнологију и медицину назива се наномедицина. Пошто болести у људском телу често настају на ћелијском и молекуларном нивоу, нанотехнологија може играти кључну улогу у дијагностиковању и лечењу болести са већом прецизношћу. Заправо, истраживања и клиничке примене које користе нанотехнологију су активно у току у различитим областима, укључујући системе за испоруку лекова који селективно испоручују лекове на одређена места, лечење рака, регенерацију ткива и дијагностичке технологије. Очекује се да ће развој још софистицираније нанотехнологије у будућности значајно побољшати ефикасност и безбедност лечења болести.
На основу онога што смо до сада разговарали, будућност изгледа светлија захваљујући напретку у нанотехнологији. Међутим, као и друге најсавременије технологије, нанотехнологија такође има неколико негативних аспеката. Пошто су наночестице изузетно мале, могу показивати својства која се разликују од својстава обичних честица када се унесу у људско тело. Заправо, објављени су резултати истраживања који указују на то да неки наноматеријали могу ући у тело кроз респираторни тракт или кожу и потенцијално утицати на здравље; пошто ниво ризика може да варира у зависности од врсте материјала и начина излагања, спроводе се континуирана истраживања и процене безбедности. Штавише, стално се изражава забринутост у вези са потенцијалом да се нанотехнологија користи у злонамерне сврхе. Стога, да би се нанотехнологија користила у корист човечанства, провера безбедности и етичке и друштвене дискусије морају се одвијати упоредо са технолошким развојем.
До сада смо испитали нанотехнологију из различитих перспектива. Тренутно, не само Сједињене Државе и друге развијене земље, већ и земље широм света, укључујући Јужну Кореју, препознају нанотехнологију као кључну индустрију будућности и настављају да улажу значајна средства у истраживање и развој. Јужна Кореја такође континуирано спроводи националне политике за подстицање нанотехнологије и јача своју конкурентност у различитим индустријским секторима, као што су полупроводници, дисплеји, пуњиве батерије, биотехнологија и напредни материјали. Као таква, нанотехнологија брзо напредује на основу сталног истраживања и инвестиција, и очекује се да ће наставити да игра значајну улогу у природним наукама и у целом индустријском сектору. Штавише, како се њен обим примене шири у различитим индустријским секторима, она ће се етаблирати као основна технологија која је још више испреплетена са нашим свакодневним животом.
