Sa blog post na ito, ating susuriin nang paunti-unti ang konsepto ng nanotechnology, ang pag-unlad nito, mga pangunahing teknolohiya, mga aplikasyon, mga inaasahang hinaharap, at mga limitasyon.
Sa pelikulang sci-fi noong 1987 na 'Innerspace', sa direksyon ni Joe Dante, mayroong isang eksena kung saan ginalugad ng bida ang loob ng mga daluyan ng dugo sakay ng isang maliit na sasakyang panghimpapawid. Ang konsepto ng isang mekanikal na aparato na naglalakbay sa mga daluyan ng dugo ay isang napaka-makabagong aparato sa sci-fi plot noong panahong iyon, ngunit ngayon ay hindi na ito isang malayong ideya. Sa katunayan, may aktibong pananaliksik na isinasagawa upang magamit ang mga ultra-maliliit na mekanikal na aparato sa loob ng mga daluyan ng dugo, at ang nanotechnology ang nagsisilbing pundasyon para sa teknolohiyang ito. Madalas sabihin na ang ika-21 siglo ay ang panahon ng IT (Information Technology), BT (Biotechnology), at NT (Nanotechnology); ang nanotechnology ay itinatag ang sarili bilang isang pangunahing teknolohiya sa iba't ibang sektor ng industriya at patuloy na mabilis na sumusulong. Gayunpaman, sa kabila ng kahalagahan nito, karamihan sa mga tao ay hindi lubos na nauunawaan ang nanotechnology. Sa artikulong ito, susuriin natin kung ano ang nanotechnology, susuriin ang teknikal na background at proseso ng pag-unlad nito, ikategorya ang nanotechnology sa mga sub-teknolohiya upang suriin ang mga lugar ng aplikasyon nito, at sa wakas, titingnan ang hinaharap ng nanotechnology at ang mga potensyal na isyu na maaaring lumitaw sa proseso.
Ang nanoteknolohiya ay tumutukoy sa teknolohiya ng sintesis, pag-assemble, at pagkontrol sa mga materyales sa napakaliit na sukat ng mga atomo o molekula, pati na rin ang pagsukat at paglilinaw ng kanilang mga katangian. Ang "maliit na sukat" na tinutukoy dito sa pangkalahatan ay nangangahulugang saklaw na 1 hanggang 100 nanometer (nm). Ang isang nanometer ay isang-bilyong bahagi ng isang metro, at ang terminong "nano" ay nagmula sa salitang Griyego na "nanos," na nangangahulugang "unti." Kung isasaalang-alang na ang isang buhok ng tao ay may kapal na humigit-kumulang 80,000 hanggang 100,000 nanometer, madaling maunawaan kung gaano kaliit ang sukat na pinapatakbo ng nanoteknolohiya.
Ang konsepto ng nanotechnology ay unang iminungkahi ng Amerikanong pisiko na si Richard Feynman. Sa isang lektura noong 1959 na pinamagatang "There's Plenty of Room at the Bottom" na ibinigay sa American Physical Society, hinulaan niya na darating ang isang panahon kung kailan posible nang malayang lumikha ng napakaliit na mga istruktura kahit sa loob ng maliliit na espasyo sa antas ng molekula. Bilang halimbawa, ipinaliwanag niya na ang buong Britannica Encyclopedia ay maaaring maitala sa isang ibabaw na kasinglaki ng isang hairpin. Dahil ang antas ng teknolohiya noong panahong iyon ay hindi pa sapat na maunlad upang maisakatuparan ito, maraming dumalo ang tumanggi sa kanyang pahayag bilang hindi makatotohanan.
Ang scanning tunneling microscope (STM), na naimbento noong 1981, ay naging instrumento sa pagbabago ng nanotechnology—na dating tila science fiction—tungo sa isang praktikal na larangang siyentipiko at teknolohikal. Ang STM ay isang aparato na may kakayahang obserbahan o baguhin ang istruktura ng ibabaw ng mga semiconductor o mga konduktibong materyales sa iskala ng nanometer. Sinusuri nito ang mga istruktura ng ibabaw sa pamamagitan ng paglapit ng isang probe na may napakatulis na dulo sa ibabaw ng isang bagay, pagkatapos ay naglalapat ng boltahe sa pagitan ng probe at ng bagay upang masukat ang nagresultang kuryente. Ang pag-unlad ng STM ay higit pa sa simpleng pag-obserba sa mga ibabaw ng materyal; binuksan nito ang posibilidad ng paggalaw at pagsasaayos ng mga atomo at molekula. Noong 1986, limang taon pagkatapos ng pag-imbento ng STM, nabuo ang atomic force microscope (AFM).
Hindi tulad ng STM, ang AFM ay isang aparato kung saan ang probe ay direktang dumidikit sa ibabaw ng bagay upang masukat ang antas ng paggalaw na dulot ng mga alon ng mga atomo. Tulad ng paggamit ng daliri upang madama ang ibabaw ng isang bagay at matukoy ang hugis nito, inoobserbahan ng AFM ang ibabaw sa pamamagitan ng pagsusuri sa paggalaw ng probe. Ang pag-unlad ng AFM ay nagbigay-daan upang masuri kahit ang mga ibabaw ng mga insulating material, na mahirap obserbahan gamit ang STM.
Gayunpaman, parehong may mga kritikal na limitasyon ang STM at ang AFM. Ang pinakamalaking problema ay ang proseso ay tumagal nang masyadong matagal. Ang paggamit ng mga aparatong ito, na kayang ilipat lamang ang isang atomo o molekula sa isang pagkakataon, upang tipunin ang mga materyales na nakikita ng hubad na mata ay, sa praktikal na termino, isang gawain na nangangailangan ng napakalaking oras.
Ang taong nagpanukala ng mga makinang nasa antas ng molekula bilang solusyon sa problemang ito ay ang Amerikanong siyentipiko na si Eric Drexler. Sa kanyang aklat na 'Engines of Creation' noong 1986, ikinatuwiran niya na ang nanotechnology ay dapat lapitan sa pamamagitan ng mga makinang molekula na matatagpuan sa kalikasan. Sa aklat, ipinaliwanag niya na ang pangunahing layunin ng nanotechnology ay ang pagbuo ng mga makinang nasa antas ng molekula—tulad ng mga ribosome—na gumagamit ng mga molekula bilang mga bloke ng pagbuo upang tipunin ang mga ninanais na istrukturang makroskopiko. Ang ribosome ay isang complex ng RNA at mga protina na, sa loob ng mga buhay na organismo, ay pinagsasama ang mga amino acid upang makagawa ng mga protina batay sa impormasyong henetiko. Sa madaling salita, ikinatuwiran ni Drexler na kailangan natin ng mga makinang nasa antas ng molekula—na, tulad ng mga ribosome na nag-synthesize ng mga protina batay sa impormasyong henetiko mula sa DNA, ay bubuuin ang mga molekula ayon sa isang preprogrammed sequence upang makagawa ng mga ninanais na materyales—at tinawag niya ang mga makinang ito na "mga assembler." Gayunpaman, ang isang assembler ng anyong kanyang iminungkahi ay hindi pa natutupad, na nangangahulugang ang modernong agham at teknolohiya ay hindi pa nakararating sa sukdulang yugto ng nanotechnology na kanyang naisip. Kung gayon, suriin natin kung gaano na kalayo ang naunlad ng kasalukuyang nanotechnology.
Sa pangkalahatan, ang nanoteknolohiya ay maaaring ikategorya sa limang sub-teknolohiya batay sa teknikal na kahirapan. Sa partikular, kabilang dito ang teknolohiya para sa paggawa ng mga nanomaterial; teknolohiya sa pagsukat para sa pagtatasa ng mga pisikal at kemikal na katangian ng mga nanoscale particle; teknolohiya para sa pagmamanipula at pagsasama ng mga gawang nanomaterial; teknolohiya sa aplikasyon para sa mga nano-device; at teknolohiya sa pagmomodelo at simulasyon.
Ang unang kategorya, ang teknolohiya ng paggawa ng nanomaterial, ay nahahati pa sa dalawang pamamaraan. Ang isa ay ang prosesong top-down, na kinabibilangan ng unti-unting pagbabawas ng laki ng materyal. Pinoproseso ng pamamaraang ito ang mga umiiral na materyales hanggang sa nanoscale, katulad ng pag-ukit ng malaking bato upang gumawa ng sibat o palakol. Bagama't ang pamamaraang ito ay may bentahe ng pagpapahintulot sa medyo madaling paggawa ng ninanais na mga hugis, mayroon itong mga limitasyon pagdating sa katumpakan ng pagproseso hanggang sa napakaliit na laki. Ang isa pa ay ang teknolohiya ng prosesong bottom-up, na bumubuo ng mga materyales sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng mga atomo at molekula nang paisa-isa. Gumagamit ang pamamaraang ito ng mga reaksiyong kemikal upang tipunin ang mga molekula nang sunud-sunod, na nag-aalok ng bentahe ng paglikha ng napakaliit na istruktura; gayunpaman, mayroon itong disbentaha ng pagpapahirap sa pagpapanatili ng pare-parehong kalidad at pagkakaroon ng mabagal na bilis ng produksyon, na isang disbentaha para sa malawakang produksyon.
Isang pangunahing halimbawa ng teknolohiya sa pagproseso mula sa ibaba pataas ay ang carbon nanotube (CNT). Ang mga carbon nanotube ay mga silindrong istrukturang carbon na nakabatay sa mga buckyball (fullerene)—mga molekula ng carbon na hugis bola ng soccer—at kasalukuyang malawakang sinasaliksik at ginagamit sa iba't ibang sektor ng industriya. Ang mga carbon nanotube ay isa sa mga pinakarepresentatibong istrukturang carbon, kasunod ng diamante at grapayt, at may diyametro na humigit-kumulang 1 nanometer lamang. Dahil sa kanilang napakaliit na laki at natatanging istruktura ng pag-bonding, nagtataglay sila ng tensile strength na nakahihigit sa bakal at nagpapakita ng mahusay na electrical at thermal conductivity. Bukod pa rito, depende sa kanilang istraktura, maaari silang magpakita ng mga katangian ng semiconductor, na ginagawa silang isang promising candidate para sa mga susunod na henerasyong materyales ng semiconductor. Higit pa rito, ginagamit ang mga ito sa iba't ibang larangan tulad ng mga flat-panel display, baterya, composite material, at biosensor, at patuloy na isinasagawa ang pananaliksik.
Kapag ang mga nanomaterial ay nagawa na gamit ang mga teknolohiya ng paggawa mula sa itaas pababa at ibaba pataas na tinalakay sa itaas, ang susunod na hakbang ay ang pagbuo ng mga teknolohiya para sa pagmamanipula at pagsasama ng mga materyales na ito. Gayunpaman, ang dapat munang paunlarin ay ang teknolohiya sa pagsukat na may kakayahang tumpak na masukat ang mga katangian ng mga gawa-gawang nanomaterial. Ito ay dahil, kung walang sapat na advanced na teknolohiya sa pagsukat, imposibleng tumpak na maunawaan kung anong mga penomena ang nangyayari sa nanoscale. Gayunpaman, mayroong isang pangunahing balakid sa pag-unlad ng teknolohiya sa pagsukat ng nanoscale: ang katotohanan na ang mga epekto ng quantum ay lumilitaw habang ang laki ng isang materyal ay nagiging napakaliit. Kapag nangyari ang mga epekto ng quantum, nagiging mahirap ipaliwanag ang mga penomena gamit lamang ang mga batas ng pisika na naaangkop sa pang-araw-araw na antas, na ginagawang mahirap na tumpak na sukatin ang mga katangian ng mga materyales. Bukod pa rito, habang lumiliit ang laki, ang signal ng pagsukat mismo ay nagiging napakahina at lubos na naaapektuhan ng ingay sa paligid, na nangangailangan ng mga sensitibong kagamitan sa pagsukat. Dahil sa mga kadahilanang ito, ang nanometrology ay nananatiling isang lugar ng aktibong pananaliksik ngayon.
Ang mga teknolohiya para sa pagmamanipula at pagsasama ng mga nanomaterial ay mga larangan din na nangangailangan ng karagdagang pag-unlad sa hinaharap. Sa kasalukuyan, ang mga teknolohiya ng precision manipulation at integration ay malawakang ginagamit sa micrometer scale—na mas malaki kaysa sa nanoscale. Ang isang pangunahing halimbawa ay ang industriya ng semiconductor. Ang patuloy na pagbuti sa pagganap ng semiconductor ngayon ay resulta ng mga pagsulong sa mga teknolohiyang microfabrication na ito. Kung sakaling maging posible ang mas tumpak na manipulasyon at integration sa antas ng nanometer sa hinaharap, ang pagganap ng iba't ibang elektronikong aparato, kabilang ang mga semiconductor, ay inaasahang bubuti nang malaki kumpara sa kasalukuyang antas. Kasabay nito, ang mga teknolohiya ng aplikasyon para sa mga nanodevice, pati na rin ang mga teknolohiya ng pagmomodelo at simulation, ay inaasahan ding maging mas sopistikado batay sa mga pagsulong sa mga teknolohiya ng pagsukat, manipulasyon, at integration.
Kaya, ano ang magiging hitsura ng nanotechnology kapag nalutas na ang mga teknikal na hamong ito? Sa kanyang aklat noong 1991 na 'Unbounding the Future', tinukoy ni Eric Drexler ang mga kompyuter, pagmamanupaktura, at medisina bilang mga larangan na may partikular na mataas na potensyal para sa pag-unlad sa hinaharap. Sa larangan ng computing, itinampok niya ang pagsulong ng bioelectronics bilang isang mahalagang posibilidad. Ang Bioelectronics ay isang nagtatagpong larangan na pinagsasama ang biotechnology at electronics, kung saan ang pag-unlad ng mga biocomputer ay isa sa mga pangunahing layunin ng pananaliksik nito. Bagama't hindi pa malinaw kung anong eksaktong anyo ang magiging anyo ng mga biocomputer, iba't ibang pag-aaral ang isinasagawa upang malampasan ang mga limitasyon ng mga umiiral na silicon semiconductor sa pamamagitan ng paggamit ng mga biomolecule tulad ng mga protina.
Ang mga biocomputer ay isa lamang halimbawa ng mga teknolohiya sa hinaharap na pinapagana ng nanotechnology. Habang patuloy na sumusulong ang nanotechnology, ang mga pamamaraan sa pagmamanupaktura na tumpak na kumokontrol sa mga materyales sa antas atomiko ay malamang na maging mas sopistikado. Bagama't ang kasalukuyang mga pamamaraan sa pagmamanupaktura ay kinabibilangan ng pagproseso ng malaking bilang ng mga atomo nang sabay-sabay upang lumikha ng mga produkto, ang kakayahang magdisenyo at mag-assemble ng mga materyales nang may katumpakan sa antas atomiko ay inaasahang magbibigay-daan sa produksyon ng mga produktong mas tumutugma sa orihinal na layunin ng disenyo. Bukod pa rito, inaasahang malaki ang maitutulong nito sa pagpapabuti ng kalidad at pagiging maaasahan ng produkto, pati na rin sa pagbuo ng mga materyales at produktong may mga bagong katangian na dating mahirap makamit.
Inaasahan din na ang larangan ng medisina ay lubos na maimpluwensyahan ng nanotechnology. Ang larangang pinagsasama ang nanotechnology at medisina ay tinatawag na nanomedicine. Dahil ang mga sakit sa katawan ng tao ay kadalasang nagmumula sa antas ng selula at molekular, ang nanotechnology ay maaaring gumanap ng mahalagang papel sa pag-diagnose at paggamot ng mga sakit nang may mas mataas na katumpakan. Sa katunayan, ang pananaliksik at mga klinikal na aplikasyon gamit ang nanotechnology ay aktibong isinasagawa sa iba't ibang larangan, kabilang ang mga sistema ng paghahatid ng gamot na pumipiling maghatid ng mga gamot sa mga partikular na lugar, paggamot sa kanser, pagbabagong-buhay ng tisyu, at mga teknolohiyang diagnostic. Inaasahan na ang pag-unlad ng mas sopistikadong nanotechnology sa hinaharap ay makabuluhang magpapabuti sa kahusayan at kaligtasan ng paggamot sa sakit.
Batay sa ating napag-usapan sa ngayon, tila mas maliwanag ang hinaharap dahil sa mga pagsulong sa nanotechnology. Gayunpaman, tulad ng iba pang makabagong teknolohiya, ang nanotechnology ay mayroon ding ilang negatibong aspeto. Dahil ang mga nanoparticle ay napakaliit, maaari silang magpakita ng mga katangiang naiiba sa mga ordinaryong particle kapag ipinasok sa katawan ng tao. Sa katunayan, may mga naiulat na natuklasan sa pananaliksik na nagpapahiwatig na ang ilang nanomaterial ay maaaring makapasok sa katawan sa pamamagitan ng respiratory tract o balat at maaaring makaapekto sa kalusugan; dahil ang antas ng panganib ay maaaring mag-iba depende sa uri ng materyal at paraan ng pagkakalantad, patuloy na isinasagawa ang pananaliksik at mga pagtatasa sa kaligtasan. Bukod pa rito, patuloy na itinataas ang mga alalahanin tungkol sa potensyal na magamit ang nanotechnology para sa mga malisyosong layunin. Samakatuwid, upang magamit ang nanotechnology para sa kapakinabangan ng sangkatauhan, ang pagpapatunay ng kaligtasan at mga etikal at panlipunang talakayan ay dapat magpatuloy kasabay ng pag-unlad ng teknolohiya.
Sinuri natin ang nanotechnology mula sa iba't ibang pananaw sa ngayon. Sa kasalukuyan, hindi lamang ang Estados Unidos at iba pang mauunlad na bansa kundi pati na rin ang mga bansa sa buong mundo, kabilang ang South Korea, ang kumikilala sa nanotechnology bilang isang mahalagang industriya ng hinaharap at patuloy na namumuhunan nang malaki sa pananaliksik at pagpapaunlad. Ang South Korea rin ay patuloy na nagpapatupad ng mga pambansang patakaran upang pagyamanin ang nanotechnology at pinapalakas ang kakayahang makipagkumpitensya nito sa iba't ibang sektor ng industriya, tulad ng mga semiconductor, display, rechargeable na baterya, biotechnology, at mga advanced na materyales. Dahil dito, ang nanotechnology ay mabilis na umuunlad batay sa patuloy na pananaliksik at pamumuhunan, at inaasahang patuloy itong gaganap ng isang mahalagang papel sa mga natural na agham at sa buong sektor ng industriya. Bukod pa rito, habang lumalawak ang saklaw ng aplikasyon nito sa iba't ibang sektor ng industriya, itatatag nito ang sarili bilang isang pangunahing teknolohiya na mas malapit na nauugnay sa ating pang-araw-araw na buhay.
