У цій публікації блогу ми крок за кроком розглянемо концепцію нанотехнологій, їх розвиток, ключові технології, застосування, майбутні перспективи та обмеження.
У науково-фантастичному фільмі 1987 року «Внутрішній простір» режисера Джо Данте є сцена, де головний герой досліджує внутрішню частину кровоносних судин на борту крихітного дирижабля. Концепція механічного пристрою, що рухається кровоносними судинами, була дуже інноваційним науково-фантастичним сюжетним прийомом на той час, але сьогодні це вже не є нереальною ідеєю. Фактично, ведуться активні дослідження щодо використання надмалих механічних пристроїв у кровоносних судинах, і нанотехнології слугують основою для цієї технології. Часто кажуть, що 21 століття — це ера ІТ (інформаційних технологій), БТ (біотехнологій) та НТ (нанотехнологій); нанотехнології зарекомендували себе як ключові технології в різних промислових секторах і продовжують швидко розвиватися. Однак, незважаючи на свою важливість, більшість людей не до кінця розуміють нанотехнології. У цій статті ми розглянемо, що таке нанотехнології, дослідимо їх технічну основу та процес розробки, розділимо нанотехнології на підтехнології, щоб дослідити сфери їх застосування, і, нарешті, розглянемо майбутнє нанотехнологій та потенційні проблеми, які можуть виникнути на цьому шляху.
Нанотехнологія стосується технології синтезу, складання та контролю матеріалів у надзвичайно малому масштабі атомів або молекул, а також вимірювання та пояснення їхніх властивостей. Термін «малий масштаб», який тут згадується, зазвичай означає діапазон від 1 до 100 нанометрів (нм). Один нанометр — це одна мільярдна частина метра, а термін «нано» походить від грецького слова «nanos», що означає «карлик». Враховуючи, що людська волосина має товщину приблизно від 80 000 до 100 000 нанометрів, легко зрозуміти, наскільки малим масштабом працює нанотехнологія.
Концепцію нанотехнологій вперше запропонував американський фізик Річард Фейнман. У лекції 1959 року під назвою «Внизу достатньо місця», прочитаній в Американському фізичному товаристві, він передбачив, що настане ера, коли можна буде вільно створювати надзвичайно малі структури навіть у крихітних просторах на молекулярному рівні. Як приклад він пояснив, що всю енциклопедію «Британіка» можна записати на поверхні розміром з одну шпильку для волосся. Оскільки рівень технологій на той час ще не був достатньо розвиненим, щоб зробити це реальністю, багато учасників відхилили його твердження як нереалістичне.
Скануючий тунельний мікроскоп (СТМ), винайдений у 1981 році, відіграв важливу роль у перетворенні нанотехнологій, які раніше здавались науковою фантастикою, на практичну науково-технологічну галузь. СТМ – це пристрій, здатний спостерігати або змінювати структуру поверхні напівпровідників або провідних матеріалів у нанометровому масштабі. Він аналізує структури поверхні, підносячи зонд з надзвичайно гострим кінчиком близько до поверхні об'єкта, а потім прикладаючи напругу між зондом і об'єктом для вимірювання результуючого струму. Розробка СТМ вийшла за рамки простого спостереження за поверхнями матеріалів; вона відкрила можливість переміщення та розташування атомів і молекул. У 1986 році, через п'ять років після винаходу СТМ, був розроблений атомно-силовий мікроскоп (АСМ).
На відміну від СТМ, АСМ – це пристрій, у якому зонд безпосередньо контактує з поверхнею об'єкта для вимірювання ступеня руху, спричиненого хвилястостями атомів. Так само, як можна було б використовувати палець, щоб відчути поверхню об'єкта та визначити його форму, АСМ спостерігає за поверхнею, аналізуючи рух зонда. Розробка АСМ дозволила аналізувати навіть поверхні ізоляційних матеріалів, які було важко спостерігати за допомогою СТМ.
Однак, як STM, так і AFM мали критичні обмеження. Найбільшою проблемою було те, що процес займав надто багато часу. Використання цих пристроїв, які могли переміщувати лише один атом або молекулу за раз, для збирання матеріалів, видимих неозброєним оком, на практиці було завданням, що вимагало величезної кількості часу.
Людиною, яка запропонувала машини молекулярного рівня як рішення цієї проблеми, був американський вчений Ерік Дрекслер. У своїй книзі 1986 року «Двигуни творіння» він стверджував, що до нанотехнологій слід підходити через молекулярні машини, що існують у природі. У книзі він пояснив, що кінцевою метою нанотехнологій є розробка машин молекулярного рівня, таких як рибосоми, які використовують молекули як будівельні блоки для складання бажаних макроскопічних структур. Рибосома — це комплекс РНК та білків, який у живих організмах поєднує амінокислоти для виробництва білків на основі генетичної інформації. Іншими словами, Дрекслер стверджував, що нам потрібні машини молекулярного рівня, які, так само як рибосоми синтезують білки на основі генетичної інформації з ДНК, збиратимуть молекули відповідно до заздалегідь запрограмованої послідовності для виробництва бажаних матеріалів, і він назвав ці машини «асемблерами». Однак асемблер запропонованої ним форми ще не реалізовано, а це означає, що сучасна наука і техніка ще не досягли кінцевої стадії нанотехнологій, яку він уявляв. Тож давайте розглянемо, наскільки просунулася сучасна нанотехнологія.
Загалом, нанотехнології можна розділити на п'ять підтехнологій залежно від технічної складності. Зокрема, до них належать технології виробництва наноматеріалів; технології вимірювання для оцінки фізичних та хімічних властивостей нанорозмірних частинок; технології маніпулювання та інтеграції виготовлених наноматеріалів; технології застосування нанопристроїв; та технології моделювання та симуляції.
Перша категорія, технологія виготовлення наноматеріалів, далі поділяється на два підходи. Один – це процес «зверху вниз», який передбачає поступове зменшення розміру матеріалу. Цей метод обробляє існуючі матеріали до нанорозмірів, подібно до різьблення великого каменю для виготовлення списа чи сокири. Хоча цей метод має перевагу, оскільки дозволяє відносно легко виготовляти бажані форми, він має обмеження, коли йдеться про точну обробку до надзвичайно малих розмірів. Інший – це технологія процесу «знизу вгору», яка створює матеріали шляхом поєднання атомів і молекул одну за одною. Цей метод використовує хімічні реакції для послідовного складання молекул, що пропонує перевагу створення дуже малих структур; однак він має недолік, оскільки ускладнює підтримку постійної якості та має низьку швидкість виробництва, що є недоліком для масового виробництва.
Яскравим прикладом технології обробки «знизу вгору» є вуглецеві нанотрубки (ВНТ). Вуглецеві нанотрубки — це циліндричні вуглецеві структури на основі бакіболів (фулеренів) — молекул вуглецю, що мають форму футбольних м'ячів, — і зараз вони широко досліджуються та використовуються в різних промислових секторах. Вуглецеві нанотрубки є однією з найбільш репрезентативних вуглецевих структур, після алмазу та графіту, і мають діаметр лише близько 1 нанометра. Завдяки своєму надзвичайно малому розміру та унікальній структурі зв'язку вони мають міцність на розрив, що перевершує сталь, і демонструють чудову електро- та теплопровідність. Крім того, залежно від їхньої структури, вони можуть проявляти напівпровідникові властивості, що робить їх перспективним кандидатом на напівпровідникові матеріали наступного покоління. Крім того, вони використовуються в різних галузях, таких як плоскі дисплеї, батареї, композитні матеріали та біосенсори, і дослідження в цій галузі постійно проводяться.
Після того, як наноматеріали будуть вироблені за допомогою технологій виготовлення «зверху вниз» та «знизу вгору», про які йшлося вище, наступним кроком є розробка технологій для маніпулювання та інтеграції цих матеріалів. Однак, спочатку необхідно розробити технологію вимірювання, здатну точно вимірювати властивості виготовлених наноматеріалів. Це пояснюється тим, що без достатньо розвиненої технології вимірювання неможливо точно зрозуміти, які явища відбуваються на нанорівні. Однак існує головна перешкода в розвитку технології нанорівневих вимірювань: квантові ефекти виникають, коли розмір матеріалу стає надзвичайно малим. Коли виникають квантові ефекти, стає важко пояснити явища, використовуючи лише закони фізики, що застосовуються на повсякденних масштабах, що ускладнює точне вимірювання властивостей матеріалів. Крім того, зі зменшенням розміру сам сигнал вимірювання стає дуже слабким і сильно залежить від навколишнього шуму, що вимагає високочутливого вимірювального обладнання. З цих причин нанометрологія залишається галуззю активних досліджень сьогодні.
Технології маніпулювання та інтеграції наноматеріалів також є галузями, які потребують подальшого розвитку в майбутньому. Наразі технології прецизійної маніпуляції та інтеграції широко використовуються в мікрометровому масштабі, який набагато більший за нанорівень. Яскравим прикладом є напівпровідникова промисловість. Постійне покращення продуктивності напівпровідників сьогодні є результатом досягнень у цих технологіях мікровиробництва. Якщо в майбутньому стануть можливими ще точніші маніпуляції та інтеграція на нанометровому рівні, очікується, що продуктивність різних електронних пристроїв, включаючи напівпровідники, значно покращиться порівняно з поточним рівнем. Поряд з цим, очікується, що технології застосування для нанопристроїв, а також технології моделювання та симуляції також стануть більш складними завдяки досягненням у технологіях вимірювання, маніпуляції та інтеграції.
Отже, як виглядатимуть нанотехнології після вирішення цих технічних проблем? У своїй книзі 1991 року «Безмежне майбутнє» Ерік Дрекслер визначив комп'ютери, виробництво та медицину як галузі з особливо високим потенціалом для майбутнього розвитку. У сфері обчислювальної техніки він виділив розвиток біоелектроніки як ключову можливість. Біоелектроніка — це конвергентна галузь, що поєднує біотехнологію та електроніку, а розробка біокомп'ютерів є однією з її основних дослідницьких цілей. Хоча ще не зовсім зрозуміло, яку саме форму матимуть біокомп'ютери, проводяться різні дослідження, спрямовані на подолання обмежень існуючих кремнієвих напівпровідників шляхом використання біомолекул, таких як білки.
Біокомп'ютери – це лише один із прикладів майбутніх технологій, що стали можливими завдяки нанотехнологіям. З подальшим розвитком нанотехнологій, виробничі методи, які точно контролюють матеріали на атомному рівні, ймовірно, стануть ще складнішими. Хоча сучасні методи виробництва передбачають одночасну обробку великої кількості атомів для створення продуктів, очікується, що здатність проектувати та збирати матеріали з точністю на атомному рівні дозволить виробляти продукти, які ближче відповідають початковому задуму проекту. Крім того, очікується, що це значно сприятиме покращенню якості та надійності продукції, а також розробці матеріалів та продуктів з новими властивостями, яких раніше було важко досягти.
Очікується, що нанотехнології також значно вплинуть на медичну галузь. Галузь, яка поєднує нанотехнології та медицину, називається наномедициною. Оскільки хвороби в організмі людини часто виникають на клітинному та молекулярному рівнях, нанотехнології можуть відігравати вирішальну роль у діагностиці та лікуванні захворювань з більшою точністю. Фактично, дослідження та клінічні застосування нанотехнологій активно ведуться в різних галузях, включаючи системи доставки ліків, які вибірково доставляють ліки до певних місць, лікування раку, регенерацію тканин та діагностичні технології. Очікується, що розвиток ще більш складних нанотехнологій у майбутньому значно покращить ефективність та безпеку лікування захворювань.
Виходячи з того, що ми обговорювали досі, майбутнє видається світлішим завдяки досягненням у нанотехнологіях. Однак, як і інші передові технології, нанотехнології також мають кілька негативних аспектів. Оскільки наночастинки надзвичайно малі, вони можуть проявляти властивості, відмінні від властивостей звичайних частинок, коли потрапляють в організм людини. Фактично, повідомлялося про результати досліджень, які вказують на те, що деякі наноматеріали можуть потрапляти в організм через дихальні шляхи або шкіру та потенційно впливати на здоров'я; оскільки рівень ризику може варіюватися залежно від типу матеріалу та способу впливу, проводяться постійні дослідження та оцінки безпеки. Крім того, постійно висловлюються занепокоєння щодо можливості використання нанотехнологій у зловмисних цілях. Тому, щоб нанотехнології використовувалися на благо людства, перевірка безпеки та етичні та соціальні дискусії повинні відбуватися разом із технологічним розвитком.
Досі ми розглядали нанотехнології з різних точок зору. Наразі не лише Сполучені Штати та інші розвинені країни, а й країни світу, включаючи Південну Корею, визнають нанотехнології ключовою галуззю майбутнього та продовжують значно інвестувати в дослідження та розробки. Південна Корея також постійно впроваджує національну політику щодо сприяння розвитку нанотехнологій та зміцнює свою конкурентоспроможність у різних промислових секторах, таких як напівпровідники, дисплеї, акумуляторні батареї, біотехнології та передові матеріали. Таким чином, нанотехнології швидко розвиваються завдяки постійним дослідженням та інвестиціям, і очікується, що вони й надалі відіграватимуть значну роль у природничих науках та в усьому промисловому секторі загалом. Крім того, оскільки сфера їх застосування розширюється в різних промислових секторах, вони стануть ключовою технологією, яка ще тісніше переплітається з нашим повсякденним життям.
