Kas yra nano technologija?

Kas yra „Nano-“?

Nanotechnologija – viena sparčiausiai besiplečiančių mokslo sričių. Pastaruoju metu didelio visuomenės, didžiųjų šalių vyriausybių ir verslininkų dėmesio sulaukianti technologija nagrinėja, kaip kuriami įvairūs įrenginiai, medžiagos, sistemos pasitelkus nanometrų eilės (10^-9 m; 0,000001 mm) dydžio komponentus.

Nanometras – itin smulkus matas. Pavyzdžiui, žmogaus plaukas yra 80 000 – 100 000 nanometrų storio, raudonųjų kraujo kūnelių, įžiūrimų tik per mikroskopą, skersmuo – 7000 nm, AIDS viruso – 100 nm, DNR grandinės elemento – 2 nm. Įprastų medžiagų molekulės dažniausiai būna 1 nanometro dydžio. Tokiems mažiems (smulkesniems nei 100 nm) nanopasaulio objektams galioja šiek tiek kitokie dėsniai nei įprastiems, sutinkamiems mūsų aplinkoje.

Žinoma, elementarūs fizikos dėsniai lieka, tačiau, drastiškai mažėjant struktūrų matmenims, kinta ir jų tarpusavio sąveika. Pavyzdžiui, vanduo, tekantis paprastu vamzdžiu, yra veikiamas sienelių formos, o jam tekant nanokapiliaru, vandens molekulėms įtakos gali turėti elektros krūvis, sienelių cheminės ir osmosinės (pralaidumo-filtravimo) savybės. Itin tiksliai veikiantys ir ypač maži objektai gali praversti daugelyje sričių – nuo funkcionalesnių prietaisų, galingesnių kompiuterių, efektyvesnių medžiagų ir maisto apdorojimo būdų ar gerokai tvirtesnių medžiagų iki stulbinamų perversmų medicinoje.

Nanotechnologija šiandien

Nanodalelės jau dabar naudojamos daugelyje kosmetikos priemonių. Pavyzdžiui, apsaugos nuo saulės kremuose yra daug titano dioksido nanodalelių. Titano dioksidas – baltos spalvos medžiaga, dedama į aliejinius dažus ir dantų pastą. Įdomu tai, kad mažesnės nei 100 nm titano dioksido dalelės tampa bespalvės ir geba atspindėti šviesą į visas puses. Šiuo principu paremtas saulės kremų veikimas – krintantys ultravioletiniai spinduliai atspindimi, tad oda sugeria mažiau potencialiai kenksmingo jų srauto. Dėl savo dydžio nanodalelės nesunkiai įsiskverbia net į gilius odos sluoksnius, tad yra naudojamos gaminant šampūnus, losjonus, kremus ir kitas kosmetikos priemones.

Moderniausiuose įrenginiuose (LCD ekranuose, kompiuterių procesoriuose) naudojami nanoeilės dydžio elementai taip pat yra nanotechnologijų pažangos rezultatai. Jau pradėti gaminti oro ir vandens filtrai, kuriuose naudojamos kenksmingas medžiagas sugeriančios nanodalelės, taip pat iš anglies nanovamzdelių kuriamos itin lengvos, 100 kartų už plieną tvirtesnės konstrukcijos.

Iš modifikuotų audinių pasiūti drabužiai paviršiuje sulaiko skysčius – nesitepa, nesilamdo, savaime naikina blogą kvapą sukeliančias bakterijas. Apie kitus gaminius, kuriuose išradingai panaudojama itin smulkių nanodalelių galia, rašėme šių metų gegužės mėnesio „Kompiuterijoje“ (Nr. 105, 36 p.).

Prof. Neilo Champnesso teigimu, šie įspūdingi išradimai – tik pati nanoeros pradžia. Tad kaipgi mūsų gyvenimas įsivaizduojamas įsibėgėjus nanorobotikų amžiui?

Nanorobotai ir „Grey-goo“ teorija

JAV nacionalinis sveikatos institutas, viena geriausiai finansuojamų organizacijų pasaulyje, savo tinklalapyje paskelbė, jog 2015 m. nanotechnologijos padės išgydyti vėžį. „Visiškai atsikratyti vėžinių ligų, žinoma, nepavyks. Tikimės, kad dėl laimėjimų nanorobotikų srityje vėžys bus toks pat grėsmingas kaip ir cukraligė. Prieš 50 metų cukraligė buvo mirtina liga, o šiandien jau galime ją gydyti“, – sako JAV nacionalinio sveikatos instituto nanostrategijos ekspertas Mauro Ferraris.

Nanorobotika – kontraversiškiausia nanotechnologijos sritis. Nanorobotais vadinami iš atskirų molekulių sukonstruoti 0,5 – 3 mikronų (500 – 3000 nm) dydžio aparatai, nurodytu metu ir nurodytoje vietoje tiksliai atliekantys savo darbą. Jie galėtų cirkuliuoti kraujotakos sistemoje ir naikinti įvairius virusus, valyti kraujagyslių sieneles, naikinti vėžines ląsteles ar net atlikti smulkias operacijas. Šiandien ši vizija – tik svajonė, į kurią investuojama milijardai eurų. „Deja, kol kas niekas nežino, kaip apeiti visas technologines kliūtis“, – teigia Neilas Champnessas.

Tačiau kontraversija kyla ne dėl technologinio įgyvendinimo. Kai kurie žmonės yra susirūpinę dėl „Grey-goo“ (pilkojo debesies) teorijos, kuria remiantis į laisvę patekę nanorobotai gali pradėti nekontroliuojamai daugintis, valgyti viską aplink ir tokiu būdu sunaikinti žmoniją. Michaelas Crichtonas, „Jurassic Park“ autorius, parašė bauginamą knygą „Prey“ („Grobis“), kurioje aprašė savaime besidauginančius ir plika akimi nematomus nanorobotus, keliančius neregėtą grėsmę gyvybės žemėje išlikimui. Netrukus turėtume sulaukti ir ja paremto filmo.

Ši teorija „Sunday Times“ laikraščio straipsnyje pateko tarp 10 labiausiai tikėtinų pasaulio pabaigos scenarijų. Tačiau Neilo Champnesso ir daugybės kitų nanotechnologijų srityje dirbančių mokslininkų manymu, tokios baimės yra visiškai nepagrįstos. Pasak jo, kolegos, kuriantys savaime besidalijančias molekules, susiduria su ypač dideliais sunkumais, ir vargu ar chemikai apskritai kada nors sugebės sukurti tokias molekulių sistemas.

Savaime besidauginantys robotai būtų labai sudėtingi, sąlygiškai dideli ir mažai efektyvūs užduotims atlikti. Optimalūs nanorobotai dideliais kiekiais gali būti gaminami tam skirtuose nanofabrikuose, ir nėra jokio reikalo leisti jiems daugintis paciento organizme. Nanorobotus konstruojantys mikronų dydžio mechanizmai (nanoasembleriai) tiksliai vykdytų jiems pavestas užduotis, naudotų jau apdorotas medžiagas, kurių patys rasti nesugebėtų. Panašiu būdu šiandieniniai robotai renka automobilius gamyklose. „Medicininiai nanorobotai yra tokie pat įrankiai kaip ir atsuktuvas, replės, jūsų automobilis, traktorius, lėktuvas. Ar tikite, kad šie objektai galėtų imti daugintis: ieškotų žaliavų, darytų tikslias savo pačių kopijas?“ – klausia mokslininkas.

Michaelo Crichtono knyga „Prey“ sulaukė nanoinžinierių kritikos. Daugybė faktų knygoje prieštarauja elementariems fizikos principams, autorius kaltinamas tyčiniu žmonių gąsdinimu. „Įsivaizduokite knygą, kurioje beisbolo žaidėjai kamuoliuką muša taip stipriai, jog užmuša keletą žiūrovų. Kūrinys galbūt smagus, tačiau visiškai netikroviškas“, – kritikuoja (www.nanotech-now.com/ Chris-Phoenix/prey-critique-old.htm) „Foresight“ instituto vyresnysis bendradarbis Chrisas Phoenixas. Jis neneigia teorinės „Grey-goo“ galimybės ir nanotechnologijos nelaiko visiškai saugiu mokslu. „Savaime besidauginantys nanorobotai yra teoriškai įmanomi, tačiau sukonstruoti tokius mechanizmus būtų sudėtingiau nei Shuttle erdvėlaivį“, – įsitikinęs mokslininkas.

Visuomenė siūlo jau dabar pradėti reguliuoti nanomokslo raidą. Išties molekulinė nanorobotika dar tik pradeda savo kelią, ir net šviesiausi mokslininkai nežino, kokių išradimų galima tikėtis ateityje. „A. Flemmingas, atradęs, jog tam tikras pelėsis žudo bakterijas, negalėjo žinoti, ką išranda: antibiotikus ar biologinį ginklą“, – sako Chrisas Phoenixas. Taigi reguliuoti dar nepažintų sričių neįmanoma, nes nežinoma, ką reikėtų drausti ar riboti. „Foresight“ nanotechnologijų instituto mokslininkai jau sukūrė pagrindines nanorobotikos tyrimų direktyvas, potencialiai apsaugančias nuo galimų pavojų. 2005 m. pabaigoje išleistas ir produktyvių nanosistemų kūrimo planas (The Technology Roadmap for Productive Nanosystems), numatantis žingsnius, kurių reikėtų imtis technologinėms problemoms spręsti, bei pabrėžiantis svarbiausias tyrinėjimų kryptis.

Nanorobotų modeliai

Pažiūrėkime, kaip atrodo dar nesukurti, tačiau neblogai įsivaizduojami nanorobotų modeliai. Ar verta jų bijoti? Vienas paprastesnių nanorobotų – dirbtinis raudonasis kraujo kūnelis, kuris yra vadinamas respirocitu. Tai apvalus, maždaug 1 mikrono (1000 nm) skersmens, iš 18 milijardų atomų sudarytas robotas, cirkuliuojantis žmogaus kraujotakos sistemoje. Iš anglies atomų sukurtas itin tvirtas ir atsparus deimantinis korpusas, kurio viduje telpa apie devynis milijardus O₂ (deguonies) ir CO₂ (anglies dioksido) molekulių. Jos reikiamu metu gali būti „įkvėptos“ arba „iškvėptos“.

Roboto viduje gali būti pasiektas net 1000 atmosferų dujų slėgis! Išorėje įrengti jutikliai jaučia O₂ ir CO₂ dujų koncentraciją. Plaučių alveolėse CO₂ slėgis yra sąlygiškai žemas, o O₂ – sąlygiškai aukštas, tad robotas žino, kada galima „iškvėpti“ CO₂ ir papildyti O₂ atsargas. Darbui reikalingą energiją jis gauna iš kraujyje esančios gliukozės. Respirocitai elementariai mėgdžioja raudonųjų kraujo kūnelių veikimą, tačiau tame pačiame tūryje gali pernešti 236 kartus daugiau stipriai suspausto deguonies (raudonajame kraujo kūnelyje pasiekiamas tik 0,51 atm. slėgis). 5 cm³ dirbtinių kraujo kūnelių injekcijos (milijardų nanorobotų) pakanka normaliam deguonies tiekimui visam žmogaus organizmui užtikrinti. Paciento kūne esančius robotus ultragarsu galima įjungti ir išjungti. Suleidus maksimalią saugią respirocitų dozę (apie 1 litrą), žmogus nekvėpuodamas po vandeniu galėtų išbūti 4 valandas arba bėgti įkvėpdamas tik kas 15 minučių.

Sudėtingesni nanorobotai galėtų valyti aterosklerotinių arterijų sieneles, naikinti patogenus kraujyje, gydyti ėduonį, tvarkyti pažeistas ląsteles ar atstoti neuronus.

Bene įspūdingiausia nanorobotikos vizija – „Utility fog“ (universalus rūkas). Tai neįtikėtina sistema, sudaryta iš daugybės apvalių (maždaug 10 mikronų skersmens) nanorobotų, galinčių susikibti dvylika išskleidžiamų 50 mikronų ilgio „rankų“ bei keisti atspindimos šviesos spalvą. Kiekvienas robotas turėtų kompiuterį ir galėtų bendrauti su kitais rūko nanorobotais. Jo judesių tikslumas siektų vieną mikroną.

Vienas sluoksnis rūko robotų virš kito gebėtų judėti 5 m/sek. greičiu. Sudėjus keletą sluoksnių, greičių skirtumas tarp pirmo ir paskutinio galėtų siekti 500 m/sek. (1 800 km/val.). Toks „rūkas“ galėtų būti beveik permatomas ir svertų vos 0,2 g/cm³. Dėl itin tikslios judesių koordinacijos ir dinamiškumo universalus rūkas galėtų imituoti bet kokį fizinį paviršių 100 mikrometrų tikslumu. To pakanka, kad žmogaus jutimo organai neatpažintų apgaulės.

„Utility fog“ galimybės – beveik neaprėpiamos. Iš rūke sklandančių nanorobotų gali būti kuriami beveik visi mus supantys daiktai – namų grindys ir sienos, baldai, automobiliai, keliai, vaizduoklių ekranai… Ekranu galėtų tapti siena ar lubos, o automobilių avarijos taptų dalyku iš praeities, nes nanorobotais grįstas kelias, bendraudamas su automobiliu, visada būtų numatęs jo padėtį keliolika sekundžių į priekį. Kieti paviršiai galėtų nesunkiai keisti savo formą, o visa gaubiantis rūkas – paveikti aplink esančius objektus taip, kad šie atrodytų lyg sklandantys ore.

Reali būtų ir visaverčio nuotolinio bendravimo (telepresence) vizija – rūkas galėtų imituoti tikslią trimatę pašnekovo kopiją. Galima sakyti, jog dingtų riba, skirianti kibererdvę nuo realybės. „Utility fog“ – nanotechnologijos mokslo viršūnę – šiandien galima lyginti su fantastiniais Leonardo da Vinci skraidančių mašinų brėžiniais, sukurtais penketą amžių prieš pirmąjį žmogaus skrydį 1903 m. Dabar masinio nanorobotų debesies idėjos yra tokios pat nerealios, kaip ir buvo skrydžiai lėktuvu 1500-aisiais. Na, o kol kas teks pasitenkinti paprastesniais nanotechnologijų vaisiais. Šiuo metu daug dėmesio skiriama optiniams tinklo maršrutizatoriams (optical switches) projektuoti ir kurti. Besikeičiančią veidrodžių sistemą juose formuotų „protingos“ nanodalelės.

Gauto šviesos signalo nereikėtų versti elektros impulsais, tad tokio tipo maršrutizatoriai būtų sąlygiškai pigūs ir daug spartesni už šių dienų analogus. Po dešimtmečio silicio tranzistoriams pasiekus 20 nm ribą, tolesnis jų mažinimas įprastais būdais taps neįmanomas. Tada bus galima pasitelkti nanotechnologiją, leidžiančią kurti molekulių dydžio tranzistorius.

„Intel“ bei AMD aktyviai domisi ir investuoja į naujos kartos procesorių architektūros kūrimą. Viltis į nanoinžineriją deda ir mobiliųjų prietaisų gamintojai. Naudojant modernias medžiagas, ličio polimerų baterijų talpą galima gerokai padidinti. Be to, „General Electric“, „STMicroelectronics“ ir „Siemens“ jau dabar kuria naujos kartos baterijas, konstruojamas iš tobulų nanostruktūrų. Naudojant itin smulkias daleles, kuriami ir lankstūs LCD ekranai, leisiantys pradėti dėvimųjų kompiuterių erą.

Ne mažiau svarbūs laimėjimai vandens ir oro filtravimo technologijų srityje. Svarbi pasėlių ligų gydymo, pasitelkus nanorobotus, idėja. Taip būtų gerokai sumažintas naudojamų pesticidų kiekis. Nanokirmėlės galėtų valyti dirvožemį, ir jis būtų tinkamas įvairioms augalų kultūroms augti. Baigiantis naftos atsargoms pasaulyje, iš ypač tvirto anglies nanopluošto pagaminti vandenilio bakai leis naudoti švarų ir efektyvų kurą. Nanorobotai galėtų pasitarnauti ir iš vandens išgaunant vandenilį. Kada visi šie mokslo laimėjimai taps realybe, kol kas niekas nežino.

Apie molekulinę nanotechnologiją kalbama nuo 1959-ųjų. Per pastarąjį dešimtmetį tik popieriuje gyvavusios idėjos virto laboratorijose gimstančiais nanorobotais ir nuostabiomis nanostruktūromis. Galbūt pirmųjų plačiai naudojamų nanorobotų sulauksime jau kitame dešimtmetyje.

„CaféScientifique“ metu salėje nuskambėjo komentaras, jog rengiant aukštos kvalifikacijos mokslininkus vertėtų daugiau dėmesio skirti atsakingai asmenybei ugdyti. Pati technologija nėra nei gera, nei bloga – ji yra tik priemonė, naudojama įvairiems tikslams. Tik pats mokslininkas gali save sustabdyti nuo potencialiai pražūtingo jos taikymo ar kryptingo tobulinimo.

Neilas Champnessas patikino, jog jo pažįstami nanochemikai aistringai dirba savo darbą, norėdami pakeisti visų mūsų gyvenimus. Pasak jo, šiuo metu neatliekami jokie tyrimai, susiję su nanotechnologijos taikymu destruktyviems tikslams. Tam egzistuoja daug brandesnių ir ne mažiau galingų technologijų. Tikėkimės, jog tokie tyrimai dar ilgai nebus inicijuoti. Na, o „Grey-goo“ teorija šiandien atrodo ne daugiau reali nei „Utility fog“ vizija. Neaišku, ar iki vienos jų išsipildymo teks laukti penkis amžius.

Šaltinis: www.technologijos.lt