Što je nanotehnologija - primjeri, buduće aplikacije i rizici

Sve fizičke prirode - ljudi, biljke, minerali, zrak - sastoji se od kombinacije atoma i molekula povezanih ili oblikom ili elektronskim nabojem. Manipuliranje atoma nano-mjerilima teoretski bi omogućilo ljudima da reproduciraju sve, od dijamanata do hrane.

Iako su prednosti takve tehnologije gotovo nebrojene, među nekima je stvorio veliku zabrinutost da molekularna manipulacija nenamjerno može donijeti više problema nego rješenja - do, uključujući ljudsko izumiranje. Organizacije poput prijatelja Zemlje Australije, pojedinaca koji teže Meksiku u Meksiku i Udruženja potrošača organskog porekla u Americi aktivno se protive bilo kakvom daljnjem razvoju nanocrnih projekata.

Što je "skala" i zašto je važno?

Nanotehnologija je znanost koja se bavi manipulacijom materijom na atomskoj, molekularnoj i supramolekularnoj skali - drugim riječima, mnogo manjoj od onoga što golim okom može vidjeti. Svaka nanometar jedna je milijardu metra - otprilike duljina nokta koja raste u jednoj sekundi. Da biste to perspektivno pogledali, ljudska kosa široka je otprilike 80 000 do 100 000 nanometara, crvena krvna stanica je 2500 nanometara, a pramen ljudske DNK promjera 2,5 nanometra.

Nanotehnologija je postala moguća samo razvojem izvanrednih preciznih instrumenata, poput skenirajućeg tunelirajućeg mikroskopa i mikroskopa atomske sile. Njegovo obećanje i rizik proizlaze iz našeg rastućeg razumijevanja kvantne fizike koja se bavi ultra malim objektima. Iznenađujuće, ponašanje tvari na nanorazini je često u suprotnosti s njegovim svojstvima u većem obimu.

Na primjer, tvari u rasutom stanju koje ne mogu nositi električni naboj - izolatori - mogu postati poluvodiči na nano nivou, baš kao što se točke tališta i druga fizička svojstva mogu mijenjati. Aluminijski koks može se usitniti u prah od 20 do 30 nanometara, a može se spontano zapaliti u zraku - što ga čini katalizatorom raketnog goriva. Slično, i dijamant i grafit u olovci su načinjeni od ugljika, ali imaju znatno različita svojstva zbog načina vezanja atoma ugljika.

Nano-Terminologija

Kako se znanost proširila u „nano“ polju, tako se mijenja i terminologija. Evo nekoliko osnovnih definicija:

Nanotehnologija: Bilo koja tehnologija, uključujući tradicionalne industrijske i kemijske procese, koja uključuje strukture veličine od stotinu nanometara, s novim svojstvima. Nanotehničke prevlake se već koriste za izradu odjeće od vlakana otpornih na mrlje i losion za zaštitu od sunca s visokim učinkom..
Nanofactories: Na nanocrnoj skali svaka je proizvodna metoda jednostavno metoda uređenja atoma. Nazvane i "molekularni sakupljači", nanofakture su malene proizvodne jedinice zatvorenog sustava koje upravljaju, kombiniraju i manipuliraju reaktivnim molekulama za izgradnju složenih fizičkih i bioloških struktura - od minerala, do ljudskih organa i kostiju. Pojedinačna ljudska stanica savršeni je primjer biološke molekularne proizvodne jedinice, ili nanofaktorne, koja čita digitalni genetski materijal (DNA) za vođenje procesa kombinacije. John Burch s Instituta za predviđanja predviđa da bi se primjena biološkog molekularnog inženjerstva i proizvodnje trebala brzo razvijati i razvijati do sredine 21. stoljeća..
Nanobots: Riječ je o proizvodima nanofabrika, ali se ne očekuje da se sami ponavljaju ili usmjeravaju. Nanoboti padaju na sjecištu nanotehnologije i robotike i u ovom su trenutku više znanstvena fantastika nego znanost. Postoje, međutim, intrigantne mogućnosti njihove uporabe, posebno unutar ljudskih tijela. Neki futuristi projektuju da bi nanoboti jednog dana mogli putovati krvotokom tražeći i liječeći specifične bolesne stanice. Primjer može biti nanobot koji napada i uništava rak određenog tipa.

Trenutna i buduća primjena nanotehnologije

Prema Društvu za toksikologiju, napredak u nanotehnologiji već proizvodi niz novih materijala. Prilagođavaju i stare materijale, poput ugljika, dajući im „veliki potencijal za poboljšanje potrošačkih i industrijskih proizvoda, rješavanje kritičnih potreba za energijom, poboljšanje sigurnosnih sustava i poboljšanje zdravstvenog područja“.

Ugljične nanocjevčice - zamislite nagomilani lim ugljikovih atoma - pojavljuju se sada u potrošačkim proizvodima poput teniskih reketa i golf klubova. Oni pokazuju 200 puta veću čvrstoću i pet puta veću elastičnost čelika, pet puta veću električnu vodljivost bakra i polovinu gustoće aluminija. Uz to, oni ne hrđaju, ne razgrađuju se od zračenja ili se proširuju ili ne strpaju s promjenom temperature. S tim u vezi, privlačnost njihove primjene u proizvodima poput automobila i aviona postaje sasvim očita.

Projekt o novim tehnologijama nanotehnologije tvrtke Virginia Tech navodi više od 1.790 postojećih proizvoda široke potrošnje koji su nano omogućeni, uključujući pamučne plahte, odmašivače, osovine za golf, boje i kozmetiku. Neki su znanstvenici čak predvidjeli da se solarne ćelije s vremenom mogu razviti s takvom trajnošću i po tako niskoj cijeni da bi se omogućila njihova upotreba u krovovima, trotoarima i cestama - što stvara način za nezagađujuće, obilno i jeftino opskrbu energijom.

Konkretni primjeri postojećih proizvoda koji koriste nanotehnologiju uključuju sljedeće:

Sustav MineralWater Seldon Technologies je uređaj za filtriranje ugljikove nanocjevčice koji uklanja patogene i kontaminante poput virusa, bakterija, cista i spora za isporuku pitke vode koji premašuje USEPA standard za pitku vodu.
Tinta karbonske nanocjevčice Linde Electronics namijenjena je zaslonima, senzorima i elektroničkim uređajima kao što je pametni telefon s rolo zaslonom ili prolazni GPS uređaj ugrađen u vjetrobransko staklo automobila..
Proizvodi za zaštitu od sunca koji uključuju nano čestice titanovog dioksida ili cinkovog oksida reflektiraju ili apsorbiraju ultraljubičasto svjetlo koje uzrokuje rak. Ovi proizvodi su nevidljivi i dugotrajniji, te sadrže manje iritativne i alergene materijale u odnosu na tradicionalne kreme za sunčanje.
Mnogi zavoji bez recepta sada sadrže nanočestice srebra koje sprečavaju infekciju oko posjekotina i ogrebotina, učinkovito miješajući antibiotsku mast s zavojem.
Antibakterijske tekućine za bazen. Oni su učinkovitiji u borbi protiv štetnih bakterija, dok smanjuju izlaganje plivača oštrim kemikalijama prethodnih proizvoda.

Prema predviđanjima Instituta za predviđanje, svakodnevne prednosti povećane dostupnosti nanofaktorija uključivale bi sljedeće:

Medicinski nanoroboti koji liječe bolest i obrnuto starenje. Robert Freitas, stariji znanstveni novak na Institutu za molekularnu proizvodnju, u svojoj seriji knjiga Nanomedicine projicira budućnost u kojoj se medicinski nanoroboti uvode u ljudsko tijelo radi obavljanja staničnih i mikroskopskih operacija, popravljanja specifičnih ozljeda i patroliranja tijela radi prepoznavanja i otpora bolesti , Na web stranici Instituta za etiku i tehnologije u nastajanju, Burch je opisao scenarij u kojem bi gutana pilula molekulskim materijalima davala upute za nanobotače kako bi formirala nove neurone koji bi zamijenili oštećene ili umiruće moždane stanice. Te bi nove moždane stanice procesuirale informacije mnogo brže od biološkog mozga, baš kao što umjetni ud može biti jači od ljudske ruke ili noge.
Smanjeni trošak proizvedenih proizvoda. Osnovni troškovi padaju na vrijednost sirovina kao što su ugljik, dušik i kisik te energije potrebne za rad s nanofaktorima. Zamislite automobil izgrađen od ugljičnih vlakana i stvoren u nanofabrikama - a ne od materijala koji zahtijevaju miniranje, obradu i konfiguraciju. Teoretski, gotovo bilo koji materijal ili predmet može se sastaviti odozdo prema gore kombinacijom nanofabrika. Rezultati velikog opsega nastaju kada se kombiniraju istovremeno i sinergistički nanoskalijski procesi. Eric Drexler, američki inženjer, poznat po popularizaciji nanotehnologije, predviđa budućnost tvornica stolnih vrhunaca koji će napraviti velike, korisne proizvode, slične "replikatoru" slave "Star Trek". Zapravo, u lipnju 2014., Nestleov Institut za zdravstvene znanosti najavio je novi projekt koji bi na kraju mogao dovesti do "kuhinjskog stroja koji može stvoriti prilagođene dodatke - ili čak i hranu."
Razvoj umjetne opće inteligencije (AGI). Prema Institutu Foresight, nanofakture će uključivati strojne sustave za inženjerski i tehnički rad koji će zauzvrat proizvoditi računala koja su tisućama puta snažnija i jeftinija od postojećih. Kako strojevi uče i prenose znanje iz jedne aplikacije ili okruženja u drugu, brzi napredak postaje vjerojatan. No, postavlja se pitanje koliko brzo se AGI može postići. Od 1990. nagrada u iznosu od 100 000 dolara dostupna je svima čiji stroj može zavarati neovisne suce da misle kako je to čovjek dok je uključen u razgovor slobodnih oblika. Nagrada još nije dodijeljena.
Eliminacija industrijskog kemijskog onečišćenja. Budući da se svaki atom iz organske zalihe hrane koristi u konačnom proizvodu ili usmjerava u pravilno zapakiran otpad, niti jedan atom zagađivača ne ispušta se u okoliš. Na primjer, prirodni ugljen stvara zagađivače, kao što su sumpor dioksid, dušikovi oksidi, fizičke čestice koje se prenose u zrak i živa kada izgaraju. Izgraditi umjetno gorivo koje uklanja nusproizvode ili ih pretvara u neškodljiv oblik bilo bi zdravije i jeftinije.

Opasnosti i rizici nanotehnologije

Čak i zagovornici nanotehnologije, poput Burch-a i Drexlera, prepoznaju njegov potencijal da našteti i eventualno uništi ljudski rod ako tehnologija ne bude nekontrolirana ili pogrešno usmjerena. Ti potencijalno štetni učinci uključuju sljedeće:

prenaseljenost. Stopa smrtnosti za ljude starije od 80 godina smanjila se oko 1,5% godišnje od 1960-ih godina. Robert Freitas, Jr. Sugerira da će napredak u nanotehnologiji eliminirati sve genetske bolesti i usporiti starenje, „povećavajući zdravstveno zdravlje ljudi barem deset puta“. Ako povećanje dugovječnosti ne smanji natalitet, ljudski rod bi se eksponencijalno proširio, pogoršavajući društvenu napetost i potencijalno iscrpljujući resurse.
Povećanje kriminala i terorizma. Kemijsko i biološko oružje moglo bi postati smrtonosnije i lakše ih je sakriti ili pratiti, pogotovo ako postanu dostupne na crnom tržištu ili se mogu konstruirati u kućnoj tvornici. Nanofaktori bi teoretski mogli proizvesti inteligentno protupješačko oružje veličine insekta sposobnog da nosi smrtonosnu dozu botulizma. Broj takvog oružja kojim bi se moglo ubiti svako ljudsko biće na planeti mogao bi biti upakovan u jedan kofer.
Nesrazmjer između šake i bespuća. Razvijanja nanotehnologije vjerojatno će biti u početku skupa i stoga su zaštićena slojevima patenata, zakona i barijera protiv konkurencije. Prema tome, koristi nižih troškova vjerojatno će biti ograničene na vlasnike tehnologije. Siromaštvo i nejednakost u dohotku mogli bi biti pretjerani, što bi stvorilo socijalne nemire.
Sukobi zbog religioznih uvjerenja i stilova života. U cijelom svijetu proizvodi su zabranjeni ili ograničeni na temelju vjerskih ili moralnih načela koja većina ne mora nužno dijeliti. Primjeri uključuju oružje u Britaniji, alkohol u muslimanskim društvima i rekreacijske droge u različitim zemljama. Mogućnost proizvodnje zabranjenih proizvoda u osobnim nanofaktrijama mogla bi uzrokovati poremećaje u tim društvima.
Izgled "Sivog Gooa".„ Neki su znanstvenici zabrinuti kako nanofakture koje se samoobnavljaju mogu pokrenuti, jedući biosferu u besnom nastojanju da naprave neograničene kopije. Kao što je antisocijalno ponašanje određenog postotka populacije neodoljivo - o čemu svjedoči i broj računalnih virusa koji postoje, tako će i neodgovorni ljudi i skupine stvoriti samoobnavljajuće nanofakture, povećavajući tako mogućnost katastrofe.

Završna riječ

Steve Jurvetson, izvršni direktor tvrtke rizičnog kapitala Draper Fisher Jurvetson, tvrdi da budućnost nanotehnologije nije pitanje "ako", već "kada". Josh Wolfe, suosnivač Lux Capital-a i urednik Forbes / Wolfe Nanotech Report slaže se, rekavši da će sve - odjeća, hrana, automobili, kućište, lijekovi, komunikacijski uređaji, zrak koji udišemo i voda koju pijemo - proći “ duboka i temeljna promjena. I kao rezultat, to će utjecati na društvenu i ekonomsku strukturu svijeta. "

Hoće li nanotehnologija biti "filozofski kamen" koji je u stanju ostvariti svaku želju ili otvoriti Pandorinu kutiju, osloboditi nezamislive teškoće i strahote ljudskog života kakav ga poznajemo?