V tomto blogovém příspěvku se podíváme na inovace a potenciální rizika, která nanotechnologie přinesou do vědy, průmyslu a každodenního života, a osvětlíme si jejich dopad na budoucí společnost.
Když K. Eric Drexler v 1980. letech XNUMX. století poprvé zpopularizoval termín „nanotechnologie“, navrhl koncept strojů o molekulární velikosti, motorů o šířce několika nanometrů, robotických ramen a dokonce i celých počítačů menších než buňky. Drexler strávil následující desetiletí popisováním a analýzou těchto úžasných zařízení a reagoval na obvinění, že jeho výzkum je sci-fi. Jak se nanotechnologie stala široce přijímaným konceptem, význam slova se změnil a nyní označuje jednodušší technologie v nanometrovém měřítku.
Většinu dnešního slova „nanotechnologie“ vymyslel Drexler. Nanotechnologie v tradičním smyslu znamenala stavbu věcí zdola nahoru s přesností na atomové úrovni. Tuto teoretickou schopnost si již v rané fázi představil Richard Feynman, renomovaný fyzik, který v roce 1959 získal Nobelovu cenu za fyziku. „Rád bych postavil miliardu malých továren, které by všechny fungovaly současně a každá by si vytvářela modely navzájem… Pokud vidím, principy fyziky nevylučují možnost manipulace s věcmi na atomové úrovni. Nejde o pokus o porušení jakýchkoli zákonů; v principu je to možné, ale v praxi jsme na to byli příliš velcí.“
Samotné slovo „nano“ označuje délkové měřítko, které je tisíckrát menší než mikroměřítko. Jeden nanometr je jedna miliardtina metru. Jednotka nanometru se tradičně spojuje s elektronickým průmyslem. Viry a DNA jsou příklady přírodních objektů, které jsou v nanoměřítku. Na rozdíl od těchto molekul se lidské buňky mohou zdát obrovské. Termín nanotechnologie označuje inženýrství, měření a porozumění nanoměřítkovým materiálům a zařízením. Nanosvět se velmi liší od světa kolem nás. V nanosvětě mohou být fyzikální modely známé jako kvantová mechanika dominantnější než klasická fyzika. Kvantová mechanika je rozsáhlá a složitá oblast, ve které se hmota může chovat velmi odlišně, pokud jde o její elektrické a mechanické vlastnosti. Jiné vlastnosti, jako je teplota, nelze definovat v klasickém smyslu a je nutné je posuzovat novým způsobem. Tyto jevy mají zásadní dopad na elektronický průmysl, protože kvantová elektronika by mohla uvolnit výpočetní výkon, který dosud nebyl vyvinut.
Nanotechnologie představuje celou oblast vědy a inženýrství, nikoli jeden produkt nebo skupinu produktů. Existuje tedy mnoho různých typů nanotechnologií a s každým typem je spojeno mnoho aplikací. Kromě toho existuje kolem nás mnoho typů nanoobjektů, přírodních i nepřirozených. Například vložená nanotechnologie zahrnuje elektroniku, optoelektroniku, stavební materiály a sportovní vybavení. Filmy a povlaky zahrnují samočisticí povlaky, hydroizolaci, antibakteriální povlaky, jako jsou lékařské přístroje, nádoby na potraviny a spotřební elektronika. Biologicky přírodní nanotechnologie zahrnuje DNA a viry. Neúmyslně vytvořené částice se zabývají tavením kovů, spalováním fosilních paliv včetně benzinu a motorové nafty. Přírodní částice se zabývají částicemi emitovanými ze sopečných erupcí a lesních požárů. Uměle vyrobené částice se zabývají potravinářskými a kosmetickými přísadami, jako jsou opalovací krémy, antibakteriálními aplikacemi a čištěním znečištění. Nanoelektromechanické systémy (NEMS) se zabývají podáváním léků a diagnostickými inteligentními senzory.
Existuje mnoho oblastí nanotechnologií. Například mikroelektromechanické systémy, zkráceně MEMS, zahrnují výzkum bezpečných procesů podávání léků a mikromimetických robotů. Manipulace s plochými monokrystalickými atomy na atomové úrovni a vytváření prvků v atomovém neboli „nano“ měřítku je nyní osvědčenou technologií. Katalog aplikací nanotechnologií stále roste. Národní iniciativa pro nanotechnologie, která koordinuje vědu v nanoměřítku ve 26 amerických federálních agenturách, definuje nanotechnologii jako „pochopení a kontrolu hmoty v měřítku od 1 do 100 nanometrů, což umožňuje nové aplikace prostřednictvím jedinečných jevů.“ Nanotechnologie je jedinečná v tom, že umožňuje mnoho použití a aplikací, které s konvenčními materiály nebyly možné. Aplikace, které využívají chemické vlastnosti materiálů, vyžadují méně nanomateriálů než konvenční materiály. Chemická reaktivita materiálu souvisí s jeho povrchovou plochou v poměru k jeho objemu. Povrchová plocha na jednotku objemu nanočástic je obrovská.
Množství nanočástic v materiálu lze určit hmotnostním zlomkem nanočástic, který se vztahuje k hmotnosti nanočástic vzhledem k celkové hmotnosti materiálu, nebo „distribucí počtu částic“, která se vztahuje k počtu nanočástic vzhledem k celkovému počtu částic. Většina měřicích metod vytváří distribuci velikosti váženou podle síly. Mezi těmito různými distribucemi velikosti existuje vztah pro všechny materiály, ale tento vztah je obecně neznámý, a proto nelze různé distribuce velikosti přímo převést. Mnoho materiálů lze navrhnout jako nanočástice, včetně stříbra, uhlíku, zinku, oxidu křemičitého, oxidu titaničitého, zlata a železa. Nejběžnějšími materiály jsou stříbro, uhlík, zinek, oxid křemičitý, oxid titaničitý, zlato a železo. Tyto materiály jsou obvykle malé shluky atomů. Uhlík lze také vyrobit do dutých koulí nebo trubiček atomů, souhrnně označovaných jako fullereny. Stříbro účinně ničí mikroorganismy a používá se k udržení hygieny v potravinářských spotřebičích, zatímco železo se používá k odstraňování kontaminace ze znečištěné půdy. Fullereny mají řadu elektrických a mechanických vlastností a mnoho potenciálních aplikací.
Největší výhoda nanotechnologie pramení ze skutečnosti, že výrazně rozšiřuje sadu nástrojů běžně používaných v materiálové vědě tím, že umožňuje úpravu základní struktury materiálů v nanoměřítku za účelem dosažení specifických vlastností. Nanotechnologie lze efektivně využít k vytváření materiálů s řadou vlastností, jako je pevnost, lehčí, odolnější, reaktivnější, pružnější nebo lepší elektrické vodiče. Nanoměřítka aditiva v polymerních kompozitech používaných v baseballových pálkách, tenisových raketách, motocyklových přilbách, náraznících automobilů, zavazadlech a pouzdrech elektrického nářadí. Nanoměřítka aditiva mohou současně zlepšit nízkou hmotnost, tuhost, odolnost a odolnost. Povrchová úprava tkanin v nanoměřítku pomáhá předcházet vráskám, skvrnám a růstu bakterií a snižuje vychýlení balistické energie v osobních neprůstřelných vestách. Nanotenké filmy na brýlích, displejích počítačů a fotoaparátů, oknech a dalších površích mohou zajišťovat funkce, jako je vodoodpudivost, antireflexní úprava, samočištění, odolnost vůči UV nebo infračervenému záření, ochrana proti zamlžování, antibakteriální vlastnosti, odolnost proti poškrábání a elektrická vodivost. Nanomateriály v kosmetice poskytují transparentnost, krytí, čisticí sílu, savost, přizpůsobitelnost, antioxidanty, antibakteriální vlastnosti a další zdravotní přínosy v opalovacích krémech, čisticích přípravcích, přípravcích na pleť, krémech a pleťových mlékách, šamponech a speciálních make-upech. To je jen několik výhod, kterých lze dosáhnout pomocí nanotechnologií.
Kromě těchto výhod mohou nanomateriály představovat hrozbu pro naše zdraví a bezpečnost. Aspekty zdraví a bezpečnosti zahrnují inherentní vzorce nebezpečí nanomateriálů, expozici ve fázi pracovníka, spotřebitele a likvidace odpadu a příslušná opatření k řízení rizik. Riziko je určeno vlastnostmi samotné látky. Tato nebezpečí však vedou k rizikům pro zdraví nebo životní prostředí pouze tehdy, je-li část lidského těla nebo životního prostředí vystavena nanomateriálům a trpí odpovídajícími nepříznivými účinky, a riziko je určeno kombinací nebezpečí a pravděpodobnosti expozice. Vzorce nebezpečí se u jednotlivých nanomateriálů značně liší. Ve svém stanovisku z 19. ledna 2009 dospěl Vědecký výbor pro vznikající a nově identifikovaná zdravotní rizika (SCENIHR) k závěru, že: „Byla identifikována zdravotní a environmentální rizika u široké škály vyráběných nanomateriálů. Identifikovaná rizika naznačují potenciální toxické účinky nanomateriálů na člověka a životní prostředí. Ne všechny nanomateriály však způsobují toxické účinky. Hypotézu, že menší velikost vede k vyšší reaktivitě a toxicitě, nelze publikovanými údaji podpořit. V tomto ohledu jsou nanomateriály podobné konvenčním látkám, z nichž některé jsou toxické a některé ne. Vzhledem k tomu, že neexistuje žádné paradigma, které by bylo možné obecně aplikovat na identifikaci nebezpečí nanomateriálů, doporučuje se individuální přístup k posuzování rizik nanomateriálů.“ Sledování vývoje v této oblasti bude klíčové pro to, aby se nejvyšší potenciální rizika udržela v popředí posuzování rizik. Nedávný přehled potenciálních nepříznivých účinků nanotechnologií naznačuje, že nanomateriály mohou v určitých situacích představovat riziko pro lidské zdraví a životní prostředí. Tato zjištění podtrhují důležitou roli, kterou může výzkum nanotoxikologie hrát v zodpovědném rozvoji nanotechnologií, a významné přínosy, které nanotechnologie mohou společnosti nabídnout.
„Doufám, že nanotechnologie umožní vládám zavádět struktury, a to jak na domácí, tak na mezinárodní úrovni,“ řekl Peter Grutter, fyzik z McGillovy univerzity. Nanotechnologie má ve skutečnosti důsledky, které jdou nad rámec toho, o čem zde diskutujeme. Objev a využití nových vlastností materiálů otevírá téměř neomezené možnosti uplatnění. Proto se nanotechnologie nazývá „platformní“ technologií, kterou lze snadno kombinovat a integrovat s dalšími technologiemi a transformovat tak téměř vše. Účastníci konference Nano Frontier se zaměřili na klíčové oblasti, kde se očekává, že nanotechnologie budou mít v blízké budoucnosti zásadní dopad. Dopad nanotechnologie na mnoho dalších oblastí, jako je textil, papír, výroba potravin a zemědělství, nebyl podrobněji diskutován. Přestože pokroky v oblasti výpočetní techniky a elektroniky rychle napredují, tyto aplikace nanotechnologie nebyly vybrány jako hlavní téma této konference.
