W tym wpisie na blogu przyjrzymy się innowacjom i potencjalnym zagrożeniom, jakie nanotechnologia wniesie do nauki, przemysłu i codziennego życia, a także rzucimy światło na jej wpływ na przyszłe społeczeństwo.
Kiedy K. Eric Drexler po raz pierwszy spopularyzował termin „nanotechnologia” w latach 1980., zaproponował pomysły na maszyny wielkości cząsteczek, silniki o szerokości kilku nanometrów, ramiona robotów, a nawet całe komputery mniejsze od komórek. Drexler spędził następną dekadę opisując i analizując te niesamowite urządzenia i odpowiadając na oskarżenia, że jego badania są science fiction. Gdy nanotechnologia stała się powszechnie akceptowaną koncepcją, znaczenie tego słowa zmieniło się, odnosząc się do prostszych technologii w skali nanometrów.
Większość dzisiejszego słowa „nanotechnologia” została wymyślona przez Drexlera. Nanotechnologia w tradycyjnym sensie oznaczała budowanie rzeczy od podstaw z precyzją na poziomie atomowym. Tę teoretyczną możliwość wcześnie przewidział Richard Feynman, znany fizyk, który w 1959 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. „Chciałbym zbudować miliard małych fabryk, wszystkie pracujące jednocześnie, każda tworząca modele siebie nawzajem… O ile rozumiem, zasady fizyki nie wykluczają możliwości manipulowania rzeczami na poziomie atomowym. Nie jest to próba łamania jakichkolwiek praw; jest to możliwe w teorii, ale w praktyce byliśmy zbyt duzi, aby to zrobić”.
Samo słowo „nano” odnosi się do skali długości, która jest tysiąc razy mniejsza od skali mikro. Jeden nanometr to jedna miliardowa część metra. Jednostka nanometra tradycyjnie była kojarzona z przemysłem elektronicznym. Wirusy i DNA to przykłady obiektów naturalnych w skali nano. W przeciwieństwie do tych cząsteczek komórki ludzkie mogą wydawać się ogromne. Termin nanotechnologia odnosi się do inżynierii, pomiaru i zrozumienia materiałów i urządzeń w skali nano. Świat nano jest bardzo różny od świata wokół nas. W świecie nano modele fizyczne znane jako mechanika kwantowa mogą być bardziej dominujące niż fizyka klasyczna. Mechanika kwantowa to duża i złożona dziedzina, w której materia może zachowywać się bardzo różnie pod względem swoich właściwości elektrycznych i mechanicznych. Innych właściwości, takich jak temperatura, nie można zdefiniować w klasycznym sensie i należy je rozpatrywać w nowy sposób. Zjawiska te mają duży wpływ na przemysł elektroniczny, ponieważ elektronika kwantowa może odblokować moc obliczeniową, która nie została jeszcze opracowana.
Nanotechnologia reprezentuje całą dziedzinę nauki i inżynierii, a nie pojedynczy produkt lub rodzinę produktów. W związku z tym istnieje wiele różnych rodzajów nanotechnologii i wiele zastosowań związanych z każdym typem. Ponadto wokół nas istnieje wiele rodzajów obiektów nanometrycznych, zarówno naturalnych, jak i nienaturalnych. Na przykład, wbudowana nanotechnologia obejmuje elektronikę, optoelektronikę, materiały budowlane i sprzęt sportowy. Folie i powłoki obejmują powłoki samoczyszczące, hydroizolacje, powłoki antybakteryjne, takie jak sprzęt medyczny, pojemniki na żywność i elektronika użytkowa. Biologicznie naturalna nanotechnologia obejmuje DNA i wirusy. Nieumyślnie wytworzone cząstki dotyczą wytopu metali, spalania paliw kopalnych, w tym benzyny i oleju napędowego. Naturalne cząstki dotyczą cząstek emitowanych z erupcji wulkanicznych i pożarów lasów. Wytworzone cząstki dotyczą dodatków do żywności i kosmetyków, takich jak kremy przeciwsłoneczne, zastosowania antybakteryjne i oczyszczanie zanieczyszczeń. Systemy nanoelektromechaniczne (NEMS) zajmują się dostarczaniem leków i diagnostyką inteligentnych czujników.
Istnieje wiele dziedzin nanotechnologii. Na przykład mikroelektromechaniczne systemy, w skrócie MEMS, obejmują badania nad bezpiecznymi procesami dostarczania leków i mikro-mimetycznymi robotami. Manipulowanie płaskimi, monokrystalicznymi atomami na poziomie atomowym i tworzenie cech w skali atomowej lub „nano” jest obecnie sprawdzoną technologią. Katalog zastosowań nanotechnologii stale się powiększa. National Nanotechnology Initiative, która koordynuje naukę w skali nano w 26 agencjach federalnych USA, definiuje nanotechnologię jako „zrozumienie i kontrolę materii w skali od 1 do 100 nanometrów, umożliwiając nowe zastosowania poprzez unikalne zjawiska”. Nanotechnologia jest wyjątkowa, ponieważ umożliwia wiele zastosowań i zastosowań, które nie były możliwe w przypadku konwencjonalnych materiałów. Zastosowania wykorzystujące właściwości chemiczne materiałów wymagają mniej nanomateriałów niż materiały konwencjonalne. Reaktywność chemiczna materiału jest związana z jego powierzchnią w stosunku do objętości. Powierzchnia na jednostkę objętości nanocząstek jest ogromna.
Ilość nanocząstek w materiale można określić na podstawie ułamka masowego nanocząstek, który odnosi się do masy nanocząstek w stosunku do całkowitej masy materiału lub na podstawie „rozkładu liczby cząstek”, który odnosi się do liczby nanocząstek w stosunku do całkowitej liczby cząstek. Większość metod pomiarowych generuje rozkład wielkości ważony wytrzymałością. Istnieje związek między tymi różnymi rozkładami wielkości dla wszystkich materiałów, ale związek ten jest na ogół nieznany, dlatego różnych rozkładów wielkości nie można bezpośrednio przeliczyć. Wiele materiałów można zaprojektować jako nanocząstki, w tym srebro, węgiel, cynk, krzemionkę, dwutlenek tytanu, złoto i żelazo. Najpopularniejszymi materiałami są srebro, węgiel, cynk, krzemionka, dwutlenek tytanu, złoto i żelazo. Materiały te są zazwyczaj małymi skupiskami atomów. Węgiel można również przekształcić w puste kule lub rurki atomów, zbiorczo znane jako fulereny. Srebro jest skuteczne w zabijaniu mikroorganizmów i jest stosowane do utrzymania higieny w urządzeniach spożywczych, podczas gdy żelazo jest stosowane do usuwania zanieczyszczeń z zanieczyszczonej gleby. Fulereny posiadają różnorodne właściwości elektryczne i mechaniczne oraz wiele potencjalnych zastosowań.
Największą zaletą nanotechnologii jest fakt, że znacznie rozszerza ona zestaw narzędzi powszechnie stosowanych w nauce o materiałach, umożliwiając dostosowanie podstawowej struktury materiałów w skali nano w celu uzyskania określonych właściwości. Nanotechnologia może być wykorzystywana do efektywnego tworzenia materiałów o różnych właściwościach, takich jak wytrzymałość, lekkość, trwałość, większa reaktywność, elastyczność lub lepsze przewodnictwo elektryczne. Dodatki w skali nano w kompozytach polimerowych stosowanych w kijach baseballowych, rakietach tenisowych, kaskach motocyklowych, zderzakach samochodowych, bagażach i obudowach elektronarzędzi. Dodatki w skali nano mogą jednocześnie poprawiać lekkość, sztywność, trwałość i odporność. Obróbka powierzchni tkanin w skali nano pomaga zapobiegać powstawaniu zmarszczek, plam i rozwojowi bakterii oraz zmniejsza ugięcie energii balistycznej w osobistych kamizelkach kuloodpornych. Cienkie warstwy wielkości nano na okularach, wyświetlaczach komputerów i aparatów, oknach i innych powierzchniach mogą zapewniać funkcje takie jak hydrofobowość, antyrefleksja, samoczyszczenie, odporność na promieniowanie UV lub podczerwień, zapobieganie zaparowywaniu, działanie antybakteryjne, odporność na zarysowania i przewodnictwo elektryczne. Materiały nano w kosmetykach zapewniają przejrzystość, pokrycie, moc oczyszczającą, chłonność, personalizację, przeciwutleniacze, właściwości antybakteryjne i inne korzyści zdrowotne w kremach przeciwsłonecznych, środkach czyszczących, zabiegach na cerę, kremach i balsamach, szamponach i specjalistycznym makijażu. To tylko kilka korzyści, które można osiągnąć dzięki nanotechnologii.
Oprócz tych korzyści, nanomateriały mogą stanowić zagrożenie dla naszego zdrowia i bezpieczeństwa. Aspekty zdrowia i bezpieczeństwa obejmują wewnętrzne wzorce zagrożeń nanomateriałów, narażenie na etapie pracownika, konsumenta i utylizacji odpadów oraz stosowne środki zarządzania ryzykiem. Ryzyko jest określane przez właściwości samej substancji. Jednak zagrożenia te prowadzą do ryzyka dla zdrowia lub środowiska tylko wtedy, gdy część ludzkiego ciała lub środowiska jest narażona na nanomateriały i cierpi z powodu odpowiadających im negatywnych skutków, a ryzyko jest określane przez kombinację zagrożenia i prawdopodobieństwa narażenia. Wzory zagrożeń różnią się znacznie między nanomateriałami. W swojej opinii z 19 stycznia 2009 r. Komitet Naukowy ds. Nowo Rozpoznanych i Pojawiających się Zagrożeń dla Zdrowia (SCENIHR) stwierdził, że: „Zidentyfikowano zagrożenia dla zdrowia i środowiska dla szerokiej gamy wytwarzanych nanomateriałów. Zidentyfikowane zagrożenia wskazują na potencjalne toksyczne skutki nanomateriałów dla ludzi i środowiska. Jednak nie wszystkie nanomateriały powodują toksyczne skutki. Hipoteza, że mniejszy rozmiar prowadzi do większej reaktywności i toksyczności, nie może być poparta opublikowanymi danymi. Pod tym względem nanomateriały są podobne do konwencjonalnych substancji, z których niektóre są toksyczne, a niektóre nie. Ponieważ nie ma paradygmatu, który można by ogólnie zastosować do identyfikacji zagrożeń związanych z nanomateriałami, zaleca się podejście indywidualne do oceny ryzyka nanomateriałów”. Monitorowanie rozwoju w tej dziedzinie będzie kluczowe dla utrzymania najwyższych potencjalnych zagrożeń na pierwszym planie oceny ryzyka. Niedawny przegląd potencjalnych negatywnych skutków nanotechnologii sugeruje, że nanomateriały mogą stwarzać ryzyko dla zdrowia ludzi i środowiska w niektórych sytuacjach. Wyniki te podkreślają istotną rolę, jaką badania nanotoksykologiczne mogą odegrać w odpowiedzialnym rozwoju nanotechnologii, a także istotne korzyści, jakie nanotechnologia może przynieść społeczeństwu.
„Mam nadzieję, że nanotechnologia umożliwi rządom wprowadzenie struktur, zarówno krajowych, jak i międzynarodowych” — powiedział Peter Grutter, fizyk z McGill University. W rzeczywistości nanotechnologia ma implikacje wykraczające poza to, o czym tutaj dyskutujemy. Odkrywanie i eksploatacja nowych właściwości materiałów otwiera niemal nieograniczone możliwości zastosowań. Dlatego nanotechnologię nazywa się technologią „platformową”, którą można łatwo łączyć i integrować z innymi technologiami, aby przekształcić niemal wszystko. Uczestnicy konferencji Nano Frontier skupili się na kluczowych obszarach, w których nanotechnologia ma mieć duży wpływ w niedalekiej przyszłości. Wpływ nanotechnologii na wiele innych obszarów, takich jak tekstylia, papier, produkcja żywności i rolnictwo, nie został szczegółowo omówiony. Chociaż postęp w dziedzinie informatyki i elektroniki postępuje szybko, te zastosowania nanotechnologii nie zostały wybrane jako główny temat tej konferencji.
