Co to jest nanotechnologia - przykłady, przyszłe zastosowania i zagrożenia

Wszystko o charakterze fizycznym - istoty ludzkie, rośliny, minerały, powietrze - składa się z kombinacji atomów i cząsteczek połączonych ze sobą kształtem lub ładunkiem elektronowym. Manipulowanie atomami w skali nano teoretycznie pozwoliłoby ludziom reprodukować wszystko, od diamentów po żywność.

Podczas gdy korzyści z takiej technologii są praktycznie niezliczone, wzbudziło to wśród niektórych poważny niepokój, że manipulacje molekularne mogą nieświadomie przysporzyć więcej problemów niż rozwiązań - aż do wymierania ludzi. Organizacje takie jak Friends of the Earth of Australia, Individuals Tending Toward Savagery w Meksyku oraz Organic Consumers Association in America aktywnie sprzeciwiają się dalszemu rozwojowi projektów w skali nano.

Co to jest „Skala” i dlaczego jest ważne?

Nanotechnologia to nauka zajmująca się manipulowaniem materią w skali atomowej, molekularnej i supramolekularnej - innymi słowy, znacznie mniejsza niż to, co widzi gołym okiem. Każdy nanometr ma jedną miliardową metra - w przybliżeniu długość paznokcia rośnie w ciągu jednej sekundy. Mówiąc inaczej, ludzki włos ma około 80 000 do 100 000 nanometrów szerokości, krwinki czerwone mają 2500 nanometrów, a pasmo ludzkiego DNA ma średnicę 2,5 nanometra.

Nanotechnologia stała się możliwa tylko dzięki opracowaniu niezwykłych precyzyjnych instrumentów, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy i mikroskop sił atomowych. Jego obietnica i ryzyko wynikają z coraz większego zrozumienia fizyki kwantowej, która dotyczy bardzo małych obiektów. Nieoczekiwanie zachowanie substancji w nanoskali jest często sprzeczne z jej właściwościami na większą skalę.

Na przykład substancje luzem, które nie mogą przenosić ładunku elektrycznego - izolatory - mogą stać się półprzewodnikami na poziomie nano, podobnie jak mogą się zmieniać temperatury topnienia i inne właściwości fizyczne. Aluminiowa koks może zostać zmielony na proszek o wielkości od 20 do 30 nanometrów i może spontanicznie zapalić się w powietrzu - właściwość, która sprawia, że jest katalizatorem napędzanym paliwem rakietowym. Podobnie, zarówno diament, jak i grafit w ołówku są wykonane z węgla, ale mają one bardzo różne właściwości ze względu na sposób wiązania atomów węgla.

Nano-terminologia

Wraz z rozwojem nauki w dziedzinie „nano”, terminologia się rozszerzyła. Oto kilka podstawowych definicji:

Nanotechnologia: Każda technologia, w tym tradycyjne procesy przemysłowe i chemiczne, obejmujące struktury od jednego do stu nanometrów, o nowatorskich właściwościach. Powłoki nanotechnologiczne są już w użyciu do produkcji odzieży z odpornymi na plamy włóknami i na przykład wysokowydajnymi płynami przeciwsłonecznymi.
Nanofabryki: W nanoskali każda metoda wytwarzania jest po prostu metodą układania atomów. Nanofabryki zwane także „aserblerami molekularnymi” to małe jednostki produkcyjne o zamkniętym układzie, które manewrują, łączą i manipulują reaktywnymi cząsteczkami w celu budowy złożonych struktur fizycznych i biologicznych - od minerałów po ludzkie organy i kości. Pojedyncza komórka ludzka jest doskonałym przykładem biologicznej jednostki produkcji molekularnej lub nanofabryki, która odczytuje cyfrowy materiał genetyczny (DNA), aby kierować procesem łączenia. John Burch z Foresight Institute przewiduje, że zastosowania biologii molekularnej inżynierii i produkcji powinny się szybko rozwijać i ewoluować do połowy XXI wieku.
Nanoboty: Są to produkty nanofabryk, ale nie oczekuje się, że będą się replikować lub ukierunkowywać. Nanoboty padają na styku nanotechnologii i robotyki i są w tym momencie bardziej science fiction niż nauką. Istnieją jednak z pewnością intrygujące możliwości ich wykorzystania, szczególnie w ludzkich ciałach. Niektórzy futuryści przewidują, że nanoboty mogą pewnego dnia podróżować przez krew, szukając i lecząc określone chore komórki. Przykładem może być nanobot, który tylko atakuje i niszczy nowotwory określonego typu.

Obecne i przyszłe zastosowania nanotechnologii

Według Society of Toxicology postęp w nanotechnologii już produkuje różnorodne nowe materiały. Dostosowują również stare materiały, takie jak węgiel, dając im tym samym „duży potencjał do ulepszenia produktów konsumenckich i przemysłowych, zaspokojenia krytycznych potrzeb energetycznych, poprawy systemów bezpieczeństwa i poprawy w dziedzinie medycyny”.

Nanorurki węglowe - wyobraź sobie zwinięty arkusz atomów węgla - pojawiają się teraz w produktach konsumenckich, takich jak rakiety tenisowe i kluby golfowe. Wykazują 200 razy większą wytrzymałość i pięciokrotną elastyczność stali, pięć razy przewodność elektryczną miedzi i połowę gęstości aluminium. Ponadto nie rdzewieją, nie degradują się pod wpływem promieniowania, ani nie rozszerzają się ani nie kurczą przy zmianie temperatury. Pod tym względem atrakcyjność ich zastosowania w takich produktach jak samochody i samoloty staje się dość oczywista.

Projekt dotyczący powstających nanotechnologii w Virginia Tech wymienia ponad 1790 istniejących produktów konsumenckich, które są wyposażone w nano, w tym prześcieradła bawełniane, odtłuszczacze, wałki golfowe, farby i kosmetyki. Niektórzy naukowcy przewidują nawet, że ogniwa słoneczne mogą ostatecznie zostać opracowane z taką wytrzymałością i przy tak niskich kosztach, że pozwolą na ich zastosowanie w pokryciach dachowych, chodnikach i drogach - tworząc drogę do nieszkodliwego, obfitego i niedrogiego zaopatrzenia w energię.

Konkretne przykłady istniejących produktów wykorzystujących nanotechnologię obejmują:

System MineralWater firmy Seldon Technologies to urządzenie do filtrowania nanorurek węglowych, które usuwa patogeny i zanieczyszczenia, takie jak wirusy, bakterie, cysty i zarodniki, aby dostarczać wodę pitną, która przekracza standard wody pitnej USEPA.
Atrament nanorurek węglowych Linde Electronics jest przeznaczony do wyświetlaczy, czujników i urządzeń elektronicznych, takich jak smartfon z rolowanym ekranem lub przezroczyste urządzenie GPS wbudowane w przednią szybę samochodu.
Produkty przeciwsłoneczne zawierające nanocząsteczki dwutlenku tytanu lub tlenku cynku odbijają lub pochłaniają rakotwórcze światło ultrafioletowe. Produkty te są niewidoczne i trwalsze oraz mają mniej drażniące i alergenne materiały niż tradycyjne filtry przeciwsłoneczne.
Wiele dostępnych bez recepty bandaży zawiera teraz nanocząsteczki srebra, które zapobiegają infekcjom wokół skaleczeń i otarć, skutecznie łącząc maść antybiotykową z bandażem.
Antybakteryjne płyny do basenów. Są one bardziej skuteczne w zwalczaniu szkodliwych bakterii, jednocześnie zmniejszając narażenie pływaków na ostre chemikalia poprzednich produktów.

Jak przewiduje Foresight Institute, codzienne korzyści wynikające ze zwiększonej dostępności nanofabryk obejmowałyby:

Nanoroboty medyczne, które leczą choroby i starzenie się wstecz. Robert Freitas, starszy pracownik naukowy w Institute for Molecular Manufacturing, projektuje w swojej serii Nanomedicine Book Series przyszłość, w której nanoroboty medyczne są wprowadzane do organizmu ludzkiego w celu przeprowadzania operacji komórkowych i mikroskopowych, naprawiania określonych urazów oraz patrolowania ciała w celu wykrycia i odporności na choroby . Na stronie internetowej Institute for Ethics & Emerging Technologies Burch opisał scenariusz, w którym połknięta pigułka dostarczyłaby materiały molekularne z instrukcjami dla nanobotów w celu utworzenia nowych neuronów w celu zastąpienia uszkodzonych lub umierających komórek mózgowych. Te nowe komórki mózgowe przetwarzałyby informacje znacznie szybciej niż mózg biologiczny, podobnie jak sztuczna kończyna może być silniejsza niż ludzkie ramię lub noga.
Obniżony koszt wytworzonych produktów. Koszty podstawowe spadną do wartości surowców, takich jak węgiel, azot i tlen, oraz energii wymaganej do działania nanowłókien. Wyobraź sobie samochód zbudowany z włókien węglowych i stworzony w nanofaborach - a nie z materiałami wymagającymi wydobycia, przetwarzania i konfiguracji. Teoretycznie praktycznie każdy materiał lub przedmiot można montować od dołu do góry za pomocą kombinacji nanofabryk. Wyniki na dużą skalę pojawiają się, gdy połączone są jednoczesne i synergiczne procesy w nanoskali. Eric Drexler, amerykański inżynier znany z popularyzacji nanotechnologii, przewiduje przyszłość fabryk produkujących duże, użyteczne produkty, podobne do „replikatora” sławy „Star Trek”. W rzeczywistości w czerwcu 2014 r. Instytut Nauk o Zdrowiu Nestle ogłosił nowy projekt, który może ostatecznie doprowadzić do „maszyny kuchennej, która może tworzyć dostosowane suplementy - a nawet żywność”.
Rozwój sztucznej inteligencji ogólnej (AGI). Według Foresight Institute nanofabryki będą obejmować systemy maszynowe do prac inżynieryjnych i technicznych, które z kolei będą produkować komputery, które są tysiące razy mocniejsze i tanie niż obecne komputery. W miarę jak maszyny uczą się i przenoszą wiedzę z jednej aplikacji lub środowiska do innej, szybkie postępy stają się prawdopodobne. Istnieje jednak pytanie, jak szybko można osiągnąć AGI. Od 1990 r. Nagroda w wysokości 100 000 USD jest dostępna dla każdego, kogo maszyna może oszukać niezależnych sędziów, którzy uważają, że jest to człowiek podczas prowadzenia swobodnej rozmowy. Nagroda nie została jeszcze przyznana.
Eliminacja przemysłowych zanieczyszczeń chemicznych. Ponieważ każdy atom w zapasach żywności ekologicznej jest wykorzystywany w produkcie końcowym lub kierowany do właściwie zapakowanych odpadów, do środowiska nie są uwalniane atomy zanieczyszczające. Na przykład, naturalny węgiel podczas spalania wytwarza zanieczyszczenia, takie jak dwutlenek siarki, tlenki azotu, fizyczne cząstki powietrzne i rtęć. Budowanie sztucznego paliwa, które eliminuje produkty uboczne lub przekształca je w nieszkodliwe formy, byłoby zdrowsze i tańsze.

Zagrożenia i zagrożenia związane z nanotechnologią

Nawet zwolennicy nanotechnologii, tacy jak Burch i Drexler, dostrzegają jej potencjał do wyrządzenia krzywdy i prawdopodobnie unicestwienia rasy ludzkiej, jeśli technologia jest niekontrolowana lub źle ukierunkowana. Te potencjalnie szkodliwe skutki obejmują:

Przeludnienie. Od lat 60. śmiertelność ludzi w wieku powyżej 80 lat spadła o około 1,5% rocznie. Robert Freitas, Jr. sugeruje, że postępy w nanotechnologii wyeliminują wszystkie choroby genetyczne i powolne starzenie się, „co najmniej dziesięciokrotnie zwiększając ludzkie zdrowie”. Jeśli wzrost długowieczności nie zmniejszy liczby urodzeń, rasa ludzka ekspanduje wykładniczo, zaostrzając napięcia społeczne i potencjalnie wyczerpując zasoby.
Wzrost przestępczości i terroryzmu. Broń chemiczna i biologiczna może stać się bardziej zabójcza i łatwiejsza do ukrycia lub śledzenia, zwłaszcza jeśli będą dostępne na czarnym rynku lub można je zbudować w domowej fabryce. Nanofabryki teoretycznie mogłyby wyprodukować inteligentną broń przeciwpiechotną wielkości owada zdolną do przenoszenia śmiertelnej dawki botulizmu. Liczba takiej broni, która może zabić każdego człowieka na planecie, mogłaby być zapakowana w jedną walizkę.
Różnica między Haves a Not-Nots. Rozwój nanotechnologii prawdopodobnie będzie początkowo drogi, a w konsekwencji chroniony przez szereg patentów, przepisów i barier antykonkurencyjnych. W związku z tym korzyści wynikające z niższych kosztów będą prawdopodobnie ograniczone do właścicieli technologii. Bieda i nierówności w dochodach mogą stać się bardziej przesadzone, powodując niepokoje społeczne.
Konflikty o przekonania religijne i styl życia. Na całym świecie produkty są zakazane lub ograniczone w oparciu o zasady religijne lub moralne, niekoniecznie podzielane przez większość. Przykłady obejmują broń w Wielkiej Brytanii, alkohol w społeczeństwach muzułmańskich i narkotyki rekreacyjne w różnych krajach. Zdolność do wytwarzania zakazanych produktów w osobistych nanofaboratach może powodować zakłócenia w tych społeczeństwach.
Pojawienie się „Grey Goo.„ Niektórzy naukowcy obawiają się, że samoreplikujące się nanofabryki mogą wpaść w amok, jedząc biosferę w szaleńczym wysiłku, aby tworzyć nieograniczoną liczbę kopii. Podobnie jak zachowanie antyspołeczne jest nieodparte dla pewnego odsetka populacji - o czym świadczy liczba istniejących wirusów komputerowych - nieodpowiedzialni ludzie i grupy mogą tworzyć samoreplikujące się nanofabryki, zwiększając w ten sposób ryzyko katastrofy.

Ostatnie słowo

Steve Jurvetson, dyrektor zarządzający firmy venture capital Draper Fisher Jurvetson, twierdzi, że przyszłość nanotechnologii nie zależy od „jeśli”, ale „kiedy”. Josh Wolfe, współzałożyciel Lux Capital i redaktor raportu Forbes / Wolfe Nanotech, zgadza się, mówiąc, że wszystko - odzież, jedzenie, samochody, mieszkanie, medycyna, urządzenia komunikacyjne, powietrze, którym oddychamy i woda, którą pijemy - ulegnie „ gruntowna i fundamentalna zmiana. I w rezultacie tak samo będzie ze społeczno-ekonomiczną strukturą świata. ”

Czy nanotechnologia będzie „kamieniem filozoficznym” zdolnym do spełnienia każdego życzenia lub otwarciem puszki Pandory, wyzwalając niewyobrażalne trudności i koszmary na ludzkim życiu, jakie znamy?