Zona
Fotolia 56716502 xs

NANOTEHNOLOGIJA

Nanotehnologija se odnosi na područje tehnologije koja pokušava kontrolirati materiju.Više o nanotehnologiji naučite iz razgovora sa znanstvenim suradnikom s Instituta Ruđer Bošković.

Riječ nanotehnologija proizlazi iz nanometra, milijuntoga dijela milimetra. To je vrlo malena dimenzija, gotovo nezamislivo sitna, a ipak je znatno veća od atoma, pa tako, naziv nanotehnologija odnosi se na područje tehnologije i primijenjene znanosti koja pokušava kontrolirati materiju na molekularnoj ili čak atomskoj razini. Mali dio zanimljivosti iz ove iznimno široke tematike približio nam je dr.sc. Nikola Radić, znanstveni suradnik s Instituta Ruđer Bošković.

U kojim se sve sferama danas koristi nanotehnologija te koje dobrobiti donosi?

- Prije nego počnemo govoriti o nanotehnologiji potrebno je pojasniti pojmove kako bi zadržali preciznost izričaja. Rječca nano (grč. patuljak, patuljast) u svojoj prvobitnoj uporabi u izvedenicama označava milijarditi dio osnovne jedinice - tako je nanometar 10-9 metra, unutar koje dužine se može poredati oko 5 atoma. Danas se "nano" koristi kao prefiks za različite pojmove koji označavaju karakterističnu veličinu od jednog do nekoliko stotina nanometara. Sva obećanja nanotehnologije i karakteristike nanoproizvoda proizlaze iz te tzv. mezoskopske skale - manji od toga su atomi/molekule čije ponašanje je određeno zakonima kvantne mehanike, veći od toga su objekti koji podliježu klasičnim zakonima prirode. Mogućnost "krojenja" osobina čestica i materijala kontroliranjem njihove karakteristične dimenzije već je iskorištena i razrađena u ono što nazivamo nanotehnologijama u širem smislu. Nanotehnologija u užem smislu označava gradnju funkcionalnih sustava preciznom/kontroliranom manipulacijom pojedinačnih atoma/molekula.

Današnja nanotehnologija već se primjenjuju u nizu proizvoda široke potrošnje - više od 600 komercijalnih proizvoda deklarira nano kao svoju osnovnu karakteristiku. Zadnje dvije godine naglo je porasla uporaba nanočestice srebra, koje svoje baktericidno djelovanje bitno pospješuje povećanjem odnosa, aktivne, površine prema masi čestice, i kao takvo se dodaje u deterdžente. Ugljik u obliku nanocjevčica i fulerena je izvanredan materijal za izradu čvrstih i laganih konstrukcija. Metalni oksidi (TiO2, ZnO) u obliku nanočestica preciznih dimenzija široko se koriste u kozmetici i zaštiti od UV zračenja. Enkapsulacija lijekova ili virusa-bakteriofaga u nanoovojnice omogućava isporuku na točno traženom mjestu. Elektronika za široku potrošnju eksplozivno se razvija na temelju nanotehnologija. Ovime ni izdaleka nije iscrpljen popis proizvoda u kojima se koristi nanotehnologija, a njihov broj će ubuduće ubrzano rasti.

U današnje vrijeme ekologija zauzima svoje mjesto u društvu i u svijetu. Nude li mogućnosti nanotehnologije kakva rješenja za očuvanje okoliša i koja su to rješenja?

-Ekologija i očuvanje okoliša je s nanotehnologijom povezano dvosmjerno. Jedna od ključnih aktivnosti u očuvanju okoliša je dobivanje pouzdanih i brzih informacija o njegovu stanju u što širem području. Razvitak jeftinih (nano)senzora, specifičnih za određeni kontaminant, sa spektrom mogućnosti, bitno će olakšati tzv. monitoriranje stanja okoliša i omogućiti pravovremenu reakciju na akutna zagađenja. Druga mogućnost je aktivno djelovanje na kontaminaciju, smanjivanjem ili uklanjanjem štetnih tvari iz okoliša. Nedavno otkriće da nanokristali Fe3O4 vežu arsen iz vode, a sami se mogu vrlo lako ukloniti iz nje djelovanjem magnetskog polja, obećava bitno poboljšanje životnih uvjeta u zemljama poput Indije i Bangladeša. S druge strane, nanotehnologija i njeni proizvodi mogu imati i negativne posljedice, bilo pojedinačnim djelovanjem ili kroz dugotrajnu akumulaciju u okolišu ili živim bićima. Npr. igličaste nanočestice - ugljikove nanocjevčice - mogu imati štetne posljedice kao i čestice azbesta, i traže posebnu skrb. Rasprava i eksperimenti o tome su vrlo aktualni, a jedan od neposrednih zadataka je izrada senzora za detekciju ove ili one vrste nanočestica ili nanorobota.

Poznato je da se nanotehnologija koristi i za potrebe računala. Kakva domete će upotreba nanotehnologije na ovom području dosegnuti uskoro, i u budućnosti, u odnosu na trenutnu situaciju?

-Nanotehnologija u računarstvu i informatičkoj tehnologiji - nanoelektronici - je ultimativna tehnologija u neprekinutom slijedu sve manjih uređaja koje koristimo. Jedan od primjera (Nobel za fiziku 2007) je struktura od različitih materijala u obliku više slojeva debljine nekoliko nanometara koja pokazuje toliku promjenu električnog otpora u magnetskom polju da je omogućila izradu senzora koji mogu čitati magnetski zapis 100 puta gušćeg pakiranja informacija nego prije, čime su omogućeni hardiskovi od nekoliko stotina Gb. Sve dosadašnje tehnologije integrirane mikroelektronike imale su fotolitografiju kao ključni korak proizvodnje - "ocrtavanje" uzorka na tankom sloju materijala koji se potom realizirao uklanjanjem viška materijala. Posljednji korak u tom smislu bilo je korištenje 193 nm zračenja ArF lasera za strukture sa 65 nm razmakom. Ova (nano)tehnologija se ubrzano približava svojim fundamentalnim granicama, a pravi iskorak se očekuje od nanoelektronike u pravom smislu riječi. Niz komponenti (laseri, molekulski prekidači, logički sklopovi itd.) je već napravljen i isproban u laboratorijima, ali njihovo integriranje u jedinstveni sklop zahtijeva neko vrijeme - djelomično i zbog vrlo različitih tehnologija kojima su formirane. Razmatra se i "kvantno računanje" koje koristi diskretna kvantna stanja kao fizičku realizaciju binarnog zapisa "0" ili "1". Konačni cilj je nanokompjuter - bitno manji, jeftiniji, energetski učinkovitiji i brži analogon današnjih mikročipova - kao preduvjet za razvitak "tvrde" nanotehnologije - fabrikatora, nanotvornica i nanorobota.

Svima je zanimljiva ideja o izrazito malim robotima koji bi izvršavali razne zadaće u nama i oko nas, tzv. nanobotima. Kad možemo očekivati njihovo šire pojavljivanje i upotrebu u svijetu?

-Nanoroboti izazivaju pozornost i polemiku od trenutka kada ih je jedan od pionira nanotehnologije Eric Drexler opisao u knjizi "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology" (1986.). U knjizi se opisuje koncept nanotehnologije u užem smislu riječi - izgradnja "nanosvega" preciznom manipulacijom/pomicanjem pojedinačnih atoma i molekula putem nanostrojeva/nanorobota kontroliranih nanokompjuterima. Izvedivost elementarnog koraka izgradnje demonstrirana je vrlo brzo. Don Eigler je već 1989. godine pomicanjem pojedinačnih atoma ksenona po površini nikla ispisao logotip tvrtke u kojoj je radio - IBM. Skeptici su uglavnom postavljali dva pitanja: Koliko dugo treba da se izgradi jedan nanorobot? Što će se dogoditi ako se nanoroboti "otmu kontroli"? Pisanje "IBM" sa 35 atoma ksenona trajalo je 22 sata - danas bi to bilo nekoliko minuta. Jedan od ranih nacrta nanorobota sadržavao je oko 4 milijuna atoma - lako možemo procijeniti vrijeme potrebno da se izgradi STM tehnikom. Samoreproduciranje nanorobota samo je matematički rješenje ovoga problema. Rana kontroverza oko "podivljalih" nanorobota razriješena je ukidanjem njihove prostorne i djelatne autonomije - proizvodni nanoroboti su zamijenjeni "fabrikatorima" koji su fiksirani i kontrolirani izvana. Zbog postojanja niza nepoznanica nije lako odgovoriti kada će se nanoroboti pojaviti u masovnom broju - većina istraživača prihvaća 2025.-2030. kao moguće vrijeme. Nije isključeno da pojedini specijalizirani/jednostavniji nanoroboti budu napravljeni i ranije učinkovitijim metodama samoorganizacije molekula.

DOBROBITI NANOTEHNOLOGIJE

Što mislite kakvu bi dobrobit ljudi dobili njihovim stvaranjem i korištenjem?

-Iako se na pitanje s ugrađenim "pozitivnim stavom" može lako odgovoriti, ono zaslužuje uravnoteženiji pristup. Za volju slikovitosti podijelimo buduće nanorobote u tri grupe: proizvođače, "dobre" i "zločeste" u odnosu prema ljudima. Univerzalni nanoroboti-proizvođači grade elementarne blokove "nanosvega" od pojedinačnih atoma ili molekula. Složeni u kompleksnu asocijaciju čine nanotvornicu čija proizvodnja je kontrolirana nanokompjuterima. Veličina takve nanotvornice ne bi premašivala veličinu mikrovalne pećnice, i u načelu bi je svaki pojedinac mogao posjedovati u svom domu. Odluka što i kako će proizvoditi je individualna i tim trenutkom veliki i kompleksni proizvodni sustavi postaju zastarjeli koncept sa bitno promijenjenom misijom. Posljedice za (globalno) gospodarstvo i društvo bi bile revolucionarne i vjerojatno dramatične.

"Dobre" nanorobote je najlakše zamisliti u medicini i brizi za ljudsko zdravlje: Vrlo mali roboti-kirurzi, mogu u tijelu autonomno ili izvana kontrolirani vršiti precizne i lokalizirane zahvate na bolesnom tkivu. Informacije mogu dobivati od velikog broja nanosenzora implantiranih u ljudsko tijelo koji kontinuirano nadziru stanje zdravlja. Mogu se zamisliti permanentni nanousadci koji održavaju (bio)kemijsku ravnotežu u granicama zdravog organizma. Razvitkom u ovom smjeru bitno će se povećati količina informacija o stanju tijela u realnom vremenu, skratiti vrijeme reakcije i omogućiti lokalno djelovanje gdje je potrebno - produžiti zdravi i aktivni životni vijek čovjeka.

"Zločesti" roboti se od "dobrih" ne razlikuju u tehnologiji ili mogućnostima, nego u svrsi i cilju djelovanja. Ne treba uopće sumnjati da se očekivane izvanredne mogućnosti nanorobota na raznim nivoima razmatraju u svrhu nadzora ljudi, ratovanja i globalne prevlasti. Obzirom na autonomnost, malu veličinu, i učinkovitost nanotvornica ovakav smjer razvitka može izmaći kontroli i dovesti do globalne nestabilnosti kroz novu trku u naoružanju u kojoj osim država može biti i puno drugih sudionika. U ovakvom scenariju detekcija i protudjelovanje postali bi dnevni zadatak, a sama mogućnost zahtijeva pravovremena zakonodavna i tehnička rješenja.

Prema Vašem mišljenju, kakve probleme, ljudske i ostale prirode, bi mogla riješiti upotreba nanotehnologije u budućnosti?

-Nanotehnologija već danas otvara niz mogućnosti za rješavanje akutnih problema doba u kojem živimo. Veliki dio njih posljedica su tehnologija prethodnog industrijskog razdoblja - zagađenje okoliša, klimatske promjene, nove bolesti itd. Krupni koraci su napravljeni u uvođenju novih konstrukcijskih materijala sa bitno unapređenim osobinama, koji zamjenjuju prijašnje materijale čija proizvodnja je zahtijevala grube zahvate u okoliš, disipirala mnogo energije, ostavljala ekološku pustoš i narušavala biološku ravnotežu. Globalni energetski problemi mogu se umanjiti učinkovitijim iskorištavanjem klasičnih energenata, a produkti izgaranja učiniti neškodljivim uz pomoć nanostrukturnih katalizatora. Obnovljiva solarna energija će se korištenjem novih nanofaznih materijala puno efikasnije konvertirati u električnu i tako troškovno približiti klasičnim izvorima. Konačno, "čista" energetika vodika također može očekivati ubrzani razvitak kada nanotehnologija ponudi rješenje za energetski prihvatljivu proizvodnju osnovne sirovine - vodika - iz sveprisutne vode, te materijal za odgovarajući spremnik. Sve ovo će bitno doprinijeti očuvanju okoliša i pomoći povratiti ravnotežu u globalni ekosustav.

Informatička, komunikacijska i upravljačka infrastruktura će se rapidno razviti primjenom nanotehnologija. Potrošačka "elektronika" će omogućavati globalni doseg, ali pri tome "veliki brat" nije isključen.

Za ljudsko zdravlje veliki korak će biti novi načini administriranja lijekova putem enkapsuliranja aktivne tvari u nanoovojnice i ispuštanja upravo na mjestu gdje treba. Time će se izbjeći ekstenzivno liječenje i nepotrebna potrošnja lijekova koja dovodi i do ekoloških poremećaja. Uvođenjem nanosenzora će se bitno poboljšati pouzdanost i pravovremenost dijagnosticiranje bolesti i skratiti vrijeme reakcije liječnika.

Općenito, manje, univerzalnije, energetski učinkovitije i neškodljivo za ljude i okoliš će biti zahtjevi koji će se rješavati putem nanotehnologija. Međutim, je li pametno slati nanorobote u svemir, pripremati druge planete za ljudsku kolonizaciju i slično tek treba promisliti.

Što se tiče Hrvatske, kako ona stoji s upotrebom i razvojem ovog područja tehnologije te što možemo očekivati u budućnosti u pogledu razvoja nanotehnologije u njoj?

-Hrvatski znanstvenici i istraživači aktivno rade na područjima u kojima je "nano" ključna riječ. Broj projekata iz prirodnih znanosti koji se na ovaj ili onaj način bave nanočesticama, nanofaznim, nanostrukturnim, nanomagnetskim i sličnim materijalima stalno raste. Eksperimentalna istraživanja i teorijsko modeliranje se u najboljim slučajevima nadopunjuju. Nacionalni kolaborativni projekt NANOZNANOSTI: PUT U NOVE TEHNOLOGIJE je u jednom razdoblju okupljao dvadesetak projekata koji su imali "nano" kao zajednički nazivnik.

U ovom trenutku proizvodi na hrvatskom tržištu koji se kite rječcom "nano" uglavnom su rezultat istraživanja i razvoja u inozemstvu. Ipak, sasvim realistična je mogućnost da se u domaćim laboratorijima otkrije ili pripravi materijal strukturiran na nanoskali, nanočestice, ili neka osobina dovoljno izuzetna da istakne kandidaturu za razvitak tehnologije ili proizvoda. U takvom sretnom slučaju, ne sumnjam da bi se u Hrvatskoj našlo državnih poticaja, zainteresiranih tvrtki i investitora za takav pothvat, jer nanotehnologija je imperativ našeg doba koji svome vlasniku pribavlja bitnu prednost na globalnom tržištu.





























Arhiva