Nanotechnologia. Czym jest nanotechnologia? Co za nanotechnologia

Prezydent Rosji Dmitrij Miedwiediew jest przekonany, że kraj ma wszelkie warunki do pomyślnego rozwoju nanotechnologii.

Nanotechnologia to nowy kierunek nauki i technologii, który aktywnie rozwija się w ostatnich dziesięcioleciach. Nanotechnologie obejmują tworzenie i wykorzystanie materiałów, urządzeń i systemów technicznych, o funkcjonowaniu których decyduje nanostruktura, czyli jej uporządkowane fragmenty o wielkości od 1 do 100 nanometrów.

Przedrostek „nano”, który pochodzi z języka greckiego („nanos” po grecku – gnom), oznacza jedną miliardową część. Jeden nanometr (nm) to jedna miliardowa metra.

Termin „nanotechnologia” został ukuty w 1974 r. przez Norio Taniguchi, naukowca zajmującego się materiałami na Uniwersytecie Tokijskim, który zdefiniował ją jako „technologię produkcyjną, która umożliwia osiągnięcie ultrawysokiej precyzji i bardzo małych wymiarów... rzędu 1 nm…”.

W literaturze światowej nanonaukę wyraźnie odróżnia się od nanotechnologii. Termin nauka w skali nano jest również używany w odniesieniu do nanonauki.

W języku rosyjskim oraz w praktyce rosyjskiego ustawodawstwa i dokumentów regulacyjnych termin „nanotechnologia” łączy w sobie „nanonaukę”, „nanotechnologię”, a czasem nawet „nanoprzemysł” (obszary biznesu i produkcji, w których stosowane są nanotechnologie).

Najważniejszymi składnikami nanotechnologii są nanomateriały, czyli materiały, o których niezwykłych właściwościach użytkowych decyduje uporządkowana struktura ich nanofragmentów o wielkości od 1 do 100 nm.

- struktury nanoporowate;
- nanocząstki;
- nanorurki i nanowłókna
- nanodyspersje (koloidy);
- powierzchnie i folie nanostrukturalne;
- nanokryształy i nanoklastry.

Technologia nanosystemów- funkcjonalnie kompletne systemy i urządzenia powstałe w całości lub w części w oparciu o nanomateriały i nanotechnologie, których właściwości radykalnie różnią się od systemów i urządzeń o podobnym przeznaczeniu, tworzonych przy użyciu tradycyjnych technologii.

Obszary zastosowań nanotechnologii

Niemal niemożliwe jest wymienienie wszystkich obszarów, w których ta globalna technologia może znacząco wpłynąć na postęp technologiczny. Możemy wymienić tylko kilka z nich:

- elementy nanoelektroniki i nanofotoniki (tranzystory półprzewodnikowe i lasery;
- fotodetektory; Ogniwa słoneczne; różne czujniki);
- ultragęste urządzenia rejestrujące informacje;
- technologie telekomunikacyjne, informacyjne i komputerowe; superkomputery;
- sprzęt wideo - telewizory płaskie, monitory, projektory wideo;
- molekularne urządzenia elektroniczne, w tym przełączniki i obwody elektroniczne na poziomie molekularnym;
- nanolitografia i nanoimprinting;
- ogniwa paliwowe i urządzenia magazynujące energię;
- urządzenia mikro- i nanomechaniki, w tym silniki i nanomotory molekularne, nanoroboty;
- nanochemia i kataliza, w tym kontrola spalania, powlekanie, elektrochemia i farmaceutyka;
- zastosowania lotnicze, kosmiczne i obronne;
- urządzenia monitorujące środowisko;
- ukierunkowane dostarczanie leków i białek, biopolimerów oraz gojenie tkanek biologicznych, diagnostyka kliniczna i medyczna, tworzenie sztucznych mięśni, kości, implantacja żywych narządów;
- biomechanika; genomika; bioinformatyka; bioinstrumentacja;
- rejestracja i identyfikacja tkanek rakotwórczych, patogenów i czynników biologicznie szkodliwych;
- bezpieczeństwo w rolnictwie i produkcji żywności.

Komputery i mikroelektronika

Nanokomputer— urządzenie obliczeniowe oparte na technologiach elektronicznych (mechanicznych, biochemicznych, kwantowych) o wielkości elementów logicznych rzędu kilku nanometrów. Sam komputer, opracowany w oparciu o nanotechnologię, również ma mikroskopijne wymiary.

Komputer DNA- system komputerowy wykorzystujący możliwości obliczeniowe cząsteczek DNA. Obliczenia biomolekularne to zbiorcza nazwa różnych technik związanych w taki czy inny sposób z DNA lub RNA. W obliczeniach DNA dane są reprezentowane nie w postaci zer i jedynek, ale w postaci struktury molekularnej zbudowanej na podstawie helisy DNA. Rolę oprogramowania do odczytu, kopiowania i zarządzania danymi pełnią specjalne enzymy.

Mikroskop sił atomowych- mikroskop z sondą skanującą o wysokiej rozdzielczości, oparty na oddziaływaniu igły wspornikowej (sondy) z powierzchnią badanej próbki. W przeciwieństwie do skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) może badać zarówno powierzchnie przewodzące, jak i nieprzewodzące, nawet przez warstwę cieczy, co umożliwia pracę z cząsteczkami organicznymi (DNA). Rozdzielczość przestrzenna mikroskopu sił atomowych zależy od wielkości wspornika i krzywizny jego końcówki. Rozdzielczość sięga atomowej w poziomie i znacznie ją przewyższa w pionie.

Oscylator antenowy- 9 lutego 2005 roku w laboratorium Uniwersytetu Bostońskiego uzyskano antenę-oscylator o wymiarach około 1 mikrona. Urządzenie to ma 5 miliardów atomów i może oscylować z częstotliwością 1,49 gigaherca, co pozwala mu przesyłać ogromne ilości informacji.

Nanomedycyna i przemysł farmaceutyczny

Kierunek we współczesnej medycynie polegający na wykorzystaniu unikalnych właściwości nanomateriałów i nanoobiektów do śledzenia, projektowania i modyfikowania układów biologicznych człowieka na poziomie nanomolekularnym.

Nanotechnologia DNA- wykorzystywać określone zasady cząsteczek DNA i kwasów nukleinowych do tworzenia na ich podstawie jasno określonych struktur.

Przemysłowa synteza cząsteczek leków i preparatów farmakologicznych o ściśle określonej postaci (bis-peptydy).

Na początku 2000 roku szybki postęp w technologii nanocząstek dał impuls do rozwoju nowej dziedziny nanotechnologii: nanoplazmonika. Okazało się, że możliwe jest przesyłanie promieniowania elektromagnetycznego wzdłuż łańcucha nanocząstek metali za pomocą wzbudzenia oscylacji plazmonowych.

Robotyka

Nanoroboty- roboty stworzone z nanomateriałów i wielkością porównywalną do cząsteczki, posiadające funkcje poruszania się, przetwarzania i przekazywania informacji oraz wykonywania programów. Nanoroboty zdolne do tworzenia kopii samych siebie, tj. samoreprodukujące nazywane są replikatorami.

Obecnie stworzono już nanourządzenia elektromechaniczne o ograniczonej mobilności, które można uznać za prototypy nanorobotów.

Wirniki molekularne- syntetyczne silniki o wielkości nano zdolne do wytwarzania momentu obrotowego po przyłożeniu do nich wystarczającej energii.

Miejsce Rosji wśród krajów rozwijających i produkujących nanotechnologie

Światowymi liderami pod względem całkowitych inwestycji w nanotechnologię są kraje UE, Japonia i USA. W ostatnim czasie znacząco zwiększyły inwestycje w tę branżę Rosja, Chiny, Brazylia i Indie. W Rosji kwota dofinansowania w ramach programu „Rozwój infrastruktury nanoprzemysłowej w Federacji Rosyjskiej na lata 2008 - 2010” wyniesie 27,7 miliarda rubli.

Najnowszy raport (2008) londyńskiej firmy badawczej Cientifica, zatytułowany Nanotechnology Outlook Report, opisuje rosyjskie inwestycje dosłownie w następujący sposób: „Chociaż UE nadal zajmuje pierwsze miejsce pod względem inwestycji, Chiny i Rosja już wyprzedziły Stany Zjednoczone. ”

Istnieją obszary nanotechnologii, w których rosyjscy naukowcy jako pierwsi na świecie uzyskali wyniki, które położyły podwaliny pod rozwój nowych trendów naukowych.

Rosja produkuje już szereg nanoproduktów, na które jest zapotrzebowanie na rynku: nanomembrany, nanoproszki, nanorurki. Jednak zdaniem ekspertów pod względem komercjalizacji osiągnięć nanotechnologicznych Rosja pozostaje o dziesięć lat w tyle za Stanami Zjednoczonymi i innymi krajami rozwiniętymi.

Materiał został przygotowany w oparciu o informacje pochodzące z otwartych źródeł

Na stronie brytyjskiego magazynu New Scientist podstawowe informacje o nanotechnologii przedstawione są w bardzo wygodnej formie – w formie odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania – pisze dp.ru.

Czym jest nanotechnologia?

Pod pojęciem nanotechnologii należy rozumieć zespół dyscyplin naukowo-inżynierskich zajmujących się badaniem procesów zachodzących w skali atomowej i molekularnej. Nanotechnologia polega na manipulacji materiałami i urządzeniami tak małymi, że nic mniejszego nie może istnieć. Mówiąc o nanocząsteczkach, zwykle mamy na myśli rozmiary od 0,1 nm do 100 nm. Należy pamiętać, że rozmiary większości atomów mieszczą się w przedziale od 0,1 do 0,2 nm, szerokość cząsteczki DNA wynosi około 2 nm, charakterystyczna wielkość krwinki wynosi około 7500 nm, a ludzki włos ma 80 000 nm.

Dlaczego małe obiekty uzyskują tak specyficzne właściwości już na poziomie nanoskali? Na przykład małe grupy (zwane skupiskami) atomów złota i srebra wykazują unikalne właściwości katalityczne, podczas gdy większe próbki są zwykle obojętne. Natomiast nanocząsteczki srebra wykazują wyraźne właściwości antybakteryjne i dlatego są powszechnie stosowane w nowych rodzajach opatrunków.

W miarę zmniejszania się wielkości cząstek wzrasta stosunek powierzchni do objętości. Z tego powodu nanocząstki znacznie łatwiej wchodzą w reakcje chemiczne. Ponadto efekty fizyki kwantowej pojawiają się na poziomach poniżej 100 nm. Efekty kwantowe mogą wpływać na właściwości optyczne, elektryczne i magnetyczne materiałów w nieprzewidywalny sposób.

Małe krystaliczne próbki niektórych substancji stają się silniejsze, ponieważ po prostu osiągają stan, w którym nie mogą się rozbić, tak jak robią to większe kryształy poddawane działaniu siły. Metale stają się pod pewnymi względami podobne do tworzyw sztucznych.

Jakie są perspektywy zastosowania nanotechnologii?

Już w 1986 roku futurysta Eric Dressler przewidział utopijną przyszłość, w której samoreplikujące się nanoroboty będą wykonywać całą pracę potrzebną społeczeństwu. Te maleńkie urządzenia są w stanie naprawić ludzkie ciało od środka, czyniąc go praktycznie nieśmiertelnym. Nanoroboty mogą także swobodnie poruszać się w środowisku, co czyni je niezastąpionymi w walce z zanieczyszczeniami tego środowiska.

Oczekuje się, że nanotechnologia przyniesie znaczący przełom w technologii komputerowej, medycynie, a także w sprawach wojskowych. Na przykład medycyna opracowała sposoby dostarczania leków bezpośrednio do tkanek nowotworowych w maleńkich „nanobombach”. W przyszłości nanourządzenia mogłyby „patrolować” tętnice, przeciwdziałać infekcjom i umożliwiać diagnostykę chorób.

Amerykańscy naukowcy z powodzeniem wykorzystali pokryte złotem „nanopociski” do wyszukiwania i niszczenia nieoperacyjnych guzów nowotworowych. Naukowcy przyczepili nanopociski do przeciwciał, które są w stanie kontaktować się z komórkami nowotworowymi. Jeśli nanopociski zostaną wystawione na działanie promieniowania o częstotliwości bliskiej podczerwieni, ich temperatura wzrośnie, co pomoże zniszczyć tkanki rakotwórcze.

Naukowcy z finansowanego przez armię amerykańską Army Institute of Nanotechnology w Cambridge (USA) wykorzystują nanotechnologię do stworzenia zupełnie nowego typu mundurów. Ich celem jest stworzenie tkaniny, która może zmieniać kolor, odbijać kule i energię wybuchu, a nawet sklejać kości.

Gdzie obecnie wykorzystuje się nanotechnologie?

Nanotechnologię wykorzystuje się już przy produkcji dysków twardych do komputerów osobistych, katalizatorów – elementów silników spalinowych, piłek tenisowych o długiej żywotności, a także wytrzymałych, a jednocześnie lekkich rakiet tenisowych, narzędzi do cięcia metali , powłoki antystatyczne do wrażliwego sprzętu elektronicznego oraz specjalne powłoki do szyb zapewniające ich samoczyszczenie.

Jak powstają nanourządzenia?

Obecnie istnieją dwie główne metody wytwarzania nanourządzeń.

W dół w górę. Montaż nanourządzeń zgodnie z zasadą „cząsteczka do cząsteczki”, co przypomina składanie domu lub. Proste nanocząstki, takie jak dwutlenek tytanu czy tlenek żelaza stosowane w kosmetykach, można wytwarzać w drodze syntezy chemicznej.

Możliwe jest tworzenie nanourządzeń poprzez przeciąganie pojedynczych atomów za pomocą tzw. mikroskopu sił atomowych (lub skaningowego mikroskopu tunelowego), który jest wystarczająco czuły, aby wykonywać takie procedury. Technikę tę po raz pierwszy zademonstrowali specjaliści IBM - za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego ułożyli skrót IBM, umieszczając odpowiednio 35 atomów ksenonu na powierzchni próbki niklu.

Z góry na dół. Technika ta zakłada, że wykorzystujemy próbkę makroskopową i np. za pomocą trawienia tworzymy na jej powierzchni zwykłe elementy urządzeń mikroelektronicznych o parametrach charakterystycznych dla nanoskali.

Czy nanotechnologia stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i środowiska?

Niewiele jest informacji na temat negatywnego wpływu nanocząstek. W 2003 roku jedno z badań wykazało, że nanorurki węglowe mogą uszkodzić płuca myszy i szczurów. Badanie przeprowadzone w 2004 roku wykazało, że fulereny mogą gromadzić się i powodować uszkodzenia mózgu u ryb. Jednak w obu badaniach wykorzystano duże ilości substancji w nietypowych warunkach. Według jednej z ekspertów, chemiczki Kristen Kulinowski (USA), „wskazane byłoby ograniczenie narażenia na te nanocząstki, mimo że obecnie nie ma informacji o ich zagrożeniu dla zdrowia człowieka”.

„Nikt nie może zaprzeczyć, że powszechne przyjęcie telefonów komórkowych i Internetu spowodowało ogromne zmiany w społeczeństwie” – mówi Kristen Kulinowski. „Kto odważy się powiedzieć, że w nadchodzących latach nanotechnologia nie będzie miała większego wpływu na społeczeństwo?”

Czym jest nanotechnologia?

Opublikowane przez kur 29 czerwca 2007 - 22:51.

Bez względu na to, jak dziwnie brzmi to pytanie w naszych czasach, trzeba będzie na nie odpowiedzieć. Przynajmniej dla siebie. Rozmawiając z naukowcami i specjalistami zajmującymi się tą branżą, doszedłem do wniosku, że kwestia ta nadal pozostaje otwarta.

Ktoś w Wikipedii zdefiniował to w ten sposób:

Nanotechnologia to dziedzina nauki stosowanej i technologii zajmująca się badaniem właściwości obiektów i opracowywaniem urządzeń o wymiarach rzędu nanometra (wg układu jednostek SI, 10-9 metrów).

Prasa popularna używa jeszcze prostszej i bardziej zrozumiałej dla przeciętnego człowieka definicji:

Nanotechnologia to technologia manipulacji materią na poziomie atomowym i molekularnym.

(Uwielbiam krótkie definicje :))

Albo oto definicja profesora G. G. Elenina (MSU, M. V. Keldysh Institute of Applied Mathematics RAS):

Nanotechnologia to interdyscyplinarna dziedzina nauki, w której badane są prawa procesów fizycznych i chemicznych w obszarach przestrzennych o wymiarach nanometrowych w celu kontrolowania poszczególnych atomów, cząsteczek, układów molekularnych w tworzeniu nowych cząsteczek, nanostruktur, nanourządzeń i materiałów o specjalnych właściwościach fizycznych , właściwości chemiczne i biologiczne.

Tak w sumie wszystko jest jasne.. Ale nasz (zwłaszcza domowy) skrupulatny sceptyk powie: „Co, za każdym razem, gdy w szklance herbaty rozpuszczamy kawałek cukru, czyż nie manipulujemy substancją przy poziomie molekularnym?”

I będzie miał rację. Do wiodących należy dodać pojęcia związane z „kontrolą i precyzją manipulacji”.

Federalna Agencja Nauki i Innowacji w „Koncepcji rozwoju prac w dziedzinie nanotechnologii w Federacji Rosyjskiej do 2010 roku” podaje następującą definicję:

„Nanotechnologia to zespół metod i technik, które zapewniają możliwość tworzenia i modyfikowania obiektów w sposób kontrolowany, w tym elementów o rozmiarach mniejszych niż 100 nm, przynajmniej w jednym wymiarze, i w efekcie uzyskania zasadniczo nowych właściwości, które pozwalają na ich integrację w w pełni funkcjonujące systemy wielkoskalowe; w szerszym znaczeniu termin ten obejmuje także metody diagnozy, charakterologii i badań tego typu obiektów.

Wow! Mocno powiedziane!

Sekretarz stanu w Ministerstwie Edukacji i Nauki Federacji Rosyjskiej Dmitrij Livanov definiuje nanotechnologię jako:

„zespół obszarów naukowych, technologicznych i przemysłowych, które są zjednoczone w jedną kulturę opartą na operacjach z materią na poziomie pojedynczych cząsteczek i atomów”.

Prosty sceptyk będzie usatysfakcjonowany, ale sceptyk-specjalista powie: „Czy to nie te same nanotechnologie, w które stale angażuje się tradycyjna chemia czy biologia molekularna i wiele innych dziedzin nauki, tworząc nowe substancje, w których określa się ich właściwości i strukturę? przez nanoobiekty połączone w określony sposób?”

Co robić? Rozumiemy, czym jest „nanotechnologia”.. czujemy to, można powiedzieć.. Spróbujmy dodać do definicji jeszcze kilka terminów.

Brzytwa Ockhama
Nanotechnologia: dowolna technologia tworzenia obiektów, których właściwości konsumenckie są zdeterminowane koniecznością kontrolowania i manipulowania pojedynczymi obiektami o nanowymiarach.

Krótkie i oszczędne? Wyjaśnijmy pojęcia użyte w definicji:

"Każdy": Termin ten ma na celu pogodzić specjalistów z różnych dziedzin nauki i technologii. Z drugiej strony termin ten zobowiązuje organizacje kontrolujące budżet rozwoju nanotechnologii do zadbania o finansowanie szerokiego spektrum obszarów. W tym oczywiście biotechnologie molekularne. (Bez konieczności sztucznego dodawania przedrostka „nano-” do nazwy tych kierunków). Uważam to za dość ważne określenie sytuacji z nanotechnologią w naszym kraju na obecnym etapie :).

„Własności konsumenckie”(można oczywiście użyć tradycyjnego określenia „Wartość użytkownika” – jak kto woli): tworzenie obiektów przy użyciu tak zaawansowanych metod, jak kontrola i manipulacja materią na poziomie nano, powinno nadać jakieś nowe właściwości konsumenckie, czy też wpłynąć na cenę obiektów, w przeciwnym razie staje się to pozbawione sensu.

Oczywiste jest również, że nanorurki, w których jeden z wymiarów liniowych mieści się w obszarze wymiarów tradycyjnych, również wchodzą w zakres tej definicji. Jednocześnie same tworzone obiekty mogą mieć dowolny rozmiar – od „nano” po tradycyjny.

"Indywidualny": obecność tego terminu odrywa definicję od tradycyjnej chemii i wyraźnie wymaga obecności najbardziej zaawansowanych narzędzi naukowych, metrologicznych i technologicznych zdolnych zapewnić kontrolę nad pojedynczymi, a w razie potrzeby nawet konkretnymi nanoobiektami. Dzięki indywidualnej kontroli uzyskujemy przedmioty posiadające nowość konsumencką. Można argumentować, że na przykład wiele istniejących technologii przemysłowej produkcji ultradrobnych materiałów nie wymaga takiej kontroli, ale to tylko na pierwszy rzut oka; w rzeczywistości certyfikowana produkcja najdrobniejszych materiałów koniecznie wymaga kontroli wielkości poszczególnych cząstek.

"Kontrola", bez "Manipulacja" rozszerza definicję o tzw. nanotechnologii „poprzedniej generacji”.
"Kontrola" razem z "Manipulacja" rozszerza definicję na zaawansowane nanotechnologie.

Jeśli więc uda nam się znaleźć konkretny obiekt o wielkości nano, kontrolować i w razie potrzeby zmienić jego strukturę i połączenia, to jest to „nanotechnologia”. Jeśli otrzymamy obiekty o rozmiarach nano bez możliwości takiej kontroli (nad konkretnymi nanoobiektami), to nie jest to nanotechnologia, ani w najlepszym razie nanotechnologia „poprzedniej generacji”.

„Obiekt o wielkości nano”: atom, cząsteczka, tworzenie supramolekularne.

Ogólnie rzecz biorąc, definicja próbuje powiązać naukę i technologię z ekonomią. Te. spełnia główne cele programu rozwoju nanoprzemysłu: tworzenie technologii w oparciu o zaawansowane metody badawcze i produkcyjne oraz komercjalizację osiągniętych osiągnięć.

Generalnie na tym bym się na razie zatrzymał. A ty?

Http://www.nanonewsnet.ru/what-are-the-nanotechnologies

Nanotechnologia to dziedzina nauki i technologii podstawowej i stosowanej, zajmująca się połączeniem uzasadnienia teoretycznego, praktycznych metod badań, analiz i syntezy, a także metod wytwarzania i stosowania produktów o danej strukturze atomowej poprzez kontrolowaną manipulację indywidualnymi atomy i cząsteczki.

Fabuła

Wiele źródeł, przede wszystkim anglojęzycznych, pierwsze wzmianki o metodach, które później nazwano nanotechnologią, kojarzy ze słynnym przemówieniem Richarda Feynmana „There’s Plenty of Room at the Bottom”, wygłoszonym przez niego w 1959 roku w California Institute of Technology na dorocznej konferencji Spotkanie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego. Richard Feynman zasugerował, że możliwe jest mechaniczne przemieszczanie pojedynczych atomów za pomocą manipulatora o odpowiedniej wielkości, przynajmniej taki proces nie byłby sprzeczny ze znanymi dziś prawami fizyki.

Ostatni etap - powstały mechanizm złoży swoją kopię z poszczególnych atomów. W zasadzie ilość takich egzemplarzy jest nieograniczona, w krótkim czasie możliwe będzie stworzenie dowolnej liczby takich maszyn. Maszyny te będą mogły składać makro-rzeczy w ten sam sposób, poprzez montaż atomowy. Dzięki temu będzie znacznie taniej – takim robotom (nanorobotom) trzeba będzie dostarczyć jedynie wymaganą ilość cząsteczek i energii oraz napisać program, który złoży potrzebne elementy. Jak dotąd nikt nie był w stanie obalić tej możliwości, ale nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takich mechanizmów. W trakcie teoretycznych badań tej możliwości wyłoniły się hipotetyczne scenariusze zagłady, które zakładają, że nanoroboty pochłoną całą biomasę Ziemi, realizując swój program samoreprodukcji (tzw. „szara maź” lub „szara zawiesina”).

Pierwsze założenia o możliwości badania obiektów na poziomie atomowym można znaleźć w wydanej w 1704 roku książce Izaaka Newtona „Optyka”. Newton wyraża w swojej książce nadzieję, że pewnego dnia przyszłe mikroskopy będą mogły zgłębiać „sekrety ciałek”.

Terminu „nanotechnologia” użył po raz pierwszy Norio Taniguchi w 1974 r. Użył tego terminu do opisania wytwarzania produktów o wielkości kilku nanometrów. W latach 80. XX wieku terminu tego użył Eric K. Drexler w jego książkach Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology i Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation.

Co może zrobić nanotechnologia?

Oto tylko niektóre obszary, w których nanotechnologia może stanowić przełom:

Medycyna

Nanosensory zapewnią postęp we wczesnej diagnostyce chorób. Zwiększy to Twoje szanse na wyzdrowienie. Możemy pokonać raka i inne choroby. Stare leki na raka niszczyły nie tylko chore komórki, ale także zdrowe. Dzięki nanotechnologii lek zostanie dostarczony bezpośrednio do chorej komórki.

Nanotechnologia DNA– wykorzystywać określone zasady cząsteczek DNA i kwasów nukleinowych, aby na ich podstawie tworzyć jasno określone struktury. Przemysłowa synteza cząsteczek leków i preparatów farmakologicznych o ściśle określonej postaci (bis-peptydy).

Na początku 2000 roku, dzięki szybkiemu postępowi w technologii wytwarzania nanocząstek, nadano impuls rozwojowi nowej dziedziny nanotechnologii - nanoplazmonika. Okazało się, że możliwe jest przesyłanie promieniowania elektromagnetycznego wzdłuż łańcucha nanocząstek metali za pomocą wzbudzenia oscylacji plazmonowych.

Budowa

Nanosensory konstrukcji budynków będą monitorować ich wytrzymałość i wykrywać wszelkie zagrożenia dla ich integralności. Obiekty zbudowane przy użyciu nanotechnologii mogą wytrzymać pięć razy dłużej niż nowoczesne konstrukcje. Domy dostosowują się do potrzeb mieszkańców, zapewniając chłód latem i ciepło zimą.

Energia

Będziemy mniej zależni od ropy i gazu. Nowoczesne panele słoneczne mają sprawność około 20%. Dzięki zastosowaniu nanotechnologii może urosnąć 2-3 razy. Cienkie nanofilmy na dachu i ścianach mogą zapewnić energię całemu domowi (jeśli oczywiście jest wystarczająco dużo słońca).

Inżynieria mechaniczna

Cały nieporęczny sprzęt zostanie zastąpiony robotami – urządzeniami łatwo sterowanymi. Będą w stanie stworzyć dowolne mechanizmy na poziomie atomów i cząsteczek. Do produkcji maszyn zostaną wykorzystane nowe nanomateriały, które mogą zmniejszyć tarcie, chronić części przed uszkodzeniem i oszczędzać energię. To nie wszystkie obszary, w których nanotechnologia może (i będzie!) być wykorzystywana. Naukowcy uważają, że pojawienie się nanotechnologii to początek nowej rewolucji naukowo-technicznej, która ogromnie zmieni świat XXI wieku. Warto jednak zaznaczyć, że nanotechnologia nie wchodzi zbyt szybko do realnej praktyki. Niewiele urządzeń (głównie elektroniki) działa w trybie „nano”. Częściowo wynika to z wysokiej ceny nanotechnologii i niezbyt wysokiej rentowności produktów nanotechnologicznych.

Prawdopodobnie w niedalekiej przyszłości, przy pomocy nanotechnologii, powstaną zaawansowane technologicznie, mobilne, łatwe w sterowaniu urządzenia, które z powodzeniem zastąpią dzisiejszy zautomatyzowany, ale trudny w zarządzaniu i uciążliwy sprzęt. Przykładowo z biegiem czasu sterowane komputerowo bioroboty będą mogły pełnić funkcje obecnych, nieporęcznych przepompowni.

Komputer DNA– system obliczeniowy wykorzystujący możliwości obliczeniowe cząsteczek DNA. Obliczenia biomolekularne to zbiorcza nazwa różnych technik związanych w taki czy inny sposób z DNA lub RNA. W obliczeniach DNA dane są reprezentowane nie w postaci zer i jedynek, ale w postaci struktury molekularnej zbudowanej na podstawie helisy DNA. Rolę oprogramowania do odczytu, kopiowania i zarządzania danymi pełnią specjalne enzymy.
Mikroskop sił atomowych– mikroskop z sondą skanującą o wysokiej rozdzielczości, oparty na oddziaływaniu igły wspornikowej (sondy) z powierzchnią badanej próbki. W przeciwieństwie do skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) może badać zarówno powierzchnie przewodzące, jak i nieprzewodzące, nawet przez warstwę cieczy, co umożliwia pracę z cząsteczkami organicznymi (DNA). Rozdzielczość przestrzenna mikroskopu sił atomowych zależy od wielkości wspornika i krzywizny jego końcówki. Rozdzielczość sięga atomowej w poziomie i znacznie ją przewyższa w pionie.
Oscylator antenowy– 9 lutego 2005 roku w laboratorium Uniwersytetu Bostońskiego uzyskano antenę-oscylator o wymiarach około 1 mikrona. Urządzenie to ma 5 miliardów atomów i może oscylować z częstotliwością 1,49 gigaherca, co pozwala mu przesyłać ogromne ilości informacji.

10 nanotechnologii o niesamowitym potencjale

Spróbuj zapamiętać jakiś kanoniczny wynalazek. Prawdopodobnie ktoś teraz wyobraził sobie koło, ktoś samolot, a ktoś iPoda. Ilu z Was myślało o wynalezieniu zupełnie nowej generacji – nanotechnologii? Ten świat jest mało zbadany, ale ma niesamowity potencjał, który może dać nam naprawdę fantastyczne rzeczy. Zadziwiająca rzecz: dziedzina nanotechnologii nie istniała aż do 1975 roku, mimo że naukowcy rozpoczęli prace w tej dziedzinie znacznie wcześniej.

Ludzkie oko jest w stanie rozpoznać obiekty o wielkości do 0,1 milimetra. Dziś porozmawiamy o dziesięciu wynalazkach, które są 100 000 razy mniejsze.

Ciekły metal przewodzący prąd elektryczny

Wykorzystując energię elektryczną, można uformować prosty ciekły stop metalu galu, irydu i cyny w skomplikowane kształty lub koła wiatru wewnątrz szalki Petriego. Można z pewnym prawdopodobieństwem stwierdzić, że to właśnie z tego materiału powstał słynny cyborg z serii T-1000, którego mogliśmy zobaczyć w Terminatorze 2.

„Miękki stop zachowuje się jak inteligentny kształt, który w razie potrzeby może się odkształcać, biorąc pod uwagę zmieniającą się otaczającą przestrzeń, w której się porusza. Zupełnie jak cyborg z popularnego filmu science-fiction” – mówi Jin Li z Uniwersytetu Tsinghua, jeden z badaczy zaangażowanych w ten projekt.

Metal ten jest biomimetyczny, co oznacza, że imituje reakcje biochemiczne, chociaż sam nie jest substancją biologiczną.

Metal ten może być kontrolowany przez wyładowania elektryczne. Jednak on sam może poruszać się niezależnie ze względu na powstającą nierównowagę obciążenia, która powstaje w wyniku różnicy ciśnień pomiędzy przodem i tyłem każdej kropli tego stopu metalu. I choć naukowcy uważają, że proces ten może być kluczem do przemiany energii chemicznej w energię mechaniczną, materiał molekularny nie będzie w najbliższym czasie używany do budowy złych cyborgów. Cały „magiczny” proces może nastąpić tylko w roztworze wodorotlenku sodu lub roztworze soli fizjologicznej.

Nanoplastie

Naukowcy z Uniwersytetu w Yorku pracują nad opracowaniem specjalnych plastrów, które będą miały za zadanie dostarczać do organizmu wszystkie niezbędne leki bez użycia igieł i strzykawek. Plastry, które są dość normalnej wielkości, przykleja się do dłoni i dostarczają do wnętrza ciała określoną dawkę nanocząsteczek leku (na tyle małych, że mogą przedostać się do mieszków włosowych). Nanocząstki (każda o wielkości mniejszej niż 20 nanometrów) same znajdą szkodliwe komórki, zabiją je i zostaną wyeliminowane z organizmu wraz z innymi komórkami w wyniku naturalnych procesów.

Naukowcy zauważają, że w przyszłości takie nanoplastry mogłyby znaleźć zastosowanie w walce z jedną z najstraszniejszych chorób na Ziemi – nowotworem. W przeciwieństwie do chemioterapii, która w takich przypadkach często stanowi integralną część leczenia, nanoplastry będą w stanie indywidualnie znajdować i niszczyć komórki nowotworowe, pozostawiając zdrowe komórki nietknięte. Projekt nanopatch nazywa się NanJect. Jego rozwojem zajmują się Atif Syed i Zakaria Hussain, którzy w 2013 roku, będąc jeszcze studentami, uzyskali niezbędny sponsoring w ramach kampanii crowdsourcingowej mającej na celu zbiórkę funduszy.

Nanofiltr do wody

Kiedy ta folia jest używana w połączeniu z drobną siatką ze stali nierdzewnej, olej jest odpychany, pozostawiając wodę w tym obszarze nieskazitelnie czystą.

Co ciekawe, do stworzenia nanofilmu zainspirowała się sama natura. Liście lotosu, zwane także liliami wodnymi, mają przeciwne właściwości nanofilmu: zamiast oleju odpychają wodę. To nie pierwszy raz, kiedy naukowcy obserwowali te niesamowite rośliny ze względu na ich równie niesamowite właściwości. Zaowocowało to na przykład powstaniem materiałów superhydrofobowych w 2003 roku. Jeśli chodzi o nanofilm, badacze próbują stworzyć materiał imitujący powierzchnię lilii wodnych i wzbogacić ją cząsteczkami specjalnego środka czyszczącego. Sama powłoka jest niewidoczna dla ludzkiego oka. Będzie niedrogi w produkcji: około 1 dolara za metr kwadratowy.

Oczyszczacz powietrza dla łodzi podwodnych

Jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek zastanawiał się, jakim rodzajem załogi powietrznych łodzi podwodnych muszą oddychać, z wyjątkiem samych członków załogi. Tymczasem oczyszczenie powietrza z dwutlenku węgla musi nastąpić natychmiast, gdyż podczas jednego rejsu to samo powietrze musi setki razy przechodzić przez lekkie załogi łodzi podwodnej. Do oczyszczania powietrza z dwutlenku węgla stosuje się aminy, które mają bardzo nieprzyjemny zapach. Aby rozwiązać ten problem, stworzono technologię oczyszczania zwaną SAMMS (skrót od Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports). Proponuje zastosowanie specjalnych nanocząstek umieszczonych wewnątrz granulek ceramicznych. Substancja posiada porowatą strukturę, dzięki czemu pochłania nadmiar dwutlenku węgla. Różne rodzaje oczyszczania SAMMS oddziałują z różnymi cząsteczkami w powietrzu, wodzie i glebie, ale wszystkie te opcje oczyszczania są niezwykle skuteczne. Wystarczy jedna łyżka tego porowatego granulatu ceramicznego, aby oczyścić powierzchnię równą jednemu boisku piłkarskiemu.

Nanoprzewodniki

Naukowcy z Northwestern University (USA) odkryli, jak wytworzyć przewodnik elektryczny w nanoskali. Przewodnik ten to twarda i trwała nanocząstka, którą można skonfigurować tak, aby przesyłała prąd elektryczny w różnych przeciwnych kierunkach. Z badań wynika, że każda taka nanocząstka jest w stanie emulować działanie „prostowników, przełączników i diod”. Każda cząstka o grubości 5 nanometrów jest pokryta dodatnio naładowaną substancją chemiczną i otoczona ujemnie naładowanymi atomami. Zastosowanie wyładowania elektrycznego powoduje rekonfigurację ujemnie naładowanych atomów wokół nanocząstek.

Potencjał tej technologii, jak podają naukowcy, jest bezprecedensowy. Na jej podstawie można tworzyć materiały „zdolne do samodzielnego zmieniania się w celu dostosowania do konkretnych zadań obliczeniowych komputera”. Zastosowanie tego nanomateriału faktycznie „przeprogramuje” elektronikę przyszłości. Aktualizacje sprzętu staną się tak proste, jak aktualizacje oprogramowania.

Ładowarka Nanotech

Kiedy to coś zostanie stworzone, nie będziesz już musiał używać żadnych przewodowych ładowarek. Nowa nanotechnologia działa jak gąbka, ale nie wchłania cieczy. Pobiera energię kinetyczną z otoczenia i kieruje ją bezpośrednio do smartfona. Technologia opiera się na zastosowaniu materiału piezoelektrycznego, który wytwarza energię elektryczną pod wpływem naprężeń mechanicznych. Materiał wyposażony jest w nanoskopowe pory, które zamieniają go w elastyczną gąbkę.

Oficjalna nazwa tego urządzenia to „nanogenerator”. Takie nanogeneratory mogą pewnego dnia stać się częścią każdego smartfona na świecie, częścią deski rozdzielczej każdego samochodu, a być może częścią każdej kieszeni ubrania – gadżety będą ładowane bezpośrednio w nim. Ponadto technologia ta ma potencjał do zastosowania na większą skalę, np. w urządzeniach przemysłowych. Tak przynajmniej uważają badacze z Uniwersytetu Wisconsin-Madison, którzy stworzyli tę niesamowitą nanogąbkę.

Sztuczna siatkówka

Izraelska firma Nano Retina opracowuje interfejs, który będzie bezpośrednio łączyć się z neuronami oka i przekazywać wyniki modelowania neuronowego do mózgu, zastępując siatkówkę i przywracając ludziom wzrok.

Nadzieję na powodzenie projektu dał eksperyment na ślepym kurczaku. Nanofilm pozwolił kurczakowi zobaczyć światło. To prawda, że ostatni etap opracowywania sztucznej siatkówki przywracającej ludziom wzrok jest wciąż odległy, ale postęp w tym kierunku nie może się nie cieszyć. Nano Retina nie jest jedyną firmą zajmującą się takimi zmianami, ale to ich technologia wydaje się obecnie najbardziej obiecująca, skuteczna i adaptacyjna. Ostatni punkt jest najważniejszy, gdyż mówimy o produkcie, który będzie wkomponowany w czyjeś oczy. Podobne osiągnięcia wykazały, że materiały stałe nie nadają się do takich celów.

Ponieważ technologia jest rozwijana na poziomie nanotechnologicznym, eliminuje użycie metalu i drutów, a także pozwala uniknąć niskiej rozdzielczości symulowanego obrazu.

Świecące ubrania

Naukowcy z Szanghaju opracowali odblaskowe nici, które można wykorzystać w produkcji odzieży. Podstawą każdej nici jest bardzo cienki drut ze stali nierdzewnej, który jest pokryty specjalnymi nanocząsteczkami, warstwą polimeru elektroluminescencyjnego i ochronną powłoką z przezroczystych nanorurek. Rezultatem są bardzo lekkie i elastyczne nici, które mogą świecić pod wpływem własnej energii elektrochemicznej. Jednocześnie działają przy znacznie niższej mocy w porównaniu do konwencjonalnych diod LED.

Wadą tej technologii jest to, że „rezerwa światła” nici wystarcza jeszcze tylko na kilka godzin. Twórcy materiału optymistycznie wierzą jednak, że będą w stanie zwiększyć „zasoby” swojego produktu co najmniej tysiąckrotnie. Nawet jeśli im się to uda, rozwiązanie innego niedociągnięcia pozostaje wątpliwe. Najprawdopodobniej nie będzie można prać ubrań opartych na takich nanorurkach.

Nanoigły do odbudowy narządów wewnętrznych

Nanoplastry, o których mówiliśmy powyżej, zostały zaprojektowane specjalnie w celu zastąpienia igieł. Co by było, gdyby same igły miały rozmiar zaledwie kilku nanometrów? Jeśli tak, mogliby zmienić nasze rozumienie chirurgii lub przynajmniej znacząco je ulepszyć.

Niedawno naukowcy przeprowadzili udane testy laboratoryjne na myszach. Za pomocą maleńkich igieł badacze byli w stanie wprowadzić kwasy nukleinowe do ciał gryzoni, promując regenerację narządów i komórek nerwowych, a tym samym przywracając utraconą wydajność. Gdy igły spełnią swoją funkcję, pozostają w organizmie i po kilku dniach ulegają w nim całkowitemu rozkładowi. Jednocześnie naukowcy nie stwierdzili żadnych skutków ubocznych podczas operacji przywracania naczyń krwionośnych w mięśniach grzbietu gryzoni przy użyciu tych specjalnych nanoigieł.

Jeśli weźmiemy pod uwagę przypadki ludzi, takie nanoigły można wykorzystać do dostarczenia do organizmu człowieka niezbędnych leków, np. przy przeszczepianiu narządów. Specjalne substancje przygotują otaczające tkanki wokół przeszczepionego narządu do szybkiego powrotu do zdrowia i wyeliminują możliwość odrzucenia.

Druk chemiczny 3D

Chemik z Uniwersytetu Illinois, Martin Burke, to Willy Wonka chemii. Wykorzystując zbiór cząsteczek „materiału budowlanego” do różnych celów, może stworzyć ogromną liczbę różnych substancji chemicznych obdarzonych najróżniejszymi „niesamowitymi, a jednocześnie naturalnymi właściwościami”. Na przykład jedną z takich substancji jest ratanina, którą można znaleźć tylko w bardzo rzadkim peruwiańskim kwiacie.

Potencjał syntezy substancji jest tak ogromny, że umożliwi wytworzenie cząsteczek stosowanych w medycynie, przy tworzeniu diod LED, ogniw baterii słonecznych i tych pierwiastków chemicznych, których synteza nawet najlepszym chemikom na świecie zajmowała lata.

Możliwości obecnego prototypu chemicznej drukarki 3D są nadal ograniczone. Potrafi jedynie tworzyć nowe leki. Burke ma jednak nadzieję, że pewnego dnia uda mu się stworzyć konsumencką wersję swojego niesamowitego urządzenia, które będzie miało znacznie większe możliwości. Całkiem możliwe, że w przyszłości takie drukarki będą pełnić rolę swego rodzaju domowych farmaceutów.

Czy nanotechnologia stwarza zagrożenie dla zdrowia ludzi i środowiska?

Niektórzy komentatorzy sugerowali również, że powszechne stosowanie nanotechnologii może prowadzić do zagrożeń społecznych i etycznych. Na przykład zastosowanie nanotechnologii zapoczątkowuje nową rewolucję przemysłową, co doprowadzi do utraty miejsc pracy. Co więcej, nanotechnologia może zmienić koncepcję człowieka, gdyż jej zastosowanie pomoże przedłużyć życie i znacznie zwiększyć odporność organizmu. „Nikt nie może zaprzeczyć, że powszechne przyjęcie telefonów komórkowych i Internetu spowodowało ogromne zmiany w społeczeństwie” – mówi Kristen Kulinowski. „Kto odważy się powiedzieć, że w nadchodzących latach nanotechnologia nie będzie miała większego wpływu na społeczeństwo?”

Miejsce Rosji wśród krajów rozwijających i produkujących nanotechnologie

Istnieją obszary nanotechnologii, w których rosyjscy naukowcy jako pierwsi na świecie uzyskali wyniki, które położyły podwaliny pod rozwój nowych trendów naukowych.

Należą do nich produkcja ultradyspersyjnych nanomateriałów, projektowanie urządzeń jednoelektronowych, a także prace z zakresu sił atomowych i mikroskopii z sondami skanującymi. Dopiero na specjalnej wystawie zorganizowanej w ramach XII Forum Ekonomicznego w Petersburgu (2008) zaprezentowano jednocześnie 80 konkretnych wydarzeń. Rosja produkuje już szereg nanoproduktów, na które jest zapotrzebowanie na rynku: nanomembrany, nanoproszki, nanorurki. Jednak zdaniem ekspertów pod względem komercjalizacji osiągnięć nanotechnologicznych Rosja pozostaje o dziesięć lat w tyle za Stanami Zjednoczonymi i innymi krajami rozwiniętymi.

Nanotechnologia w sztuce

Wiele prac amerykańskiej artystki Natashy Vita-Mor porusza tematykę nanotechnologii.

W sztuce współczesnej pojawił się nowy kierunek: „nanoart” (nanoart) - rodzaj sztuki związany z tworzeniem przez artystę rzeźb (kompozycji) o rozmiarach mikro i nano (odpowiednio 10-6 i 10-9 m) pod wpływem chemicznych lub fizycznych procesów obróbki materiałów, fotografowanie powstałych nanoobrazów za pomocą mikroskopu elektronowego i obróbka czarno-białych fotografii w edytorze graficznym.

W znanym dziele rosyjskiego pisarza N. Leskowa „Lefty” (1881) znajduje się ciekawy fragment: „Gdyby – mówi – „był lepszy mikroskop, który powiększa pięć milionów, to raczyłbyś” – mówi – „aby zobaczyć, że na każdej podkowie widnieje nazwisko rzemieślnika: który rosyjski mistrz wykonał tę podkowę”. Powiększenie 5 000 000 razy zapewniają nowoczesne mikroskopy elektronowe i mikroskopy sił atomowych, uważane za główne narzędzia nanotechnologii. Tym samym bohatera literackiego Lefty’ego można uznać za pierwszego „nanotechnologa” w historii.

Idee zaprezentowane przez Feynmana w jego wykładzie „There's a Lot of Room Down There” z 1959 r. na temat tworzenia i używania nanomanipulatorów pokrywają się tekstowo z opowiadaniem science fiction „Mikrorukki” słynnego radzieckiego pisarza Borysa Żitkowa, opublikowanym w 1931 r. O negatywnych konsekwencjach niekontrolowanego rozwoju nanotechnologii można przeczytać w pracach M. Crichtona („Rój”), S. Lema („Kontrola na miejscu” i „Pokój na ziemi”), S. Łukjanienki („Nic do Dzielić").

Główny bohater powieści „Transman” Yu Nikitiny jest szefem korporacji nanotechnologicznej i pierwszą osobą, która doświadczyła działania nanorobotów medycznych.

W serialach science fiction Stargate SG-1 i Stargate Atlantis jednymi z najbardziej zaawansowanych technologicznie ras są dwie rasy „replikatorów”, które powstały w wyniku nieudanych eksperymentów wykorzystujących i opisujących różne zastosowania nanotechnologii. W Dniu, w którym zatrzymała się Ziemia, z Keanu Reevesem w roli głównej, obca cywilizacja skazuje ludzkość na śmierć i prawie niszczy wszystko na planecie za pomocą samoreplikujących się nanoreplikujących robaków, które pożerają wszystko na swojej drodze.

1. Definicje i terminologia

2. Nanotechnologia: historia powstania i rozwoju

3. Podstawy

Mikroskopia z sondą skanującą

Nanomateriały

Nanocząstki

Samoorganizacja nanocząstek

Problem powstawania aglomeratów

Mikro- i nanokapsułki

Czujniki i analizatory nanotechnologii

4. Aplikacje nanotechnologia

Medycyna i biologia

W branży motoryzacyjnej

Rolnictwo

Ekologia

Eksploracja kosmosu

Cybernetyka

5. Stosunek społeczeństwa do nanotechnologii

Nanotechnologia to interdyscyplinarna dziedzina nauki i technologii podstawowej i stosowanej, zajmująca się zespołem uzasadnień teoretycznych, praktycznymi metodami badań, analiz i syntezy, a także metodami wytwarzania i stosowania produktów o danej strukturze atomowej poprzez kontrolowaną manipulację poszczególne atomy i cząsteczki.

Nanotechnologia to technologia badania obiektów w skali nanometrowej i pracy z obiektami rzędu nanometra (jedna milionowa milimetra), co jest porównywalne z wielkością pojedynczych cząsteczek i atomów.

Definicje i terminologia

W Komitecie Technicznym ISO/TC 229 nanotechnologia oznacza:

znajomość i kontrola procesów, zazwyczaj w skali 1 nm, ale nie wyłączając skali poniżej 100 nm, w jednym lub kilku wymiarach, gdzie wprowadzenie efektu wielkości (zjawiska) prowadzi do możliwości nowych zastosowań;

wykorzystanie właściwości przedmiotów i materiałów w skali nanometrowej, różniących się od właściwości wolnych atomów lub cząsteczek, a także od właściwości masowych substancji składającej się z tych atomów lub cząsteczek, do tworzenia bardziej zaawansowanych materiałów, urządzeń, układów które realizują te właściwości.

Zgodnie z „Koncepcją rozwoju w Rosji Pracuje w dziedzinie nanotechnologii do roku 2010” (2004) nanotechnologię definiuje się jako zespół metod i technik zapewniających możliwość tworzenia i modyfikowania obiektów w sposób kontrolowany, w tym elementów o wymiarach mniejszych niż 100 nm, przynajmniej w jednym wymiarze, i w rezultacie uzyskanie zasadniczo nowych właściwości, które pozwalają na ich integrację z w pełni funkcjonującymi systemami o większej skali.

Praktyczny aspekt nanotechnologii obejmuje produkcję urządzeń i ich komponentów potrzebnych do tworzenia, przetwarzania i manipulowania atomami, cząsteczkami i nanocząstkami. Rozumie się, że obiekt niekoniecznie musi mieć przynajmniej jeden rozmiar liniowy mniejszy niż 100 nm – mogą to być makroobiekty, których budowa atomowa jest kontrolowana w sposób kontrolowany z rozdzielczością na poziomie poszczególnych atomów, lub mogą zawierać nanoobiekty. W szerszym znaczeniu termin ten obejmuje także metody diagnozy, charakterystyki i badań tego typu obiektów.

Nanotechnologie różnią się jakościowo od dyscyplin tradycyjnych, ponieważ w takich skalach zwykłe, makroskopowe technologie postępowania z materią często nie mają zastosowania, a zjawiska mikroskopowe, pomijalnie słabe w skalach konwencjonalnych, nabierają znacznie większego znaczenia: właściwości i interakcje poszczególnych atomów i cząsteczek lub agregatów cząsteczek (np. siły Van -der Waalsa), efekty kwantowe.

Nanotechnologia, a zwłaszcza technologia molekularna, to nowe, bardzo mało zbadane dyscypliny. Główne odkrycia przewidywane w tym obszarze nie zostały jeszcze dokonane. Jednak trwające badania przynoszą już praktyczne rezultaty. Wykorzystanie zaawansowanych osiągnięć nauki w nanotechnologii pozwala zaliczyć ją do wysokich technologii.

Rozwój nowoczesnej elektroniki podąża drogą zmniejszania rozmiarów urządzeń. Z kolei klasyczne metody produkcji zbliżają się do swojej naturalnej bariery ekonomiczno-technologicznej, gdy wielkość urządzenia nie zmniejsza się znacząco, a ekonomiczna wzrasta wykładniczo. Nanotechnologia to kolejny logiczny krok w rozwoju elektroniki i innych gałęzi przemysłu zaawansowanych technologii.

Nanotechnologia jest logiczną kontynuacją i rozwinięciem mikrotechnologii.

Mikrotechnologia, połączenie nauki badającej mikroobiekty i technologię praca z obiektami rzędu mikrometra (tysięcznej części milimetra), stał się podstawą do stworzenia nowoczesnej mikroelektroniki. Telefony komórkowe, komputery, Internet, różnorodna elektronika domowa, przemysłowa i konsumencka, wszystko to zmieniło nie do poznania zarówno świat, jak i ludzi.

Nanotechnologia zmieni świat równie mocno. Nanotechnologia wymaga bardzo dużej mocy obliczeniowej do symulacji zachowania atomów oraz precyzyjnych urządzeń elektrycznych i mechanicznych do układania atomów i cząsteczek różnych materiałów w nowy sposób. W ten sposób powstaje nowa materia. Po raz pierwszy w historii cywilizacji powstają materiały o nowych, potrzebnych człowiekowi właściwościach. Wymieńmy tylko kilka z nich. To przezroczysty i elastyczny materiał o lekkości tworzywa sztucznego i twardości stali, elastyczna powłoka z tworzywa sztucznego, jaką jest bateria słoneczna, materiał na elektrodę akumulatora elektrycznego, który jest dziesiątki i setki razy mocniejszy od zwykłej .

Już na współczesnym poziomie nanotechnologia pozwala uzyskać elastyczne ekrany z tworzyw sztucznych o grubości kartki papieru i jasności nowoczesnego monitora, kompaktową elektronikę opartą na związkach węgla, o wymiarach i energochłonności setki razy niższych od współczesnych. Nanotechnologia to także lekkie i elastyczne materiały konstrukcyjne i budowlane, wysokowydajne filtry powietrza i wody, leki i kosmetyki działające na głębszym poziomie, szybkie obniżenie kosztów lotów kosmicznych i wiele, wiele więcej.

Jak dotąd wszystkie materiały nanotechnologiczne są bardzo drogie. Jednak podobnie jak w przypadku branży komputerowej, masowa produkcja doprowadzi do dramatycznych kompromisów cenowych. W niewidzialnej walce o zyski i wpływy, jakie daje nanotechnologia, głównymi spekulantami są Stany Zjednoczone i Rosja. Izrael, kraje europejskie i Państwa Ameryka Łacińska szybko zwiększa swój potencjał w tym obszarze.

Niestety, pomimo istnienia dobrej bazy naukowej i dużego kapitału prywatnego, ukraiński rozwój nauki i produkty stosowane są słabo reprezentowane na świecie.

Krajowe programy naukowe w zakresie nanotechnologii mają szczególne znaczenie dla rozwoju nanotechnologii. Opracowano ponad 50 Państwa ogłosiły uruchomienie własnych programów nanotechnologicznych.

Nanotechnologia: historia powstania i rozwoju

Richard Feynman zasugerował, że możliwe byłoby mechaniczne przemieszczanie pojedynczych atomów za pomocą manipulatora o odpowiedniej wielkości, przynajmniej tej wielkości proces nie byłoby sprzeczne z obecnie znanymi prawami fizycznymi.

Zasugerował wykonanie tego manipulatora w następujący sposób. Konieczne jest zbudowanie mechanizmu, który stworzyłby swoją kopię, tylko o rząd wielkości mniejszą. Utworzony mniejszy mechanizm musi ponownie stworzyć swoją kopię, znowu o rząd wielkości mniejszą i tak dalej, aż wymiary mechanizmu będą współmierne do wymiarów rzędu jednego atomu. W tym przypadku konieczne będzie dokonanie zmian w strukturze tego mechanizmu, gdyż siły grawitacyjne działające w makrokosmosie będą miały coraz mniejszy wpływ, a siły oddziaływań międzycząsteczkowych i siły van der Waalsa będą w coraz większym stopniu wpływać na działanie Mechanizm. Ostatni etap - powstały mechanizm złoży swoją kopię z poszczególnych atomów. W zasadzie ilość takich egzemplarzy jest nieograniczona, w krótkim czasie możliwe będzie stworzenie dowolnej liczby takich maszyn. Maszyny te będą mogły składać makro-rzeczy w ten sam sposób, poprzez montaż atomowy. Dzięki temu będzie znacznie taniej – takim robotom (nanorobotom) trzeba będzie dostarczyć jedynie wymaganą ilość cząsteczek i energii oraz napisać program, który złoży potrzebne elementy. Jak dotąd nikt nie był w stanie obalić tej możliwości, ale nikomu nie udało się jeszcze stworzyć takich mechanizmów. Tak R. Feynman opisał swojego rzekomego manipulatora:

Myślę o stworzeniu systemu sterowanego elektrycznie, wykorzystującego konwencjonalnie produkowane „roboty usługowe” w postaci czterokrotnie mniejszych kopii „ręk operatora”. Takie mikromechanizmy będą mogły z łatwością wykonywać operacje w zmniejszonej skali. Mówię o maleńkich robotach wyposażonych w serwomotory i małe „ramiona”, które potrafią dokręcić równie małe śruby i nakrętki, wywiercić bardzo małe otwory itp. Krótko mówiąc, będą w stanie wykonać całą pracę w skali 1:4. Aby to zrobić, niezbędne mechanizmy, narzędzia i ramiona manipulacyjne muszą być najpierw wykonane do jednej czwartej zwykłego rozmiaru (w rzeczywistości jest jasne, że oznacza to zmniejszenie wszystkich powierzchni styku 16-krotnie). W końcowym etapie urządzenia te zostaną wyposażone w serwomotory (o 16-krotnie zmniejszonej mocy) i podłączone do konwencjonalnego elektrycznego układu sterowania. Dzięki temu będziesz mógł używać ramion manipulatora, które są 16 razy mniejsze! Zakres zastosowania takich mikrorobotów, a także mikromaszyn może być dość szeroki – od operacji chirurgicznych po transport i przetwarzanie materiałów radioaktywnych. Mam nadzieję, że zasada proponowanego programu, a także nieoczekiwane problemy i ekscytujące możliwości z nim związane są jasne. Co więcej, możesz pomyśleć o możliwości dalszego znacznego zmniejszenia skali, co oczywiście będzie wymagało dalszych zmian i modyfikacji projektu (nawiasem mówiąc, na pewnym etapie być może będziesz musiał porzucić „ręce” zwykłego kształtu ), ale umożliwi produkcję nowych, znacznie bardziej zaawansowanych urządzeń opisywanego typu. Nic nie stoi na przeszkodzie, abym to kontynuował proces i twórz tyle małych maszyn, ile chcesz, ponieważ nie ma żadnych ograniczeń związanych z rozmieszczeniem maszyn i zużyciem materiałów. Ich objętość będzie zawsze znacznie mniejsza niż objętość prototypu. Łatwo policzyć, że całkowita objętość 1 miliona maszyn zmniejszona 4000 razy (a tym samym masa materiałów użytych do produkcji) będzie mniejsza niż 2% objętości i masy konwencjonalnej maszyny o normalnych wymiarach.

Oczywiste jest, że to natychmiast usuwa problem koszt materiały. W zasadzie możliwe byłoby zorganizowanie milionów identycznych miniaturowych fabryk, w których maleńkie maszyny w sposób ciągły wierciłyby otwory, stemplowały części itp. W miarę zmniejszania się będziemy stale napotykać bardzo niezwykłe zjawiska fizyczne. Wszystko, co spotykasz w życiu, zależy od czynników o dużej skali. Dodatkowo istnieje również problem „sklejania się” materiałów pod wpływem sił oddziaływań międzycząsteczkowych (tzw. sił van der Waalsa), co może prowadzić do efektów nietypowych w skali makroskopowej. Przykładowo nakrętka po odkręceniu nie oddzieli się od śruby, a w niektórych przypadkach „przyklei się” ściśle do powierzchni itp. Istnieje kilka problemów fizycznych tego typu, o których należy pamiętać przy projektowaniu i budowaniu mechanizmów mikroskopowych.

W trakcie teoretycznych badań tej możliwości wyłoniły się hipotetyczne scenariusze zagłady, które zakładają, że nanoroboty pochłoną całą biomasę Ziemi, realizując swój program samoreprodukcji (tzw. „szara maź” lub „szara zawiesina”).

Terminu „nanotechnologia” użył po raz pierwszy Norio Taniguchi w 1974 r. Użył tego terminu do opisania produkcji przedmiotów handlowych o rozmiarach rzędu nanometrów. W latach 80. Eric K. Drexler użył tego terminu, zwłaszcza w swojej książce Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology z 1986 roku. Użył tego określenia na określenie nowego obszaru nauki, który zgłębiał w swojej rozprawie doktorskiej w Massachusetts Institute of Technology (MIT). Następnie opublikował wyniki swoich badań w książce Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation. Obliczenia matematyczne odegrały główną rolę w jego badaniach, ponieważ za ich pomocą nadal można analizować hipotetyczne właściwości i opracowywać urządzenia o wymiarach rzędu nanometrów.

Zasadniczo rozważa się obecnie możliwość mechanicznej manipulacji cząsteczkami i stworzenia samoreplikujących się manipulatorów do tych celów.

Jak już powiedziano, umożliwi to wielokrotne obniżenie kosztów istniejących produktów i stworzenie zasadniczo nowych, rozwiązując wszystkie istniejące problemy środowiskowe. Manipulatory takie mają także ogromny potencjał medyczny: są w stanie naprawić uszkodzone komórki ludzkie, co faktycznie prowadzi do prawdziwej technicznej nieśmiertelności człowieka. Z drugiej strony powstanie nanomanipulatorów może doprowadzić do powstania scenariusza „szarego osadu”. Sugerują także możliwy scenariusz, w którym pewna grupa ludzi uzyska pełną kontrolę nad takim manipulatorem i użyje go do całkowitego ugruntowania swojej pozycji wobec innych ludzi. Jeśli ten scenariusz się spełni, wynik będzie idealny, którego najwyraźniej nie będzie można zniszczyć.

Najbardziej kompletną definicję NT podano w materiałach krajowej inicjatywy nanotechnologicznej USA:

NT - badania naukowe i rozwój technologiczny na poziomie atomowym, molekularnym lub makromolekularnym w skali subnanometrowej wzdłuż jednej lub większej liczby współrzędnych w celu zapewnienia podstawowego zrozumienia zjawisk i właściwości materiałów w takich wymiarach oraz do wytwarzania i stosowania konstrukcji, urządzeń i systemy, które dzięki swoim niewielkim rozmiarom zyskują nowe właściwości i funkcje.

Jednocześnie praca pokazuje, że podwaliny NT położono w drugiej połowie XIX wieku w związku z rozwojem chemii koloidalnej. W 1857 r. M. Faraday jako pierwszy uzyskał stabilne roztwory koloidalne (zole) złota o barwie czerwonej. W 1861 r. T. Grahamowi udało się koagulować zole i przekształcić je w żele. Wprowadził także podział substancji ze względu na stopień rozproszenia struktury na koloidalne (amorficzne) i krystaloidalne (krystaliczne).

Stan krystaliczny lub amorficzny substancji zależy przede wszystkim od jej własnych właściwości, a następnie od warunków, w jakich następuje przejście do stanu stałego.

W 1869 r. chemik I. Borszczow postawił hipotezę, że w zależności od warunków substancję można otrzymać zarówno w stanie krystalicznym (z tendencją do tworzenia kryształów), jak i koloidalnym (amorficznym). Odpowiednio zmieniając warunki przejścia substancji w stan stały, można otrzymać substancje typowo amorficzne (guma, klej, szkło) w stanie krystalicznym i odwrotnie, otrzymać substancje typowo krystaliczne (metale i sól kuchenna). w stanie amorficznym (szklistym).

Ponieważ w XIX wieku istniały jedynie mikroskopy optyczne do obserwacji obiektów i pomiaru ich rozmiarów, które nie pozwalały na wykrycie cząstek w roztworach koloidalnych i ziaren w substancjach koloidalnych, substancjach o ultrawysokim stopniu dyspersji, cząstkach, włóknach, ziarnach i filmach których nie można wykryć w mikroskopach optycznych o rozdzielczości 300 nm przy użyciu światła białego i 150 nm przy użyciu światła ultrafioletowego.

W 1892 r. D. Iwanowski odkrył pierwszą biologiczną cząsteczkę koloidalną, wirusa mozaiki tytoniowej, a w 1901 r. W. Reed wyizolował pierwszego ludzkiego wirusa, wirusa żółtej febry. Należy zauważyć, że wirusy mają charakterystyczne rozmiary od 40 do 80 nm.

W 1903 roku R. Zsigmondy i R. Siedentopf wynaleźli ultramikroskop optyczny, który miał rozdzielczość do 5 nm i umożliwiał obserwację cząstek koloidalnych. Ultramikroskop zbudowany jest na zasadzie obserwacji w świetle odbitym, dzięki czemu widoczne stają się mniejsze obiekty niż w zwykłym mikroskopie. Za pomocą ultramikroskopu R. Zsigmondy'ego udało się ustalić, że w roztworach koloidalnych (zolach) złoto cząsteczki żółte mają wielkość 20 nm, czerwone – 40 nm, a niebieskie – 100 nm.

W 1904 roku P. Weymarn ustalił: Pomiędzy światem molekuł a mikroskopijnie widocznymi cząsteczkami istnieje szczególna forma materii, posiadająca kompleks nowych właściwości fizykochemicznych – stan ultradyspersyjny lub koloidalny, powstający, gdy stopień jej rozproszenia wynosi w zakresie 105-107 cm-1, w którym folie mają grubość, a włókna i cząstki mają średnicę w zakresie 1,0-100 nm.

Klasyfikację stanu substancji ze względu na stopień rozproszenia podano w tabeli 1. Można zauważyć, że stan koloidalny jest niezwykle silnie rozproszonym lub ultradyspersyjnym stanem substancji.

Wszystkie układy rozproszone są heterogeniczne, ponieważ składają się z ciągłej fazy ciągłej - ośrodka dyspersyjnego i znajdujących się w nim rozdrobnionych cząstek - fazy rozproszonej. Warunkiem ich istnienia jest wzajemna nierozpuszczalność fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego.

Układy koloidalne często nazywane są ultramikroheterogenicznymi, aby podkreślić, że rozdziału faz w nich nie można wykryć za pomocą mikroskopów optycznych. Jeżeli cząstki fazy rozproszonej mają tę samą wielkość, układy nazywane są monodyspersyjnymi, a jeśli są różne, to nazywane są układami polidyspersyjnymi.

Właściwości substancji i materiałów zależą od ich struktury, charakteryzującej się wzajemnie połączonymi poziomami, które wpływają na te właściwości.

Pierwszy poziom budowy nazywa się krystalicznym i charakteryzuje przestrzenne rozmieszczenie atomów, jonów i cząsteczek w sieci krystalicznej ciała stałego, na które mogą mieć wpływ defekty punktowe (wakacje, atomy w szczelinach, atomy obce). Defekty punktowe są ruchome i w dużej mierze determinują właściwości dyfuzyjne i elektryczne materiałów, zwłaszcza półprzewodników.

Drugi poziom związany jest z obecnością w ciele stałym różnych liniowych i płaskich defektów strukturalnych (dyslokacji), których liczba na jednostkę objętości wzrasta pod wpływem obciążeń mechanicznych, prowadząc do pojawienia się naprężeń wewnętrznych w materiale. Podobnie jak defekty punktowe, dyslokacje są ruchome, a ich gęstość i zdolność do poruszania się w bryle determinują właściwości mechaniczne materiałów, zwłaszcza metale.

Trzeci poziom struktury to defekty objętościowe, takie jak pory i kapilary, które mogą powstawać w materiałach podczas ich formowania lub użytkowania. Są one związane z brakiem pewnych obszarów ciała stałego.

Wszystkie substancje w stanie stałym można podzielić na roztwory monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne (lub nanokrystaliczne) i stałe molekularne.

Jeśli uporządkowany układ cząstek (atomów, cząsteczek lub jonów) odbity przez komórkę elementarną zostanie zachowany w całej objętości ciała stałego, wówczas powstają monokryształy.

Jeżeli w makroskopowych (>100 µm) i mikroskopijnych (>0,1 µm) obszarach ciała stałego zachowany jest porządek struktury, wówczas tworzą się substancje polikrystaliczne z tzw. krystalitami lub ziarnami krystalitów o odpowiednich rozmiarach i przestrzennie źle zorientowane względem siebie sieci krystaliczne.

Do połowy lat 80. XX wieku uważano, że w substancjach amorficznych brakuje uporządkowanego układu cząstek. Jednakże badania przeprowadzone z wykorzystaniem wysokorozdzielczej transmisji elektronów, skaningowego mikroskopu tunelowego i mikroskopów sił atomowych, zwłaszcza na szkiełkach metalowych, umożliwiły wykrycie w substancjach amorficznych krystalitów lub ziaren o rozmiarach rzędu subnanometrów.

Zatem substancje i materiały amorficzne charakteryzują się ultradyspersyjnym (koloidalnym) stopniem fragmentacji ziaren fazy krystalicznej i można je nazwać nanokrystalicznymi.

W molekularnych roztworach stałych, podobnie jak w roztworach ciekłych, zwykle nazywanych roztworami prawdziwymi lub po prostu roztworami, rozproszona substancja jest równomiernie mieszana z cząsteczkami ośrodka dyspersyjnego na poziomie molekularnym. Dlatego molekularne roztwory stałe i ciekłe, które nie mają faz ani powierzchni międzyfazowych, są układami jednorodnymi.

Stan krystaliczny substancji jest zawsze bardziej stabilny niż stan amorficzny (nanokrystaliczny), dlatego możliwe jest samoistne przejście ze stanu amorficznego do krystalicznego, ale sytuacja odwrotna nie jest możliwa. Przykładem jest dewitryfikacja – spontaniczna krystalizacja szkła w podwyższonych temperaturach.

Układy rozproszone, w tym koloidalne, klasyfikuje się ze względu na stopień dyspersji, stan agregacji fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego, intensywność oddziaływań między nimi, brak lub powstawanie struktur.

Różnorodność układów koloidalnych wynika z faktu, że tworzące je fazy mogą znajdować się w dowolnym z trzech stanów skupienia; mają charakter nieorganiczny, organiczny i biologiczny. W zależności od stanu skupienia fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego możliwych jest 9 typów układów rozproszonych:

Zh1 - G2, Zh1 - Z2, Zh1 - T2,

T1 - G2, T1 - G2, T1 - T2,

G1 - G2, G1 - T2, T1(F1) - T1(F2),

gdzie G, F i T oznaczają stany gazowy, ciekły i stały, a liczby 1 i 2 odnoszą się odpowiednio do fazy rozproszonej i ośrodka dyspersyjnego. W przypadku tego ostatniego typu układu dyspersyjnego F1 i F2 oznaczają różne fazy (modyfikacje polimorficzne) stanu stałego jednej substancji.

W gazowym ośrodku dyspersyjnym można dyspergować tylko ciecze i ciała stałe, ponieważ wszystkie gazy rozpuszczają się w sobie w nieskończoność pod niezbyt wysokim ciśnieniem.

Układy rozproszone z gazowym ośrodkiem dyspersyjnym nazywane są aerozolami. Mgły to aerozole z ciekłą fazą rozproszoną (L1 - G2), natomiast dymy to aerozole z fazą stałą rozproszoną (T1 - G2). Najprostszym przykładem aerozolu jest dym tytoniowy, którego średnia wielkość cząstek wynosi 250 nm, natomiast sadza lub popiół wulkaniczny może mieć wielkość cząstek mniejszą niż 100 nm, a ich aerozole należą do układów ultradrobnych (koloidalnych).

Gazy, ciecze i ciała stałe mogą być rozproszone w ciekłym ośrodku dyspersyjnym. Pianki są dyspersją gazu w cieczy (G1 - G2). Emulsje to układy rozproszone, w których jedna ciecz jest rozdrabniana na inną ciecz, która jej nie rozpuszcza (L1 - L2). Największe znaczenie dla chemii i biologii mają układy koloidalne, w których ośrodkiem dyspersyjnym jest faza ciekła, a fazą rozproszoną jest ciało stałe (T1 - L2), zwane roztworami lub zolami koloidalnymi, często liozolami. Jeśli ośrodkiem dyspersyjnym jest woda, wówczas takie zole nazywane są hydrozolami, a jeśli są cieczą organiczną, to nazywane są organozolami. Roztwory koloidalne są bardzo ważne, gdyż wiąże się z nimi wiele procesów zachodzących w organizmach żywych.

Gazy, ciecze i ciała stałe mogą być rozproszone w stałym ośrodku dyspersyjnym. Układy (G1 - T2) nazywane są pianami stałymi lub układami z dyspersją kapilarną, w których gaz występuje w postaci oddzielnych zamkniętych komórek oddzielonych stałym ośrodkiem dyspersyjnym. Pianki stałe obejmują styropian, piankę betonową, pumeks, żużel, metale z udziałem gazów, różnych materiałów porowatych (węgiel aktywny, żel krzemionkowy, drewno), a także membran i przepon, włókien kryształów fotonicznych, skóry, papieru, tkanin.

Układ (G1 - T2) obejmuje szeroką klasę hydratów krystalicznych - kryształów zawierających cząsteczki wody krystalizacyjnej. Typowymi hydratami krystalicznymi jest wiele naturalnych minerałów, np. gips CaSO4∙2H2O, karnalit MgCl2∙KCl∙6H2O, ałun potasowy KAl(SO4)2·12H2O.

Duże znaczenie praktyczne mają układy rozproszone typu (T1 - T2), które obejmują najważniejsze materiały budowlane, kompozycje metalowo-ceramiczne, niektóre stopy, emalie, szereg minerałów, w szczególności niektóre kamienie szlachetne i półszlachetne, wiele skał w którym kryształy uwolniły się po zestaleniu magmy.

Szkła kolorowe powstają w wyniku dyspersji nanocząstek metali lub ich tlenków w szkle krzemianowym. Emalie to szkła krzemianowe z dodatkiem pigmentów SnO2, TiO2 i ZrO2, które nadają emaliom nieprzezroczystość i kolor.

Zatem koloidy nie są rozumiane jako odrębna klasa substancji, ale jako szczególny stan dowolnej substancji, charakteryzujący się przede wszystkim określoną wielkością cząstek. Przez nanostrukturyzację ciała stałego należy rozumieć przejście substancji lub materiału w stan koloidalny (ultradyspersyjny), tj. powstawanie w strukturze faz fizycznych lub chemicznych o rozmiarach subnanometrowych, które można uznać za swoiste nanocząstki oddzielone od reszty struktury interfejsami.

Takimi nanocząstkami, oprócz nanoproszków rozproszonych mechanicznie, są:

Ziarna nanokrystaliczne;

Fazy polimorficzne wielkości nano;

Defekty strukturalne o wielkości nano (nanobloki);

Nanostruktury powierzchniowe (wgłębienia, występy, rowki, ścianki);

Nanostruktury wolumetryczne (pory i kapilary);

Nanofazy chemiczne obcych atomów lub cząsteczek, utworzone na ich powierzchni lub w objętości, mające kształt włóknisty lub korpuskularny;

Nanostruktury powstałe w wyniku fizycznego lub chemicznego osadzania się z fazy gazowej lub ciekłej (fulereny, nanorurki węglowe);

Warstwy nanosubstancji utworzone w okresowej sekwencji;

Makrocząsteczki, zespoły wielocząsteczkowe, błony molekularne, kompleksy molekularne typu „gospodarz-gość” (obecność rozkładu wielkości jest cechą odróżniającą nanocząstki od makrocząsteczek); nano-wymiarowe i nanostrukturalne struktury biologiczne (wirusy, białka, geny, białka, chromosomy, cząsteczki DNA i RNA).

Stan koloidalny substancji jest jakościowo specjalną formą jej istnienia z kompleksem nieodłącznych właściwości fizykochemicznych. Z tego powodu dziedzina nauk przyrodniczych badająca obiektywne prawa fizyczne i chemiczne heterogenicznego ultradyspersyjnego stanu materii, związków wielkocząsteczkowych ( polimery, związki złożone i zespoły molekularne) oraz powierzchnie międzyfazowe, uformowały się na początku XX wieku w samodzielną dyscyplinę – chemię koloidalną.

Szybki rozwój chemii koloidalnej wynika z ogromnego znaczenia zjawisk i procesów badanych przez tę naukę w różnych obszarach praktyki człowieka. Tak pozornie zupełnie różne obszary jak procesy życiowe organizmów, powstawanie wielu minerałów, struktura i produktywność gleb są ściśle powiązane z koloidalnym stanem materii. Chemia koloidalna jest również podstawą naukową wskaźników produkcji przemysłowej wielu materiałów.

Wraz z rozwojem środków technicznych wytwarzania i manipulacji nanoobiektami, a także metod ich badania, w chemii koloidów zaczęły pojawiać się bardziej wyspecjalizowane dyscypliny, takie jak chemia polimery i chemia fizyczna powierzchni (koniec lat pięćdziesiątych), chemia supramolekularna (koniec lat siedemdziesiątych).

Badanie i badanie nanowymiarowych i nanostrukturalnych struktur biologicznych (białek, genów, chromosomów, białek, aminokwasów, DNA, RNA), które są przedmiotem biologii układów ultradyspersyjnych, doprowadziło do powstania wirusologii w latach 30-50 XX wieku, biologii molekularnej, a w ostatniej ćwierci XX wieku genetyki i immunochemii.

Jeżeli wymiary materiału w przynajmniej jednym wymiarze są mniejsze od długości krytycznych charakteryzujących wiele zjawisk fizycznych, materiał taki uzyskuje nowe, unikalne właściwości fizyczne i chemiczne o charakterze mechaniki kwantowej, które są badane i wykorzystywane do tworzenia nowych urządzeń przez fizyka struktur niskowymiarowych, która jest najdynamiczniej rozwijającą się dziedziną współczesnych ciał stałych.

Wynikiem badań układów niskowymiarowych (studni kwantowych, drutów i kropek) było odkrycie zasadniczo nowych zjawisk - całkowitego i ułamkowego kwantowego efektu Halla w dwuwymiarowym gazie elektronowym, krystalizacji Wignera quasi-dwuwymiarowych elektronów i dziury, odkrycie nowych złożonych kwazicząstek i wzbudzenia elektroniczne ładunkami ułamkowymi.

Dziedzina chemii koloidów, która bada procesy deformacji, niszczenia i powstawania materiałów i struktur rozproszonych, przekształciła się w fizyko-chemiczną mechanikę ciał stałych i struktur ultradyspersyjnych. Powstała w połowie XX wieku dzięki pracom akademika P. Rebindera i jego szkoły jako nowej wiedzy, z pogranicza chemii koloidalnej, fizyki molekularnej ciał stałych, mechaniki materiałów i technologii ich wytwarzania.

Głównym zadaniem mechaniki fizycznej i chemicznej jest tworzenie materiałów konstrukcyjnych o określonych właściwościach i strukturze optymalnej dla celów ich zastosowania.

Kolejną dziedziną zajmującą się badaniem i tworzeniem elementów, struktur i urządzeń w zakresie subnanometrowym jest mikroelektronika, w której można wyróżnić nanoelektronikę (rozwój i produkcja układów scalonych z elementami o rozmiarach subnanometrowych - nanoukłady scalone (INS), elektronika molekularna, elektronika funkcjonalna materiałów nanostrukturalnych oraz systemy nanoelektromechaniczne (NEMS).

Podsumowując powyższe, a także w oparciu o analizę przeprowadzoną w pracy, można sformułować definicję NT: nanotechnologia to kontrolowane wytwarzanie substancji i materiałów w układzie koloidalnym (ultradyspersyjnym, nanostrukturalnym o wielkości elementów strukturalnych w zakresie 1,0-100 nm) stan, badania i pomiary ich właściwości i właściwości oraz ich zastosowanie w różnych dziedzinach branże nauka, technologia i przemysł.

Wszystkie terminy związane z tworzeniem i badaniem poziomu koloidalnego (nanostrukturalnego) struktury materii pod marką „nanotechnologia” automatycznie otrzymały przedrostek „nano”, chociaż do połowy lat 80. XX wieku nazywano je odpowiednio: mechanika, fotonika, krystalografia , chemia, biologia i elektronika, systemy ultradrobne lub koloidalne; a przedmiotami ich badań nazwano: ultradrobne proszki i kompozyty, aero-, hydro- i organozole, żele odwracalne i nieodwracalne, ultradrobną ceramikę itp.

Pojawienie się zainteresowania koloidalnym stanem materii pod marką „nanotechnologia” w ciągu ostatnich 20 lat wynika po pierwsze z jego unikalnych właściwości, a po drugie z rozwoju i tworzenia aparatury technologicznej i kontrolnej do otrzymywania i badania sub -nanoskalowy poziom struktury materii: jej fizyka, chemia i biologia.

Zamiast odkrywać nowe materiały i zjawiska w drodze przypadkowych lub chaotycznych badań, kontrolowana transformacja materii w stan nanostrukturalny (koloidalny), zwana koncepcją nanotechnologii, pozwala to robić systematycznie. Zamiast intuicyjnie znajdować nanocząstki i nanostruktury o dobrych właściwościach, znajomość praw powstawania i stabilizacji układów ultradyspersyjnych otwiera możliwość ich sztucznego zaprojektowania według konkretnego układu.

Szczególnie interesujące było nabycie przez niektóre dobrze znane substancje zupełnie nowych właściwości w nanoskali.

Układy nanostrukturalne (koloidalne), zgodnie z ich pośrednim położeniem pomiędzy światem atomów i cząsteczek a światem ciał mikroskopowych i makroskopowych, można otrzymać na dwa główne sposoby: dyspersyjny, tj. mielenie (kruszenie) dużych układów oraz kondensacja, czyli tzw. tworzenie nanosystemów z atomów, cząsteczek, klastrów i nanostruktur.

Metody otrzymywania układów nanostrukturalnych wykorzystujące pierwszą drogę nazywane są dyspersją, a druga – kondensacją. Istnieją mieszane metody wytwarzania układów nanostrukturalnych, które nazywane są odpowiednio dyspersją-kondensacją i kondensacją-dyspersją.

W tradycyjnej nanoelektronice, podczas wytwarzania zintegrowanych nanoukładów (ANC) przy użyciu klasycznej technologii CMOS, kontrolowaną nanostrukturyzację warstw funkcjonalnych (FL) na płytkach krzemowych zapewnia się za pomocą maski projekcyjnej (fotoszablony i nanoznaczki) (maski rezystancyjne) i litograficznego wzoru.

W tym przypadku stosuje się podejście strategicznego rozproszenia lub podejście odgórne, tj. Lokalne usuwanie niepotrzebnych obszarów FS odbywa się poprzez ich wytrawianie. Dokładność odwzorowania wymiarów elementów konstrukcyjnych w płaszczyźnie poziomej zapewniają maski rezystancyjne powstałe w procesach litograficznych.

W związku z tym, podkreślając zastosowane strategiczne rozproszenie lub podejście odgórne, tradycyjna nanoelektronika przemysłowa jest wygodniej nazywana D-nanoelektroniką.

Metody kondensacyjne (metody syntezy nielitograficznej), które wykorzystują podejście oddolne do otrzymania układów nanostrukturalnych, można podzielić na dwie grupy: tradycyjne i nowe, tworzone w ramach najnowszych osiągnięć nanotechnologii.

Podstawowe postanowienia

Mikroskopia z sondą skanującą

Jedną z metod badania nanoobiektów jest mikroskopia z sondą skanującą. W ramach mikroskopii z sondą skanującą stosowane są zarówno techniki nieoptyczne, jak i optyczne.

Badania właściwości powierzchni za pomocą mikroskopu z sondą skanującą (SPM) przeprowadza się w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym, w próżni, a nawet w cieczy. Różne techniki SPM umożliwiają badanie zarówno obiektów przewodzących, jak i nieprzewodzących. Ponadto SPM umożliwia łączenie z innymi metodami badawczymi, takimi jak klasyczna mikroskopia optyczna i metody spektralne.

Za pomocą mikroskopu z sondą skanującą (SPM) można nie tylko zobaczyć poszczególne atomy, ale także selektywnie na nie wpływać, w szczególności przesuwać atomy po powierzchni. Naukowcom udało się już tą metodą stworzyć na powierzchni dwuwymiarowe nanostruktury. Na przykład w centrum badawczym IBM, przesuwając sekwencyjnie atomy ksenonu na powierzchni monokryształu niklu, pracownicy byli w stanie ułożyć trzy litery logo firmy przy użyciu 35 atomów ksenonu.

Podczas wykonywania takich manipulacji pojawia się szereg trudności technicznych. W szczególności konieczne jest wytworzenie warunków ultra wysokiej próżni (10-11 torr), konieczne schłodzenie podłoża i mikroskopu do ultra niskich temperatur (4-10 K), powierzchnia podłoża musi być atomowo czysta i atomowo gładki, do czego stosuje się specjalne metody jego przygotowania. Podłoże jest chłodzone w celu ograniczenia dyfuzji powierzchniowej osadzonych atomów.

Nanomateriały

Nanomateriały to materiały o strukturze na poziomie wielkości molekularnej lub w jej pobliżu. Struktura może być mniej lub bardziej regularna lub losowa. Powierzchnie o losowej nanostrukturze można uzyskać poprzez obróbkę wiązkami cząstek, trawienie plazmowe i innymi metodami.

W przypadku struktur regularnych małe obszary powierzchni można strukturować „od zewnątrz” – na przykład za pomocą mikroskopu z sondą skanującą (patrz poniżej). Jednak dość duże (~1 μ2 lub więcej) obszary, a także objętości materii, można najwyraźniej ustrukturyzować jedynie metodą samoorganizacji cząsteczek.

Samoorganizacja jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie żywej. Strukturę wszystkich tkanek określa ich samoorganizacja z komórek; Strukturę błon komórkowych i organelli określa samoorganizacja z pojedynczych cząsteczek.

Trwają prace nad samoorganizacją składników molekularnych jako metodą konstruowania okresowych struktur do wytwarzania obwodów nanoelektronicznych i poczyniono znaczące postępy.

W medycynie do zastąpienia niektórych tkanek można zastosować materiały o nanostrukturalnej powierzchni. Komórki organizmu rozpoznają takie materiały jako „własne” i przyczepiają się do ich powierzchni.

Obecnie nastąpił postęp w produkcji nanomateriałów imitujących naturalną tkankę kostną. Dlatego naukowcy z Northwestern University ( USA) Jeffrey D. Hartgerink, Samuel I. Stupp i inni zastosowali trójwymiarowy samoorganizację włókien o średnicy około 8 nm, naśladując naturalne włókna kolagenowe, a następnie mineralizację i tworzenie nanokryształów hydroksyapatytu zorientowanych wzdłuż włókien. Własne komórki kostne dobrze przylegały do powstałego materiału, co pozwala na wykorzystanie go jako „kleju” lub „szpachli” do tkanki kostnej.

Interesujące jest również opracowanie materiałów, które mają odwrotną właściwość: nie pozwalają komórkom przyczepić się do powierzchni. Jednym z możliwych zastosowań takich materiałów może być produkcja bioreaktorów do hodowli komórek macierzystych. Faktem jest, że po przyczepieniu się do powierzchni komórka macierzysta stara się różnicować, tworząc pewne wyspecjalizowane komórki. Wykorzystanie materiałów o nanostrukturze powierzchni do kontroli procesów proliferacji i różnicowania komórek macierzystych stanowi ogromne pole badawcze.

Membrany nanoporowe można stosować w mikrokapsułkach do dostarczania leków i do innych celów. Dzięki temu można je stosować do filtrowania płynów ustrojowych ze szkodliwych substancji i wirusów. Membrany mogą chronić nanosensory i inne wszczepialne urządzenia przed albuminą i podobnymi substancjami powłokowymi.

Nanocząstki

Współczesny trend w kierunku miniaturyzacji pokazał, że substancja może mieć zupełnie nowe właściwości, jeśli weźmie się do ręki bardzo małą cząsteczkę tej substancji. Cząstki o wielkości od 1 do 100 nanometrów są powszechnie nazywane „nanocząstkami”. Przykładowo okazało się, że nanocząstki niektórych materiałów mają bardzo dobre właściwości katalityczne i adsorpcyjne. Inne materiały wykazują niesamowite właściwości optyczne, na przykład do produkcji ogniw słonecznych wykorzystuje się ultracienkie warstwy materiałów organicznych. Baterie takie, choć mają stosunkowo niską wydajność kwantową, są tańsze i mogą być elastyczne mechanicznie. Możliwe jest osiągnięcie interakcji sztucznych nanocząstek z naturalnymi obiektami o wielkości nano – białkami, kwasami nukleinowymi itp. Starannie oczyszczone nanocząstki mogą samoorganizować się w określone struktury. Struktura ta zawiera ściśle uporządkowane nanocząstki, a także często wykazuje niezwykłe właściwości.

Nanoobiekty dzielą się na 3 główne klasy: trójwymiarowe cząstki otrzymywane w wyniku eksplozji przewodników, syntezy plazmowej, redukcji cienkich warstw itp.; obiekty dwuwymiarowe - folie powstałe metodą osadzania molekularnego, CVD, ALD, osadzania jonowego itp.; obiekty jednowymiarowe - wąsy, obiekty te uzyskuje się metodą nawarstwiania molekularnego, wprowadzania substancji do cylindrycznych mikroporów itp. Istnieją również nanokompozyty - materiały otrzymywane poprzez wprowadzenie nanocząstek do dowolnych matryc. Obecnie powszechnie stosowana jest jedynie metoda mikrolitografii, pozwalająca na otrzymanie na powierzchni matryc płaskich obiektów wyspowych o wielkości 50 nm, stosowana jest w elektronice; Do tworzenia folii mikronowych wykorzystuje się głównie metodę CVD i ALD. Inne metody wykorzystywane są głównie do celów naukowych. Na szczególną uwagę zasługują metody warstwowania jonowego i molekularnego, gdyż za ich pomocą można tworzyć prawdziwe monowarstwy.

amerykański organizacja C-Sixty Inc. Prowadzi badania przedkliniczne produktów opartych na nanosferach fulerenowych C60 z uporządkowanymi na powierzchni grupami chemicznymi. Grupy te można wybrać tak, aby wiązały się z wcześniej wybranymi celami biologicznymi. Spektrum możliwych zastosowań jest niezwykle szerokie. Obejmuje walkę z chorobami wirusowymi, takimi jak grypa i HIV, nowotworami i chorobami neurodegeneracyjnymi, osteoporozą i chorobami naczyniowymi. Na przykład nanosfera może zawierać wewnątrz atom pierwiastka promieniotwórczego, a na powierzchni - grupy, które pozwalają jej przyczepić się do komórki nowotworowej.

Podobne inwestycje prowadzone są w Federacja Rosyjska. W Instytucie Medycyny Doświadczalnej (St. Petersburg) zastosowano addukt fulerenu z poliwinylopirolidonem (PVP). Związek ten jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, a wnęki w jego strukturze mają wielkość zbliżoną do cząsteczek C60. Wnęki łatwo wypełniają się cząsteczkami fulerenów, w wyniku czego powstaje rozpuszczalny w wodzie addukt o wysokiej aktywności przeciwwirusowej. Ponieważ sam PVP nie ma działania przeciwwirusowego, całą aktywność przypisuje się cząsteczkom C60 zawartym w addukcie.

W przypadku fulerenu jego skuteczna dawka wynosi około 5 µg/ml, czyli jest znacznie niższa od dawki rymantadyny (25 µg/ml), tradycyjnie stosowanej w walce z wirusem grypy. W przeciwieństwie do rymantadyny, która jest najskuteczniejsza na początku okres infekcji, addukt C60/PVP wykazuje stabilne działanie przez cały cykl reprodukcji wirusa. Kolejną cechą wyróżniającą skonstruowany lek jest jego skuteczność przeciwko wirusom grypy typu A i B, natomiast rymantadyna działa tylko na wirusy grypy typu A i B.

Nanosfery można także wykorzystać w diagnostyce, np. jako rentgenowski środek kontrastowy, który przyczepia się do powierzchni określonych komórek i wskazuje ich położenie w organizmie.

Szczególnie interesujące są dendrymery. Reprezentują nowy typ polimerów, które mają strukturę rozgałęzioną, a nie zwykłą liniową.

Tak naprawdę pierwszy związek o takiej strukturze otrzymano już w latach 50. XX wieku, a główne metody ich syntezy opracowano głównie w latach 80. XX wieku. Termin „dendrymery” pojawił się wcześniej niż „nanotechnologia” i początkowo nie były ze sobą kojarzone. Jednak ostatnio o dendrymerach coraz częściej wspomina się w kontekście ich zastosowań nanotechnologicznych (i nanomedycyny).

Wynika to z szeregu specjalnych właściwości, jakie posiadają związki dendrymerowe. Pomiędzy nimi:

Przewidywalne, kontrolowane i powtarzalne rozmiary makrocząsteczek z dużą dokładnością;

Obecność kanałów i porów w makrocząsteczkach o dobrze powtarzalnych kształtach i rozmiarach;

Zdolność do wysoce selektywnego kapsułkowania i immobilizacji substancji o niskiej masie cząsteczkowej z tworzeniem supramolekularnych konstruktów „gość-gospodarz”.

Samoorganizacja nanocząstek

Jednym z najważniejszych pytań stojących przed nanotechnologią jest to, jak zmusić cząsteczki do grupowania się w określony sposób, do samoorganizacji, aby ostatecznie uzyskać nowe materiały lub urządzenia. Problemem tym zajmuje się dział chemii – chemia supramolekularna. Bada nie pojedyncze cząsteczki, ale interakcje między cząsteczkami, które mogą układać cząsteczki w określony sposób, tworząc nowe substancje i materiały. To zachęcające, że podobne systemy i podobne procesy rzeczywiście istnieją w przyrodzie. Zatem znane są biopolimery, które mogą organizować się w specjalne struktury. Jednym z przykładów są białka, które nie tylko potrafią złożyć się w formę kulistą, ale także tworzyć kompleksy – struktury zawierające kilka cząsteczek białka (białek).

Istnieje już metoda syntezy wykorzystująca specyficzne właściwości cząsteczki DNA. Pobiera się komplementarny DNA, do jednego z końców przyłącza się cząsteczkę A lub B. Mamy 2 substancje: ----A i ----B, gdzie ---- jest konwencjonalnym obrazem pojedynczej cząsteczki DNA. Teraz, jeśli zmieszasz te 2 substancje, pomiędzy dwiema pojedynczymi niciami DNA utworzą się wiązania wodorowe, które będą przyciągać do siebie cząsteczki A i B. Z grubsza zobrazujmy powstałe połączenie: ====AB. Po zakończeniu procesu cząsteczkę DNA można łatwo usunąć.

Problem powstawania aglomeratów

Cząstki o rozmiarach rzędu nanometrów, czyli nanocząstek, jak się je nazywa w kręgach naukowych, mają jedną właściwość, która znacznie utrudnia ich wykorzystanie. Mogą tworzyć aglomeraty, czyli sklejać się ze sobą. Ponieważ nanocząsteczki są obiecujące w branże produkcja ceramiki, hutnictwo, ten problem musi zostać rozwiązany. Jednym z możliwych rozwiązań jest zastosowanie substancji dyspergujących, takich jak cytrynian amonu (roztwór wodny), imidazolina, alkohol oleinowy (nierozpuszczalny w wodzie). Można je dodawać do podłoża zawierającego nanocząstki. Jest to omówione bardziej szczegółowo w źródle „Organic Additives And Ceramic Processing”, D. J. Shanefield, Kluwer Academic Publ., Boston (angielski).

Mikro- i nanokapsułki

Dla dostawa Miniaturowe (~1 μ) kapsułki z nanoporami mogą służyć do dostarczania leków do żądanego miejsca w organizmie. Podobne mikrokapsułki są już testowane dostawa i fizjologicznie regulowane uwalnianie insuliny w cukrzycy typu 1. Zastosowanie porów o wielkości około 6 nm umożliwia ochronę zawartości kapsułki przed działaniem układu odpornościowego organizmu. Umożliwia to umieszczenie w kapsułkach komórek zwierzęcych wytwarzających insulinę, które w przeciwnym razie zostałyby odrzucone przez organizm.

Mikroskopijne kapsułki o stosunkowo prostej konstrukcji potrafią także powielać i poszerzać naturalne możliwości organizmu. Przykładem takiej koncepcji jest zaproponowany przez R. Freitas respirocyt – sztuczny nośnik tlenu i dwutlenku węgla, znacznie przewyższający swoimi możliwościami zarówno czerwone krwinki, jak i istniejące substytuty krwi (np. na bazie emulsji fluorowęglowych). Możliwy projekt respirocytu zostanie omówiony bardziej szczegółowo poniżej.

Czujniki i analizatory nanotechnologii

Zastosowanie mikro- i nanotechnologii pozwala znacznie zwiększyć możliwości wykrywania i analizowania bardzo małych ilości różnych substancji. Jednym z wariantów tego rodzaju urządzenia jest „laboratorium na chipie”. Jest to płytka, na powierzchni której w uporządkowany sposób rozmieszczone są receptory dla pożądanych substancji, np. przeciwciał. Przyłączenie cząsteczki Dotarcie substancji do receptora wykrywane jest elektrycznie lub metodą fluorescencji.Na jednej płytce można umieścić czujniki dla wielu tysięcy substancji.

Urządzenie takie, zdolne do wykrywania dosłownie pojedynczych cząsteczek, może służyć do określenia sekwencji zasad DNA lub aminokwasów (w celach identyfikacyjnych, wykrywania chorób genetycznych lub onkologicznych), wykrywania patogenów chorób zakaźnych, substancji toksycznych.

Kilkumilimetrowe urządzenie można umieścić na powierzchni skóry (w celu analizy substancji wydalanych z potem) lub wewnątrz ciała (w jamie ustnej, przewodzie pokarmowym, pod skórą lub w mięśniu). Jednocześnie będzie w stanie raportować stan środowiska wewnętrznego organizmu i sygnalizować podejrzane zmiany.

W Instytucie Biologii Molekularnej im. Engelhardt z Rosyjskiej Akademii Nauk opracował system przeznaczony do szybkiego wykrywania szczepu patogenu; W jednym chipie mieści się około stu czujników fluorescencyjnych.

Ciekawy pomysł pracuje jednocześnie kilka grup badaczy. Jego istotą jest „przepuszczenie” cząsteczki DNA (lub RNA) przez nanopor w membranie. Rozmiar porów musi być taki, aby DNA przechodziło przez nie w „wyprostowanej” formie, jedna zasada po drugiej. Pomiar gradientu elektrycznego lub kwantowego prądu tunelowego w porze pozwoliłby nam określić, która zasada aktualnie przez niego przechodzi. Urządzenie oparte na tej zasadzie umożliwiłoby uzyskanie pełnej sekwencji DNA w jednym przejściu.

Zastosowania nanotechnologii

Medycyna i biologia

Możliwe stanie się „wprowadzenie” do żywego organizmu na poziomie atomowym. Konsekwencje mogą być bardzo różne - od „przywrócenia” wymarłych gatunków po stworzenie nowych typów żywych istot i biorobotów. Stworzenie molekularnych robotów-lekarzy, którzy „żyliby” w organizmie człowieka, eliminując wszelkie powstałe uszkodzenia lub zapobiegając ich wystąpieniu, w tym uszkodzeniom genetycznym.

Zdaniem naukowców z Uniwersytetu Michigan nadejdzie dzień, kiedy przy pomocy nanotechnologii w ludzkich komórkach krwi będzie można wbudować mikroskopijne czujniki, które będą ostrzegać o pierwszych oznakach zagrożenia radiacyjnego lub rozwoju choroby.

Przez ostatnie lata pracownicy Centrum Nanotechnologii Biologicznej pod kierownictwem dr Jamesa Bakera pracowali nad stworzeniem mikrosensorów, które posłużą do wykrywania komórek nowotworowych w organizmie i zwalczania tej straszliwej choroby.

Nowa technika rozpoznawania komórek nowotworowych polega na wszczepianiu do organizmu człowieka maleńkich, kulistych zbiorników z syntetycznych polimerów, zwanych dendrymerami (od greckiego dendron – drewno). Polimery te zostały zsyntetyzowane w ostatniej dekadzie i mają zasadniczo nową, niestałą strukturę, która przypomina strukturę koralowca lub drewna. Takie polimery nazywane są hiperrozgałęzionymi lub kaskadowymi. Te, w których rozgałęzienia są regularne, nazywane są dendrymerami. Średnica każdej takiej kuli, czyli nanosensora, osiąga zaledwie 5 nanometrów – 5 miliardowych części metra, co pozwala na umieszczenie miliardów podobnych nanosensorów na niewielkim obszarze przestrzeni.

Po wejściu do organizmu te maleńkie czujniki będą penetrować limfocyty – białe krwinki, które zapewniają reakcję obronną organizmu przed infekcjami i innymi czynnikami chorobotwórczymi. Podczas odpowiedzi immunologicznej komórek limfoidalnych na określoną chorobę lub warunki środowiskowe – na przykład przeziębienie lub narażenie na promieniowanie – zmienia się struktura białkowa komórki. Każdy nanosensor pokryty specjalnymi odczynnikami chemicznymi zacznie fluorescować lub świecić pod wpływem takich zmian.

Aby zobaczyć tę poświatę, dr Baker i jego współpracownicy stworzą specjalne urządzenie skanujące siatkówkę oka. Laser takiego urządzenia powinien wykrywać świecenie limfocytów, gdy jedna po drugiej przechodzą one przez wąskie naczynia włosowate dna oka. Naukowcy twierdzą, że jeśli w limfocytach znajduje się wystarczająca liczba znakowanych czujników, potrzebne będzie 15-sekundowe skanowanie, aby wykryć uszkodzenie komórek.

Sam pomysł jest jeszcze w fazie badań, ale już zwrócił uwagę kierownictwa NASA, które na dalsze badania przeznaczyło 2 miliony dolarów. NASA była zainteresowana możliwością stworzenia opisanych powyżej czujników, które na bieżąco monitorują poziom promieniowania, na jakie narażony jest astronauta oraz pojawienie się w jego organizmie jakichkolwiek oznak choroby lub infekcji.

Baker powiedział, że jego zespół pracuje nad podobną technologią wykrywania komórek nowotworowych, ale badania wciąż nie są zakończone. Nie jest jeszcze jasne, na przykład, w jaki sposób możliwe będzie wykrycie świecenia nanosensorów w białych krwinkach, gdy wokół znajduje się ogromna liczba ciemniejszych czerwonych krwinek. Naukowcy odnieśli już pewne sukcesy w eksperymentach laboratoryjnych z kulturami komórkowymi i w tym roku planują przetestować nową technologię na zwierzętach.

Naukowcy ze stanu Michigan twierdzą, że za pomocą nanotechnologii możliwe będzie osadzenie w ludzkich komórkach krwi mikroskopijnych czujników, które będą ostrzegać o oznakach promieniowania lub rozwoju choroby. I tak w USA, za namową NASA, trwają prace nad takimi nanosensorami. James Beiner wyobraża sobie „nanowalkę” z promieniowaniem kosmicznym: astronauta przed startem za pomocą strzykawki podskórnej wstrzykuje do łóżeczka przezroczysty płyn nasycony milionami nanocząstek; w trakcie lotu wkłada do ucha małe urządzenie (np. pomoc). Podczas lotu urządzenie to będzie używać małego lasera do wyszukiwania świecących komórek. Jest to możliwe, ponieważ Komórki przechodzą przez naczynia włosowate błony bębenkowej. Komórki zostaną bezprzewodowo przesłane do głównego komputera statku kosmicznego, a następnie przetworzone. Jeśli coś się stanie, zostaną podjęte niezbędne środki.

Wszystko to może stać się rzeczywistością za około 5-10 lat. Naukowcy wykorzystują nanocząstki od ponad 5 lat.

Teraz czujniki cieńsze od ludzkiego włosa mogą być 1000 razy czulsze niż standardowe testy DNA. Amerykańscy naukowcy, którzy opracowali te nanosensory, wierzą, że lekarze będą w stanie przeprowadzić cały szereg różnych badań przy użyciu tylko jednej kropli krwi. Jedną z zalet tego systemu jest możliwość błyskawicznego przesłania wyników analiz do komputera kieszonkowego. Naukowcy uważają, że opracowanie w pełni funkcjonalnego modelu nanosensora, który lekarze będą mogli wykorzystywać w swojej codziennej pracy, zajmie około pięciu lat.

Przy pomocy nanotechnologii medycyna będzie w stanie nie tylko wyleczyć każdą chorobę, ale także zapobiec jej wystąpieniu i pomóc w adaptacji człowieka w kosmosie.

Kiedy mechanizm zakończy pracę, nanodoktorzy będą musieli usunąć nanoroboty z ludzkiego ciała. Dlatego niebezpieczeństwo, że pozostające w organizmie człowieka „przestarzałe nanoroboty” nie będą działać prawidłowo, jest bardzo małe. Nanoroboty będą musiały być projektowane tak, aby zapobiegać awariom i ograniczać komplikacje medyczne. Jak nanoroboty zostaną usunięte z organizmu? Część z nich będzie w stanie samodzielnie usunąć się z organizmu człowieka naturalnymi kanałami. Inne zostaną zaprojektowane tak, aby lekarze mogli je usunąć. usunięcie będzie zależeć od konstrukcji danego nanorobota.

Uważa się, że głównym zagrożeniem dla pacjenta będzie niekompetencja lekarza prowadzącego. Ale błędy mogą wystąpić również w nieoczekiwanych przypadkach. Jedną z sytuacji awaryjnych może być interakcja między robotami podczas kolizji. Takie usterki będą trudne do zidentyfikowania. Ilustracją tego przypadku może być praca dwóch typów nanorobotów A i B w organizmie człowieka. Jeżeli nanorobot A usunie skutki pracy robota B, to doprowadzi to do powtarzającej się pracy A, i to będzie trwało w nieskończoność, czyli nanoroboty będą wzajemnie korygować pracę. Aby zapobiec takim sytuacjom, lekarz prowadzący musi stale monitorować pracę nanorobotów i w razie potrzeby przeprogramowywać je. Dlatego kwalifikacje lekarza są bardzo ważnym czynnikiem.

Jak wiadomo, nasz układ odpornościowy reaguje na ciała obce. Dlatego też ważną rolę będą odgrywać w tym wielkość nanorobota, chropowatość powierzchni oraz mobilność urządzenia. Twierdzi się, że problem biozgodności nie jest bardzo trudny. Wyjściem z tego problemu będzie stworzenie robotów opartych na materiałach diamentowych. Ze względu na silną energię powierzchniową i powierzchnię diamentową oraz jej dużą gładkość, zewnętrzna powłoka robotów będzie chemicznie obojętna.

Nanotechnologie stosowane ostatnio w medycynie

Nanotechnologie są już stosowane w medycynie. Główne obszary jego zastosowania to: technologie diagnostyczne, wyroby medyczne, protetyka i implanty.

Uderzającym przykładem jest odkrycie profesora Aziza. Osoby cierpiące na chorobę Parkinsona mają elektrody wprowadzane do mózgu przez dwa małe otwory w czaszkach, które są połączone ze stymulatorem. Po około tygodniu pacjentowi wszczepia się sam stymulator do jamy brzusznej. Pacjent może samodzielnie regulować napięcie za pomocą przełącznika. Ból można złagodzić w 80% przypadków:

U niektórych ból znika całkowicie, u innych ustępuje. Około czterdziestu osób przeszło głęboką stymulację mózgu.

Wielu kolegów Aziza twierdzi, że ta metoda jest nieskuteczna i może mieć negatywne konsekwencje. Profesor jest przekonany, że metoda jest skuteczna. Ani jedno, ani drugie nie zostało obecnie udowodnione. Wydaje mi się, że powinniśmy wierzyć jedynie czterdziestu pacjentom, którzy zostali uwolnieni od nieznośnego bólu. I znów chcieli żyć. A jeśli ta metoda jest praktykowana od 8 lat i nie wpływa negatywnie na zdrowie pacjentów, to dlaczego nie rozszerzyć jej zastosowania.

Kolejnym rewolucyjnym odkryciem jest biochip – mała płytka, na którą w określonej kolejności naniesione są cząsteczki DNA lub białka, służąca do analiz biochemicznych. Zasada działania biochipa jest prosta. Specyficzne sekwencje odcinków rozszczepionego DNA nanosi się na plastikową płytkę. Podczas analizy badany materiał umieszczany jest na chipie. Jeśli zawiera tę samą informację genetyczną, wówczas łączą się w pary. Wynik można zaobserwować. Zaletą biochipów jest duża liczba testów biologicznych przy znacznych oszczędnościach w materiale testowym, odczynnikach, kosztach pracy i czasie analizy.

Generologia

Osiągnięcie osobistej nieśmiertelności człowieka poprzez wprowadzenie do organizmu robotów molekularnych, które zapobiegają starzeniu się komórek, a także restrukturyzacji i „uszlachetnianiu” tkanek ludzkiego ciała. Ożywienie i uzdrowienie beznadziejnie chorych ludzi, którzy obecnie zostali zamrożeni metodami krionicznymi. Przewidywany okres realizacji: trzecia - czwarta ćwierć XXI wieku.

Przemysł

Zastąpienie tradycyjnych metod produkcji robotami molekularnymi składającymi dobra konsumpcyjne bezpośrednio z atomów i cząsteczek. Aż do osobistych syntezatorów i urządzeń kopiujących, które pozwalają na stworzenie dowolnego przedmiotu. Pierwsze praktyczne rezultaty można uzyskać już na początku XXI wieku.

Grafen. W październiku 2004 roku na Uniwersytecie w Manchesterze wytworzono niewielką ilość materiału zwanego grafenem. Robert Freitas sugeruje, że materiał ten mógłby służyć jako substrat do tworzenia diamentowych urządzeń mechanosyntetycznych.

Łączność satelitarna jest szeroko stosowana w komunikacji telewizyjnej, internetowej i telefonicznej. Z systemów pozycjonowania kosmicznego korzystają samoloty, statki, samochody i turyści.

Ludzkość wyrosła już z kolebki – naszego życia nie da się już wyobrazić bez przestrzeni. Dlatego dziś wiele krajów rozpoczyna własne programy kosmiczne, a na początku XXI wieku rozpoczęły się prywatne eksploracje kosmosu. W 2001 roku na orbitę wszedł pierwszy kosmiczny turysta Dennis Tito. W 2004 roku w ramach konkursu X-Prize stworzony przez niezależnych twórców statek kosmiczny wielokrotnego użytku SpaceShipOne wykonał lot suborbitalny (na wysokość 112 km). W 2005 roku rozpoczęto budowę prywatnych portów kosmicznych w Mojave (USA), Ras Al Khaimah (ZEA) i Singapurze. Na najbliższe lata planowany jest ogromny rozwój turystyki (Virgin Galactic planuje do 2013 roku wysłać w rejsy kosmiczne 7 tys. osób, dzięki przystępnej cenie 200 tys. dolarów). Właściciel największej sieci moteli Robert Bigolow planuje otworzyć pierwszy orbitalny hotel Skywalker w 2010 roku.

Wszystko to i wiele więcej stanie się możliwe wraz z pojawieniem się nowej ścieżki w kosmos, wydajniejszej nawet niż nowoczesne statki kosmiczne wielokrotnego użytku. Trwają prace nad budową kosmicznej windy przy udziale NASA! Ze względu na małą siłę grawitacji Księżyca budowa takiej windy z punktów Lagrange'a (L-1 lub L-2), gdzie siły grawitacyjne Księżyca, Ziemi i Słońca równoważą się, do powierzchni Księżyca jest to możliwe nawet przy pomocy dzisiejszych technologii! Wystarczy kabel wykonany z ultrawytrzymałego włókna M5 o łącznej wadze 7 ton, który można wynieść w przestrzeń kosmiczną podczas jednego startu.

Zbudowanie takiej windy na Ziemi wymagałoby bardziej zaawansowanych materiałów, ale oczekuje się, że nanorurki węglowe będą wystarczająco mocne, aby to osiągnąć. Niezbędne technologie można opracować w ciągu 10-15 lat. Jednak po zbudowaniu windy kosmicznej koszt wyniesienia ładunku na orbitę spadnie do kilkudziesięciu dolarów za kilogram. Prawdopodobnie zaraz po pojawieniu się pierwszej windy wzdłuż równika zostaną zbudowane nowe, potem zostaną ulepszone i nie będą już wyglądać jak kilka cienkich wstęg, ale ażurowe wieże z konstrukcjami na pośrednich poziomach. Może. że po pewnym czasie na poziomie orbity geostacjonarnej powstanie cały pierścień – gigantyczna orbitalna stacja kosmiczna, podobna do tej opisanej przez A. Clarka w Odysei 3000.

Obecnie poważnie rozważane są plany (przez NASA) wydobywania zasobów na Księżycu i asteroidach. Jednym z rodzajów minerałów, które można ekonomicznie wydobywać w kosmosie, jest hel-3. Nie występuje na Ziemi; na Księżycu występuje w dużych ilościach (zebieranych przez Księżyc z wiatru słonecznego przez miliardy lat). A jednocześnie jest doskonałym paliwem dla energii termojądrowej. Jednocześnie, aby zapewnić całej naszej planecie zużycie energii w skali roku 2005, trzeba będzie dostarczać na Ziemię zaledwie 100 ton helu-3 rocznie!

Niezależnie od perspektyw gospodarczych, w planach pozostaje budowa baz mieszkalnych na Księżycu i Marsie. Chiny ma zamiar zbudować pierwszą bazę na Księżycu, Rosja i Stany Zjednoczone zmierzają w stronę Marsa. Stopniowy postęp technologiczny sprawia, że projekty te stają się coraz bardziej wykonalne.

Teraz o silnikach. Na początku ery kosmicznej używaliśmy silników rakietowych. Od tego czasu zaproponowano wiele alternatyw, ale nie stały się one jeszcze dominujące. W przyszłości silniki jonowe będą wykorzystywane do lotów w Układzie Słonecznym. Już teraz zapewniają niezwykle wysoką wydajność. Do wyniesienia na orbitę można wykorzystać silniki laserowe. Kiedy winda kosmiczna zostanie zbudowana, zastąpi ona rakiety w tym obszarze.

Inny przykład: W 1958 roku opracowano projekt Orion: projekt statku kosmicznego startującego z powierzchni Ziemi za pomocą eksplozji mikrobomb nuklearnych. Jednak zakaz detonowania urządzeń nuklearnych w atmosferze, który wszedł w życie w 1963 r., położył kres temu projektowi. W tej chwili istnieje projekt statku kosmicznego tego typu Prometheus, który ma zostać wysłany na Marsa.

Do lotów do gwiazd można także wykorzystać silniki atomowe i fotonowe, umożliwiające podróżowanie z prędkościami bliskimi światła. Jeśli jednak będzie to fizycznie możliwe, to Superumysł przyszłości z pewnością znajdzie sposób na ominięcie bariery świetlnej, na przykład poprzez wykorzystanie tuneli czasoprzestrzennych, kompresji przestrzeni lub innych metod.

Należy tutaj zauważyć, że jest mało prawdopodobne, aby proste odkrycie, badanie lub kolonizacja nowych światów pozostały ważne dla supercywilizacji. Przecież technologia komputerowa umożliwi symulację całego bogactwa możliwości bilionów układów gwiezdnych w ramach komputerowych generatorów rzeczywistości wirtualnej. Pierwszy krok na tej drodze zostanie wykonany w nadchodzących latach wraz z wydaniem gry komputerowej Spore. Dlatego prawdopodobne jest, że postawa Superumysłu wobec odległych gwiazd będzie bardziej pragmatyczna.

Zanim czegokolwiek użyjesz, musisz po to sięgnąć. Bardzo prawdopodobne, że tego zadania podejmą się tzw. sondy Von Neumanna: inteligentne, samoreplikujące się statki-automaty, zdolne do dotarcia do celu, zbadania go, przekazania informacji i stworzenia setek swoich kopii, które zostaną wysłane do nowych gwiazdy. Taka decentralizacja może okazać się znacznie skuteczniejsza niż opisywane w fantastyce romantyczne gwiezdne wyprawy homo sapiens z robotycznymi pomocnikami.

Rozwój nauki o rakietach stanowi bazę badawczą i eksperymentalną dla przyszłości, najprawdopodobniej post-singularnego supertechnologicznego przełomu w bliską, a następnie w głęboką przestrzeń kosmiczną. Ale jakie są perspektywy życia człowieka w kosmosie? Widzimy trzy radykalnie różne możliwości: terraformowanie, adaptację człowieka do warunków kosmicznych i przekształcenie materii kosmicznej w komputer. Przyjrzyjmy się im wszystkim.

Istnieją już projekty terraformowania Marsa. Restrukturyzację powierzchni innych planet można przeprowadzić za pomocą sztucznych mikroorganizmów lub nanorobotów, które tworzą atmosferę, warstwę ochronną ozonu, glebę, rzeki i morza… Superinteligencja może nawet stworzyć urządzenie – nazwijmy to „ Genesis” – zdolny uczynić planetę nadającą się do zamieszkania w ciągu kilku dni lub miesięcy.

Możliwa jest jednak inna alternatywa: rozwój autotrofii człowieka, samowystarczalności i niezależności od środowiska. Zmiany możliwe do osiągnięcia za pomocą nanotechnologii umożliwią życie człowieka (zarówno w ciele fizycznym, jak i wewnątrz systemów komputerowych) w warunkach próżni i ultrawysokiego ciśnienia, ultrawysokiego promieniowania i grawitacji, ultraniskich lub ultrawysokich temperatur, które jest prawie wszędzie, może z wyjątkiem Słońca.

Jeśli dana osoba porzuci nasze zwykłe formy istnienia, najskuteczniejszym scenariuszem może być demontaż planet Układu Słonecznego i przekształcenie całej materii w superpotężne komputery połączone w jedną sieć. Hipotetyczna substancja zapewniająca maksymalną moc obliczeniową na jednostkę masy nazywa się komputer. Jeśli porzucimy ideę stworzenia wygodnego środowiska dla człowieka w kosmosie, wówczas dla Superumysłu może być możliwa nawet egzystencja wewnątrz Słońca: wszak wszędzie tam, gdzie mogą istnieć uporządkowane struktury, mogą odbywać się obliczenia, a zatem może istnieć świadomość. Co ciekawe, mówiąc o granicach mocy obliczeniowej, naukowcy zwykle opisują kule gorącej plazmy – obiekty bardzo przypominające wnętrze Słońca.

Jakakolwiek będzie droga eksploracji kosmosu, postludzkość nie zrezygnuje z ekspansji kosmicznej. W końcu Superumysł nie jest immanentnie planetarny. Ten podział jest mu obcy, ponieważ nie ma dla niego fizycznych ograniczeń życia w kosmosie. I na pewno zaangażuje się w kosmiczną megakonstrukcję, przekształcając bezwładną materię kosmiczną w materię inteligentną.

Być może stanie się to w ten sposób. Po podbiciu planet Układu Słonecznego zbudujemy megastrukturę, która zwiększy nasze możliwości terytorialne, na przykład gigantyczne miasta kosmiczne. Ponieważ spodziewamy się rozwoju najróżniejszych typów postludzi, mniej więcej w tym czasie niektóre z postosobowości przekształcą planety najbliższe Słońcu (i bogatsze w energię słoneczną) w „mózgi matrioszki”, podczas gdy inne, bardziej podobne do swoich przodków (czyli my) mogą być zajęci budowaniem megaświatów (takich jak „świat pierścieniowy”) pomiędzy orbitami Ziemi i Marsa. Gazowe olbrzymy zostaną rozebrane, a substancje wchodzące w ich skład zostaną wykorzystane do naszych celów. Z biegiem czasu, aby maksymalnie wykorzystać energię słoneczną, wokół Układu Słonecznego zostanie wzniesiona kula Dysona.

W bardziej odległej przyszłości Nadświadomość zajmie się galaktycznymi projektami. Takie jak wydobywanie energii z czarnych dziur, podnoszenie materii z aktywnych gwiazd, włączanie i wyłączanie gwiazd, tworzenie tuneli czasoprzestrzennych w przestrzeni w celu pokonania bariery świetlnej.

A kiedy Uniwersalny Umysł wyczerpie możliwości naszego Wszechświata, nadejdzie czas na stworzenie nowych wszechświatów-córek. Praktyczna wartość wszechświatów-córek polega na zapewnieniu prawdziwie nieskończonej egzystencji umysłu, przenosząc go z umierających wszechświatów do nowo stworzonych. Jednak według niektórych modeli w naszym wszechświecie można zapewnić nieskończenie długie subiektywne istnienie.

Cybernetyka

Nastąpi przejście od obecnie istniejących struktur planarnych do mikroukładów wolumetrycznych, a rozmiary elementów aktywnych zmniejszą się do rozmiarów cząsteczek. Częstotliwości robocze komputerów osiągną wartości terahercowe. Rozwiązania obwodów oparte na elementach neuronopodobnych staną się powszechne. Pojawi się szybka pamięć długoterminowa oparta na cząsteczkach białka, której pojemność będzie mierzona w terabajtach. Możliwe stanie się „przeniesienie” ludzkiej inteligencji do komputera. Przewidywany okres realizacji: I - II ćwierć XXI wieku.

Instytut Produkcji Molekularnej (IMM) opracował wstępny projekt nanomanipulatora o atomowej precyzji. Gdy tylko uzyskany zostanie układ „nanokomputer – nanomanipulator” (eksperci przewidują to na lata 2010-2020), możliwe będzie programowe wyprodukowanie kolejnego podobnego kompleksu – złoży on swój odpowiednik według zadanego programu, bez bezpośredniej ingerencji człowieka. Bakterie, wykorzystując replikacyjne właściwości DNA, są w stanie w ciągu kilku godzin rozwinąć się od kilku osobników do milionów. Tym samym pozyskanie asemblerów na masową skalę nie będzie wymagało ich stosowania koszty z zewnątrz, oprócz dostarczania im energii i surowców.

W oparciu o system „nanokomputer – nanomanipulator” możliwa będzie organizacja zautomatyzowanych kompleksów montażowych zdolnych do składania dowolnych obiektów makroskopowych z wykorzystaniem wcześniej przyjętej lub opracowanej trójwymiarowej siatki atomów. Xerox prowadzi obecnie intensywne badania z zakresu nanotechnologii, co sugeruje chęć tworzenia w przyszłości powielaczy materii. Kompleks robotów rozłoży oryginalny obiekt na atomy, a inny kompleks stworzy kopię identyczną co do poszczególnych atomów z oryginałem (eksperci przewidują to na lata 2020-2030). Pozwoli to na likwidację istniejącego obecnie kompleksu fabryk produkujących wyroby w technologii „objętościowej”, wystarczy zaprojektować dowolny produkt- i będzie to gromadzone i pomnażane przez kompleks montażowy.

Możliwe stanie się automatyczne konstruowanie systemów orbitalnych, samoorganizujących się kolonii na Księżycu i Marsie oraz wszelkich struktur w oceanach świata, na powierzchni ziemi i w powietrzu (eksperci przewidują to w 2050 roku). Możliwość samoorganizacji może doprowadzić do rozwiązania globalnych problemów ludzkości: problemu braku żywności, mieszkań i energii. Dzięki nanotechnologii znacząco zmieni się konstrukcja maszyn i mechanizmów – wiele części ulegnie uproszczeniu dzięki nowym technologiom montażu (rozwojom), wiele stanie się zbędnych. Umożliwi to projektowanie maszyn i mechanizmów, które wcześniej były niedostępne dla człowieka ze względu na brak technologii montażu i projektowania. Mechanizmy te będą zasadniczo składać się z jednej, bardzo złożonej części.

Za pomocą nanokonwerterów mechaniczno-elektrycznych możliwa będzie konwersja dowolnego rodzaju energii z dużą wydajnością i tworzenie efektywnych urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego ze sprawnością około 90%. Gospodarka odpadami i globalna kontrola systemy takie jak „recykling” znacząco zwiększą zasoby surowców ludzkości. Globalne środowisko kontrola, kontrola pogody dzięki systemowi współdziałających ze sobą nanorobotów pracujących synchronicznie.

Nanotechnologia prawdopodobnie skorzysta na biotechnologii i technologii komputerowej. Wraz z rozwojem robotów nanomedycznych możliwe stanie się opóźnianie śmierci człowieka w nieskończoność. Nie będzie też problemów z przebudową organizmu ludzkiego w celu jakościowego zwiększenia naturalnych zdolności. Możliwe jest także dostarczenie organizmowi energii, niezależnie od tego, czy coś zostało zjedzone, czy nie.

Technologia komputerowa przekształca się w jedną globalną sieć informacyjną o ogromnej produktywności, a każda osoba będzie miała możliwość bycia terminalem - poprzez bezpośredni dostęp do mózgu i narządów zmysłów. Dziedzina materiałoznawstwa ulegnie znaczącym zmianom – pojawią się „inteligentne” materiały zdolne do multimedialnej komunikacji z użytkownikiem. Pojawią się także materiały ultramocne, ultralekkie i niepalne.

Jeśli chodzi o problem surowców, do budowy większości obiektów nanoroboty będą wykorzystywać kilka najpowszechniejszych rodzajów atomów: węgiel, wodór, krzem, azot, tlen itp. w mniejszych ilościach. Wraz z rozwojem innych planet przez ludzkość problem zaopatrzenia w surowce zostanie rozwiązany.

Zatem, bazując na prognozach, nanotechnologia obiecuje radykalną transformację zarówno nowoczesnej produkcji i technologii z nią związanych, jak i życia ludzkiego w ogóle. Nanotechnologia dokona tej samej rewolucji w manipulowaniu materią, jaką dokonały komputery w manipulacji informacją. Wpłyną one na świat bardziej niż odkrycie elektryczności.

Stosunek społeczeństwa do nanotechnologii

Postęp w dziedzinie nanotechnologii wywołał pewne oburzenie społeczne.

Stosunek społeczeństwa do nanotechnologii badał VTsIOM i europejski serwis Eurobarometr.

Szereg badaczy wskazuje, że negatywne podejście do nanotechnologii wśród niespecjalistów może wiązać się z religijnością, a także obawami o toksyczność nanomateriałów.

Reakcja społeczności światowej na rozwój nanotechnologii

Od 2005 roku działa międzynarodowa grupa robocza zorganizowana przez CRN, badająca społeczne konsekwencje rozwoju nanotechnologii.

W październiku 2006 roku Międzynarodowa Rada ds. Nanotechnologii opublikowała artykuł poglądowy, w którym w szczególności poruszono kwestię konieczności ograniczenia rozpowszechniania informacji na temat badań w dziedzinie nanotechnologii ze względów bezpieczeństwa.

Greenpeace żąda całkowitego zakazu badań w dziedzinie nanotechnologii.

Temat konsekwencji rozwoju nanotechnologii staje się przedmiotem badań filozoficznych. Tym samym perspektywy rozwoju nanotechnologii były omawiane na międzynarodowej konferencji futurologicznej Transvision, zorganizowanej w 2007 roku przez WTA.

Reakcja społeczeństwa rosyjskiego na rozwój nanotechnologii