Co je nanotechnologie - příklady, budoucí aplikace a rizika

Všechno fyzické povahy - lidské bytosti, rostliny, minerály, vzduch - se skládá z kombinace atomů a molekul spojených dohromady tvarem nebo elektronickým nábojem. Manipulace s atomy v nanoúrovni by teoreticky umožnila lidem reprodukovat vše od diamantů po jídlo.

Ačkoli výhody takové technologie jsou prakticky nespočetné, mezi některými z nich vzbudily značné obavy, že molekulární manipulace může nevědomky přinést více problémů než řešení - až k zániku člověka, včetně jeho zániku. Organizace jako Přátelé Země Austrálie, Jednotlivci inklinující k Savagery v Mexiku a Organic Consumers Association v Americe se aktivně staví proti jakémukoli dalšímu rozvoji projektů v nano měřítku..

Co je „Scale“ a proč je to důležité?

Nanotechnologie je věda, která se zabývá manipulací hmoty na atomové, molekulární a supramolekulární stupnici - jinými slovy, mnohem menší, než to, co může pouhým okem vidět. Každý nanometr je jedna miliardtina metru - přibližně délka, kterou nehet roste za sekundu. Abych to uvedl v perspektivě, lidské vlasy jsou zhruba 80 000 až 100 000 nanometrů široké, červené krvinky mají 2 500 nanometrů a řetězec lidské DNA má průměr 2,5 nanometrů.

Nanotechnologie se stala možnou pouze díky vývoji mimořádných přesných přístrojů, jako je skenovací tunelovací mikroskop a mikroskop atomové síly. Její slib a riziko vyplývají z našeho rostoucího porozumění kvantové fyzice, která se zabývá ultralehkými předměty. Je překvapivé, že chování látek na nanoměřítku je často v rozporu s jeho vlastnostmi ve větším měřítku.

Například látky v hromadné formě, které nemohou nést elektrický náboj - izolátory - se mohou stát polovodiči na nano úrovni, stejně jako se mohou měnit teploty tání a jiné fyzikální vlastnosti. Hliníkový koks se může rozmělnit na prášek o velikosti 20 až 30 nanometrů, který se může spontánně vznítit ve vzduchu - což je vlastnost, díky níž je katalyzátorem raketového paliva. Podobně diamant i grafit v tužce jsou vyrobeny z uhlíku, ale díky způsobu vazby atomů uhlíku mají výrazně odlišné vlastnosti.

Nano-terminologie

Jak se věda rozšířila v oblasti „nano“, tak i terminologie. Zde jsou některé základní definice:

Nanotechnologie: Jakákoli technologie, včetně tradičních průmyslových a chemických procesů, která zahrnuje struktury mezi stovkou nanometrů a novými vlastnostmi. Nanotechnologické povlaky se již používají k výrobě oděvů z vláken odolných vůči skvrnám a vysoce účinných krémů na opalování.
Nanofactories: Na nanoměřítku je každá výrobní metoda jednoduše metodou uspořádání atomů. Také se nazývají „molekulární kompilátoři“, nanovlákna jsou malé výrobní jednotky s uzavřeným systémem, které manévrovají, kombinují a manipulují s reaktivními molekulami za účelem vytváření komplexních fyzikálních a biologických struktur - od minerálů, přes lidské orgány a kosti. Jedna lidská buňka je dokonalým příkladem biologické molekulární výrobní jednotky nebo nanofaktory, která čte digitální genetický materiál (DNA), který řídí proces kombinace. John Burch z Foresight Institute předpovídá, že aplikace biologického molekulárního inženýrství a výroby by se měly do poloviny 21. století rychle rozvíjet a vyvíjet.
Nanoboty: Jedná se o produkty nanovláken, ale neočekává se, že se budou samy replikovat nebo řídit. Nanoboty padají na průnik nanotechnologií a robotiky a jsou v tomto bodě spíše sci-fi než věda. Určitě však existují zajímavé možnosti jejich použití, zejména v lidských tělech. Někteří futuristé projektují, že nanoboty mohou jednoho dne cestovat skrz krevní oběh a hledat a léčit specifické nemocné buňky. Příkladem může být nanobot, který pouze útočí a ničí rakoviny konkrétního typu.

Současné a budoucí využití nanotechnologií

Podle Společnosti toxikologie již pokroky v nanotechnologiích produkují řadu nových materiálů. Přizpůsobují také staré materiály, jako je uhlík, což jim dává „velký potenciál ke zlepšení spotřebitelských a průmyslových výrobků, řešení kritických energetických potřeb, posílení bezpečnostních systémů a zlepšení lékařské oblasti“.

Uhlíkové nanotrubice - představte si, že se shrnují listy atomů uhlíku - nyní objevují ve spotřebitelských produktech, jako jsou tenisové rakety a golfové hole. Vykazují 200násobek pevnosti a pětinásobek elasticity oceli, pětinásobek elektrické vodivosti mědi a polovinu hustoty hliníku. Kromě toho nehrdzaví, nezhoršují se zářením ani se nerozšiřují ani nesnižují se změnou teploty. V tomto ohledu je zcela zřejmé odvolání na jejich použití v takových výrobcích, jako jsou automobily a letadla.

Projekt na rozvíjejících se nanotechnologiích ve společnosti Virginia Tech uvádí více než 1 790 stávajících spotřebních produktů, které jsou na nano-podporované, včetně bavlněných listů, odmašťovačů, golfových šachet, barev a kosmetiky. Někteří vědci dokonce předpověděli, že solární články mohou být nakonec vyvinuty s takovou trvanlivostí a tak nízkými náklady, aby umožnily jejich použití ve střechách, chodnících a silnicích - čímž se vytvoří cesta pro neznečišťující, hojné a levné zásobování energií..

Mezi konkrétní příklady existujících produktů využívajících nanotechnologie patří:

Systém Seldon Technologies 'MineralWater je uhlíkové nanotrubiční filtrační zařízení, které odstraňuje patogeny a kontaminanty, jako jsou viry, bakterie, cysty a výtrusy, a dodává pitnou vodu, která překračuje normu USEPA pro pitnou vodu.
Inkoust společnosti Linde Electronics pro uhlíkové nanotrubičky je určen pro displeje, senzory a elektronická zařízení, jako je smartphone s rolovací obrazovkou nebo průhledné GPS zařízení zabudované do čelního skla automobilu.
Výrobky na ochranu proti slunečnímu záření, které obsahují nanočástice oxidu titaničitého nebo oxidu zinečnatého, odrážejí nebo absorbují ultrafialové světlo způsobující rakovinu. Tyto výrobky jsou neviditelné a trvanlivé a mají méně dráždivé a alergenové materiály než tradiční krémy na opalování.
Mnoho obvazů nyní obsahuje nanočástice stříbra, které zabraňují infekci kolem poranění a otěrů a účinně mísí antibiotickou mast s obvazem.
Antibakteriální kapaliny do bazénu. Ty jsou účinnější v boji proti škodlivým bakteriím a zároveň snižují expozici plavců drsným chemikáliím předchozích produktů.

Jak předpokládá Institut pro předvídání, každodenní přínosy zvýšené dostupnosti nanovláken by zahrnovaly následující:

Lékařské nanoroboty, které léčí nemoci a reverzní stárnutí. Robert Freitas, vedoucí výzkumného pracovníka Institutu pro molekulární výrobu, projektuje ve své sérii Nanomedicine Book Series budoucnost, v níž jsou do lidského těla zavedeny lékařské nanoroboty, aby prováděly buněčné a mikroskopické operace, opravovaly konkrétní zranění a hlídaly tělo, aby identifikovaly a odolávaly nemocem . Na webových stránkách Institutu pro etiku a vznikající technologie popsal Burch scénář, kdy požití tableta dodá molekulárním materiálům pokyny pro nanoboty, aby vytvořily nové neurony, které nahradí poškozené nebo umírající mozkové buňky. Tyto nové mozkové buňky by zpracovávaly informace mnohem rychleji než biologický mozek, stejně jako umělá končetina může být silnější než lidská ruka nebo noha.
Snížené náklady na vyráběné výrobky. Základní náklady klesnou na hodnotu surovin, jako je uhlík, dusík a kyslík, a na energii potřebnou k provozu nanovláken. Představte si automobil postavený z uhlíkových vláken a vytvořený v nanovláken - spíše než s materiály, které vyžadují těžbu, zpracování a konfiguraci. Teoreticky lze prakticky libovolný materiál nebo předmět sestavit zdola nahoru kombinací nanofaktorií. Při kombinování simultánních a synergických procesů v nanoměrech dochází k rozsáhlým výsledkům. Eric Drexler, americký inženýr známý pro popularizaci nanotechnologií, předpovídá budoucnost stolních továren vyrábějících velké a užitečné produkty, podobné „replikátoru“ slávy „Star Trek“. Ve skutečnosti, v červnu 2014, Nestle's Institute of Health Sciences ohlásil nový projekt, který může nakonec vést k „kuchyňskému stroji, který dokáže vytvářet doplňky na míru - nebo dokonce jídlo.“
Rozvoj umělé obecné inteligence (AGI). Podle Foresight Institute budou nanovlákna zahrnovat strojní systémy pro inženýrskou a technickou práci, které zase budou vyrábět počítače, které jsou tisícekrát výkonnější a levnější než stávající počítače. Jakmile se stroje učí a přenášejí znalosti z jedné aplikace nebo prostředí do druhé, je pravděpodobné, že dojde k rychlému pokroku. Existuje však otázka, jak rychle lze dosáhnout AGI. Od roku 1990 má každý, jehož stroj dokáže oklamat nezávislé soudce, aby si myslel, že je to člověk, zatímco je zapojen do volného rozhovoru, je k dispozici cena 100 000 dolarů. Cena ještě musí být udělena.
Eliminace průmyslového chemického znečištění. Protože se každý atom v surovině pro biopotraviny používá v konečném produktu nebo směřuje do správně zabaleného odpadu, do životního prostředí se neuvolňují žádné znečišťující atomy. Například přírodní uhlí při spalování produkuje znečišťující látky, jako je oxid siřičitý, oxidy dusíku, vzdušné fyzikální částice a rtuť. Stavba umělého paliva, které vylučuje vedlejší produkty nebo je přeměňuje v neškodnou formu, by byla zdravější a levnější.

Rizika a rizika nanotechnologií

Dokonce i zastánci nanotechnologií, jako jsou Burch a Drexler, uznávají jeho potenciál poškodit a případně zničit lidskou rasu, pokud je technologie nekontrolovaná nebo nesprávně směrovaná. Tyto potenciálně škodlivé účinky zahrnují následující:

Přelidnění. Míra úmrtnosti lidí starších 80 let se od šedesátých let snížila přibližně o 1,5% ročně. Robert Freitas, Jr., navrhuje, že pokroky v nanotechnologiích odstraní všechna genetická onemocnění a pomalé stárnutí, čímž se „alespoň desetkrát zvýší lidské zdraví“. Pokud zvýšení délky života nesnižuje počet narozených, lidská rasa by se exponenciálně rozšiřovala, zvyšovala společenská napětí a potenciálně vyčerpávající zdroje.
Zvýšení kriminality a terorismu. Chemické a biologické zbraně by se mohly stát smrtelnějšími a snáze se skrývat nebo sledovat, zejména pokud budou dostupné na černém trhu nebo mohou být vyrobeny v domácí továrně. Nanovlákny by teoreticky mohly produkovat inteligentní protipěchotní zbraň o velikosti hmyzu schopného nést smrtící dávku botulismu. Počet takových zbraní schopných zabít každou lidskou bytost na planetě by mohl být zabalen do jediného kufru.
Rozdíly mezi Haves a Have-Nots. Vývoj nanotechnologií bude pravděpodobně zpočátku drahý a následně chráněný vrstvami patentů, zákonů a protisoutěžními překážkami. Z toho vyplývá, že přínosy nižších nákladů budou pravděpodobně omezeny na vlastníky technologie. Chudoba a rozdíly v příjmech by se mohly zveličovat, což by vyvolalo sociální nepokoje.
Konflikty přes náboženské přesvědčení a životní styl. Na celém světě jsou výrobky zakázány nebo omezovány na základě náboženských nebo morálních zásad, které většina nemusí nutně sdílet. Příklady zahrnují zbraně v Británii, alkohol v muslimských společnostech a rekreační drogy v různých zemích. Schopnost vyrábět zakázané produkty v osobních nanovláken by mohla v těchto společnostech způsobit narušení.
Vzhled „Grey Goo.„ Někteří vědci se obávají, že samoreplikující se nanovlákna mohou běžet amok, jedí biosféru ve zběsilém úsilí, aby si sami vytvořily neomezené kopie. Stejně jako je protispolečenské chování neodolatelné pro určité procento populace - jak dokládá počet existujících počítačových virů - nezodpovědní lidé a skupiny si pravděpodobně vytvoří samoreprodukující se nanofaktory, čímž se zvýší možnost katastrofy.

Závěrečné slovo

Steve Jurvetson, generální ředitel firmy rizikového kapitálu Draper Fisher Jurvetson, tvrdí, že budoucnost nanotechnologií není otázkou „jestli“, ale spíše „kdy“. Josh Wolfe, spoluzakladatel společnosti Lux Capital a redaktor zprávy Forbes / Wolfe Nanotech Report souhlasí s tím, že vše - oblečení, jídlo, auta, bydlení, medicína, komunikační zařízení, vzduch, který dýcháme, a voda, kterou pijeme - se podrobí „ hluboké a zásadní změny. A v důsledku toho také socioekonomická struktura světa. “

Bude nanotechnologie „kámen filosofů“ schopný splnit každé přání, nebo otevření Pandoriny skříňky, uvolnit nepředstavitelné těžkosti a hrůzy na lidský život, jak jej známe?