Nanotehnologije - fuzija velikog i malog

"There's Plenty of Room at the Bottom" je jos davne 1959-te rekao Richard P. Feynman. Nanotehnologije su tehnologije koje su fokusirane na oblasti gde su velicine jako male. Obicno se duzina od 100 nm koristi kao gornja granica ispod koje pricamo o nanotehnologijama, iako je definicija fleksibilna i ponekad se odnosi i na vece objekte. Meni je tema interesantna posto je nanotehnologija prag jedne grane tehnoloske revolucije gde se na jedinstven nacin u praksi sudaraju razne oblasti fizike (mehanika, elektromagnetizam, kvantna mehanika), (bio)hemije, molekulane biologije, IT-ja i uopste covecje ingenioznosti.

Mehanizam ("diferencijal") gore je sirok 7 nm pa tako oko 1,000 puta uzi od jednog crvenog krvnog zrnca, ili oko 10,000 puta uzi od covecje kose. Ovaj diferencijal je jos uvek suvise kompleksan pa tako jos nije napravljen. Ali je modeliran na kompjuterima (tj loptice u raznim bojama predstavljaju pojedinacne atome odredjenih hemijskih elemenata) kao rezultat znanja stecenog na uspesnoj realizaciji jednostavnijih struktura. Ocekuje se skora eksplozija aplikacija koje do sada nisu bile moguce bez nanotehnologije. Neke od njih sam ja izlistao ispod ovog paragrafa, dok su mali roboti koji nam idu kroz krvotok i popravljaju ostecenja u telu, na nivou pojedinacnih celija ako treba, jos uvek blizi naucnoj fantastici nego realnosti.

IBM Millipede je u prototip fazi. Spada u kategoriju MEMS (Micro-electrical-mechanical system) sistema. Fokus je data storage i limit negde oko jednog Terabyte-a (1,000 Gb) po kvadratnom inchu. "Glave" za citanje i pisanje su mali elektromagnetski skeneri (roboti) kojih ima oko 100 na kvadratnom milimetru (paralelizacija je, uopste, jedna od osnovnih karakteristika nanotehnologije).

Ovi skeneri su slicniji masinama koje su nam davno busile i citale kartice (ko se seca) nego magnetnim diskovima, koje sada koristimo, posto zapisuju informaciju tako sto prave mala udubljenja u nekim specificnim polimerima. Posto, iz nase konvencionalne perspektive, Milliped nema pokretnih delova, a jako je mali, posebno uzbudjenje izaziva buduca upotreba u mobilnim telefonima.

Ocekuje se i eksplozija procesorske snage koja ce da se ugradjuje u mobilne telefone (vec se spominju i procesori koji ce da se "clock-uju" i do 20 Ghz). Zatim proliferacija 3G i nG mreza sa brzinama za koje se ocekuje da ce za 10-15 godina dostici 1 Gbit/sec. Prepoznavanje govora od strane kompjutera je "stara" tehnologija sa pouzdanim modelima no zahteva ogromnu procesorsku snagu da bi se procesirao kontinualan govor od raznih osoba (tj bez treniranja) pa je tako manje poznata i jos manje koriscena. Sa novim procesorima problemi ce da nestanu. Sinteza govora je isto "stara" tehnologija no i mnogo laksa i jedino se manje koristi zato sto se manje koristi i prepoznavanje govora (tj ako vec sedimo za kompjuterom i koristimo tastaturu i misa najefikasniji smo u procesiranju rezultata tako sto ih citamo). Sve u svemu, ocekuje se eksplozija mobilnog compjutinga gde ce mobilni telefon imati jednu od prominentnih pozicija.

Carbon Nanotubes su ugljenicne cevcice sa precnikom koji pocinje od nekoliko nano-metara. Ove cevcice imaju izuzetnu cvrstocu kada je u pitanju pokusaj da se rastegnu pa su i do 50 puta cvrsce od nekih od cvrscis celika. Uopste, ove cevcice su medju najcvrscim materijalima poznatim coveku.

Posto imaju malu gustinu za sada nam nije poznat materijal koji ima vecu specificnu cvrstinu od ovih cevcica i to stoji iza jedne kategorije njihovih primena.
Interesantna je i druga kategorija primena koja polazi od pravilne geometrije ovih cevcica. Na tu temu je meni reprezentativno istrazivanje koje se radi na Stanfordu gde cevcice odredjenog precnika mogu da se nateraju da osciluju uz pomoc frekvencija koje su nesto ispod infracrvene. Kada osciluju ove cevcice se zagrevaju i do 70 stepeni pa su tako sposobne da ubiju, npr, celije karcinoma. Tako, ako se iskoristi substanca (marker) koja ce odneti ove cevcice samo do celija raka (sto je moguce posto te celije imaju neke specificne proteine na povrsini) pa se covek ozraci talasima na kojima cevcice rezonuju cevcice ce se zagrejati i ubiti cancerozne celije. Prednosti u odnosu na konvencionalne terapije su sto ovo zracenje samo po sebi ne ostecuje tkivo (svakodnevno smo njemu izlozeni od skoro svih objekata oko nas) a kroz krvotok se ne prenose lekovi koji su toksicni i za ostalo tkivo. Tj ubijaju se samo kancerozne celije. Popularan clanak na ovu temu je prosle godine preneo BBC dok publikovan rad moze da se nadje na web sajtu Stanford Univerziteta.

Nanotehnolosku revoluciju su pokrenuli prvenstveno novi "alati". Medju njima se istice The atomic force microscope (AFM). Koliko je fundamentalan znacaj novih alata moze da se ilustruje kroz sliku na levoj strani gde se vide "direktno" necistoce od hroma a na povrsini gvozdja. Do ne tako davne proslosti, a jos uvek u vecem obimu, ovakva povrsina je mogla da se "vidi" samo indirektno. Analogija koja ukazuje na to kako je to radjeno je ona gde pokusavamo da analiziramo povrsinu hrapavog zida koji ne mozemo da vidimo, nego samo pucamo u taj zid ping-pong lopticama i analiziramo kako se one odbijaju od zida.

Da bi demonstrirali pozicionu preciznost novog AFM-a IBM su pre nekoliko meseci nacrtali svoj logo na pripremljenu silicijumsku povrsinu a sa izuzetno malim fragmentima DNK (duzine 5 "base-pairs"). Izabrali su bas ovaj primer zato sto vide veliku primenu AFM-a u rapidnom, kontrolisanom sortiranju i distribuciji pojedinacnih molekula

Evo jos nekoliko reprezentativnih linkova:

Vestacka zubna gledj je primer upotrebe nanotehnologije za direktno kreiranje biomaterijala koji imaju specificnu biolosku strukturu.

Primer prvog vozila velicine jednog molekula a koje ima prikacen "motor" i ide na svetlo.

.

.

Papir napravljen od nano-vlakna moze da se savija i sece kao obican papir no fizicki je robusta, hemijski inertan i izdrzava temperature do 700 stepeni celzijusa.

.

.

.

Rezervoari sa vodonikom su potencijalno vrlo eksplozivni i opasni da bi se o vodoniku uskladisteno na ovaj nacin razmisljalo kao o gorivu za ne-profesinalne primene. Ali, mnogi od nas su culi za "fuel-cells" u kojima se enerigja vodonika pretvara u elektricnu uz vodu kao sporedni-proizvod. Jedna od prepreka za koriscenje ovih celija (a njihova se primena ocekuje i u portabilnim elektronskim uredjajima: lapotops, mobile phones, ... gde ce baterije da traju vise nedelja a mozda i meseci) je mala relativna gustina skladiscenja vodonika u formama gde nije kriticno eksplozivan. Eksperimenti sa Kristalnim Sundjerom iz kategorija "metal-organic frameworks" (MOFs) supstanci (koje inace puno obecavaju) su pokazali da specificna gustina vodonika u ovakvim sunjerima moze da se poveca i do tri puta u odnosu na do sada najefikasnije substance. To je dovoljno da "fuel-cells" postanu isplative u sirem dijapazonu aplikacija. MOFs obecavaju i kao moguce skladiste ostalih gasova, ukljucujuci i ugljen-dioksid.

Nanoscience news

Institute of Nanotechnology

Foresight Nanothech Institute

U sledecih 6 godina, pocevsi od kraja ove godine, EC ce uloziti oko 3.5 milijardi Evroa u instrazivanje i razvoj u oblasti nanotehnologije. Grantovi ce biti dostupni i srpskim obrazovnim i komercijalnim institucijama.