Що таке нанотехнології - приклади, майбутні програми та ризики

Все фізичного характеру - люди, рослини, мінерали, повітря - складається з комбінацій атомів і молекул, пов'язаних між собою або формою, або електронним зарядом. Маніпулювання атомами в наномасштабі теоретично дозволило б людині відтворити все - від алмазів до їжі.

Незважаючи на те, що переваг такої технології практично незліченно, серед деяких людей виникло велике занепокоєння, що молекулярні маніпуляції можуть мимоволі принести більше проблем, ніж рішень - аж до вимирання людини. Такі організації, як "Друзі Землі Австралії", "Мешканці, що прагнуть до дикості" в Мексиці, та Асоціація споживачів органічних продуктів в Америці активно виступають проти подальшого розвитку наномасштабних проектів..

Що таке "шкала" і чому це важливо??

Нанотехнологія - це наука, яка займається маніпулюванням речовиною в атомному, молекулярному та надмолекулярному масштабі - іншими словами, набагато меншою, ніж те, що може бачити неозброєним оком. Кожен нанометр становить мільярдну частину метра - приблизно довжина нігтя зростає за одну секунду. Якщо говорити про це в перспективі, людське волосся має приблизно від 80 000 до 100 000 нанометрів, еритроцит - 2500 нанометрів, а нитка людської ДНК - діаметром 2,5 нанометра..

Нанотехнологія стала можливою лише завдяки розробці надзвичайних точних приладів, таких як скануючий тунельний мікроскоп та атомно-силовий мікроскоп. Його обіцянка та ризик виникають із нашого зростаючого розуміння квантової фізики, яка стосується надмалих об'єктів. Дивно, але поведінка речовин на нанорозмірних системах часто суперечить його властивостям у більшому масштабі.

Наприклад, речовини в сипкій формі, які не можуть перенести електричний заряд, - ізолятори - можуть стати напівпровідниками на нанорівні, так само як можуть змінюватися точки плавлення та інші фізичні властивості. Алюмінієвий кокс може перемелюватися в порошок розміром від 20 до 30 нанометрів, мимовільно може запалитися в повітрі - властивість, що робить його каталізатором ракетного палива. Аналогічно, і алмаз, і графіт в олівці виготовлені з вуглецю, але вони мають надзвичайно різні властивості завдяки способу зв'язку атомів вуглецю.

Нанотермінологія

Оскільки наука розширилася в галузі "нано", так само поширюється і термінологія. Ось кілька основних визначень:

Нанотехнології: Будь-яка технологія, включаючи традиційні промислові та хімічні процеси, що передбачає структури між ста і ста нанометрів, з новими властивостями. Нанотехнологічні покриття вже використовуються для виготовлення одягу із волокон, захищених від плям, та високоефективних сонцезахисних лосьйонів, наприклад.
Нанофабрики: Що стосується наномасштабу, кожен спосіб виготовлення - це просто метод упорядкування атомів. Нанофабрики також називаються "молекулярними збирачами" - це крихітні, закриті системи виробництва, які маневрують, комбінують та маніпулюють реактивними молекулами для створення складних фізичних та біологічних структур - від мінералів, до людських органів та кісток. Одинична клітина людини є ідеальним прикладом біологічної молекулярної одиниці виготовлення, або нанофабрики, яка зчитує цифровий генетичний матеріал (ДНК) для керування процесом їх комбінації. Джон Берч з Інституту передбачення прогнозує, що застосування біологічної молекулярної інженерії та виробництва повинно швидко розширюватися і розвиватися до середини 21 століття.
Наноботи: Це продукти нанофабрик, але не очікується, що вони самовідтворюються або спрямовуються. Нанороботи потрапляють на перехрестя нанотехнологій та робототехніки і є більш науково-фантастичною, ніж науковою. Однак, безумовно, є інтригуючі можливості їх використання, особливо всередині людських тіл. Деякі футуристи проектують, що наноботи можуть одного дня змогти подорожувати через кров, шукаючи та лікуючи конкретні хворі клітини. Прикладом може бути наноробот, який атакує і знищує рак конкретного типу.

Сучасні та майбутні використання нанотехнологій

За даними Товариства токсикології, досягнення нанотехнологій вже виробляють різноманітні нові матеріали. Вони також адаптують старі матеріали, такі як вуглець, таким чином надаючи їм "великий потенціал для поліпшення споживчих та промислових товарів, задоволення критичних потреб в енергії, вдосконалення систем безпеки та вдосконалення галузі медицини".

Вуглецеві нанотрубки - уявіть собі, як згорнутий аркуш вуглецевих атомів - з'являються зараз у споживчих товарах, таких як тенісні ракетки та гольф-клуби. Вони виявляють в 200 разів міцність і в п'ять разів пружність сталі, в п'ять разів перевищують електропровідність міді і половину щільності алюмінію. Крім того, вони не іржавіють, не руйнуються від радіації, не розширюються і не стискаються зі зміною температури. У зв'язку з цим привабливість їх застосування в таких продуктах, як автомобілі та літаки, стає цілком очевидною.

Проект з нових нанотехнологій компанії Virginia Tech перелічує понад 1790 існуючих споживчих товарів, які мають нано-можливості, включаючи бавовняні листи, знежирювачі, вали для гольфу, фарбу та косметику. Деякі вчені навіть передбачили, що сонячні батареї можуть з часом розвиватися з такою довговічністю і з такою низькою вартістю, що дозволить використовувати їх у покрівельних покриттях, тротуарах та дорогах - що дозволить забруднити енергію, що не забруднює.

Конкретні приклади існуючих продуктів, що використовують нанотехнології, включають наступне:

Система MineralWater Seldon Technologies - це пристрій для фільтрування вуглецевої нанотрубки, який видаляє патогени та забруднювачі, такі як віруси, бактерії, кісти та спори для доставки питної води, що перевищує стандарт питної води USEPA.
Вуглецева нанотрубочна чорнила Linde Electronics призначена для дисплеїв, датчиків та електронних пристроїв, таких як смартфон із засувним екраном або провідний GPS-пристрій, вбудований у лобове скло автомобіля.
Сонцезахисні продукти, що включають наночастинки діоксиду титану або оксиду цинку, відображають або поглинають ультрафіолетове світло, що викликає рак. Ці продукти є невидимими та тривалішими, мають менші подразнюючі та алергенні матеріали, ніж традиційні сонцезахисні засоби.
Зараз у багатьох безрецептурних пов'язках є наночастинки срібла, які запобігають зараженню навколо порізів та потертостей, ефективно змішуючи антибіотикову мазь із пов’язкою.
Антибактеріальні рідини для басейну. Вони ефективніші для боротьби зі шкідливими бактеріями, зменшуючи при цьому вплив плавців суворим хімічним речовин попередніх продуктів.

За прогнозами Інституту передбачення, повсякденні переваги збільшення доступності нанофабрик включали б у себе наступне:

Медичні нанороботи, які виліковують хворобу та зворотне старіння. Роберт Фрейтас, старший науковий співробітник Інституту молекулярного виробництва, проектує в своїй книзі серії «Наномедицина» майбутнє, коли медичні нанороботи впроваджуються в організм людини для проведення клітинних та мікроскопічних операцій, відновлення конкретних травм та патрулювання тіла для виявлення та протистояння захворюванню . На веб-сайті Інституту етики та нових технологій Берч описав сценарій, коли таблетка, що приймається, надає молекулярним матеріалам інструкції для нанороботів для формування нових нейронів для заміни пошкоджених або відмираючих клітин мозку. Ці нові клітини мозку обробляли б інформацію набагато швидше, ніж біологічний мозок, так як штучна кінцівка може бути сильнішою, ніж людська рука чи нога.
Зниження собівартості виробленої продукції. Основні витрати впадуть на величину сировини, такої як вуглець, азот, кисень та енергію, необхідну для роботи нанофабрик. Уявіть собі автомобіль, побудований з вуглецевих волокон і створений у нанофабриках - а не з матеріалів, які потребують видобутку, переробки та конфігурації. Теоретично практично будь-який матеріал або предмет можна зібрати знизу вгору за допомогою комбінації нанофабрик. Масштабні результати виникають при поєднанні одночасних та синергетичних нанорозмірних процесів. Ерік Дрекслер, американський інженер, відомий тим, що популяризує нанотехнології, прогнозує майбутнє настільних фабрик, які виготовлятимуть великі корисні продукти, подібні до "реплікатора" слави "Star Trek". Насправді, у червні 2014 року Інститут наук про здоров’я Nestle оголосив про новий проект, який, зрештою, може призвести до «кухонної машини, яка може створювати спеціальні добавки - або навіть їжу».
Розвиток штучного загального інтелекту (AGI). За даними Інституту передбачення, нанофабрики включатимуть машинні системи для інженерно-технічних робіт, які, у свою чергу, виготовлятимуть комп’ютери, які в тисячі разів потужніші та дешевіші, ніж сучасні комп’ютери. Коли машини навчаються та передають знання з однієї програми чи середовища в іншу, швидкі досягнення можуть стати ймовірними. Однак є питання, як швидко досягти AGI. Починаючи з 1990 року, премія в розмірі 100 000 доларів була доступна для кожного, чия машина може змусити незалежних суддів думати, що це людина, під час спілкування у вільній формі. Приз ще не вручено.
Усунення промислового хімічного забруднення. Оскільки кожен атом органічного харчового запасу використовується в кінцевому продукті або спрямовується в правильно упаковані відходи, жодні забруднюючі атоми не потрапляють у навколишнє середовище. Наприклад, природне вугілля утворює такі забруднюючі речовини, як діоксид сірки, оксиди азоту, фізичні частинки, що потрапляють у повітря, і ртуть при спалюванні. Побудувати штучне паливо, яке позбавляє від побічних продуктів або перетворює їх у нешкідливу форму, було б здоровішим та менш дорогим.

Небезпеки та ризики нанотехнологій

Навіть прихильники нанотехнологій, такі як Бурч і Дрекслер, визнають його потенціал нанести шкоду та, можливо, знищити людський рід, якщо технологія буде неконтрольована або неправильно спрямована. До таких потенційно шкідливих наслідків належать:

Перенаселення. Рівень смертності для людей старше 80 років зменшився приблизно на 1,5% на рік з 1960-х років. Роберт Фрейтас-молодший припускає, що прогрес у нанотехнології усуне всі генетичні захворювання та уповільнить старіння, "збільшивши здоров'я людини щонайменше в десятки разів". Якщо збільшення тривалості життя не зменшить народжуваність, людська раса буде розширюватися експоненціально, посилюючи суспільну напругу та потенційно виснажуючи ресурси.
Зростання злочинності та тероризму. Хімічна та біологічна зброя може стати більш смертоносною і легше її приховувати або відстежувати, особливо якщо вона стане доступною на чорному ринку або її можна побудувати на домашній фабриці. Нанофабрики теоретично могли б виготовити розумну протипіхотну зброю розміром з комахою, здатну переносити смертельну дозу ботулізму. Кількість такої зброї, здатної вбити будь-яку людину на планеті, можна було б упакувати в одну валізу.
Невідповідність між Гавесом і Нотами. Розробки нанотехнологій, ймовірно, спочатку дорогі і, отже, захищені шарами патентів, законів та антиконкурентних бар'єрів. Відповідно, переваги менших витрат, ймовірно, обмежуватимуться власниками технології. Бідність і нерівність у доходах можуть посилитися, тим самим породжуючи соціальні заворушення.
Конфлікти з приводу релігійних вірувань та способу життя. У всьому світі продукти забороняються або обмежуються на основі релігійних або моральних принципів, не обов'язково поділених більшістю. Приклади включають зброю у Британії, алкоголь у мусульманських товариствах та розважальні наркотики в різних країнах. Можливість виготовлення забороненої продукції в особистих нанофабриках може спричинити зрив у цих суспільствах.
Поява "Сірого Гуо"." Деякі вчені стурбовані тим, що нанофабрики, що самовідтворюються, можуть працювати амоком, поїдаючи біосферу з шаленими зусиллями, щоб зробити необмежену кількість копій. Подібно до того, як антисоціальна поведінка є непереборною для певного відсотка населення - про що свідчить кількість існуючих комп'ютерних вірусів - безвідповідальні люди та групи, ймовірно, роблять самовідтворюються нанофабрики, збільшуючи тим самим можливість катастрофи.

Заключне слово

Стів Юрветсон, керуючий фірмою венчурного капіталу Draper Fisher Jurvetson, стверджує, що майбутнє нанотехнологій - це не питання "якщо", а скоріше "коли". Джош Вулф, співзасновник Lux Capital і редактор звіту Forbes / Wolfe Nanotech, погоджується, кажучи, що все - одяг, їжа, машини, житло, ліки, комунікаційні пристрої, повітря, яке ми дихаємо, і вода, яку ми п'ємо - зазнають " глибокі та принципові зміни. І як результат, така буде соціально-економічна структура світу ».

Чи буде нанотехнологія «філософським каменем», здатним здійснити будь-яке бажання, або відкрити скриньку Пандори, відкривши немислимі негаразди та жахи в житті людини, як ми це знаємо.?