Kas ir nanotehnoloģija - piemēri, nākotnes lietojumi un riski

Viss fiziskā rakstura - cilvēki, augi, minerāli, gaiss - sastāv no atomu un molekulu kombinācijām, kas ir savstarpēji saistītas vai nu ar formu, vai ar elektronisku lādiņu. Atomu manipulēšana nano mērogā teorētiski ļautu cilvēkiem reproducēt visu, sākot no dimantiem līdz pārtikai.

Kaut arī šādas tehnoloģijas ieguvumi ir praktiski neskaitāmi, tas ir radījis nopietnas bažas par to, ka molekulārā manipulācija negribot var radīt vairāk problēmu nekā risinājumu - līdz pat cilvēku izmiršanai. Tādas organizācijas kā Austrālijas Zemes draugi, Meksikā esošie indivīdi, kas tiecas pēc Savagery, un Organisko patērētāju asociācija Amerikā aktīvi iebilst pret jebkādu nano mēroga projektu turpmāku attīstību..

Kas ir “mērogs” un kāpēc tas ir svarīgi?

Nanotehnoloģija ir zinātne, kas nodarbojas ar manipulācijām ar matēriju atomu, molekulārā un supramolekulārā mērogā - citiem vārdiem sakot, daudz mazāka par to, ko var redzēt ar neapbruņotu aci. Katrs nanometrs ir viena ceturtā metra daļa - apmēram garums, kurā nagu aug vienā sekundē. Raugoties perspektīvā, cilvēka mati ir aptuveni 80 000 līdz 100 000 nanometru platumā, sarkano asins šūnu ir 2500 nanometri, un cilvēka DNS virknes diametrs ir 2,5 nanometri..

Nanotehnoloģija ir kļuvusi iespējama tikai attīstot ārkārtas precizitātes instrumentus, piemēram, skenējošā tuneļa mikroskopu un atomu spēka mikroskopu. Tās solījums un risks rodas no mūsu pieaugošās izpratnes par kvantu fiziku, kas nodarbojas ar īpaši maziem objektiem. Pārsteidzoši, ka vielu uzvedība nanoskalā bieži ir pretrunā ar to īpašībām lielākā mērogā.

Piemēram, neiesaiņotas vielas, kas nespēj pārvadāt elektrisko lādiņu, - izolatori - var kļūt par pusvadītājiem nano līmenī, tāpat kā kušanas punkti un citas fizikālās īpašības var mainīties. Alumīnija kokss var sasmalcināties pulverī no 20 līdz 30 nanometriem, kas var spontāni aizdegties gaisā - īpašība, kas padara to par raķešu degvielas katalizatoru. Līdzīgi, gan dimants, gan zīmuļa grafīts ir izgatavoti no oglekļa, taču tiem ir ļoti atšķirīgas īpašības, pateicoties oglekļa atomu saistošumam..

Nano-terminoloģija

Tā kā zinātne ir paplašinājusies “nano” jomā, tā ir arī terminoloģija. Šeit ir dažas pamatdefinīcijas:

• Nanotehnoloģija: Jebkura tehnoloģija, ieskaitot tradicionālos rūpnieciskos un ķīmiskos procesus, kas ietver struktūras no viena līdz simts nanometriem, ar jaunām īpašībām. Nanotehnoloģiju pārklājumi jau tiek izmantoti, lai, piemēram, izgatavotu apģērbu ar traipiem izturīgām šķiedrām un augstas veiktspējas sauļošanās losjoniem.
• Nanofakcijas: Nanomērogā katra ražošanas metode ir vienkārši atomu sakārtošanas metode. Nanofakcijas, ko sauc arī par “molekulāriem montieriem”, ir niecīgas, slēgtas sistēmas ražošanas vienības, kas manevrē, apvieno un manipulē ar reaktīvajām molekulām, veidojot sarežģītas fizikālās un bioloģiskās struktūras - no minerāliem līdz cilvēka orgāniem un kauliem. Viena cilvēka šūna ir ideāls bioloģiski molekulārās ražošanas vienības vai nanofaktora piemērs, kas nolasa digitālo ģenētisko materiālu (DNS), lai vadītu apvienošanas procesu. Džons Bērcs no Foresight institūta prognozē, ka bioloģiskās molekulārās inženierijas un ražošanas lietojumiem vajadzētu paplašināties un strauji attīstīties līdz 21. gadsimta vidum.
• Nanoboti: Tie ir nanofakciju produkti, taču nav paredzams, ka tie pats atkārtosies vai tiks virzīti. Nanoboti atrodas nanotehnoloģiju un robotikas krustojumā un šobrīd ir vairāk zinātniskās fantastikas nekā zinātnes. Tomēr to izmantošanai noteikti ir intriģējošas iespējas, īpaši cilvēku ķermenī. Daži futūristi prognozē, ka nanoboti kādu dienu varētu ceļot pa asinsriti, meklējot un ārstējot konkrētas slimās šūnas. Kā piemēru var minēt nanobotu, kas tikai uzbrūk un iznīcina noteikta veida vēzi.

Nanotehnoloģiju pašreizējie un nākotnes lietojumi

Saskaņā ar Toksikoloģijas biedrības sniegto informāciju, sasniegumi nanotehnoloģijās jau rada daudz jaunu materiālu. Viņi arī pielāgo vecos materiālus, piemēram, oglekli, tādējādi dodot tiem “lielu potenciālu uzlabot patēriņa un rūpniecības produktus, risināt kritiskās enerģijas vajadzības, uzlabot drošības sistēmas un uzlabot medicīnas jomu.”

Oglekļa nanocaurules - iedomājieties, ka ir satīta oglekļa atomu lapa - tagad parādās patēriņa precēs, piemēram, tenisa raketes un golfa nūjas. Tie uzrāda tērauda stiprību 200 reizes un piecas reizes lielāku elastību, piecas reizes pārsniedz vara elektrisko vadītspēju un pusi no alumīnija blīvuma. Turklāt tie nerūsē, nesadalās no radiācijas, kā arī neizplešas un nesaraujas ar temperatūras izmaiņām. Šajā sakarā ir acīmredzami pievilcīgs to pielietojums tādos izstrādājumos kā automašīnas un lidmašīnas.

Jaunu nanotehnoloģiju projektā Virdžīnijas Tehnikā ir uzskaitīti vairāk nekā 1790 esošie patēriņa produkti, kuriem ir iespējota nano, ieskaitot kokvilnas loksnes, attaukošanas līdzekļus, golfa vārpstas, krāsu un kosmētiku. Daži zinātnieki pat ir paredzējuši, ka saules baterijas galu galā var attīstīt ar tādu izturību un par tik zemām izmaksām, lai ļautu tos izmantot jumtu segumos, ietvēs un ceļos, nodrošinot iespēju nepiesārņotai, bagātīgai un lētai enerģijas padevei..

Īpaši esošo produktu piemēri, kuros izmanto nanotehnoloģijas, ir šādi:

• Seldon Technologies MineralWater sistēma ir oglekļa nanocauruļu filtrēšanas ierīce, kas noņem patogēnus un piesārņotājus, piemēram, vīrusus, baktērijas, cistas un sporas, lai piegādātu dzeramo ūdeni, kas pārsniedz USEPA dzeramā ūdens standartu..
• Linde Electronics oglekļa nanocauruļu tinte paredzēta displejiem, sensoriem un elektroniskām ierīcēm, piemēram, viedtālrunim ar saliekamo ekrānu vai caurspīdīgai GPS ierīcei, kas iegulta automašīnas vējstiklā..
• Sauļošanās līdzekļi, kas satur titāna dioksīda vai cinka oksīda nanodaļiņas, atspoguļo vai absorbē vēzi izraisošo ultravioleto gaismu. Šie produkti ir neredzami un ilgstoši, un tiem ir mazāk kairinošu un alergēnu saturošu materiālu nekā tradicionālajiem sauļošanās līdzekļiem.
• Daudzi bezrecepšu pārsēji tagad satur sudraba nanodaļiņas, kas novērš infekciju ap griezumiem un nobrāzumiem, efektīvi sajaucot antibiotiku ziedes ar pārsēju.
• Antibakteriālie peldbaseinu šķidrumi. Tie ir efektīvāki cīņā pret kaitīgām baktērijām, vienlaikus samazinot peldētāju iedarbību uz iepriekšējo produktu skarbajām ķīmiskajām vielām.

Kā prognozējis Foresight institūts, ikdienas ieguvumi no paaugstinātas nanofaktu pieejamības ietvertu šādus:

• Medicīniskie nanoroboti, kas izārstē slimības un apvērš novecošanos. Roberts Freitas, Molekulārās ražošanas institūta vecākais zinātniskais līdzstrādnieks, savā Nanomedicīnas grāmatu sērijā prognozē nākotni, kurā cilvēka ķermenī tiek ievesti medicīniski nanoroboti, lai veiktu šūnu un mikroskopiskās operācijas, labotu īpašus ievainojumus un patrulētu ķermenī, lai identificētu un pretotos slimībām. . Ētikas un jauno tehnoloģiju institūta tīmekļa vietnē Burčs aprakstīja scenāriju, kurā norijotā tablete piegādātu molekulāros materiālus ar norādījumiem nanobotiem, lai veidotu jaunus neironus, lai aizstātu bojātās vai mirstošās smadzeņu šūnas. Šīs jaunās smadzeņu šūnas apstrādātu informāciju daudz ātrāk nekā bioloģiskās smadzenes, tāpat kā mākslīgā ekstremitāte var būt stiprāka par cilvēka roku vai kāju.
• Samazinātas izgatavoto izstrādājumu izmaksas. Pamata izmaksas samazināsies līdz tādu izejvielu vērtībai kā ogleklis, slāpeklis un skābeklis, kā arī enerģija, kas nepieciešama nanofakcijas darbībai. Iedomājieties automašīnu, kas izgatavota no oglekļa šķiedrām un izveidota nanofaktros, nevis ar materiāliem, kuriem nepieciešama ieguve, apstrāde un konfigurēšana. Teorētiski praktiski jebkuru materiālu vai priekšmetu var montēt no apakšas uz augšu, apvienojot nanofakcijas. Liela mēroga rezultāti rodas, ja tiek apvienoti vienlaicīgi un sinerģiski nanoskābes procesi. Ēriks Drekslers, amerikāņu inženieris, kurš pazīstams ar nanotehnoloģiju popularizēšanu, paredz, ka galddatoru rūpnīcas nākotnē ražos lielus, noderīgus produktus, līdzīgus kā “Star Trek” slavas “kopētājs”. Faktiski Nestle Veselības zinātņu institūts 2014. gada jūnijā paziņoja par jaunu projektu, kas galu galā var radīt “virtuves mašīnu, kas var radīt pielāgotus papildinājumus - vai pat ēdienu”.
• Mākslīgā vispārējā intelekta (AGI) attīstība. Saskaņā ar Foresight institūta datiem, nanofaktoros tiks iekļautas mašīnbūves tehnikas un tehnikas darbiem, kas, savukārt, ražos datorus, kas ir tūkstošiem reižu jaudīgāki un lētāki nekā pašreizējie datori. Kad mašīnas mācās un nodod zināšanas no vienas lietojumprogrammas vai vides uz citu, strauja attīstība kļūst iespējama. Tomēr ir jautājums par to, cik ātri var sasniegt AGI. Kopš 1990. gada balva 100 000 ASV dolāru ir pieejama ikvienam, kura mašīna var apmānīt neatkarīgos tiesnešus, uzskatot, ka tas ir cilvēcīgi, bet iesaistās brīvas formas sarunā. Balva vēl nav piešķirta.
• Rūpnieciskā ķīmiskā piesārņojuma novēršana. Tā kā katrs atoms bioloģiskās pārtikas krājumos tiek izmantots galaproduktā vai tiek novirzīts pareizi iesaiņotos atkritumos, vidē neizdalās piesārņojošie atomi. Piemēram, dabīgās ogles sadedzinot rada tādas piesārņojošas vielas kā sēra dioksīds, slāpekļa oksīdi, gaisā esošās fizikālās daļiņas un dzīvsudrabs. Būvēt mākslīgu degvielu, kas novērš blakusproduktus vai pārveido tos nekaitīgā formā, būtu veselīgāka un lētāka.

Nanotehnoloģiju draudi un riski

Pat tādi nanotehnoloģiju atbalstītāji kā Burch un Drexler atzīst tās potenciālu kaitēt un, iespējams, iznīcināt cilvēku rasi, ja tehnoloģija tiek nekontrolēta vai nepareizi vadīta. Šīs potenciāli kaitīgās ietekmes ir šādas:

• Pārpopulācija. Kopš 1960. gadiem mirstības līmenis cilvēkiem, kas vecāki par 80 gadiem, gadā ir samazinājies par 1,5%. Roberts Freitas, Jr, norāda, ka sasniegumi nanotehnoloģijās novērsīs visas ģenētiskās slimības un lēnu novecošanos, “vismaz desmit reizes palielinot cilvēku veselības stāvokli”. Ja ilgmūžības palielināšanās nesamazina dzimstību, cilvēku rase eksponenciāli paplašinātos, saasinot sabiedrības spriedzi un, iespējams, izsmeļot resursus.
• Noziedzības un terorisma pieaugums. Ķīmiskie un bioloģiskie ieroči var kļūt nāvējošāki un tos vieglāk slēpt vai izsekot, īpaši, ja tie kļūst pieejami melnajā tirgū vai arī tos var izgatavot mājas rūpnīcā. Nanofakcijas teorētiski varētu radīt inteliģentu pretkājnieku ieroci kukaiņa lielumā, kas spētu nēsāt nāvējošu botulisma devu. To ieroču skaitu, kas spēj nogalināt ikvienu planētas cilvēku, varētu iepakot vienā koferī.
• Nevienlīdzība starp Haves un N-Nots. Iespējams, ka nanotehnoloģiju izstrāde sākotnēji būs dārga, un tāpēc to aizsargā patentu līmeņi, likumi un pret konkurenci vērsti šķēršļi. Attiecīgi zemāku izmaksu ieguvumi, visticamāk, būs tikai tehnoloģiju īpašniekiem. Nabadzība un ienākumu atšķirības varētu kļūt pārspīlētas, tādējādi radot sociālus nemierus.
• Konflikti par reliģiskiem uzskatiem un dzīvesveidu. Visā pasaulē produkti tiek aizliegti vai ierobežoti, balstoties uz reliģiskiem vai morāliem principiem, kuriem ne vienmēr ir vairākuma dalījums. Kā piemērus var minēt ieročus Lielbritānijā, alkoholu musulmaņu sabiedrībās un atpūtas narkotikas dažādās valstīs. Spēja ražot aizliegtus produktus personīgajās nanofaktros varētu izraisīt traucējumus šajās sabiedrībās.
• Izskats “Grey Goo.“ Daži zinātnieki ir nobažījušies, ka pašreplicējošās nanofaktorijas var darboties nesmuki, ēdot biosfēru, satraucot pūles, lai no sevis izgatavotu neierobežotas kopijas. Tāpat kā antisociāla izturēšanās ir neatvairāma noteiktam procentam iedzīvotāju - par to liecina esošo datorvīrusu skaits - bezatbildīgi cilvēki un grupas, visticamāk, patstāvīgi reproducē nanofaktorus, tādējādi palielinot katastrofu iespēju.

Nobeiguma vārds

Stīvs Jurvetsons, riska kapitāla firmas Draper Fisher Jurvetson rīkotājdirektors, apgalvo, ka nanotehnoloģijas nākotne nav jautājums par “ja”, bet drīzāk “kad”. Džošs Volfs, “Lux Capital” līdzdibinātājs un “Forbes / Wolfe Nanotech Report” redaktors, piekrīt, sakot, ka viss - apģērbs, pārtika, automašīnas, korpuss, zāles, sakaru ierīces, gaiss, ko mēs elpojam, un ūdens, kuru mēs dzeram - tiks pakļauti “ dziļas un fundamentālas pārmaiņas. Tā rezultātā notiks arī pasaules sociālā un ekonomiskā struktūra. ”

Vai nanotehnoloģija būs “filozofa akmens”, kas spēj piepildīt katru vēlmi, vai Pandoras kastes atvēršana, atbrīvojot neiedomājamas grūtības un šausmas cilvēka dzīvē, kā mēs to zinām?