Mikä on nanoteknologia - esimerkkejä, tulevia sovelluksia ja riskejä

Kaikki fyysinen luonne - ihmiset, kasvit, mineraalit, ilma - koostuu atomien ja molekyylien yhdistelmistä, jotka on sidottu toisiinsa joko muodon tai elektronisen varauksen avulla. Atomien manipulointi nanomittakaavassa antaisi teoriassa ihmisille mahdollisuuden tuottaa kaikkea timanteista ruokaan.

Vaikka tällaisen tekniikan hyödyt ovat käytännössä lukemattomia, se on aiheuttanut huomattavan huolen siitä, että molekyylin manipulointi voi tahattomasti tuoda enemmän ongelmia kuin ratkaisuja - jopa ihmisen sukupuuttoon. Organisaatiot, kuten Australian maapallon ystävät, Meksikoon suuntautuvat yksilöt ja Amerikan orgaanisten kuluttajien yhdistys, vastustavat aktiivisesti nanotason hankkeiden jatkokehitystä..

Mikä on ”mittakaava” ja miksi se on tärkeää?

Nanoteknologia on tiede, joka käsittelee aineen käsittelyä atomi-, molekyyli- ja supramolekulaarisessa mittakaavassa - toisin sanoen, paljon pienempi kuin mitä paljain silmin voi nähdä. Jokainen nanometri on miljardi metriä - suunnilleen pituus kynä kasvaa sekunnissa. Tämän näkökulmasta tarkasteltuna ihmisen hiukset ovat noin 80 000 - 100 000 nanometriä leveitä, punasolu on 2500 nanometriä ja ihmisen DNA-juosteen halkaisija on 2,5 nanometriä.

Nanoteknologia on tullut mahdolliseksi vain kehittämällä poikkeuksellisia tarkkuusinstrumentteja, kuten skannaustunnelomikroskooppi ja atomivoimamikroskooppi. Sen lupaus ja riski johtuvat kasvavasta ymmärryksestämme kvantfysiikasta, joka käsittelee erittäin pieniä esineitä. Yllättäen aineiden käyttäytyminen nanomittakaavassa on usein sen ominaisuuksien vastaista laajemmassa mittakaavassa.

Esimerkiksi irtotavarana aineista, jotka eivät pysty kantamaan sähkövarausta - eristeitä - voi tulla puolijohteita nanotasolla, samoin kuin sulamispisteet ja muut fysikaaliset ominaisuudet voivat muuttua. Alumiinikoksi voi maata jauheeksi, jonka koko on 20–30 nanometriä, ja se voi itsestään syttyä ilmassa - ominaisuus, joka tekee siitä rakettipolttoainekatalyytin. Samoin sekä timantti että kynässä oleva grafiitti on valmistettu hiilestä, mutta niillä on huomattavasti erilaiset ominaisuudet johtuen tavasta, jolla hiiliatomit sitoutuvat.

Nano-Terminologia

Kun tiede on laajentunut nano-kenttään, niin on myös terminologiaa. Tässä on joitain perusmääritelmiä:

nanoteknologia: Mikä tahansa tekniikka, mukaan lukien perinteiset teolliset ja kemialliset prosessit, johon sisältyy rakenteita, jotka ovat välillä sata nanometriä ja joilla on uusia ominaisuuksia. Nanoteknologiapinnoitteet ovat jo käytössä vaatteiden valmistuksessa esimerkiksi tahroja kestävillä kuiduilla ja esimerkiksi korkean suorituskyvyn aurinkovoidevoideilla..
nanofactories: Nanomittakaavassa jokainen valmistusmenetelmä on yksinkertaisesti menetelmä atomien järjestämiseksi. Nanofaktorit, joita kutsutaan myös ”molekyylikokoonpanojiksi”, ovat pieniä, suljetun järjestelmän valmistusyksiköitä, jotka ohjaavat, yhdistävät ja manipuloivat reaktiivisia molekyylejä rakentaakseen monimutkaisia fysikaalisia ja biologisia rakenteita - mineraaleista, ihmiselimiin ja luihin. Yksi ihmisen solu on täydellinen esimerkki biologisesta molekyylin valmistusyksiköstä tai nanofaktorista, joka lukee digitaalista geneettistä materiaalia (DNA) yhdistämisprosessin ohjaamiseksi. John Burch ennakointilaitoksesta ennustaa, että biologisen molekyylitekniikan ja valmistuksen sovellusten tulisi laajentua ja kehittyä nopeasti 2000-luvun puoliväliin mennessä.
nanobots: Nämä ovat nanofaktorien tuotteita, mutta niiden ei odoteta olevan itsensä toistuvia tai suunnattuja. Nanobotit putoavat nanoteknologian ja robotiikan risteyksessä ja ovat tässä vaiheessa enemmän fiktio kuin tiede. Niiden käyttöön on kuitenkin varmasti mielenkiintoisia mahdollisuuksia, etenkin ihmiskehoissa. Jotkut futuristit arvioivat, että nanobotit saattavat yhtenä päivänä kulkea verenkierron läpi etsimällä ja hoitamalla tiettyjä sairaita soluja. Esimerkki voi olla nanobotti, joka vain hyökkää ja tuhoaa tietyn tyyppiset syövät.

Nanoteknologian nykyiset ja tulevat käyttötavat

Toksikologiayhdistyksen mukaan nanoteknologian edistys tuottaa jo useita uusia materiaaleja. He mukauttavat myös vanhoja materiaaleja, kuten hiiltä, antaen heille "suuren potentiaalin parantaa kuluttaja- ja teollisuustuotteita, vastata kriittisiin energiantarpeisiin, parantaa turvajärjestelmiä ja parantaa lääketieteen alaa."

Hiilinanoputket - kuvittele arkki hiiliatomeja rullattuina - ilmestyvät nyt kuluttajatuotteissa, kuten tennismailat ja golfmailat. Niillä on 200-kertainen teräksen lujuus ja viisinkertainen joustavuus, viisinkertainen kuparin sähkönjohtavuus ja puolet alumiinin tiheydestä. Lisäksi ne eivät ruostu, hajoa säteilystä tai laajene tai supistu lämpötilanmuutoksen seurauksena. Tältä osin niiden soveltamisen valittavuus sellaisiin tuotteisiin kuin autot ja lentokoneet tulee melko itsestään selväksi.

Virginia Techin esiin nousevia nanoteknologioita koskevassa hankkeessa luetellaan yli 1 790 nykyistä nanotuotteita käyttävää kuluttajatuotetta, mukaan lukien puuvillalevyt, rasvanpoistoaineet, golf-akselit, maalit ja kosmetiikka. Jotkut tutkijat ovat jopa ennustaneet, että aurinkokennoja voidaan lopulta kehittää niin kestävällä ja niin halvalla kustannuksella, että niiden käyttö kattoissa, jalkakäytävissä ja teillä on mahdollista saada aikaan saastumaton, runsas ja edullinen energianlähde..

Erityisiä esimerkkejä nanoteknologiaa käyttävistä olemassa olevista tuotteista ovat seuraavat:

Seldon Technologiesin MineralWater-järjestelmä on hiilinanoputkien suodatuslaite, joka poistaa patogeenit ja epäpuhtaudet, kuten virukset, bakteerit, kystat ja itiöt, juomaveden tuottamiseksi, joka ylittää USEPA-juomavesistandardin..
Linde Electronicsin hiilinanoputken muste on tarkoitettu näytöille, antureille ja elektronisille laitteille, kuten älypuhelimelle, jolla on rullausnäyttö tai läpinäkyvä GPS-laite upotettuna auton tuulilasiin..
Aurinkosuojatuotteet, jotka sisältävät titaanidioksidia tai sinkkioksidinanohiukkasia, heijastavat tai absorboivat syöpää aiheuttavaa ultraviolettivaloa. Nämä tuotteet ovat näkymättömiä ja kestäviä, ja niissä on vähemmän ärsyttäviä ja allergeenimateriaaleja kuin perinteisissä aurinkovoideissa.
Monet käsimyymälöissä olevat sidokset sisältävät nyt hopean nanohiukkasia, jotka estävät leikkausten ja hankausten ympärillä tapahtuvaa tartuntaa, sekoittaen tehokkaasti antibioottivoiteet siteen kanssa.
Antibakteeriset uima-altaan nesteet. Ne torjuvat tehokkaammin haitallisia bakteereja ja vähentävät samalla uimareiden altistumista aikaisempien tuotteiden ankarille kemikaaleille.

Kuten Foresight Institute ennustaa, nanofaktorien lisääntyneen saatavuuden päivittäisiin hyötyihin sisältyisivät seuraavat:

Lääketieteelliset nanorobotit, jotka parantavat tautia ja kääntävät ikääntymistä. Robert Freitas, molekyylivalmistuksen instituutin vanhempi tutkija, projisoi nanolääketieteen kirjasarjassaan tulevaisuuden, jossa lääketieteelliset nanorobotit viedään ihmiskehoon suorittamaan solu- ja mikroskooppileikkauksia, korjaamaan erityisiä vammoja ja partioimaan vartaloa tunnistamaan ja vastustamaan tauteja. . Eettisten ja kehittyvien teknologioiden instituutin verkkosivustolla Burch kuvasi skenaarion, jossa nautittu pilleri toimittaisi molekyylimateriaaleja nanokohtaisille ohjeille uusien hermosolujen muodostamiseksi vaurioituneiden tai kuolevien aivosolujen korvaamiseksi. Nämä uudet aivosolut käsittelisivät tietoja paljon nopeammin kuin biologiset aivot, samoin kuin keinotekoinen raaja voi olla vahvempi kuin ihmisen käsivarsi tai jalka.
Valmistettujen tuotteiden alennetut kustannukset. Peruskustannukset laskevat raaka-aineiden, kuten hiilen, typen ja hapen, arvoon ja nanotehtaan toimintaan tarvittavaan energiaan. Kuvittele auto, joka on rakennettu hiilikuiduista ja luotu nanotaloissa - sen sijaan, että valmistettaisiin materiaaleja, jotka vaativat kaivosta, prosessointia ja konfigurointia. Teoreettisesti käytännössä mikä tahansa materiaali tai esine voidaan koota alhaalta ylöspäin nanofaktorien yhdistelmällä. Laajamittaisia tuloksia syntyy, kun samanaikaiset ja synergistiset nanomittakaavan prosessit yhdistetään. Nanoteknologian popularisoinnista tunnettu amerikkalainen insinööri Eric Drexler ennustaa työpöytätehtaiden tulevaisuuden valmistavan suuria, hyödyllisiä tuotteita, samanlaisia kuin "Star Trek" -maineen "kopioija". Itse asiassa Nestlen terveystieteiden instituutti ilmoitti kesäkuussa 2014 uudesta projektista, joka voi lopulta johtaa ”keittiökoneeseen, joka voi luoda räätälöityjä lisäravinteita - tai jopa ruokaa”.
Keinotekoisen yleisen älykkyyden (AGI) kehittäminen. Foresight Institute mukaan nanofaktorit sisältävät kone- ja tekniset koneistojärjestelmät, jotka puolestaan valmistavat tietokoneita, jotka ovat tuhansia kertoja tehokkaampia ja edullisempia kuin nykyiset tietokoneet. Kun koneet oppivat ja siirtävät tietoa yhdestä sovelluksesta tai ympäristöstä toiseen, nopea eteneminen tulee todennäköiseksi. On kuitenkin joitain kysymyksiä siitä, kuinka nopeasti AGI voidaan saavuttaa. Vuodesta 1990 lähtien 100 000 dollarin palkinto on ollut saatavana jokaiselle, jonka kone voi huijata riippumattomia tuomareita ajattelemaan, että se on ihminen, kun hän harjoittaa vapaamuotoista keskustelua. Palkintoa ei ole vielä jaettu.
Teollisuuden kemiallisen pilaantumisen poistaminen. Koska kaikkia orgaanisten elintarvikkeiden varastoja käytetään lopputuotteessa tai johdetaan asianmukaisesti pakattuihin jätteisiin, pilaavia atomeja ei päästä ympäristöön. Esimerkiksi luonnollinen kivihiili tuottaa poltettaessa epäpuhtauksia, kuten rikkidioksidia, typen oksideja, fyysisiä hiukkasia ja elohopeaa. Keinotekoisen polttoaineen rakentaminen, joka eliminoi sivutuotteet tai muuntaa ne vaarattomiksi, olisi terveellisempää ja halvempaa.

Nanoteknologian vaarat ja riskit

Jopa nanoteknologian kannattajat, kuten Burch ja Drexler, tunnustavat sen potentiaalin vahingoittaa ja mahdollisesti tuhota ihmiskunnan, jos tekniikkaa ei hallita tai ohjataan väärin. Nämä mahdollisesti haitalliset vaikutukset sisältävät seuraavat:

Liikakansoitus. Yli 80-vuotiaiden kuolleisuusaste on laskenut noin 1,5% vuodessa 1960-luvulta lähtien. Robert Freitas, Jr, ehdottaa, että nanoteknologian edistyminen eliminoi kaikki geneettiset sairaudet ja hidasta ikääntymistä, ”lisäämällä ihmisten terveydentilaa ainakin kymmenkertaiseksi”. Jos pitkäikäisyyden lisääntyminen ei vähennä syntymää, ihmiskunta laajenisi eksponentiaalisesti, pahentaen yhteiskunnallisia jännitteitä ja potentiaalisesti kuluttaen resursseja.
Rikoksen ja terrorismin lisääntyminen. Kemiallisista ja biologisista aseista voi tulla tappavampia ja helpommin peittää tai jäljittää, etenkin jos ne ovat saatavissa mustilla markkinoilla tai ne voidaan rakentaa kotitehtaalla. Nanofaktorit voisivat teoreettisesti tuottaa älykkään jalkaväki-aseen, joka on hyönteisen kokoinen ja joka pystyy kantamaan tappavan annoksen botulismia. Määrä sellaisia aseita, jotka voivat tappaa jokaisen planeetan ihmisen, voitaisiin pakata yhteen matkalaukkuun.
Erot haves- ja non-noots-pisteiden välillä. Nanoteknologian kehitys on todennäköisesti alun perin kallista, ja sen vuoksi sitä suojaavat patentit, lait ja kilpailunvastaiset esteet. Niinpä alempien kustannusten edut rajoittuvat todennäköisesti tekniikan omistajille. Köyhyys ja tuloerot saattavat tulla liioiteltuiksi, mikä aiheuttaa sosiaalisia levottomuuksia.
Konfliktit uskonnollisista vakaumuksista ja elämäntavoista. Tuotteet ovat kiellettyjä tai rajoitettuja kaikkialla maailmassa uskonnollisten tai moraalisten periaatteiden perusteella, joita enemmistö ei välttämättä jaa. Esimerkkejä ovat aseet Isossa-Britanniassa, alkoholi islamilaisissa yhteiskunnissa ja virkistyslääkkeet eri maissa. Kyky tuottaa kiellettyjä tuotteita henkilökohtaisissa nanotaloissa voisi aiheuttaa häiriöitä näissä yhteiskunnissa.
Ulkonäkö ”Grey Goo.” Jotkut tutkijat ovat huolissaan siitä, että itsetoistuvat nanofaktorit voivat ajaa tyhjään suuntaan, syömällä biosfääriä kiihkeällä pyrkimyksellä tehdä rajattomia kopioita itsestään. Aivan kuten epäsosiaalinen käyttäytyminen on vastustamaton tietylle prosenttimäärälle väestöstä - kuten osoittaa olemassa olevien tietokonevirusten lukumäärä - vastuuttomat ihmiset ja ryhmät todennäköisesti tekevät itsensä replikoivia nanotekniikoita, mikä lisää katastrofien mahdollisuutta.

Lopullinen sana

Riskipääomayhtiö Draper Fisher Jurvetsonin toimitusjohtaja Steve Jurvetson väittää, että nanoteknologian tulevaisuus ei ole kysymys "jos", vaan "milloin". Josh Wolfe, Lux Capitalin perustaja ja Forbes / Wolfe Nanotech -raportin toimittaja, ovat yhtä mieltä sanomalla, että kaikki - vaatteet, ruoka, autot, asuminen, lääketiede, viestintälaitteet, hengitettävä ilma ja juomavesi - perusteellinen ja perustavanlaatuinen muutos. Seurauksena on myös maailman sosiaalinen ja taloudellinen rakenne. ”

Onko nanoteknologia ”filosofin kivi”, joka kykenee toteuttamaan jokaisen toiveen, vai Pandoran laatikon avaaminen, vapauttaen käsittämättömät vaikeudet ja kauhut ihmisen elämään sellaisena kuin me sen tiedämme?