Има група от нечувани, занимаващи се в различни сфера на науката, учени, посветили се на изучаването на свят толкова малък, че не можем да го видим – дори и с микроскоп.
Този свят е света на нанотехнологиите, свят на атоми и наноструктури. Нанотехнологияте е толкова нова, че всъщност никой не е сигурен какво точно ще се получи. Въпреки това прогнозите са големи като например способността да репродуцират неща като диаманти и храна.
За да разберем колко необичаен е света на нанотехнологиите, трябва да разберем за какви мерни единици става въпрос. Един сантиметър е една стотна от метъра, един милиметър е една хилядна от метъра, а един микрометър е една милионна част от метъра, но всички тези единици са огромни, в сравнение с наноскалата. Един нанометър е една милиардна част от метъра, по-малко от дължината на вълната на видимата светлина и стотици хиляди по-малко от един човешки косъм.
Дори и толкова малък, нанометъра е голям в сравнение с атомната скала. Един атом има диаметър от 0.1 нм. Атомното ядро е дори още по-малко – около 0.00001 нм. Атомите съставят всяка материя в нашата вселена. Вие и всичко около вас е направено от атоми. Тялото ни се състои от милиони живи клетки. Клетките са наномашините на природата. На атомно ниво, елементите са в най-основната си форма. На нано ниво, можем да комбинираме тези атоми заедно и да направим почти всичко.
В лекция „Малки чудеса: Светът на нанонауката”. Нобеловият лауреат д-р Хорст Щрьомер казва, че наноскалата е по-интересна от атомната, защото при нея за първи път можем да създадем нещо – когато започнем да комбинираме атоми за да създадем нещо полезно.
Експерти понякога не са съгласни с това до къде се разпростира наноскалата, но можете да си представите, че нанотехнологията е всичко, което се измерва между 1 и 100 нм. По-голяма от това е микроскалата, а по малка е атомната.
Биолози, химици, физици и инженери изучават същността на нанотехнологията. Д-р Щрьомер се надява, че различните науки ще си изградят общ език и ще комуникират заедно. Само тогава бихме могли ефективно да изучаваме нанонауката.
Един от най-вълнуващите аспекти на нанонауката е ролята на квантовите механизми. Правилата на квантовите механизми са много различни от тези на класическата физика, което означава, че поведението на субстанциите в наноскалата може да бъде точно обратното. Не можете да вървите до стена и изведнъж да се телепортирате от другата и страна, но в наноскалата електрона може – нарича се електронно проникване. Субстанциите, които са изолатори не могат да носят електричен заряд, но в големи количества могат да станат полупроводници, когато са в наноскалата. Точката на топене може да се промени поради увеличаването на повърхнината. Много неща в нанонауката налагат да забравите за всичко, което сте учили и да започнете отначало.
Какво значи това? Означава, че учените експериментират със субстанции в наноскалата за да изучават свойствата им и търсят начини да се възползват от тях. Инженерите се опитват да използват нано мрежи за да създадат по-малки и по-мощни микропроцесори. Лекарите търсят начини да използват наночастиците в медицината. Все още имаме дълъг път докато нанотехнологията навлезе в технологичния и медицински пазар.
В момента учените обръщат голямо внимание на две наноструктури:
Наномрежите и въглеродните нанотръби. Наномрежите са мрежи с много малък диаметър, понякога по-малък от 1 нанометър. Учените се надяват да ги използват за създаването на миниатюрни транзистори за компютърни чипове и други устройства. През последните няколко години въглеродните нанотръби засенчват наномрежите. Все още изучаваме тези структури, но това, което сме научили за тях до сега е възхитително.
Въглеродната нанотръба е нано цилиндър от въглеродни атоми. Представете си лист от въглеродни атоми, които са шестоъгълници. Ако свиете този лист ще се получи тръба, което е въглеродна нанотръба. Свойствата й зависят от това как е свит листа. С други думи, въпреки че всички въглеродни нанотръби са съставени от въглерод, те могат да се различават една от друга, в зависимост от подредбата на отделните атоми.
С правилно разположени атоми можете да създадете нанотръба, която е стотици пъти по здрава от стоманата, но шест пъти по-лека. Инженерите мислят да създадат материал от въглеродни нанотръби, които да се използват в колите и самолетите. По-леките превозни средства ще използват горивото по-ефективно, а по-голямата якост ще допринесе за по-голямата безопасност на пътниците.
Въглеродните нанотръби могат да бъдат и ефективни полупроводници при правилната подредба на атомите. Учените все още работят по откриването на начини да ги направят реалистичен вариант за транзистори в микропроцесорите и друга електроника.
Може да се изненадате от това колко много продукти на пазара са нанотехнологични.
- Плажно мляко – много от тези кремове съдържат наночастици от цинков оксид или титаниев оксид. По-старите формули използват по-големи частици, което придава на повечето кремове техния бял цвят.
- Самопочистващо стъкло – Компания Pilkington предлага продукт, който наричат Активно стъкло, което използва наночастици за да го направи фотокаталистично и хидрофилно. Фотокаталистичният ефект означава, че когато UV радиацията от светлината попадне на стъклото, наночастиците се зареждат и започват да разрушават ограничните молекули по стъклото (мръсотията). Хидрофилно, означава, че когато водата попадне на стъклото, тя се стича покрай стъклото, което спомага за по-добра видимост.
- Дрехи – Учените използват наночастици за да подобрят вашите дрехи. Като се вшие пласт от наночастици цинков оксид, производителите могат да правят дрехи, които дават по-добра защита от UV радиацията. Някои дрехи имат наночастици под формата на малки косъмчета, които ги правят непромокаеми.
- Ненадраскваща материя – Инженерите са открили, че наночастиците от алуминиев силикат подобряват устойчивостта на драскане на повърхнините. Такива материи се използват най-вече при автомобилните стъкла и очилата.
- Антимикробен бинт – Ученият Робърт Бърел е създал антибактериален бинт използвайки сребърни наночастици. Сребърни йони убиват микробните клетки.
- Филтри и дезинфектанти за басейн – EnviroSystems Inc. са разработили смесица (наречена наноемулсия) от нано маслени капки и бактерицид. Маслените частици се прилепват към бактериите и спомагат за по-голямата ефикасност на бактерицида.
Нови продукти, използващи нанотехнологията, се появяват всеки ден. Тъкани, които не се мачкат, дълбокопроникваща козметика, дисплеи с течни кристали (LCD) и т.н. Не след дълго ще видим и дузина други продукти, които ще се възползват от предимствата на нанотехнологията, от микропроцесори до био-нанобатерии.
Бъдещето на нанотехнологията
В света на „Стар Трек” машини, наречени репликатори, могат да възпроизведат всеки физичен обект, от оръжия до топла чаша чай. Дълго се смяташе, че това е само продукт на научната фантастика, но днес някои хора вярват, че репликаторите са реална възможност. Наричат го молекулярно производство и ако някога стане реалност, би променило света.
Атомите и молекулите се слепват заедно, защото имат допълващи се форми, които се напасват или заряди, които се привличат. Също като при магнитите, позитивно зареденият атом ще залепне за негативно заредения. Ако милиони такива атоми се съберат с помощта на наномашини, ще започне да се оформя определен продукт. Целта на молекулярното производство е да манипулира атомите по единично и да ги поставя в определен ред за да се получи желана структура.
Първата стъпка е да се създадат наноскопични машини, наречени събирачи, които учените могат да програмират да манипулират атомите и молекулите както пожелаят. Професор Ричард Смалей отбелязва, че на една наноскопична машина би и отнело милиони години за да нареди значимо количество материал. За да се приложи молекулярното производство на практика, ще са нужни милиарди събирачи, които да работят заедно. Ерик Дрекслър вярва, че събирачите първо могат да репликират себе си, създавайки още събирачи. Всяко поколение ще строи ново, резултата ще е експоненциален растеж, докато събирачите станат достатъчно за да произвеждат предмети.
Милиарди събирачи и репликатори биха могли да се съберат в по-малко от кубичен милиметър, и пак ще са твърде малки за да ги видим. Те биха могли да работят заедно за да конструират продукти автоматично и евентуално биха могли да заместят всички традиционни лабораторни методи. Това може драстично да намали цените на производителите и от там продуктите по евтини. Бихме могли да можем да репликираме всичко, включително диаманти, вода и храна.
Нанотехнологията би се отразила най-вече в медицинската индустрия. Пациентите ще пият течности, съдържащи нанороботи, програмирани да атакуват и преконструират молекулярната структура на раковите клетки и вирусите. Има спекулации и че нанороботите биха могли да забавят или дори обърнат процеса на стареене и да се увеличи продължителността на живота. Нанороботите биха могли да се програмират дори да извършват деликатни операции. При това биха могли да оперират без да оставят белези.
Нанотехнологията има потенциала да окаже положителен ефект върху околната среда. Например, учените биха могли да програмират нанороботи, които да възстановят изтъняващия озонов слой. Нанороботите биха могли да премахнат замърсяванията от водоизточниците и да изчистят нефтените петна. Дърводобива, минодобива няма да са необходими вече – наномашините биха могли да създадат тези ресурси.
