Kaj je nanotehnologija - primeri, prihodnje aplikacije in tveganja

Vse fizične narave - človeška bitja, rastline, minerali, zrak - je sestavljeno iz kombinacij atomov in molekul, povezanih bodisi z obliko bodisi z elektronskim nabojem. Z manipuliranjem atomov v nano-lestvici bi teoretično omogočili človeku, da reproducira vse, od diamantov do hrane.

Koristi takšne tehnologije so skoraj neštete, vendar je med nekaterimi vzbudil veliko zaskrbljenost, da lahko molekularna manipulacija nehote prinese več težav kot rešitev - do izumrtja ljudi. Organizacije, kot so Avstralski prijatelji Zemlje, posamezniki, ki se nagibajo k varčevanju v Mehiki, in Združenje ekoloških potrošnikov v Ameriki aktivno nasprotujejo nadaljnjemu razvoju nano-obseganih projektov..

Kaj je "lestvica" in zakaj je pomembno?

Nanotehnologija je veda, ki se ukvarja z manipulacijo snovi na atomskem, molekularnem in supramolekularnem merilu - z drugimi besedami, veliko manjšo od tistega, kar lahko vidi s prostim očesom. Vsaka nanometra je ena milijarda metra - približno dolžina nohta zraste v eni sekundi. Če pogledamo to, je človeška dlaka široka približno 80.000 do 100.000 nanometrov, rdeča krvna celica je 2500 nanometrov, pramen človeške DNK pa 2,5 nanometra v premeru.

Nanotehnologija je postala mogoča le z razvojem izrednih natančnih instrumentov, kot sta skeniranje tunelirnega mikroskopa in mikroskop z atomsko silo. Njegova obljuba in tveganje izhajata iz našega vse večjega razumevanja kvantne fizike, ki se ukvarja z ultra majhnimi predmeti. Presenetljivo je, da je vedenje snovi na nanodelcu pogosto v nasprotju z njegovimi lastnostmi v večjem obsegu.

Na primer, snovi v razsutem stanju, ki ne prenesejo električnega naboja - izolatorji - lahko postanejo polprevodniki na nano ravni, tako kot se lahko spremenijo tališča in druge fizikalne lastnosti. Aluminijasti koks se lahko zmleti v prah z 20 do 30 nanometri, ki se lahko spontano vžge v zraku - lastnost, zaradi katere je katalizator raketnega goriva. Podobno sta tudi diamant in grafit v svinčniku narejena iz ogljika, vendar imata precej drugačne lastnosti zaradi načina vezanja ogljikovih atomov.

Nano-terminologija

Ko se je znanost razširila na področju "nano", se s tem izrazi tudi terminologija. Tu je nekaj osnovnih definicij:

Nanotehnologija: Vsaka tehnologija, vključno s tradicionalnimi industrijskimi in kemičnimi procesi, ki vključuje strukture med sto in sto nanometrov, z novimi lastnostmi. Nanotehnološke prevleke se že uporabljajo za izdelavo oblačil iz vlaken, ki so odporna proti madežem, in visoko učinkovitih losjonov za zaščito pred soncem..
Nanofakture: V nanoskosti je vsak način izdelave preprosto metoda za razporeditev atomov. Nanofakture so tudi majhne proizvodne enote z zaprtim sistemom, ki manevrirajo, združujejo in manipulirajo z reaktivnimi molekulami za gradnjo zapletenih fizičnih in bioloških struktur - od mineralov, do človeških organov in kosti. Posamezna človeška celica je odličen primer biološke molekularne proizvodne enote ali nanofaktorja, ki bere digitalni genetski material (DNK) za usmerjanje procesa kombinacije. John Burch z inštituta Foresight napoveduje, da bi se morale aplikacije biološkega molekularnega inženiringa in proizvodnje do sredine 21. stoletja hitro širiti in razvijati.
Nanoboti: Gre za izdelke iz nanofaktorij, vendar se od njih ne pričakuje, da se bodo samodejno razmnoževali ali usmerjali. Nanoboti padajo na presečišču nanotehnologije in robotike in so v tem trenutku bolj znanstvena fantastika kot znanost. Vendar pa zagotovo obstajajo intrigantne možnosti za njihovo uporabo, zlasti znotraj človeških teles. Nekateri futuristi menijo, da bodo nanoboti nekega dne lahko potovali po krvnem obtoku in iskali določene obolele celice in jih zdravili. Primer je lahko nanobot, ki napada in uničuje le raka določene vrste.

Sedanje in prihodnje uporabe nanotehnologije

Po mnenju Društva za toksikologijo napredek nanotehnologije že proizvaja različne nove materiale. Prav tako prilagajajo stare materiale, kot je ogljik, kar jim daje "velik potencial za izboljšanje potrošniških in industrijskih izdelkov, reševanje potreb po kritični energiji, izboljšanje varnostnih sistemov in izboljšanje področja zdravstva."

Ogljikove nanocevke - predstavljajte si, da se je nabiral list ogljikovih atomov - se zdaj pojavljajo v potrošniških izdelkih, kot so teniški loparji in golf klubi. Izkazujejo 200-krat večjo trdnost in petkrat večjo elastičnost jekla, petkrat večjo električno prevodnost bakra in polovico gostote aluminija. Poleg tega ne rjavijo, razkrojijo pred sevanjem ali se širijo ali strdijo s spremembami temperature. V zvezi s tem postane privlačnost njihove uporabe pri izdelkih, kot so avtomobili in letala, povsem očitna.

Projekt o nastajajočih nanotehnologijah v Virginia Tech navaja več kot 1.790 obstoječih potrošniških izdelkov, ki so nano-omogočeni, vključno z bombažnimi rjuhami, razmaščevalniki, gredmi za golf, barvami in kozmetiko. Nekateri znanstveniki so celo predvideli, da se sončne celice lahko sčasoma razvijejo s tako trajnostjo in s tako nizkimi stroški, da se omogoči njihova uporaba na strehah, pločnikih in cestah, kar bo omogočilo neovirano, obilno in poceni oskrbo z energijo.

Konkretni primeri obstoječih izdelkov, ki uporabljajo nanotehnologijo, vključujejo naslednje:

Sistem MineralWater Seldon Technologies je naprava za filtriranje ogljikove nanocevke, ki odstranjuje patogene in onesnaževalce, kot so virusi, bakterije, ciste in spore, za dostavo pitne vode, ki presega standard pitne vode USEPA.
Karbonska nanocevna črnilo Linde Electronics je namenjena zaslonom, senzorjem in elektronskim napravam, kot je pametni telefon z zaslonom ali zaslonka GPS, ki je vgrajena v vetrobransko steklo avtomobila..
Izdelki za zaščito pred soncem, ki vsebujejo nanodelce titanovega dioksida ali cinkovega oksida, odbijajo ali absorbirajo ultravijolično svetlobo, ki povzroča raka. Ti izdelki so nevidni in dolgotrajnejši ter imajo manj dražilnih in alergenih materialov kot tradicionalne kreme za zaščito pred soncem.
Številni povojčki brez recepta vsebujejo nanodelce srebra, ki preprečujejo okužbo okoli ureznin in odrgnin, učinkovito mešanje antibiotičnega mazila z zavojem.
Antibakterijske tekočine za bazene Te so učinkovitejše v boju proti škodljivim bakterijam, hkrati pa zmanjšujejo izpostavljenost plavalcev hudim kemikalijam prejšnjih izdelkov.

Kot predvideva Inštitut za predvidevanje, bi vsakodnevne koristi povečane razpoložljivosti nanoproizvodnic vključevale naslednje:

Medicinski nanoroboti, ki pozdravijo bolezen in obratno staranje. Robert Freitas, starejši znanstveni sodelavec na Inštitutu za molekularno proizvodnjo, v svoji seriji Nanomedicine Book načrtuje prihodnost, ko bodo medicinske nanorobote vnesli v človeško telo za izvajanje celičnih in mikroskopskih operacij, popravilo specifičnih poškodb in patruliranje telesa za prepoznavanje in odpor proti bolezni . Na spletni strani Inštituta za etiko in nastajajoče tehnologije je Burch opisal scenarij, v katerem bi zaužita tabletka molekularnim materialom zagotovila navodila za nanobote, da bi oblikovala nove nevrone, ki bi nadomestili poškodovane ali umirajoče možganske celice. Te nove možganske celice bi obdelale informacije veliko hitreje kot biološki možgani, tako kot je umetna okončina lahko močnejša od človeške roke ali noge.
Zmanjšani stroški industrijskih izdelkov. Osnovni stroški bodo padli na vrednost surovin, kot so ogljik, dušik in kisik, ter energije, ki je potrebna za delovanje nanofaktorjev. Predstavljajte si avtomobil, ki je zgrajen iz ogljikovih vlaken in ustvarjen v nanofabrikah - in ne iz materialov, ki zahtevajo rudarjenje, predelavo in konfiguracijo. Teoretično je s kombinacijo nanofakturov mogoče sestaviti praktično vsak material ali predmet od spodaj navzgor. Rezultati velikega obsega se pojavijo, če se kombinirajo hkratni in sinergistični procesi nanodelcev. Eric Drexler, ameriški inženir, znan po popularizaciji nanotehnologije, napoveduje prihodnost tovarn na namizju, ki izdelujejo velike, uporabne izdelke, podobne "replikatorju" slave "Star Trek". Pravzaprav je junija 2014 Nestlov inštitut za zdravstvene vede objavil nov projekt, ki bo sčasoma lahko povzročil "kuhinjski stroj, ki lahko ustvari prilagojene dodatke - ali celo hrano."
Razvoj umetne splošne inteligence (AGI). Po podatkih Inštituta Foresight bodo v nanofakturah vključeni strojni sistemi za inženirska in tehnična dela, ki bodo posledično izdelovali računalnike, ki so tisočkrat močnejši in poceni kot trenutni računalniki. Ko se stroji učijo in prenašajo znanje iz ene aplikacije ali okolja v drugo, postane hiter napredek verjetno. Vendar pa obstaja nekaj vprašanj, kako hitro je mogoče doseči AGI. Od leta 1990 je nagrada v višini 100.000 dolarjev na voljo vsem, katerih stroj lahko zavede neodvisne sodnike, da mislijo, da je človek, medtem ko sodelujejo v pogovoru s prostimi oblikami. Nagrada še ni podeljena.
Odprava industrijskega kemičnega onesnaževanja. Ker se vsak atom v zalogi organske hrane uporablja v končnem proizvodu ali usmeri v pravilno zapakirane odpadke, se v okolje ne sproščajo onesnaževalni atomi. Na primer, naravni premog proizvaja se onesnaževala, kot so žveplov dioksid, dušikovi oksidi, fizični delci v zraku in živo srebro. Gradnja umetnega goriva, ki izloča stranske proizvode ali jih pretvori v neškodljivo obliko, bi bila bolj zdrava in cenejša.

Ogroženosti in tveganja nanotehnologije

Celo zagovorniki nanotehnologije, kot sta Burch in Drexler, prepoznavajo njen potencial za škodo in morebiti uničenje človeške rase, če tehnologija ne bo nadzorovana ali napačno usmerjena. Ti potencialno škodljivi učinki vključujejo naslednje:

Prenaseljenost. Stopnja umrljivosti pri ljudeh, starejših od 80 let, se je od šestdesetih let prejšnjega stoletja zmanjšala za približno 1,5% na leto. Robert Freitas, mlajši, predlaga, da bo napredek nanotehnologije odpravil vse genetske bolezni in upočasnil staranje, "vsaj za desetkrat povečal zdravje ljudi." Če povečanje dolgoživosti ne bo zmanjšalo rojstev, bi se človeška rasa eksponentno razširila, kar bi poslabšalo družbeno napetost in potencialno izčrpalo vire.
Povečanje kriminala in terorizma. Kemično in biološko orožje bi lahko postalo bolj smrtonosno in ga je mogoče lažje prikriti ali slediti, še posebej, če postane na voljo na črnem trgu ali ga je mogoče izdelati v domači tovarni. Nanofaktorije bi teoretično lahko izdelale inteligentno protipehotno orožje velikosti žuželke, ki bi lahko prenašalo smrtonosni odmerek botulizma. Število takšnega orožja, ki lahko ubije vsakega človeka na planetu, bi bilo mogoče spakirati v en kovček.
Neskladje med Haves in No-Nots. Razvoj nanotehnologije bo verjetno v začetku drag in je zato zaščiten s plastmi patentov, zakonov in protikonkurenčnih ovir. V skladu s tem bodo koristi nižjih stroškov verjetno omejene na lastnike tehnologije. Revščina in neenakost v dohodku bi lahko postali pretirani, kar bi ustvarilo socialne nemire.
Konflikti zaradi verskih prepričanj in življenjskega sloga. Po vsem svetu so izdelki prepovedani ali omejeni na podlagi verskih ali moralnih načel, ki jih večina ne nujno deli. Primeri vključujejo puške v Britaniji, alkohol v muslimanskih družbah in rekreativne droge v različnih državah. Sposobnost proizvajanja prepovedanih izdelkov v osebnih nanovarnah lahko povzroči motnje v teh družbah.
Videz "sivega goa"." Nekateri znanstveniki so zaskrbljeni, da lahko samoponovljive nanofaktorije tečejo v amoku in jedo biosfero v hudomušnem prizadevanju, da bi sami naredili neomejene kopije. Tako kot je antisocialno vedenje določenemu odstotku populacije neustavljivo - kar dokazuje število obstoječih računalniških virusov - bodo tudi neodgovorni ljudje in skupine naredili samoumevne nanofaktorije, s čimer se poveča možnost katastrofe.

Končna beseda

Steve Jurvetson, poslovodja družbe tveganega kapitala Draper Fisher Jurvetson, trdi, da prihodnost nanotehnologije ni stvar "če", ampak "kdaj". Josh Wolfe, soustanovitelj Lux Capital-a in urednik poročila Forbes / Wolfe Nanotech, se strinja, da pravi, da bo vse - oblačila, hrana, avtomobili, stanovanja, zdravila, komunikacijske naprave, zrak, ki ga dihamo, in voda, ki jo pijemo - doživeli " globoke in temeljne spremembe. Posledično bo to tudi družbena in ekonomska struktura sveta. "

Ali bo nanotehnologija "filozofski kamen", ki bo lahko uresničil vsako željo, ali odpiranje Pandorine škatle, sprosti nepredstavljive stiske in grozote človekovega življenja, kakršno poznamo?