Какво е нанотехнологията - примери, бъдещи приложения и рискове

Всичко от физическо естество - хора, растения, минерали, въздух - се състои от комбинации от атоми и молекули, свързани помежду си или по форма, или по електронен заряд. Манипулирането на атоми в наномащаб теоретично би позволило на хората да възпроизвеждат всичко - от диаманти до храна.

Макар че ползите от такава технология са почти безброй, тя създаде значителна загриженост сред някои, че молекулярната манипулация може неволно да доведе до повече проблеми, отколкото решения - до и включително изчезването на човека. Организации като Приятели на Земята на Австралия, Хора, които се стремят към дива природа в Мексико, и Асоциацията на биологичните потребители в Америка активно се противопоставят на всяко по-нататъшно развитие на наномащабни проекти.

Какво е "мащаб" и защо е важно?

Нанотехнологията е науката, която се занимава с манипулирането на материята в атомен, молекулен и надмолекулен мащаб - с други думи, много по-малка от това, което простото око може да види. Всеки нанометър е една милиардна част от метър - приблизително дължината на нокътя расте в една секунда. Казано в перспектива, човешката коса е с приблизително 80 000 до 100 000 нанометра ширина, червеното кръвно е 2 500 нанометра, а кичура човешка ДНК е с диаметър 2,5 нанометра.

Едва чрез разработването на извънредни прецизни инструменти, като сканиращ тунелен микроскоп и атомно-силов микроскоп, нанотехнологията стана възможна. Неговото обещание и риск произтичат от нарастващото ни разбиране на квантовата физика, която се занимава със свръх малки обекти. Изненадващо, поведението на веществата на наноразмер често противоречи на неговите свойства в по-голям мащаб.

Например, вещества в насипна форма, които не могат да носят електрически заряд - изолатори - могат да станат полупроводници на нано ниво, точно както температурите на топене и други физични свойства могат да се променят. Алуминиевият кокс може да се смила в прах от 20 до 30 нанометра може да се запали спонтанно във въздуха - свойство, което го превръща в катализатор на ракетно гориво. По същия начин и диамантът, и графитът в молив са направени от въглерод, но те имат много различни свойства поради начина, по който въглеродните атоми се свързват.

Nano-Терминология

Тъй като науката се разшири в областта на „нано“, така се развива и терминологията. Ето някои основни дефиниции:

Нанотехнология: Всяка технология, включително традиционните индустриални и химични процеси, включваща структури между сто и сто нанометра с нови свойства. Нанотехнологичните покрития вече се използват за изработка на дрехи с устойчиви на петна влакна и високоефективни слънцезащитни лосиони, например.
Nanofactories: Наноразмер, всеки производствен метод е просто метод за подреждане на атоми. Наричани още „молекулярни асемблери“, нанофабриките са малки, производствени единици със затворена система, които маневрират, комбинират и манипулират реактивни молекули за изграждане на сложни физически и биологични структури - от минерали, до човешки органи и кости. Единична човешка клетка е перфектният пример за биологична молекулярна производствена единица, или нанофабрика, която чете дигитален генетичен материал (ДНК), за да ръководи процеса на комбинация. Джон Бърч от Института за прогнозиране предвижда, че приложенията на биологичното молекулярно инженерство и производство трябва да се разширяват и развиват бързо до средата на 21 век.
наноботи: Това са продукти от нанофабрики, но не се очаква да се самовъзпроизвеждат или насочват. Наноботите попадат на пресечната точка на нанотехнологиите и роботиката и в този момент са повече научна фантастика, отколкото наука. Със сигурност обаче има интригуващи възможности за тяхното използване, особено в човешките тела. Някои футуристи проектират, че наноботите един ден могат да могат да пътуват през кръвообращението, търсейки и лекувайки специфични болни клетки. Пример може да бъде наноробот, който само атакува и унищожава ракови заболявания от определен тип.

Настоящи и бъдещи употреби на нанотехнологиите

Според Обществото по токсикология, напредъкът в нанотехнологиите вече произвежда различни разнообразни материали. Те също така адаптират стари материали като въглерод, като по този начин им дават „голям потенциал за подобряване на потребителските и индустриални продукти, справяне с критичните нужди от енергия, подобряване на системите за сигурност и подобряване на медицинската област.

Въглеродните нанотръби - представете си един лист въглеродни атоми, навити - сега се появяват в потребителски продукти като тенис ракети и голф клубове. Те проявяват 200 пъти по-голяма якост и пет пъти по-голяма еластичност на стоманата, пет пъти електрическата проводимост на медта и половината от плътността на алуминия. В допълнение, те не ръждясват, не се разграждат от радиация или не се разширяват или свиват с промяна на температурата. В тази връзка привлекателността на приложението им в такива продукти като автомобили и самолети става съвсем очевидна.

Проектът за нововъзникващи нанотехнологии в Virginia Tech изброява повече от 1790 съществуващи потребителски продукта, които са с нано-активиране, включително памучни листове, обезмаслители, валове за голф, боя и козметика. Някои учени дори прогнозираха, че в крайна сметка слънчевите клетки могат да бъдат разработени с такава издръжливост и с толкова ниска цена, която да позволи използването им в покриви, тротоари и пътища - което създава място за незамърсяващо, изобилно и евтино енергоснабдяване.

Конкретни примери за съществуващи продукти, използващи нанотехнологии, включват следното:

Системата MineralWater на Seldon Technologies е устройство за филтриране на въглеродни нанотръби, което премахва патогени и замърсители като вируси, бактерии, кисти и спори, за да доставят питейна вода, която надвишава стандарта за питейна вода USEPA.
Въглеродното мастило на нанотръбата на Linde Electronics е за дисплеи, сензори и електронни устройства, като смартфон с подвижен екран или GPS устройство, вградено в предното стъкло на автомобил.
Продуктите за слънцезащитни продукти, които включват нано-частици от титанов диоксид или цинков оксид, отразяват или абсорбират ултравиолетова светлина, причиняваща рак. Тези продукти са невидими и дълготрайни и имат по-ниски дразнители и алергенни материали, отколкото традиционните слънцезащитни продукти.
Много бинтове без рецепта сега съдържат наночастици от сребро, които предотвратяват инфекцията около порязвания и ожулвания, ефективно смесване на антибиотичен мехлем с превръзката.
Антибактериални течности за басейн. Те са по-ефективни в борбата с вредните бактерии, като същевременно намаляват излагането на плувците на суровите химикали от предишни продукти.

Според прогнозите на Института за прогнозиране, ежедневните ползи от увеличената наличност на нанофабриките ще включват следното:

Медицински нанороботи, които лекуват заболяване и обратно стареене. Робърт Фрейтас, старши научен сътрудник в Института за молекулярно производство, проектира в своята серия от книги за наномедицина бъдеще, при което медицински нанороботи се въвеждат в човешкото тяло, за да извършват клетъчни и микроскопични операции, да поправят специфични наранявания и да патрулират тялото, за да идентифицират и да се противопоставят на болести , На уебсайта за Института за етика и нововъзникващи технологии Бърч описва сценарий, при който погълнатото хапче би доставило молекулни материали с инструкции за наноботи, за да образува нови неврони, които да заменят увредените или умиращи мозъчни клетки. Тези нови мозъчни клетки биха обработили информация много по-бързо от биологичния мозък, точно както изкуственият крайник може да бъде по-силен от човешката ръка или крак.
Намалена цена на произвежданите продукти. Основните разходи ще паднат до стойността на суровините като въглерод, азот и кислород и енергията, необходима за работа на нанофабриката. Представете си автомобил, изграден от въглеродни влакна и създаден в нанофабрики - а не от материали, които изискват добив, обработка и конфигурация. Теоретично практически всеки материал или предмет може да бъде сглобен отдолу нагоре чрез комбинация от нанофабрики. Мащабни резултати се получават, когато се комбинират едновременни и синергични наноразмерни процеси. Ерик Дрекслер, американски инженер, известен с популяризирането на нанотехнологиите, прогнозира бъдеще на настолни фабрики, които правят големи, полезни продукти, подобни на "репликатора" на славата "Star Trek". Всъщност през юни 2014 г. Институтът по здравни науки на Nestle обяви нов проект, който в крайна сметка може да доведе до „кухненска машина, която може да създава приспособени добавки - или дори храна.“
Развитие на изкуствения общ интелект (AGI). Според института Foresight, нанофабриките ще включват машинни системи за инженерно-техническа работа, които от своя страна ще произвеждат компютри, които са хиляди пъти по-мощни и евтини от сегашните компютри. Докато машините учат и прехвърлят знания от едно приложение или среда в друго, бързият напредък става вероятен. Има обаче въпрос относно това колко бързо може да се постигне AGI. От 1990 г. награда от 100 000 долара е на разположение на всеки, чиято машина може да заблуди независимите съдии да мислят, че е човек, докато участва в разговор със свободна форма. Наградата все още не е връчена.
Елиминиране на промишленото химическо замърсяване. Тъй като всеки атом в запасите от органични храни се използва в крайния продукт или се насочва към правилно опаковани отпадъци, в околната среда не се отделят замърсяващи атоми. Например, естествените въглища произвеждат замърсители като серен диоксид, азотни оксиди, физически частици, пренасяни във въздуха, и живак при изгаряне. Изграждането на изкуствено гориво, което елиминира страничните продукти или ги превръща в невреден вид, би било по-здравословно и по-евтино.

Опасностите и рисковете от нанотехнологиите

Дори привържениците на нанотехнологиите, като Burch и Drexler, признават потенциала му да навреди и евентуално да унищожи човешката раса, ако технологията е неконтролирана или неправилно насочена. Тези потенциално вредни ефекти включват следното:

пренаселеност. Коефициентът на смъртност за хора над 80 години намалява с около 1,5% годишно от 60-те години насам. Робърт Фрейтас-младши предполага, че напредъкът в нанотехнологиите ще премахне всички генетични заболявания и ще забави стареенето, „увеличавайки човешкия здравен обхват поне десетократно“. Ако увеличаването на дълголетието не намали ражданията, човешката раса би се разширила експоненциално, изостряйки напрежението в обществото и потенциално изтощавайки ресурси.
Увеличаване на престъпността и тероризма. Химическите и биологичните оръжия могат да станат по-смъртоносни и по-лесни за прикриване или проследяване, особено ако станат достъпни на черния пазар или могат да бъдат изградени в домашна фабрика. Нанофабриките теоретично биха могли да произведат интелигентно противопехотно оръжие с размер на насекомо, способно да носи смъртоносна доза ботулизъм. Броят на такива оръжия, способни да убият всяко човешко същество на планетата, може да бъде опакован в един единствен куфар.
Несъответствие между хейвс и нот-нотс. Нанотехнологичните разработки вероятно ще бъдат първоначално скъпи и съответно защитени от слоеве от патенти, закони и антиконкурентни бариери. Съответно, ползите от по-ниските разходи вероятно ще бъдат ограничени до собствениците на технологията. Бедността и различието в доходите биха могли да станат по-преувеличени, като по този начин генерират социални вълнения.
Конфликти заради религиозните вярвания и начин на живот. В целия свят продуктите са забранени или ограничени въз основа на религиозни или морални принципи, които не се споделят непременно от мнозинството. Примерите включват оръжия във Великобритания, алкохол в мюсюлманските общества и развлекателни наркотици в различни държави. Възможността за производство на забранени продукти в лични нанофабрики може да причини смущения в тези общества.
Поява на „Сив Goo." Някои учени са обезпокоени, че самовъзпроизвеждащите се нанофабрики могат да работят амок, изяждайки биосферата с яростни усилия да направят неограничени копия от себе си. Точно както антисоциалното поведение е неустоимо за определен процент от населението - както е видно от броя на съществуващите компютърни вируси - безотговорните хора и групи вероятно ще направят самовъзпроизвеждащи се нанофабрики, като по този начин увеличават възможността за катастрофа.

Заключителна дума

Стив Юрветсън, управляващ директор на дружеството за рисков капитал Draper Fisher Jurvetson, твърди, че бъдещето на нанотехнологиите не е въпрос на „ако“, а по-скоро на „кога“. Джош Улф, съосновател на Lux Capital и редактор на доклада на Forbes / Wolfe Nanotech, е съгласен, казвайки, че всичко - дрехи, храна, коли, жилища, лекарства, комуникационни устройства, въздухът, който дишаме и водата, която пием, ще претърпи „ дълбока и фундаментална промяна. В резултат на това ще бъде социалната и икономическата структура на света. "

Ще бъде ли нанотехнологията „философският камък“, способен да сбъдне всяко желание, или отварянето на кутията на Пандора, отприщвайки невъобразими трудности и ужаси върху човешкия живот, какъвто го познаваме?