Mis on nanotehnoloogia - näited, tulevased rakendused ja riskid

Kõik füüsilise olemusega - inimesed, taimed, mineraalid, õhk - koosneb aatomite ja molekulide kombinatsioonidest, mis on omavahel seotud kas kuju või elektroonilise laengu abil. Aatomite manipuleerimine nanomõõtmetes võimaldaks teoreetiliselt inimestel paljundada kõike alates teemantidest kuni toiduni.

Ehkki sellise tehnoloogia eelised on praktiliselt lugematud, on see tekitanud mõne hulgas tõsist muret, et molekulaarne manipuleerimine võib tahtmatult tuua kaasa rohkem probleeme kui lahendusi - kuni inimese väljasuremiseni (kaasa arvatud). Sellised organisatsioonid nagu Austraalia Maasõbrad, Mehhikos Savagery poole liikuvad üksikisikud ja Ameerikas asuv Organic Consumers Association on aktiivselt nanotasandi projektide edasise arendamise vastu..

Mis on “skaala” ja miks see on oluline??

Nanotehnoloogia on teadus, mis tegeleb mateeria manipuleerimisega aatomi, molekulaarses ja supramolekulaarses mõõtkavas - teisisõnu, palju väiksem kui see, mida palja silmaga näha saab. Iga nanomeeter on üks neljandik meetrit - umbes sama pikk kui küünte suurus kasvab ühe sekundiga. Selle perspektiivi silmas pidades on inimese juuksed umbes 80 000–100 000 nanomeetrit laiad, punaste vereliblede suurus 2500 nanomeetrit ja inimese DNA ahela läbimõõt on 2,5 nanomeetrit.

Nanotehnoloogia on saanud võimalikuks vaid tänu erakorraliste täppisinstrumentide, näiteks skaneeriva tunnelmikroskoobi ja aatomjõu mikroskoobi arendamisele. Selle lubadus ja risk tulenevad meie üha suurenevast arusaamast kvantfüüsikast, mis tegeleb üliväikeste objektidega. Üllataval kombel on ainete käitumine nanomõõtmetes sageli vastuolus selle omadustega laiemalt.

Näiteks lahtiselt kujul ained, mis ei saa elektrilaengut, - isolaatorid - võivad nano tasandil muutuda pooljuhtideks, just nagu sulamispunktid ja muud füüsikalised omadused võivad muutuda. Alumiiniumkoks võib jahvatada 20–30 nanomeetriseks pulbriks, võib õhus iseeneslikult süttida - omadus, mis muudab selle raketikütuse katalüsaatoriks. Sarnaselt on nii teemant kui ka pliiatsis sisalduv grafiit valmistatud süsinikust, kuid neil on süsinikuaatomite sidumise viisi tõttu oluliselt erinevad omadused.

Nano-terminoloogia

Kuna teadus on laienenud nanovaldkonnas, on ka terminoloogiat. Siin on mõned põhimääratlused:

Nanotehnoloogia: Mis tahes tehnoloogia, sealhulgas traditsioonilised tööstuslikud ja keemilised protsessid, mis hõlmab uudsete omadustega struktuure vahemikus üks kuni sada nanomeetrit. Nanotehnoloogia katteid kasutatakse juba näiteks plekikindlate kiudude ja ülitugevate päikesekaitsekreemide valmistamiseks..
Nanofaktorid: Nanomõõtmetes on iga tootmismeetod lihtsalt aatomite paigutamise meetod. Nanofaktorid, mida nimetatakse ka "molekulaarseteks koostisteks", on pisikesed suletud süsteemiga tootmisüksused, mis manööverdavad, ühendavad ja manipuleerivad reaktiivseid molekule keerukate füüsikaliste ja bioloogiliste struktuuride loomiseks - alates mineraalidest kuni inimese elundite ja luudeni. Üksik inimese rakk on täiuslik näide bioloogilisest molekulaarsest tootmisüksusest ehk nanofaktorist, mis loeb digitaalset geneetilist materjali (DNA), et juhendada kombinatsiooniprotsessi. John Burch prognoosimisinstituudist ennustab, et bioloogilise molekulaartehnika ja tootmise rakendused peaksid 21. sajandi keskpaigaks kiiresti laienema ja arenema..
Nanobotid: Need on nanofaktorite tooted, kuid ei eeldata, et nad ise replitseeruvad ega suunata. Nanobotid langevad nanotehnoloogia ja robootika ristumiskohta ning on sel hetkel rohkem ulme kui ulme. Kuid kindlasti on nende kasutamisel intrigeerivaid võimalusi, eriti inimkehades. Mõned futuristid arvavad, et nanobotid võivad ühel päeval liikuda läbi vereringe, otsides ja ravides konkreetseid haigeid rakke. Näiteks võib tuua nanoboti, mis ründab ja hävitab ainult teatud tüüpi vähki.

Nanotehnoloogia praegused ja tulevased kasutusviisid

Toksikoloogiaühingu andmetel toodavad nanotehnoloogia edusammud juba mitmesuguseid uusi materjale. Nad kohandavad ka vanu materjale, näiteks süsinikku, andes neile "suure potentsiaali tarbe- ja tööstustoodete parendamiseks, kriitilise energiavajaduse rahuldamiseks, turvasüsteemide parendamiseks ja meditsiini valdkonna parendamiseks".

Süsiniknanotorud - kujutage ette rullidavat süsinikuaatomite lehte - ilmuvad nüüd tarbekaupades nagu tennisereketid ja golfikepid. Nende terase tugevus ja viis korda elastsus on 200, vase elektrijuhtivus viis korda ja alumiiniumi tihedus poole suurem. Lisaks ei roosteta need, ei lagune kiirgusest ega laiene ega tõmbu kokku temperatuurimuutustega. Sellega seoses muutub üsna ilmseks nende rakenduse veetlus sellistes toodetes nagu autod ja lennukid.

Virginia Tehnika kujunemisjärgus nanotehnoloogiate projekt loetleb enam kui 1790 olemasolevat nanotoodetega tarbekaupa, sealhulgas puuvillast lehed, rasvaärastusvahendid, golfivardad, värvid ja kosmeetika. Mõned teadlased on isegi ennustanud, et päikesepatareisid saab lõpuks välja töötada sellise vastupidavuse ja nii odavate kuludega, et neid oleks võimalik kasutada katusekatte, kõnniteede ja teede jaoks - see loob võimaluse saastamata, rikkalikuks ja odavaks energiavarustuseks.

Nanotehnoloogiat kasutavate olemasolevate toodete konkreetsed näited hõlmavad järgmist:

Seldon Technologiesi MineralWater süsteem on süsiniknanotorude filtreerimisseade, mis eemaldab patogeenid ja saasteained nagu viirused, bakterid, tsüstid ja eosed, et pakkuda joogivee normi, mis ületab USEPA joogivee standardit..
Linde Electronicsi süsiniknanotoruga tint on mõeldud ekraanidele, anduritele ja elektroonikaseadmetele, näiteks kokkupandava ekraaniga nutitelefoni või auto esiklaasi sisse põimitud GPS-seadme jaoks,.
Titaandioksiidi või tsinkoksiidi nanoosakesi sisaldavad päikesekaitsetooted peegeldavad või neelavad vähki põhjustavat ultraviolettvalgust. Need tooted on nähtamatud ja kauakestvamad ning neil on vähem ärritavaid ja allergeenseid materjale kui traditsioonilistel päikesekaitsekreemidel.
Paljud käsimüügisidemed sisaldavad nüüd hõbeda nanoosakesi, mis takistavad sisselõigete ja marrastuste ümbruses nakatumist, segades tõhusalt sidemega antibiootikumi salvi.
Antibakteriaalsed basseinivedelikud. Need on tõhusamad võitluses kahjulike bakteritega, vähendades samal ajal ujujate kokkupuudet eelmiste toodete karmide kemikaalidega.

Nagu Foresight Institute prognoosis, hõlmaksid nanofaktorite suurema kättesaadavuse igapäevased eelised järgmist:

Meditsiinilised nanorobotid, mis ravivad haigusi ja pöörduvad vananemist. Molekulaartootmise instituudi vanemteadur Robert Freitas kavandab oma nanomeditsiini raamatusarjas tuleviku, kus meditsiinilised nanorobotid tuuakse inimese kehasse raku- ja mikroskoopiliste operatsioonide tegemiseks, konkreetsete vigastuste parandamiseks ja keha patrullimiseks haiguste tuvastamiseks ja nendele vastupanemiseks. . Eetika ja kujunemisjärgus tehnoloogiate instituudi veebisaidil kirjeldas Burch stsenaariumi, kus allaneelatud pill varustaks molekulaarseid materjale koos juhistega nanobotidele, et moodustada uued neuronid kahjustatud või surevate ajurakkude asendamiseks. Need uued ajurakud töötleksid teavet palju kiiremini kui bioloogiline aju, nii nagu tehisjäseme võib olla tugevam kui inimese käsi või jalg.
Valmistatud toodete madalamad kulud. Põhikulud langevad selliste toorainete väärtusele nagu süsinik, lämmastik ja hapnik ning nanotehase tööks vajalik energia. Kujutage ette autot, mis on ehitatud süsinikkiududest ja loodud nanofaktorites - mitte materjalide jaoks, mis vajavad kaevandamist, töötlemist ja konfigureerimist. Teoreetiliselt saab nanofaktorite kombinatsiooni abil alt-üles kokku panna praktiliselt iga materjali või objekti. Suuremahulised tulemused ilmnevad samaaegsete ja sünergiliste nanomõõtmeliste protsesside kombineerimisel. Nanotehnoloogia populariseerimise poolest tuntud ameeriklasest insener Eric Drexler ennustab lauaarvutite tehaste tulevikku, mis toodavad suuri kasulikke tooteid, sarnaselt "Star Treki" kuulsuse "kopeerijale". Tegelikult teatas Nestle terviseteaduste instituut 2014. aasta juunis uuest projektist, mis võib lõpuks viia „köögimasinani, millest saab luua kohandatud toidulisandeid - või isegi toitu“.
Kunstliku üldintellekti (AGI) arendamine. Foresight Instituudi andmetel hõlmavad nanofaktorid insener-tehniliseks tööks vajalikke masinasüsteeme, mis omakorda hakkavad tootma arvuteid, mis on tuhandeid kordi võimsamad ja odavamad kui praegused arvutid. Kui masinad õpivad ja edastavad teadmisi ühest rakendusest või keskkonnast teise, on tõenäoline kiire areng. Siiski on mõni küsimus, kuidas kiiresti AGI saavutada. Alates 1990. aastast on 100 000 dollari suurune auhind olnud kättesaadav kõigile, kelle masin võib sõltumatute kohtunike arvates narrida vabavormilises vestluses inimlikuks. Auhind on veel välja andmata.
Tööstusliku keemilise reostuse likvideerimine. Kuna orgaaniliste toiduainete kõiki aatomeid kasutatakse lõpptootes või suunatakse õigesti pakendatud jäätmetesse, ei eraldu keskkonda saastavaid aatomeid. Näiteks tekitab looduslik kivisüsi põlemisel saasteaineid nagu vääveldioksiid, lämmastikoksiidid, õhus leiduvad füüsikalised osakesed ja elavhõbe. Kunstliku kütuse ehitamine, mis kõrvaldab kõrvalsaadused või muudab need kahjutuks vormiks, oleks tervislikum ja odavam.

Nanotehnoloogia ohud ja riskid

Isegi nanotehnoloogia pooldajad, näiteks Burch ja Drexler, tunnevad selle potentsiaali kahjustada ja võimalusel hävitada inimkonna, kui tehnoloogia on kontrollimatu või valesti suunatud. Need potentsiaalselt kahjulikud mõjud hõlmavad järgmist:

Ülerahvastatus. Üle 80-aastaste inimeste suremus on alates 1960. aastatest langenud umbes 1,5% aastas. Robert Freitas, Jr, soovitab nanotehnoloogia edusammude abil kõrvaldada kõik geneetilised haigused ja aeglase vananemise, suurendades inimeste tervislikku seisundit vähemalt kümnekordselt. Kui pikaealisuse suurenemine ei vähenda sündide arvu, laieneks inimrass eksponentsiaalselt, suurendades ühiskondlikke pingeid ja potentsiaalselt ressursse kurnavat.
Kuritegevuse ja terrorismi suurenemine. Keemilised ja bioloogilised relvad võivad muutuda surmavamaks ja hõlpsamini varjatavaks või jälgitavaks, eriti kui need muutuvad mustal turul kättesaadavaks või kui neid saab konstrueerida koduvabrikus. Nanofaktorid võiksid teoreetiliselt toota intelligentset jalaväerelva putuka suuruses, mis on võimeline kandma surmavat annust botulismi. Selliste relvade arv, mis on võimelised tapma iga planeedi inimese, võiks olla pakitud ühte kohvrisse.
Havete ja mitte-punktide erinevus. Nanotehnoloogia areng on tõenäoliselt esialgu kallis ja seda kaitsevad patentide kihid, seadused ja konkurentsivastased tõkked. Sellest tulenevalt piirduvad madalamate kulude eelised tõenäoliselt tehnoloogia omanikega. Vaesus ja sissetulekute erinevused võivad olla liialdatud, tekitades seega sotsiaalseid rahutusi.
Konfliktid usuliste veendumuste ja eluviiside üle. Kogu maailmas on tooted keelatud või piiratud usuliste või moraalsete põhimõtete alusel, mida enamus tingimata ei jaga. Näited hõlmavad relvi Suurbritannias, alkoholi moslemite ühiskondades ja meelelahutuslikke uimasteid erinevates riikides. Võimalus toota keelatud tooteid isiklikes nanofaktorites võib põhjustada häireid neis ühiskondades.
Välimus: “Grey Goo.“ Mõned teadlased on mures, et isepaljunevad nanofaktorid võivad vaikselt kulgeda, söödes biosfääri meeletu pingutusena, et teha endast piiramatuid koopiaid. Nii nagu antisotsiaalne käitumine on teatud protsendi elanikkonna jaoks vastupandamatu - nagu tõestab olemasolevate arvutiviiruste arv - hakkavad vastutustundetud inimesed ja rühmad tõenäoliselt ise reprodutseerima nanotehaseid, suurendades sellega katastroofide võimalust.

Lõppsõna

Riskikapitaliettevõtte Draper Fisher Jurvetson tegevdirektor Steve Jurvetson väidab, et nanotehnoloogia tulevik pole küsimus „kui,” vaid pigem „millal”. Josh Wolfe, Lux Capitali kaasasutaja ja Forbes / Wolfe Nanotechi raporti toimetaja nõustub, öeldes, et kõik - rõivad, toit, autod, eluase, ravimid, kommunikatsiooniseadmed, õhk, mida me hingame, ja vesi, mida me joome - läbivad “ põhjalik ja põhimõtteline muutus. Ja selle tulemusel muutub ka maailma sotsiaalne ja majanduslik struktuur. ”

Kas nanotehnoloogia on „filosoofi kivi”, mis suudab iga soovi täide viia, või Pandora kasti avamine, vabastades inimelust kujuteldamatuid raskusi ja õudusi, nagu me seda teame?