Dokąd zawiedzie nas nanotechnologia?

Jeśli chcemy zrobić, powiedzmy, przekładnię w warsztacie mechanicznym, jaką spotyka się wszędzie od czasu rewolucji przemysłowej, postępujemy w prosty sposób: bierzemy blok metalu i usuwamy wszystkie atomy, które są zbędne, pozostawiając te atomy, z których składa się skrzynia biegów (mówiąc szczerze, wątpię, czy wielu mechaników myśli w ten sposób o swojej pracy). Naukowcy zaczynają właśnie rozwijać nowy sposób produkcji. Dziedzina o nazwie nanotechnologia („nano” jest przedrostkiem określającym jedną miliardową) poświęcona jest poznaniu, w jaki sposób obrabiać materiał na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek. Zamiast rozpoczynać z mnóstwem atomów i usuwać te, których nie chcemy, tak zwani nanotechnolodzy będą budować swe struktury, dołączając jeden po drugim jedynie te atomy, które są potrzebne.

Nanometr jest jedną miliardową metra – stanowi rozmiar mniej więcej dziesięciu atomów, ułożonych w szeregu jeden za drugim, albo około jednej stutysięcznej grubości ludzkiego włosa. Termin „nanotechnologia” często stosuje się do każdej techniki wytwarzania bardzo małych przedmiotów, takich jak zminiaturyzowane obwody omawiane w innych miejscach tej książki. Przy użyciu technik podobnych do tych, jakimi wykonuje się te obwody elektryczne, naukowcom udało się zbudować urządzenia nieprawdopodobnie małych rozmiarów – na przykład działającą maszynę parową o rozmiarach setnych części milimetra. Jednak techniki te dotyczą zwykle raczej usuwania zbędnych atomów (aczkolwiek na bardzo małą skalę) niż dodawania ich.

Jednym z najbardziej intrygujących przykładów nano-technologii są sproszkowane, krystaliczne, naturalne minerały zwane zeolitami. Wnętrza tych kryształów pełne są jednorodnych dziurek albo porów o nanometrowych rozmiarach, łączących większe komory, czyli pustki. Pomysł polega na tym, że pory te pozwalają na przejście jedynie cząsteczek czy atomów o ściśle określonych rozmiarach – rzeczywiście, pierwszym przemysłowym zastosowaniem zeolitów był rodzaj „sita” dla sortowania różnych cząsteczek. Chemicy stosowali je również jako „nanoprobówki” – w nich przez kierowanie atomami czy cząsteczkami, którym pozwala się oddziaływać ze sobą w krysztale, mogą sterować reakcjami chemicznymi z niesłychaną precyzją.

Za pomocą sztucznie otrzymanych zeolitów naukowcom z Purdue University udało się ostatnio wytworzyć „molekularne przewody” – przewodniki elektryczne o średnicy tylko jednego nanometra. Przewody takie mogą znaleźć zastosowanie jako złącza w układach scalonych o wysokim stopniu integracji. Materiały te będą też wykorzystane w wykrywaczach chemicznych. Cienka błona zeolitów, wychwytujących jedynie cząsteczki określonego rodzaju, położona jest na materiale innego rodzaju, i jeżeli odpowiednia molekuła znajduje się w jej pobliżu, przeniknie do porów w zeolicie, zmieniając nieznacznie właściwości tej warstewki. W ten sposób wykrywane mogą być nawet śladowe ilości poszukiwanych cząsteczek.

Inną ważną dziedziną badań w nanotechnologii są „projektowane ciała stałe” – wielkoskalowe materiały zrobione ze ściśle określonych modułów molekularnych. Wyzwanie tutaj stanowi nie tyle skompletowanie modułów, ile takie ich zaprojektowanie, by same się łączyły w większe jednostki. Jest to podobne do takiego zaprojektowania cegieł, że gdy rzuci się je na stos, same zaczną się sczepiać ze sobą, budując dom. Zadanie to nie jest łatwe, lecz nie jest, jakby się mogło wydawać, niemożliwe. Cząsteczki i ich grupy oddziałują na siebie siłami elektrycznymi, odpychając i przyciągając się wzajemnie. Jeśli można by tak zaprojektować moduły, aby, gdy kilka z nich połączy się ze sobą, przyciągały do siebie inne tego samego rodzaju, samoorganizujące się materiały mogłyby stać się rzeczywistością. Według słów jednego z badaczy „cała istota rzeczy polega na tym, by utworzyć taką strukturę, w której atomy czułyby się szczęśliwe”. Dla atomów „szczęściem” jest łączenie się w większe struktury, na przykład cząsteczki.

Miejscem, w którym nanotechnologia czyni szybkie postępy, jest konstrukcja tak zwanych nanorurek węglowych. Atomy węgla umieszczone w silnym polu elektrycznym mogą układać się w arkusze, zawijające się następnie w zespół rurek zawartych jedna w drugiej. Taki zestaw zawiera zwykle do dwudziestu pojedynczych rurek o średnicach do 20 nanometrów i długości kilku tysięcy nanometrów. Niektórzy badacze usiłują znaleźć sposób takiego „uszczęśliwienia” atomów węgla, by nanorurki urosły do długości kilku metrów. Jeśli to się powiedzie, wytworzą najbardziej wytrzymały materiał, zarówno w porównaniu z innymi otrzymywanymi sztucznie, jak i występującymi w przyrodzie.

Jednym z zastosowań, jakie może okazać się wkrótce uzasadnione ekonomicznie, są nanometrowych rozmiarów nitki do wyrobu lekkich materiałów kompozytowych. Materiały te, mające wiele zastosowań, od samolotu po samochód, składają się z cienkich włosków wytrzymałej substancji, otoczonych osnową ceramiczną bądź plastikową. Są to najbardziej wytrzymałe lekkie materiały, jakie potrafimy wytwarzać.

Nanonitki wytwarzane są przez wystawianie nanorurek węglowych na działanie gazu zawierającego krzem, tytan lub jakiś inny metal. Rurki wychwytują ten gaz, który następnie reaguje z węglem i tworzy nitki wielkości tych rurek, z węglika krzemu lub tytanu (materiałów stosowanych zwykle w kompozytach). Jednakże struktury te mają rozmiary jednej tysięcznej grubości zwykłych nitek, co oznacza, że nitki o tym samym ciężarze mogą wiązać się z osnową na o wiele większej powierzchni. Istnieje nadzieja, że materiały wytworzone z nanonitek będą jeszcze lżejsze i bardziej wytrzymałe od używanych dzisiaj.