Tajniki nanotechnologii

O tym, jak różne są prawa rządzące gigantycznymi obiektami kosmicznymi i mikroskopijnymi cząstkami subatomowymi, fizycy teoretycy mogliby opowiadać godzinami. Już od przeszło stu lat najtęższe umysły naszych czasów próbują połączyć opisujące te dwa światy odmienne teorie (ogólną teorię względności i teorię mechaniki kwantowej) w jedną wspólną – teorię wszystkiego. Nanotechnologia to interdyscyplinarna dziedzina nauki zajmująca się obiektami, których rozmiar przynajmniej w jednym wymiarze nie przekracza 100 nm (nanometrów). Jeden nanometr to 10-9 metra. Dla przykładu średnica ziarnka piasku wynosi 1 000 000 nm, a średnica nici pajęczej to 500 nm. Natomiast rozmiar jednej cząsteczki wody to już ok. 1 nm, a jednego atomu wodoru 0,1 nm. Widać zatem, że zajmując się nanotechnologią, wkraczamy do świata rządzonego prawami mechaniki kwantowej, który funkcjonuje zupełnie inaczej niż ten, który jesteśmy w stanie pojąć naszymi zmysłami. Niemal 30 lat temu naukowcy, tworząc pierwszy skaningowy mikroskop tunelowy, po raz pierwszy zaczęli obserwować pojedyncze atomy. Dziś są w stanie syntezować niewielkie struktury atom po atomie, budując tym samym materię od podstaw. Nanotechnologia jest często traktowana jako wyczekiwane rozwiązanie wielu problemów dręczących ludzkość. Uczeni z całego świata pracują nad tym, by otrzymać szybsze procesory, ulepszone metody leczenia, a zarazem czystszą planetę. Mniejszy rozmiar, większa powierzchnia Era nanomateriałów rozpoczęła się od odkrycia kulistej cząsteczki fulerenu zbudowanej z 60 atomów węgla, którą po raz pierwszy zaobserwowano poza Układem Słonecznym w pobliżu wygasłych gwiazd. Bazując na tym odkryciu, naukowcy rozpoczęli syntezę podobnych nanomateriałów, z których do dziś najbardziej znanym pozostają nanorurki węglowe. Co takiego niezwykłego jest w nanomateriałach? Otóż ich właściwości potrafią różnić się znacznie od właściwości konwencjonalnych makroskopowych odpowiedników. Przykładowo złoto w rozmiarze 90 nm i 30 nm nie jest żółtego koloru, ale odpowiednio niebiesko-zielonego i czerwonego. Złoto w wersji nano przestaje być również przewodnikiem elektrycznym i staje się izolatorem. Mniejsze rozmiary nanocząstek gwarantują również dużo większą powierzchnię materiału przy wykorzystaniu takiej samej ilości danej substancji. Wyobraźmy sobie sześcian wykonany ze złota o rozmiarach 1x1x1 cm. Całkowita powierzchnia takiego obiektu wynosi 6 cm2. Jeśli jednak podzielimy ten sam sześcian na 1021 mniejszych obiektów o rozmiarach 1x1x1 nm, to całkowita dostępna powierzchnia złota wzrośnie aż do 6 tys. m2! Tym samym stanie się większa od powierzchni boiska do piłki nożnej. Dzięki nanomateriałom możliwe jest zatem tworzenie coraz bardziej wydajnych katalizatorów poprzez zwielokrotnienie ich powierzchni. Ze wzrastającą powierzchnią poprawia się aktywność danego materiału, ponieważ większa liczba atomów może wziąć udział w reakcji chemicznej. Złoto w normalnych warunkach jest metalem, który nie ulega praktycznie żadnym reakcjom chemicznym. Tymczasem po zmniejszeniu jego rozmiarów do nanoskali (typowo 5 nm) zaczyna chętnie reagować i uczestniczyć np. w utlenianiu tlenku węgla. Inną zaletą nanotechnologii jest fakt, że wykorzystuje ona w mniejszych ilościach cenne i rzadkie materiały (np. platynę, rod, ruten), które są coraz chętniej stosowane w katalizie przemysłowej. A to, przy zachowaniu zbliżonych kosztów produkcji, prowadzi do bardziej racjonalnego gospodarowania dostępnymi zasobami surowców naturalnych. Antidotum w skali nano Nanomateriały są obecnie używane w wielu produktach, począwszy od kremów do opalania z filtrem (dodatek nanocząstek dwutlenku tytanu), przez antybakteryjne kosmetyki (dodatek nanosrebra), bardzo wytrzymałe rakiety tenisowe czy narty (dodatek nanorurek węglowych), a skończywszy na niebrudzących się ubraniach (modyfikacje tkanin nanocząstkami krzemionki). To ostatnie rozwiązanie ma swoje źródła w obserwacji świata przyrody. Liście kwiatu lotosu są zawsze suche i czyste, ponieważ na ich powierzchni występują mikroskopijne zgrubienia pokryte włoskami o hydrofobowym charakterze, które posiadają właściwości odpychające molekuły wody. Zastosowanie nanocząstek krzemionki powoduje, że tkaniny stają się hydrofobowe, przez co nie pochłaniają wilgoci i pozostają czyste nawet po polaniu kawą czy winem. Z natury czerpią również badacze, którzy korzystają z nanomateriałów w medycynie. Czy w przyszłości będziemy w stanie regenerować komórki i pobudzać ich wzrost, tak aby pełniły wciąż tę samą funkcję – podobnie jak ma to miejsce w przypadku odrastającego ogona jaszczurki? Należy pamiętać, że człowiek jest organizmem, którego budowa rozpoczyna się w nanoskali, a końcowy efekt jest widoczny gołym okiem dopiero po przejściu do makroskali. Naukowcy z Hongkongu stworzyli nanopreparat, który wspomaga regenerację uszkodzonych włókien nerwowych. Nowy środek leczniczy nie tylko hamuje krwawienie i pobudza komórki do wzrostu, ale przede wszystkim stanowi rusztowanie umożliwiające ponowne połączenie przerwanych włókien nerwowych. W USA aż 55 proc. środków przeznaczanych na badania związane z nanotechnologią trafia do naukowców stosujących ją w biotechnologii i medycynie. Głównym celem jest znalezienie skutecznego, ale również mało inwazyjnego leku na raka. Jednym z najnowszych rozwiązań w tej dziedzinie są nanocząstki tlenku żelaza stosowane jako substancje służące do transportu leków. W takiej terapii lek przyłączany jest do nanocząstek, a następnie w wyniku manipulowania polem magnetycznym kompleks trafia bezpośrednio w wyznaczone, chorobowo zmienione miejsce w organizmie. Dopiero wówczas lek zostaje uwolniony, a nanocząstki usunięte z ciała pacjenta, tak aby nie zagrażały jego zdrowiu. Dzięki tego typu terapii uszkodzeniu nie ulegają zdrowe komórki. W podobny sposób korzysta się z nanocząstek ferromagnetyków (np. tlenku żelaza), które wstrzykuje się do wnętrza guzów nowotworowych. Ferromagnetyki pod wpływem zmiennego pola magnetycznego nagrzewają się do ok. 43 °C – temperatury, w której giną komórki nowotworowe. Stosując ferromagnetyki w normalnych rozmiarach, do wnętrza pacjenta należałoby wprowadzić aż 1 g tlenku żelaza na 1 g tkanki rakowej, co byłoby niebezpieczne dla zdrowia. Dzięki nanotechnologii możliwe