Ten artykuł jest planowaną aktualizacją wszystkiego, co wiedziałeś o najpotężniejszych narzędziach, jakie ludzkość kiedykolwiek stworzyła: nanotechnologii. Peter Diamandis, znany przedsiębiorca i inżynier, szef i założyciel X-Prize Foundation, Planetary Resources i innych inicjatyw, nakreślił swoją wizję tego, co dzieje się w laboratoriach na całym świecie i jakie potencjalne zastosowania nanotechnologii czekają w opiece zdrowotnej, energetyce, ochronie środowiska środowisko, materiałoznawstwo, przechowywanie i przetwarzanie danych.
Ponieważ sztuczna inteligencja cieszy się ostatnio dużym zainteresowaniem, już niedługo powinniśmy usłyszeć o niesamowitych przełomach w dziedzinie nanotechnologii.
Początki nanotechnologii
Większość historyków uważa, że pomysłodawcą tego terminu jest fizyk Richard Feynman i jego przemówienie z 1959 roku: „Pod spodem jest dużo miejsca”. W swoim przemówieniu Feynman wyobraził sobie dzień, w którym maszyny mogą być tak zredukowane, a tak wiele informacji zakodowanych w małych przestrzeniach, że od tego dnia zaczną się niesamowite przełomy technologiczne.
Jednak książka Erica Drexlera „Silniki tworzenia: nadchodząca era nanotechnologii” naprawdę ujawniła ten pomysł. Drexler wpadł na pomysł samoreplikujących się nanomaszyn: maszyn, które budują inne maszyny.
Ponieważ te maszyny są programowalne, mogą być używane do budowy nie tylko większej liczby tych maszyn, ale także cokolwiek zechcesz. A ponieważ ta konstrukcja ma miejsce na poziomie atomowym, te nanoroboty mogą rozłożyć każdy rodzaj materiału (glebę, wodę, powietrze, cokolwiek) atom po atomie i złożyć z niego wszystko.
Drexler narysował obraz świata, w którym cała biblioteka Kongresu mogłaby zmieścić się na chipie wielkości kostki cukru, a skrubery środowiskowe usuwają zanieczyszczenia prosto z powietrza.
Film promocyjny:
Zanim jednak zbadamy możliwości nanotechnologii, przejdźmy do podstaw.
Co to jest „nanotechnologia”?
Nanotechnologia to nauka, inżynieria i technologia prowadzona w nanoskali, która waha się od 1 do 100 nanometrów. Zasadniczo manipulują materiałami i manipulują nimi na poziomie atomowym i molekularnym.
Abyś zrozumiał, wyobraźmy sobie, czym jest nanometr:
- Stosunek Ziemi do sześcianu dziecięcego to w przybliżeniu stosunek metra do nanometra.
- To milion razy mniej niż długość mrówki.
- Grubość kartki papieru wynosi około 100 000 nanometrów.
- Średnica krwinek czerwonych wynosi 7000-8000 nanometrów.
- Średnica łańcucha DNA wynosi 2,5 nanometra.
Nanobot to maszyna, która może budować i manipulować rzeczami precyzyjnie i na poziomie atomowym. Wyobraź sobie robota, który może manipulować atomami, tak jak dziecko może manipulować klockami LEGO, budując wszystko (C, N, H, O, P, Fe, Ni itd.) Z podstawowych atomowych klocków. Podczas gdy niektórzy zaprzeczają przyszłości nanobotów jako science fiction, musisz zrozumieć, że każdy z nas żyje dzisiaj dzięki niezliczonym operacjom nanobotów w naszych bilionach komórek. Nadajemy im nazwy biologiczne, takie jak „rybosomy”, ale w istocie są to zaprogramowane maszyny z funkcją.
Warto też rozróżnić między nanotechnologią „mokrą” lub „biologiczną”, która wykorzystuje DNA i maszyny życia do tworzenia unikalnych struktur z białek lub DNA (jako materiałów budulcowych), a bardziej nanotechnologią Drexlera, która polega na budowaniu „asemblera”, czyli maszyny, która angażuje się w drukowanie 3D z atomami w nanoskali, aby efektywnie tworzyć dowolną termodynamicznie stabilną strukturę.
Przyjrzyjmy się kilku rodzajom nanotechnologii, z którymi borykają się naukowcy.
Różne rodzaje nanobotów i aplikacje
Generalnie istnieje wiele nanorobotów. Oto tylko kilka z nich.
- Najmniejsze możliwe silniki. Grupa fizyków z Uniwersytetu w Moguncji w Niemczech zbudowała niedawno najmniejszy w historii silnik jednoatomowy. Jak każdy inny, ten silnik przekształca energię cieplną w ruch - ale robi to w najmniejszej skali. Atom jest uwięziony w stożku energii elektromagnetycznej i za pomocą laserów jest podgrzewany i chłodzony, co powoduje, że atom porusza się w stożku do przodu i do tyłu, jak tłok silnika.
- 3D ruchome nanomaszyny DNA. Inżynierowie mechanicy z Ohio State University zaprojektowali i zbudowali złożone nanoskalowe części mechaniczne przy użyciu origami DNA - udowadniając, że te same podstawowe zasady projektowania, które dotyczą pełnowymiarowych maszyn, można zastosować do DNA - i mogą wytwarzać złożone części. kontrolowane komponenty dla przyszłych nanorobotów.
- Nanofins. Naukowcy z ETH Zurich i Technion opracowali elastyczną „nanopłetwę” w postaci polipirolowego (Ppy) nanoprzewodu o długości 15 mikrometrów (milionowych części metra) i grubości 200 nanometrów, który może poruszać się w płynie biologicznym z prędkością 15 mikrometrów na sekundę. Nanofiny można przystosować do dostarczania leków i wykorzystania magnesów do prowadzenia ich przez krwiobieg, na przykład do komórek rakowych.
- Nanomotor mrówki. Naukowcy z University of Cambridge opracowali malutki silnik zdolny do wywierania 100-krotności własnego ciężaru na każdy mięsień. Naukowcy twierdzą, że nowe nanomotory mogą doprowadzić do powstania nanorobotów, które są wystarczająco małe, aby penetrować żywe komórki i zwalczać choroby. Profesor Jeremy Baumberg z Cavendish Laboratories, który kieruje badaniami, nazwał urządzenie „mrówką”. Jak prawdziwa mrówka, może wywierać siłę wielokrotnie większą niż jej własny ciężar.
- Mikro-roboty według rodzaju plemników. Grupa naukowców z Uniwersytetu Twente (Holandia) i Uniwersytetu Niemieckiego w Kairze (Egipt) opracowała mikrroboty przypominające plemniki, które można kontrolować za pomocą oscylujących słabych pól magnetycznych. Mogą być używane do zaawansowanych mikromanipulacji i ukierunkowanych zadań terapeutycznych.
- Roboty oparte na bakteriach. Inżynierowie z Drexel University opracowali sposób wykorzystania pól elektrycznych, aby pomóc mikroskopijnym robotom zasilanym przez bakterie wykrywać przeszkody i poruszać się w nich. Zastosowania obejmują dostarczanie leków, manipulację komórkami macierzystymi w celu kierowania ich wzrostem lub budowę mikrostruktury.
- Nano-pociski. Kilka grup badawczych zbudowało ostatnio szybką wersję zdalnie sterowanych rakiet w nanoskali, łącząc nanocząstki z cząsteczkami biologicznymi. Naukowcy mają nadzieję opracować rakietę zdolną do działania w każdym środowisku; na przykład, aby dostarczyć lek do docelowego obszaru ciała.
Główne obszary zastosowań nano- i mikromaszyn
Możliwości zastosowań takich nano- i mikromaszyn są praktycznie nieograniczone. Na przykład:
- Lek na raka. Identyfikuj i niszcz komórki rakowe dokładniej i skuteczniej.
- Mechanizm dostarczania leków. Twórz ukierunkowane mechanizmy dostarczania leków do kontroli i zapobiegania chorobom.
- Obrazowanie medyczne. Stworzenie nanocząstek, które gromadzą się w określonych tkankach, a następnie skanują ciało podczas obrazowania metodą rezonansu magnetycznego, może ujawnić problemy, takie jak cukrzyca.
- Nowe czujniki. Dzięki praktycznie nieograniczonym możliwościom dostrajania właściwości sondowania i skanowania nanorobotów mogliśmy odkrywać nasze ciała i skuteczniej mierzyć otaczający nas świat.
- Urządzenia do przechowywania informacji. Bioinżynier i genetyk z Harvard Wyss z powodzeniem przechował 5,5 petabitów danych - około 700 terabajtów - w jednym gramie DNA, przekraczając tysiąckrotnie poprzedni rekord gęstości danych DNA.
- Nowe systemy energetyczne. Nanoroboty mogą odegrać rolę w opracowaniu bardziej wydajnego systemu wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Lub mogą sprawić, że nasze nowoczesne maszyny będą bardziej energooszczędne w taki sposób, że będą potrzebować mniej energii do pracy z tą samą wydajnością.
- Bardzo mocne metamateriały. Istnieje wiele badań w dziedzinie metamateriałów. Grupa z Kalifornijskiego Instytutu Technologii opracowała nowy rodzaj materiału składający się z nanorozmiarowych rozpórek podobnych do tych z wieży Eiffla, która stała się jednym z najmocniejszych i najlżejszych w historii.
- Inteligentne okna i ściany. Urządzenia elektrochromowe, które dynamicznie zmieniają kolor po przyłożeniu potencjału, są szeroko badane pod kątem zastosowania w energooszczędnych inteligentnych oknach - które mogłyby utrzymywać wewnętrzną temperaturę pomieszczenia, samoczyścić się i nie tylko.
- Mikrogąbki do oczyszczania oceanów. Gąbka z nanorurek węglowych, która może zasysać zanieczyszczenia wody, takie jak nawozy, pestycydy i farmaceutyki, jest trzy razy bardziej skuteczna niż poprzednie opcje.
- Replikatory. Te proponowane urządzenia, znane również jako asemblery molekularne, mogą przeprowadzać reakcje chemiczne, porządkując reaktywne cząsteczki z atomową precyzją.
- Czujniki stanu zdrowia. Te czujniki mogą monitorować naszą chemię krwi, powiadamiać nas o wszystkim, co się dzieje, wykrywać szkodliwe pokarmy lub stany zapalne w organizmie i tak dalej.
- Podłączanie naszych mózgów do Internetu. Ray Kurzweil uważa, że nanoroboty pozwolą nam połączyć nasz biologiczny układ nerwowy z chmurą w 2030 roku.
Jak widać, to dopiero początek. Możliwości są prawie nieograniczone.
Nanotechnologia ma potencjał, aby rozwiązać niektóre z największych wyzwań, przed którymi stoi dzisiejszy świat. Mogłyby poprawić ludzką produktywność, zapewnić nam wszystkie potrzebne materiały, wodę, energię i żywność, chronić nas przed nieznanymi bakteriami i wirusami, a nawet zmniejszyć liczbę przyczyn zakłócania życia na świecie.
Jakby tego było mało, rynek nanotechnologii jest ogromny. Do 2020 r. Światowy przemysł nanotechnologiczny osiągnie wartość 75,8 miliardów dolarów.
ILYA KHEL