Hvad er nanoteknologi - eksempler, fremtidige anvendelser og risici

Alt af fysisk art - mennesker, planter, mineraler, luft - er sammensat af kombinationer af atomer og molekyler bundet sammen enten ved form eller elektronisk ladning. At manipulere atomer i nanoskala ville teoretisk give mennesker mulighed for at gengive alt fra diamanter til mad.

Mens fordelene ved sådan teknologi er praktisk taget utallige, har det skabt betydelig bekymring blandt nogle, at molekylær manipulation uforvarende kan medføre flere problemer end løsninger - op til og inklusive menneskelig udryddelse. Organisationer som Friends of the Earth of Australia, personer, der har tendens mod Savagery i Mexico, og Organic Consumers Association i Amerika er aktivt imod enhver videreudvikling af nanoskala-projekter.

Hvad er "skala", og hvorfor er det vigtigt?

Nanoteknologi er den videnskab, der beskæftiger sig med manipulation af stof på atom-, molekyl- og supramolekylær skala - med andre ord meget mindre end hvad det blotte øje kan se. Hver nanometer er en milliarddel af en meter - omtrent den længde, som en negle vokser på et sekund. For at sætte det i perspektiv er et menneskehår ca. 80.000 til 100.000 nanometer bredt, en rød blodlegeme er 2.500 nanometer, og en streng af humant DNA er 2,5 nanometer i diameter.

Det er kun gennem udvikling af ekstraordinære præcisionsinstrumenter, såsom skanningstunnelmikroskopet og atomkraftmikroskopet, nanoteknologi er blevet mulig. Dets løfte og risiko stammer fra vores voksende forståelse af kvantefysik, der beskæftiger sig med ultra-små genstande. Overraskende er stofferes opførsel på nanoskala ofte i strid med dets egenskaber i større skala.

For eksempel kan stoffer i bulkform, der ikke kan bære en elektrisk ladning - isolatorer - blive halvledere på nanoniveau, ligesom smeltepunkter og andre fysiske egenskaber kan ændre sig. En aluminiumkoks kan males ned i et pulver på 20 til 30 nanometer kan spontant antændes i luft - en egenskab, der gør det til en raketbrændstofkatalysator. Tilsvarende er både en diamant og grafitten i en blyant lavet af kulstof, men de har meget forskellige egenskaber på grund af den måde kulstofatomerne binder sammen.

Nano-Terminologi

Da videnskaben er udvidet inden for ”nano” -området, så har terminologien det også. Her er nogle grundlæggende definitioner:

Nanoteknologi: Enhver teknologi, inklusive traditionelle industrielle og kemiske processer, der involverer strukturer mellem hundrede nanometer med nye egenskaber. Nanoteknologiske belægninger er allerede i brug til at fremstille tøj med pletteresistente fibre og højpresterende solcreme-lotions, for eksempel.
nanofactories: På en nanoskala er enhver fremstillingsmetode simpelthen en metode til at arrangere atomer. Også kaldet “molekylære samlere” er nanofabrikker små, lukkede systemer, der fremstiller enheder, kombinerer og manipulerer reaktive molekyler til at opbygge komplekse fysiske og biologiske strukturer - fra mineraler, til menneskelige organer og knogler. En enkelt menneskelig celle er det perfekte eksempel på en biologisk molekylær fremstillingsenhed, eller nanofactory, der læser digitalt genetisk materiale (DNA) for at styre kombinationsprocessen. John Burch fra Fremsynsinstituttet forudser, at anvendelser af biologisk molekylær konstruktion og fremstilling bør ekspandere og udvikle sig hurtigt i midten af det 21. århundrede.
nanobots: Dette er produkter fra nanofabrikker, men forventes ikke at være selvreplikatorisk eller instrueret. Nanobots falder i krydset mellem nanoteknologi og robotik og er mere science-fiction end videnskab på dette tidspunkt. Der er dog bestemt spændende muligheder for deres anvendelse, især inden for menneskelige kroppe. Nogle futurister projicerer, at nanobots muligvis en dag kan rejse gennem blodbanen og søge efter og behandle specifikke syge celler. Et eksempel kan være en nanobot, der kun angriber og ødelægger kræftformer af en bestemt type.

Nuværende og fremtidig anvendelse af nanoteknologi

Ifølge Society of Toxicology producerer fremskridt inden for nanoteknologi allerede en række nye materialer. De tilpasser også gamle materialer, såsom kulstof, hvilket giver dem "et stort potentiale til at forbedre forbruger- og industriprodukter, imødekomme kritiske energibehov, forbedre sikkerhedssystemer og forbedre det medicinske felt."

Carbon nanorør - forestil dig et ark kulstofatomer, der er rullet op - vises nu i forbrugerprodukter som tennisracket og golfklubber. De udviser 200 gange styrken og fem gange stålets elasticitet, fem gange den elektriske ledningsevne af kobber og halvdelen af densiteten af aluminium. Derudover rustes de ikke, nedbrydes fra stråling eller udvides eller trækkes sammen med temperaturændring. I denne forbindelse bliver appellen for deres anvendelse i produkter som biler og fly ganske åbenlyst.

Projektet om nye nanoteknologier på Virginia Tech lister over 1.790 eksisterende forbrugerprodukter, der er nano-aktiverede, herunder bomuldsplader, affedtningsmidler, golfaksler, maling og kosmetik. Nogle forskere har endda forudsagt, at solceller i sidste ende kan udvikles med en sådan holdbarhed og til en så lav pris, at de tillader deres anvendelse i tagdækning, fortove og veje - hvilket gør plads til en ikke-forurenende, rigelig og billig energiforsyning.

Specifikke eksempler på eksisterende produkter, der bruger nanoteknologi, inkluderer følgende:

Seldon Technologies 'MineralWater-system er en carbon nanotube-filtreringsenhed, der fjerner patogener og forurenende stoffer som vira, bakterier, cyster og sporer til levering af drikkevand, der overstiger USEPA drikkevandstandarden.
Linde Electronics 'carbon nanotube-blæk er til skærme, sensorer og elektroniske enheder såsom en smartphone med en oprulningsskærm eller en gennemsigtig GPS-enhed indlejret i forruden på en bil.
Solcreme-produkter, der inkluderer titandioxid eller zinkoxid-nanopartikler reflekterer eller absorberer kræftfremkaldende ultraviolet lys. Disse produkter er usynlige og holdbare og har lavere irriterende og allergenmaterialer end traditionelle solcremer.
Mange forbandt-forbandede bandager indeholder nu nanopartikler af sølv, der forhindrer infektion omkring udskæringer og skrubber, hvilket effektivt blander antibiotisk salve med bandagen.
Antibakteriel væske ved swimmingpoolen. Disse er mere effektive til at bekæmpe skadelige bakterier, samtidig med at svømmernes eksponering for de hårde kemikalier fra tidligere produkter reduceres.

Som forventet af Foresight Institute ville de daglige fordele ved en øget tilgængelighed af nanofabrikker omfatte følgende:

Medicinske nanorobotter, der helbreder sygdom og omvendt aldring. Robert Freitas, seniorforsker ved Institut for Molekylær Produktion, projekterer i sin Nanomedicine Book Series en fremtid, hvor medicinske nanorobots introduceres i den menneskelige krop for at udføre cellulære og mikroskopiske operationer, reparere specifikke skader og patruljere kroppen for at identificere og modstå sygdom . På webstedet til Institute for Ethics & Emerging Technologies beskrev Burch et scenarie, hvor en indtaget pille ville give molekylære materialer instruktioner til nanobotter til at danne nye neuroner til erstatning for beskadigede eller døende hjerneceller. Disse nye hjerneceller vil behandle information meget hurtigere end en biologisk hjerne, ligesom en kunstig lem kan være stærkere end en menneskelig arm eller ben.
Reducerede omkostninger ved fremstillede produkter. Grundlæggende omkostninger falder til værdien af råmaterialer som kulstof, nitrogen og ilt og den energi, der kræves for at betjene nanofactory. Forestil dig en bil bygget af kulfibre og skabt i nanofabrikker - snarere end med materialer, der kræver minedrift, forarbejdning og konfiguration. Teoretisk set kan praktisk talt ethvert materiale eller objekt samles bottom-up med en kombination af nanofabrikker. Resultater i stor skala opstår, når samtidige og synergistiske nanoskala-processer kombineres. Eric Drexler, en amerikansk ingeniør, der er kendt for at popularisere nanoteknologi, forudsiger en fremtid med skrivebordsfabrikker, der fremstiller store, nyttige produkter, svarende til “replikatoren” af “Star Trek” -berømmelsen. Faktisk annoncerede Nestles Institut for Sundhedsvidenskab i juni 2014 et nyt projekt, der til sidst kan føre til en "køkkenmaskine, der kan skabe skræddersyede kosttilskud - eller endda mad."
Udvikling af kunstig generel intelligens (AGI). Ifølge Foresight Institute vil nanofabrikker omfatte maskinsystemer til ingeniørarbejde og teknisk arbejde, som igen vil fremstille computere, der er tusindvis af gange mere kraftfulde og billige end nuværende computere. Når maskiner lærer og overfører viden fra en applikation eller miljø til en anden, bliver hurtige fremskridt sandsynlige. Der er dog noget spørgsmål om, hvor hurtigt AGI kan opnås. Siden 1990 har en pris på $ 100.000 været tilgængelig for alle, hvis maskine kan narre uafhængige dommere til at tro, at den er menneskelig, mens hun deltager i freeform-samtale. Prisen er endnu ikke tildelt.
Eliminering af industriel kemisk forurening. Da hvert atom i organisk madbestand bruges i slutproduktet eller ledes til korrekt emballeret affald, frigives der ikke forurenende atomer i miljøet. For eksempel producerer naturligt kul forurenende stoffer som svovldioxid, nitrogenoxider, luftbårne fysiske partikler og kviksølv, når de brændes. At opbygge et kunstigt brændstof, der eliminerer biprodukter eller omdanner dem til ikke-skadelig form, ville være sundere og billigere.

Nanoteknologiens farer og risici

Selv talsmænd for nanoteknologi, såsom Burch og Drexler, anerkender dets potentiale til at skade og muligvis udslette den menneskelige race, hvis teknologien er ukontrolleret eller forkert dirigeret. Disse potentielt skadelige virkninger inkluderer følgende:

overbefolkning. Dødeligheden for mennesker over 80 år er faldet med cirka 1,5% om året siden 1960'erne. Robert Freitas, Jr. foreslår, at fremskridt inden for nanoteknologi vil eliminere alle genetiske sygdomme og langsom aldring, "hvilket øger menneskets sundhedsspan mindst ti gange." Hvis stigninger i lang levetid ikke reducerer fødsler, ville den menneskelige race ekspanderes eksponentielt, hvilket forværrer samfundets spændinger og potentielt udmattende ressourcer.
Stigning i kriminalitet og terrorisme. Kemiske og biologiske våben kan blive mere dødbringende og lettere at skjule eller spore, især hvis de bliver tilgængelige på det sorte marked eller kan bygges i en hjemmefabrik. Nanofabrikker kunne teoretisk fremstille et intelligent antipersonalt våben på størrelse med et insekt, der er i stand til at bære en dødelig dosis botulisme. Antallet af sådanne våben, der er i stand til at dræbe ethvert menneske på planeten, kunne pakkes i en enkelt kuffert.
Forskelle mellem haver og have-nots. Nanoteknologiske udviklinger er sandsynligvis oprindeligt dyre og følgelig beskyttet af lag af patenter, love og konkurrencebegrænsende barrierer. Følgelig er fordelene ved lavere omkostninger sandsynligvis begrænset til ejere af teknologien. Fattigdom og indkomstforskelle kan blive mere overdrevne og dermed skabe social uro.
Konflikter omkring religiøse tro og livsstil. Overalt i verden er produkter forbudt eller begrænset på baggrund af religiøse eller moralske principper, som ikke nødvendigvis deles af flertallet. Eksempler inkluderer kanoner i Storbritannien, alkohol i muslimske samfund og rekreative stoffer i forskellige lande. Evnen til at fremstille forbudte produkter i personlige nanofabrikker kan forårsage forstyrrelser i disse samfund.
Udseende af “Grey Goo.” Nogle forskere er bekymrede over, at selvreplicerende nanofabrikker kan køre amok og spise biosfæren i en vanvittig indsats for at lave ubegrænsede kopier af sig selv. Ligesom antisocial opførsel er uimodståelig for en bestemt procentdel af befolkningen - som det fremgår af antallet af computervirus, der eksisterer - antager uansvarlige mennesker og grupper sandsynligvis selvreplicerende nanofabrikker, hvilket øger muligheden for katastrofe.

Det endelige ord

Steve Jurvetson, administrerende direktør for venturekapitalfirmaet Draper Fisher Jurvetson, hævder, at fremtiden for nanoteknologi ikke er et spørgsmål om "hvis", men snarere "hvornår". Josh Wolfe, medstifter af Lux Capital og redaktør af Forbes / Wolfe Nanotech-rapporten er enig og siger, at alt - beklædning, mad, biler, boliger, medicin, kommunikationsapparater, luften vi indånder og det vand, vi drikker - vil gennemgå ” dyb og grundlæggende forandring. Og som et resultat, det vil også den sociale og økonomiske struktur i verden. ”

Vil nanoteknologi være ”filosofens sten”, der er i stand til at gøre ethvert ønske til virkelighed, eller åbningen af Pandoras kasse, frigøre ufattelig trængsel og rædsel for menneskers liv, som vi kender det?