Vad är nanoteknologi - exempel, framtida tillämpningar och risker

Allt av fysisk natur - människor, växter, mineraler, luft - består av kombinationer av atomer och molekyler bundna samman antingen genom form eller elektronisk laddning. Manipulering av atomer i nanoskala skulle teoretiskt möjliggöra för människor att reproducera allt från diamanter till mat.

Medan fördelarna med sådan teknik är praktiskt taget otaliga, har det skapat stor oro bland vissa att molekylmanipulation oavsiktligt kan leda till fler problem än lösningar - upp till och inklusive människors utrotning. Organisationer som Friends of the Earth of Australia, personer som tenderar mot Savagery i Mexiko och Organic Consumers Association i Amerika motsätter sig aktivt alla vidareutveckling av nanoskala projekt.

Vad är "skala" och varför är det viktigt?

Nanoteknologi är den vetenskap som hanterar manipulering av materia på atom-, molekyl- och supramolekylär skala - med andra ord mycket mindre än vad det blotta ögat kan se. Varje nanometer är en miljarddels meter - ungefär den längd en fingernagel växer på en sekund. För att sätta det i perspektiv är ett människohår ungefär 80 000 till 100 000 nanometer brett, en röd blodkropp är 2 500 nanometer och en sträng av mänskligt DNA är 2,5 nanometer i diameter.

Det är bara genom utvecklingen av extraordinära precisionsinstrument, såsom skannatunnelmikroskopet och atomkraftsmikroskopet, som nanoteknologi har blivit möjligt. Löften och risken härrör från vår växande förståelse för kvantfysik, som handlar om ultralilla föremål. Överraskande överträffar ämnets beteende på nanoskala ofta mot dess egenskaper i större skala.

Till exempel kan ämnen i bulkform som inte kan bära en elektrisk laddning - isolatorer - bli halvledare på nanonivå, precis som smältpunkter och andra fysiska egenskaper kan förändras. En aluminiumkoks kan slipas ner i ett pulver på 20 till 30 nanometer kan spontant antända i luft - en egenskap som gör det till en raketbränslekatalysator. På samma sätt är både en diamant och grafiten i en penna tillverkad av kol, men de har mycket olika egenskaper beroende på hur kolatomerna binder.

Nano-Terminologi

Eftersom vetenskapen har expanderat inom området "nano", så har terminologin också. Här är några grundläggande definitioner:

nanoteknik: All teknik, inklusive traditionella industriella och kemiska processer, som involverar strukturer mellan hundra nanometer, med nya egenskaper. Nanoteknikbeläggningar används redan för att tillverka kläder med fläckbeständiga fibrer och högpresterande solskyddsmedel, till exempel.
nanofactories: På en nanoskala är varje tillverkningsmetod helt enkelt en metod för att anordna atomer. Också kallade ”molekylära sammansättare” är nanofabriker små tillverkningsenheter med slutna system som manövrerar, kombinerar och manipulerar reaktiva molekyler för att bygga komplexa fysiska och biologiska strukturer - från mineraler, till mänskliga organ och ben. En enda mänsklig cell är det perfekta exemplet på en biologisk molekylär tillverkningsenhet, eller nanofactory, som läser digitalt genetiskt material (DNA) för att vägleda kombinationsprocessen. John Burch från Framsynsinstitutet förutspår att tillämpningar av biologisk molekylteknik och tillverkning bör expandera och utvecklas snabbt i mitten av 2000-talet.
nanorobotar: Dessa är produkter från nanofabrik, men förväntas inte vara självreplikerande eller riktade. Nanobots faller vid skärningspunkten mellan nanoteknik och robotik och är mer science-fiction än science på denna punkt. Men det finns verkligen spännande möjligheter för deras användning, särskilt inom mänskliga kroppar. Vissa futurister projicerar att nanobots en dag kan resa genom blodomloppet och söka efter och behandla specifika sjuka celler. Ett exempel kan vara en nanobot som bara attackerar och förstör cancer av en viss typ.

Nuvarande och framtida användningar av nanoteknologi

Enligt Society of Toxicology producerar framstegen inom nanoteknologi redan en mängd nya material. De anpassar också gamla material, till exempel kol, vilket ger dem ”stor potential att förbättra konsument- och industriprodukter, tillgodose kritiska energibehov, förbättra säkerhetssystem och förbättra det medicinska området.”

Kolananorör - föreställ dig ett ark kolatomer som rullas upp - visas nu i konsumentprodukter som tennisracketar och golfklubbar. De uppvisar 200 gånger styrkan och fem gånger stålets elasticitet, fem gånger kopparnas elektriska ledningsförmåga och halva aluminiumdensiteten. Dessutom rostar de inte, bryts ned från strålning eller expanderar eller tränger samman med temperaturförändringar. I detta avseende blir överklagandet av deras tillämpning i produkter som bilar och flygplan ganska uppenbart.

Projektet för framväxande nanoteknologi vid Virginia Tech listar mer än 1 790 befintliga konsumentprodukter som är nano-aktiverade, inklusive bomullslakan, avfettningsmedel, golfaxlar, färg och kosmetika. Vissa forskare har till och med förutspått att solceller så småningom kan utvecklas med en sådan hållbarhet och till en så låg kostnad att de tillåter användning i tak, trottoarer och vägar - vilket gör det möjligt för en icke-förorenande, riklig och billig energiförsörjning.

Specifika exempel på befintliga produkter som använder nanoteknologi inkluderar följande:

Seldon Technologies MineralWater-system är en filtreringsanordning för kol nanorör som tar bort patogener och föroreningar som virus, bakterier, cyster och sporer för att leverera dricksvatten som överstiger standarden USEPA dricksvatten.
Linde Electronics karbon nanorörningsfärg är för skärmar, sensorer och elektroniska enheter som en smartphone med en upprullningsskärm eller en genomskinlig GPS-enhet inbäddad i vindrutan i en bil.
Solskyddsmedel som inkluderar titandioxid eller zinkoxid nanopartiklar reflekterar eller absorberar cancer-orsakande ultraviolett ljus. Dessa produkter är osynliga och hållbara och har lägre irriterande och allergenmaterial än traditionella solskyddsmedel.
Många bandfritt bandage innehåller nu nanopartiklar av silver som förhindrar infektion kring snitt och skador, vilket effektivt blandar antibiotikasalva med bandaget.
Antibakteriella vätskor i poolen. Dessa är mer effektiva mot att bekämpa skadliga bakterier och samtidigt minska simmernas exponering för de hårda kemikalierna från tidigare produkter.

Som prognostiserats av Foresight Institute skulle de dagliga fördelarna med en ökad tillgänglighet av nanofabriker inkludera följande:

Medicinska nanoroboter som botar sjukdom och omvänd åldrande. Robert Freitas, Senior Research Fellow vid Institute for Molecular Manufacturing, projekterar i sin Nanomedicine Book Series en framtid där medicinska nanoroboter införs i människokroppen för att utföra cellulära och mikroskopiska operationer, reparera specifika skador och patrullera kroppen för att identifiera och motstå sjukdom . På webbplatsen för Institute for Ethics & Emerging Technologies beskrev Burch ett scenario där en intagen piller skulle förse molekylära material med instruktioner för nanobots för att bilda nya nervceller för att ersätta skadade eller döende hjärnceller. Dessa nya hjärnceller skulle behandla information mycket snabbare än en biologisk hjärna, precis som en konstgjord lem kan vara starkare än en mänsklig arm eller ben.
Reducerad kostnad för tillverkade produkter. Baskostnaderna faller till värdet på råvaror som kol, kväve och syre och den energi som krävs för att driva nanofactory. Föreställ dig en bil byggd av kolfibrer och skapad i nanofabriker - snarare än med material som kräver gruvdrift, bearbetning och konfiguration. Teoretiskt sett kan praktiskt taget vilket material eller föremål som helst sammansättas nerifrån och upp genom en kombination av nanofabriker. Stora resultat uppstår när samtidiga och synergistiska nanoskala-processer kombineras. Eric Drexler, en amerikansk ingenjör som är känd för att popularisera nanoteknologi, förutspår en framtid för fabriker på skrivbord som tillverkar stora, användbara produkter, liknande "replikatorn" av "Star Trek" -berömmelsen. I juni 2014 tillkännagav Nestles institut för hälsovetenskaper ett nytt projekt som så småningom kan leda till en "kökmaskin som kan skapa skräddarsydda kosttillskott - eller till och med mat."
Utveckling av artificiell allmän intelligens (AGI). Enligt Foresight Institute kommer nanofabriken att omfatta maskinsystem för konstruktion och tekniskt arbete som i sin tur kommer att tillverka datorer som är tusentals gånger kraftigare och billigare än nuvarande datorer. När maskiner lär sig och överför kunskap från en applikation eller miljö till en annan, blir snabba framsteg troliga. Det finns dock en fråga hur snabbt AGI kan uppnås. Sedan 1990 har ett pris på $ 100 000 varit tillgängligt för alla vars maskin kan lura oberoende domare att tro att det är mänskligt medan de deltar i freeform-konversation. Priset har ännu inte delats ut.
Eliminering av industriell kemisk förorening. Eftersom varje atom i organisk livsmedelslager används i slutprodukten, eller riktas till korrekt förpackat avfall, släpps inga förorenande atomer ut i miljön. Exempelvis producerar naturliga kol föroreningar som svaveldioxid, kväveoxider, luftburna fysiska partiklar och kvicksilver när de bränns. Att bygga ett konstgjort bränsle som eliminerar biprodukter eller omvandlar dem till icke-skadlig form skulle vara hälsosammare och billigare.

Nanoteknologins faror och risker

Till och med förespråkare av nanoteknologi, till exempel Burch och Drexler, erkänner dess potential att skada och eventuellt utplåna mänskligheten om tekniken är okontrollerad eller felkorrigerad. Dessa potentiellt skadliga effekter inkluderar följande:

Överbefolkning. Dödligheten för människor över 80 år har minskat med cirka 1,5% per år sedan 1960-talet. Robert Freitas, Jr. Föreslår att framstegen inom nanoteknologi kommer att eliminera alla genetiska sjukdomar och långsam åldrande, "förstärker människors hälsospann minst tiofaldigt." Om ökning av livslängden inte minskar födslar, skulle mänskligheten utvidgas exponentiellt, vilket förvärrar de sociala spänningarna och potentiellt utmattande resurser.
Ökning av brottslighet och terrorism. Kemiska och biologiska vapen kan bli dödligare och lättare att dölja eller spåra, särskilt om de blir tillgängliga på den svarta marknaden eller kan byggas i en hemmafabrik. Nanofabriker skulle teoretiskt kunna producera ett intelligent antipersonellt vapen på ett insektstorlek som kan bära en dödlig dos av botulism. Antalet sådana vapen som kan döda varje människa på planeten kan packas i en enda resväska.
Skillnad mellan hav och noter. Utvecklingen av nanoteknologi är troligen initialt dyr och följaktligen skyddad av lager av patent, lagar och konkurrenshämmande hinder. Följaktligen kommer fördelarna med lägre kostnader sannolikt att begränsas till teknikägarna. Fattigdom och inkomstskillnad kan bli överdrivet och därmed skapa social oro.
Konflikter kring religiösa tro och livsstilar. I hela världen är produkter förbjudna eller begränsade baserade på religiösa eller moraliska principer som inte nödvändigtvis delas av majoriteten. Exempel inkluderar vapen i Storbritannien, alkohol i muslimska samhällen och narkotika i olika länder. Förmågan att producera förbjudna produkter i personliga nanofabriker kan orsaka störningar i dessa samhällen.
Utseende av “Gray Goo.” Vissa forskare är oroliga för att självreplikerande nanofabriker kan köra amok och äta biosfären i en frenetisk ansträngning att göra obegränsade kopior av sig själva. Precis som ett antisocialt beteende är oemotståndligt för en viss procent av befolkningen - vilket framgår av antalet datorvirus som finns - kan ansvarslösa människor och grupper sannolikt göra självreplikerande nanofabriker och därmed öka risken för katastrof.

Slutord

Steve Jurvetson, verkställande direktör för riskkapitalföretaget Draper Fisher Jurvetson, hävdar att framtiden för nanoteknologi inte är frågan om "om", utan "när". Josh Wolfe, medgrundare av Lux Capital och redaktör för Forbes / Wolfe Nanotech-rapporten håller med och säger att allt - kläder, mat, bilar, bostäder, medicin, kommunikationsanordningar, luften vi andas och vattnet vi dricker - kommer att genomgå " djupgående och grundläggande förändringar. Och till följd av detta kommer också den socio- och ekonomiska strukturen i världen att bli. ”

Kommer nanoteknologi att vara ”filosofens sten” som kan förverkliga alla önskningar, eller öppnandet av Pandoras låda, släppa fram otänkbara motstånd och skräck i människolivet som vi känner till det?