» »

Nanotehnologija, II.del

Če ste se že soočili s patetno zakonodajo ali pa imate zgolj priložnost ta del spoznavati v segmentih vašega študija,vam je termin stanje tehnike znan. Drugače pa, če se z njim še niste srečali, gre preprosto za pregled dosežkov danega področja do tega trenutka. Tako bomo v nekaj prihodnjih sestavkih pogledali, kaj je nanotehnologija omogočila na različnih področjih naravoslovnih ved do danes. Vseeno velja opozoriti, da se dosežki, si bodo navedeni, nanašajo na tehnologijo v podmikrometrskem merilu, in da ne gre za nanotehnologijo, kot je bila predstavljena predhodno.

Čeprav nanotehnologija kot postopek natančnega pozicioniranja atomov še ni dosegla industrijskega merila, je število izdelkov, ki temeljijo na delcih velikosti okoli 100 nanometrov, na trgu že precejšnje, celo toliko, da se tega niti ne zavedate. Ste kdaj pomislili, kaj se skriva v ozadju fotografskega filma, stabilnih suspenzij ali pa položnic ter različnih potrdil, na katere pišete samo enkrat? Seveda se v ozadju skrivajo nanodelci. Tako je Kodak že pred več kot 60 leti razvil postopek, po katerem izdeluje nanodelce srebrovega jodida, in služijo kot filter za uravnavanje pretoka svetlobe skozi barvne filme, isti podjetje pa je pred nekaj leti patentiralo izdelavo črnila za brizgalnike, kjer so recimo delci cianovega pigmenta veliki med 10 in 20 nanometri. Ta velikost pomeni predvsem prednost pri zmanjšanem mašenju šobe, testiranja staranja pa so pokazala tudi manjšo fotosenzibilnost in lepšo porazdelitev barve na papirju. Podoben, vendar malenkost bolj sofisticiran je način, kako med listoma papirja zadržati črnilo, ki se bo sprostilo točno takrat, ko bomo to želeli. V te namene so razvili postopek oblaganja kapljic s polimerom, ki ob pritisku razpoka in sprosti vsebino.

Kot vam je verjetno znano, danajšnji postopek zdravljenja temelji na zdravilnih učinkovinah, ki pa morajo, preden sploh preidejo vse membrane, biti topne v mediju, ki je v človeškem telesu predvsem voda. Ker pa pri razvoju učinkovin farmacevtska industrija lažje "žrtvuje" paramatre topnosti ali lipofilnost za račun varnosti in ustrezne strukture, se nemalokdaj zgodi, da učinkovina sicer zelo učinkovita, vendar praktično netopna v vodi. Kljub temu imajo podjetja v svojih tehnoloških laboratorijih nekaj orodij za povečevanje topnosti, ki segajo od dodajanja kotopil, ki sicer ni prijazno niti okolju niti človeškemu organizmu, preko zmanjševanja velikosti do vgrajevanja v nanodelce. Osnovo tem postopkom predstavlja topnostna enačba, ki pravi, da se z večanjem površine, ki je na voljo molekulah topila, topnost snovi poveča. Tako se v sodobni farmacevtski tehnologiji uveljavljata dva principa, in sicer izdelava trdnih nanodelcev in pa izdelava lipidnih nanodelcev. Pri prvih gre za same molekule učinkovine, ki jih preko primernega postopka zmanjšamo na želeno velikost, pri drugih pa molekulo, ki je ponavadi lipofilna, vgradimo v prazen micel površinsko aktivne snovi. Prednost je predvsem ta, da je zaradi zunanjega hidrofilnega plašča micel topen v vodi, na mestu delovanja pa lipofilna učinkovina zlahka prehaja membrane, ker se ohranijo njene hidrolipofilne lastnosti.

Liposom

vir: Exopol

Lipidni nanodelec

vir: Memphis University

Uporaba nanodelcev je smiselna predvsem za učinkovine, ki imajo visoko toksičnost in želimo, da delujejo res samo na mestu, kjer morajo, kot so to npr. citostatiki, ali pa tudi za topikalna preventivna sredstva, ki morajo pokriti celotno površino izpostavljene kože, primer teh so sredstva za sončenje.

Za povezavo med bioznanstveno in tehnično uporabo nam kot lep primer služijo pred nedavnim izdelane nanocevke silicijevega dioksida premera 50 nm. Pri njih ni impresivna samo velikost, ampak tudi dejstvo, da so zmožne prenašanja svetlobe večje valovne dolžine, kot je njihova širina. V praksi ta redukcija velikosti pomeni izboljšanje, saj bomo lahko izdelovali vlakna, ki bodo informacije prenašala z večjo zanesljivostjo. Poleg tega bo tehnika omogočala izdelavo manjših senzorjev za biomedicinske preiskave, kar bo le-te pocenilo, povečala pa se bo predvsem komplianca preiskovancev in pacientov.

Nanocevke seveda niso edino, kar smo s sedanjo tehnologijo sposobni izdelati. Tako na področju kompleksnejših izdelkov, temelječih na nanocevkah, deluje skupina Alana Windla. V zadnjem času jim je uspelo izdelati prve nanoniti, in sicer tako, da so mešanico etanola, ferocena in tiofena vpihovali v tok vodika. Vlakna, ki so nastala, so bila sicer precej podobna tekstilnim, tudi po trdnosti, vendar pa enostavnost izdelave in možnost izboljšav daje tehniki veliko perspektivnost. Drug odmeven rezultati, ki ga je dosegla omenjena skupina, pa so več kot 100 metrov dolge nanocevke. Dosežek je res omembe vreden, saj je predhodna dolžine najdaljših cevk znašala samo okoli 30 centimetrov.

Nanoniti

vir: Nature

Še korak naprej v smeri "assemblerjev" pa je uspel raziskovalcem na Izraelskem inštitu za tehnologijo. Ti so kot osnovo samonastajajočih tranzistorjev vzeli molekulo DNA, ki so ji pripojili encime bakterije E. coli ter ogljikove nanocevke, vezane na protitelesa. V raztopino so nato dodali srebrove ione, ki so se na aldehidnih skupinah reducirali do srebra, ki se povezalo v nanožico. Za doseganje polnega učinka do dodali še zlato, ki se je vezalo na srebro, in s tem tvorilo nanotranzistor. Rezultati so zelo obetavni, saj je izkoristek postopka več kot 30-odstoten, kljub temu pa postopek trenutno še ni primeren za priozvodnjo v večjem merilu, torej za izdelavo molekularnih računalnikov.

Obeti v prihodnosti - V kratkem

Kratkoročni obeti so naravnani zelo praktično, in kljub dejstvu, da niso pretirano sofisticirani, obljubljajo velike spremembe načina življenja in okolja samega. Ena od najbolj drastičnih sprememb, ki jo prinaša nanotehnologija, je uvajanje nanokristalov fosforja kot svetilnega elementa. Fosforjevi nanodelci naj bi zamenjali sedanje "klasične" žarnice, ki se ne morejo pohvaliti z izkoristkom, saj ta ne presega več kot petih odstotkov. Raziskovalna skupina, ki se ukvarja s fosforjem, pa je ugotovila, da je zaradi velike površine teh nanodelcev izkoristek novih žarnic skoraj 100%. Če upoštevamo še dejstvo, da se po podatkih porabi v razvitih državah približno četrtine in v nerazvitih skoraj tri četrtine električne energije samo za razsvetljavo, lahko uvedba teh, zares varčnih elementov, pripomore k zmanjšanju porabe električne energije. Če gre verjeti napovedim, so bo to zgodilo v roku največ desetih let.

Če ostanemo na področju energetike, trenutno potekajo raziskave, kako na čim manjši površini oziroma volumnu shraniti veliko količino električne energije. Obeti kažejo, da bodo v prihodnosti dosegljive filmsko tanke baterije, osnovane na nanoelementih, ki jih bo mogoče napolniti tudi do 60.000 krat. Če se bo napoved uresničila, si lahko obetamo uporabo tudi na področjih, ki so bila sedaj zaradi mesta aplikacije delikatna. Takšni so recimo "pacemakerji", posebej pa se kaže perspektivna uporaba insulinskih črpalk, ki bi se bolniku vstavile samo enkrat. Kot pravijo napovedi, naj bi bilo mogoče sledeče člene napolniti preko radijskega valovanja, s čimer bi se izognili nepotrebnim posegom. Seveda do takrat, ko bomo lahko, če bodo obveljale hipoteze, bolezni zdravili na molekularnem nivoju.

Obeti v prihodnosti - Dolgoročno

Napovedi, ki se dotikajo polne uporabe nanotehnologije, so relativno nehvaležne, saj je področje za sedaj še precej nedefinirano. Kljub temu, strokovnjaki si obetajo, da bomo lahko nekoč oblikovali okolje po svojih potrebah. Tako bo recimo izvedljiva priprava poljubnega obroka iz kateregakoli kosa organskega materiala ustrezne sestave, če bomo le imeli primerne "assemblerje".

Velik napredek se obeta tudi na medicinskem področju. Če že sedaj z vedno novimi metodami odkrivamo specifična prijemališča učinkovim, nam bo nanotehnologijo omogočila, da bomo odpravljali vzroke dednih bolezni tam, kjer se pojavljajo, torej v genomu. Tako naj bi preteklost postale kardivaskularne in degenerativne bolezni, kot tudi maligne spremembe. Eden od vidikov, kjer pa si strokovnjaki niso enotni, pa je možnost podaljšanega življenja. Zaenkrat velja teorija, da so za staranje odgovorne ireverzibilne spremembe telomer. Z vsako replikacijo celice se namreč skrajšajo, dokler ne nosijo nobene informacije več in postanejo neuporabne.

Tako se je razvila teorija, ki predpostavlja, da lahko s popravljem telomer podaljšamo ali vsaj izpopolnimo življenje. Tudi v primeru, da za staranje niso v celoti odgovorne telomere, nam zaviranje procesov, ki ti delo kromosomov sprožajo, omogoča večjo kvaliteto življenja, saj tako zmanjšamo degenerative procese.

Seveda je obetov še več in jih je nemogoče vse zajeti na enem mestu, zato je spremljanje spletnih virov, kot sta Foresight in Nanoforum dobro izhodišče za spremeljanje novosti in napovedi.

Kako se je razviti svet pripravil na prihodnost?

Verjetno ste že dobili občutek, da nanotehnologija zaradi svoje specifike terja velika raziskovalna sredstva, kar posledično pomeni, da bodo razvoj narekovala tri najbolj razvija področja, in sicer Združene države, Japonska in Evropa. Da ZDA mislijo resno, je s podpisom "21st Century Nanotechnology Research and Development Act" simbolično pokazal predsednik, ki je v okviru Nacionalne nanotehnološke iniciative podpisal zakon, ki bo v naslednjih štirih letih za raziskave zagotovil zajetne 3,7 milijarde dolarjev, od tega bo z 1,7 milijarde razpolagala nacionalna raziskovalna ustanova, National Science Foundation.

Tudi Evropa na drugi strani sledi v podobnem tempu. V okviru 6. okvirnega programa EU, ki v tretjem sklopu zavzema tudi nanotehnologijo, materiale in proizvodne metode, je za raziskave nanotehnologije v naslednjih štirih letih namenjenih 1,3 milijarde evrov. Ker je članica programa tudi Slovenija, se lahko na razpise prijavijo tudi slovenske skupine.

Japonska bo v fiskalnem letu 2004 glede na podatke, ki jih nudi Nanotechnology Researchers Network Center of Japan za raziskave na področju nanotehnologiije namenila predvidoma 783 milijonov jenov. Vse to kaže, da se razviti svet zadeva pomena nanotehnologije.

Temna plat nanotehnologije

Doslej je bilo v članku govora samo o praktični in koristni uporabi nanotehnologije, kljub temu pa pojavljajo dvomi, kaj se lahko zgodi, če bi recimo assemblerji pobegnili. Hipoteza posledic, ki bi sledile, se imenuje "Grey Goo" ali hipoteza sivega oblaka, ki predvideva, da bi ob nekontrolirani samoreplikaciji assemblerji Zemljo in kasneje vesolje spremenili v sivo maso njih samih. Poleg sivega se pojavlja tudi Black Goo, ki pa se razlikuje samo v tem, da bi spremenjene assemblerje z namenom uničenja sveta izdelal in sprostil človek ali umetna inteligenca.

Grožnja s sivim oblakom je sicer resna, vendar pa obstaja preprost princip, zakaj verjetno ne bi uspela. V naravi v anorganskem svetu namreč ni dovolj energije, ki bi jo pobegli assemblerji dobili s predelovanjem snovi, zato bi morali za vir energije poseči v organski svet. Tu pa bi naleteli na organizme, ki bi jih zaznali kot tujke in ustrezno ukrepali.

Zaključek

Dejstvo je, da se nam nanotehnologija bliža z vse hitrejšimi koraki in da bo, ko bo dosegla poln nivo, korenito spremenila naše življenje. Vprašanje, ki se postavlja, je, ali bomo ljudje dovolj pripravljeni nanjo?

Nanotehnologija, I.del

Nanotehnologija, I.del

V svetu, ki ga poznamo, so vsi predmeti narejeni iz atomov. V sedanjem svetu so to velike, statistično neurejene skupine, ki služijo zgolj konstistetnosti, vendar pa razvoj narekuje, da naj bi ščasoma ti atomi opravljali vsak svojo določeno nalogo. Ker je sam velikostni razred ...

Preberi cel članek »

Folding@Home - zakaj in kako?

Folding@Home - zakaj in kako?

Vaši procesorji so - če niste ravno strasten igralec, ali pa se ne ukvarjate z obdelavo podatkov z zahtevnimi algoritmi - večino časa bolj ali manj neobremenjeni. Če dobro pomislim, lahko o tem govorim v pretekliku, ker verjamem, da ste se verjetno že vključili v katerega ...

Preberi cel članek »

Operacije s pomočjo usmerjenega ultrazvoka, vodene na podlagi magnetne resonance

Operacije s pomočjo usmerjenega ultrazvoka, vodene na podlagi magnetne resonance

Operacije s pomočjo usmerjenega ultrazvoka, vodenega s pomočjo magnetne resonance (MR-guided Focused Ultrasound Surgery - MRgFUS) so razmeroma novo področje v medicini oz. kirurgiji, ki bodo v prihodnosti morda prinesle številne prednosti v primerjavi s klasično kirurgijo. Usmerjen ultrazvok je nova ...

Preberi cel članek »

Mnenje: Patentiranje programsko izvedenih izumov - da ali ne?

Mnenje: Patentiranje programsko izvedenih izumov - da ali ne?

  • ::

Poiskusi sprejema direktive o patentiraju računalniško izvedenih izumov so v državah članicah EU sprožili številne reakcije javnosti. V Sloveniji se je izoblikovala Iniciativa programski patenti, ki je o vprašanju patentiranja računalniško izvedenih izumov ...

Preberi cel članek »

CRT proti LCD (2. del)

CRT proti LCD (2. del)

Uporaba elektronskih naprav za prikazovanje slike, ki temeljijo na LCD ali CRT tehniki, kamor štejemo med drugim računalniške in TV zaslone, digitalne prikazovalnike na mobitelih ter urah, je postala v zadnjem času del našega vsakdana. Še več, brez njih si življenja ...

Preberi cel članek »