Nanotechnologie

Historia nanotechnologii sięga lat 50. XX w. gdy Richard P. Feynman wy-głosił wykład There’s Plenty Room at the Bottom (w wolnym tłumaczeniu Dużo zmieści się u podstaw). Rozpoczynając od wyobrażenia sobie, co trzeba

zrobić by zmieścić 24-tomową Encyklopedię Britannikę na łepku od szpil-ki, Feynman przedstawił koncepcję miniaturyzacji oraz możliwości tkwiące w wykorzystaniu technologii mogącej operować na poziomie nanometrowym.

Przedrostek „nano”, pochodzący od greckiego słowa „karzeł”, w nauce i technologii oznacza 10^-9, czyli jedna miliardowa część (= 0,000000001). Je-den nanometr (nm) to jedna miliardowa cześć metra. Termin „nanotechno-logia” używany tu będzie w znaczeniu zbiorczym, obejmującym różne gałęzie nanonauki i nanotechnologii. Konceptualnie nanotechnologia odnosi się do nauki i technologii w nano-skali atomów i cząsteczek oraz do tych zasad na-ukowych i nowych właściwości, które można zrozumieć i opanować działając w tej dziedzinie. Inaczej mówiąc, nanotechnologia to sposoby wytwarzania układów funkcjonalnych (wykonujących określone zadania) o rozmiarach po-równywalnych z rozmiarami pojedynczych cząsteczek oraz materiałów kon-strukcyjnych o zupełnie nowych właściwościach⁷⁸.

Nanotechnologia interesuje się materiałami i układami, których struktury i elementy wykazują osobliwe i znacznie doskonalej rozwinięte fizyczne, che-miczne i biologiczne własności, w których zjawiska oraz zachodzące w nich procesy spowodowane są ich nanorozmiarami. Do struktur tych można zaliczyć:

1) Tworzywa sztuczne, których struktura jest kontrolowana na poziomie pojedynczych cząsteczek – można w ten sposób uzyskiwać materiały o nie-spotykanych własnościach mechanicznych i innych;

2) Sztuczne włókna – o bardzo precyzyjnej budowie molekularnej, które również posiadają niespotykane własności mechaniczne;

3) Nanorurki – bardzo długie cząsteczki, które mogą służyć jako kierunko-we przewodniki prądu lub filtry przepuszczające tylko jeden określony zwią-zek chemiczny;

4) Nanokapsułki – mikroskopijne kuleczki, wewnątrz których można umieszczać np. leki;

5) Molekularne układy elektroniczne – układy składające się z pojedyn-czych cząsteczek, które zachowują się jak np. tranzystory, połączone polime-rami przewodzącymi, które spełniają rolę drutów molekularnych;

6) Mikromaszyny – maszyny zbudowane z tłoków, kół zębatych itp., które same są zbudowane z kilkunastu do kilkuset warstw atomowych⁷⁹.

78 S.J. Kłosowicz, Nanotechnologia i fotonika w siłach zbrojnych, Kwartalnik Bellona 1/2009, s. 147.

79 Ku europejskiej strategii dla nanotechnologii, Komisja Wspólnot Europejskich, Bruksela 2004, s. 5–6.

Obecnie możemy mówić o czterech generacjach nanotechnologii. Po-cząwszy od roku 2000 na rynek wprowadzane są produkty pierwszej genera-cji nanotechnologii z wykorzystaniem nanostruktur, takich jak: nanocząstki, nanorurki, nanokompozyty czy nanopowłoki. W tym etapie skoncentrowano się na osiągnięciu kompleksowej kontroli nad nanostrukturami w celu pro-jektowania materiałów i urządzeń o zakładanych właściwościach i funkcjach w makroskali. Zastosowanie nanostruktur w produktach służy więc w pierw-szej kolejności poprawie właściwości funkcjonalnych produktu (np. mecha-nicznych czy optycznych). Nanotechnologie drugiej generacji to technologie nanostruktur aktywnych, które w odróżnieniu od nanostruktur pierwszej ge-neracji mają zdolność adaptacji funkcjonalnej wywołanej bodźcami zewnętrz-nymi. Rozwiązania bazujące na nanotechnologiach trzeciej generacji pozwa-lają integrować nanostruktury pasywne i aktywne w systemy pozwapozwa-lające opanować procesy samoorganizacji oraz wytwarzania trójwymiarowych nano-systemów, a tym samym konstrukcji np. wielowarstwowych chipów kompute-rowych, wielokrotnie wydajniejszych niż obecnie czy integracji nanourządzeń ze strukturami biologicznymi, jak proteiny czy DNA. Czwarta generacja, któ-rej początek prognozuje się na rok 2020, ma umożliwić kontrolowane leczenie lub nawet odbudowanie organów ludzkich dzięki projektowaniu nanourzą-dzeń i nanomaszyn naśladujących procesy biologiczne.

Zastosowanie nanotechnologii w działaniach militarnych jest nieuniknio-ne. W oparciu o tą technologię tworzone są nowe rodzaje broni masowego rażenia (np. przenoszenie broni chemicznej i/lub biologicznej w ciele czło-wieka, zwierzęcia lub w roślinie za pomocą nanokapsułek). Trwają także prace nad stworzeniem mniejszych komponentów komputerowych, nanosensorów, nowej broni wywiadowczej, sprzętu do rekonesansu. Wprowadzenie nano-kryształów pozwala to na konstruowanie laserów o nanometrowych wymia-rach i umożliwia przesyłanie informacji z szybkością ponad 10 gigabitów na sekundę. Możliwe jest także budowanie niskoszumowych detektorów pro-mieniowania elektromagnetycznego, w tym jonizującego o wyjątkowej czuło-ści. Należy także wspomnieć o budowie broni z nanomateriałów (np. nanoru-rek węglowych), która nie będzie możliwa do wykrycia przez urządzenia do wykrywania metali lub środków chemicznych⁸⁰. Ponadto, obserwuje się także działania zmierzające do stworzenia od zera (tzn. na poziomie molekularnym)

80 D. Ratner, M. Ratner, „Nanotechnology. A Gentle Introduction to the Next Big Idea”, Prentice Hall Professional Technical Reference, 2002, 4–16, 102–115.

wirusów⁸¹. Takie organizmy mogłyby być o wiele groźniejsze od istniejących obec-nie (np. wąglik). Innym zastosowaobec-niem mogą być nanosensory, które w znaczny sposób ułatwiać będą dotarcie do tajnych informacji oraz zbierania informacji, które bedą użyteczne do podejmowania działań (np. określanie średniej licz-by osób w danym miejscu, określanie położenia jednostek, identyfikacja broni, jednostki, itd.). Nanotechnologia daje również olbrzymie możliwości stosowa-nia w systemach bezpieczeństwa, szczególnie w aspekcie szyfrowastosowa-nia przesyłu danych. Szczególnie istotne zmiany nastąpią w technologiach informatycznych, dzięki czemu powstaną nośniki danych o bardzo wysokich gęstościach zapisu (np. 1 Terabit/cal²) oraz nowe technologie wyświetlania na elastycznym plastiku.

W dłuższej perspektywie realizacja molekularnej lub biomolekularnej nanoelek-troniki, spintroniki i komputerów kwantowych może otworzyć nowe horyzon-ty, wykraczające poza obecną technologię komputerową. Nanoczastki stosowa-ne także będą do wzmacniania materiałów lub poprawiania ich funkcjonalności.

Dzięki ich zastosowaniu możliwe jest wyprodukowanie materiałów konstruk-cyjnych blisko stukrotnie lżejszych i wytrzymalszych niż klasyczne. Oznacza to, między innymi, możliwość skonstruowania superlekkich pojazdów kosmicznych, samolotów, pojazdów opancerzonych i okrętów oraz radykalne zmniejszenie ciężaru oporządzenia pojedynczego żołnierza – do zaledwie kilku kilogramów (4–5 kg wg programu US Army). Dzięki nanostrukturom można modyfikować powierzchnie, aby były, na przykład, rysoodporne, niewilgnące, czyste lub steryl-ne. Selektywne przeszczepianie cząstek organicznych poprzez nanostrukturo-wanie powierzchni umożliwi zmiany w produkcji biosensorów i molekularnych urządzeń elektronicznych. Będzie można znacznie poprawić osiągi materiałów w warunkach ekstremalnych, co sprzyjać będzie ich wykorzystaniu w działaniach zbrojnych prowadzonych w każdym środowisku naturalnym.