Obszary zastosowań nanotechnologii

Nanotechnologia stanowi w rzeczywistości platformę technologiczną, umożliwiającą tworzenie rozmaitych struktur o rozmiarach nanometrycznych, przez co możliwe zastosowania dotyczą bardzo wielu obszarów. Oprócz przydatności w tekstyliach, kosmetykach czy elektronice użytkowej, nanotechnologia pomóc może w rozwiązaniu co najmniej trzech ważnych problemów o dużym znaczeniu społecznym, jakimi są: kryzys energetyczny, potrzeba lepszego leczenia, a także zapotrzebowanie na czystą wodę248. Przedstawione poniżej przykłady zastosowań nanotechnologii w istotnych obszarach, mogą jednak pojawiać się w różnym okresie - część z nich dostępna będzie w ciągu najbliższych pięciu lat, na inne trzeba będzie poczekać zdecydowanie dłużej.

Pierwszym, ponadbranżowym obszarem zastosowania nanotechnologii jest produkcja nanomateriałów²⁴⁹. Siłą napędową rozwoju nowych i ulepszonych materiałów, począwszy od stali w XIX wieku, a skończywszy na współczesnych zaawansowanych materiałach, była zdolność kontrolowania ich struktury w coraz mniejszej skali. Materiałoznawstwo oparte na nanotechnologii oddziaływać będzie na wszystkie sektory gospodarki, stwarzając potencjał do produkowania szeregu materiałów charakteryzujących się nowymi właściwościami, funkcjami i zastosowaniami. Sztandarowym przykładem materiału w dwuwymiarowej nanoskali są nanorurki węglowe, zbudowane ze zwiniętych wstęg grafitu. Ich nowatorskie właściwości chemiczne i fizyczne, bardzo duża wytrzymałość, elastyczność oraz nadzwyczaj dobre przewodzenie prądu sprawiają, iż mogą one znaleźć zastosowanie we wzmocnionych kompozytach, czujnikach, wyświetlaczach oraz nanoelektronice. Innym, równie znaczącym przykładem, tym razem materiału w trzywymiarowej nanoskali, są nanocząsteczki, które       

247 Ibidem.

248 K. Schmidt, Visions for the future of nanotechnology, Project on Emerging Nanotechnologies, March 2007, http://www.nanotechproject.org/

249 Przykładem materiałów posiadających jeden z wymiarów w nanoskali są cienkie filmy oraz powłoki na powierzchni materiałów. Materiały posiadające dwa wymiary w nanoskali obejmują nanodruty i nanorurki. Z kolei materiały posiadające wszystkie wymiary w nanoskali to nanocząsteczki, takie jak koloidy i kropki kwantowe.

stosować można między innymi do wzmacniania materiałów oraz poprawiania funkcjonalności wielu produktów. W krótkim okresie mogą one znaleźć zastosowanie w kosmetykach, tekstyliach czy też farbach. W dłuższym horyzoncie na przykład w metodach precyzyjnego dostarczania leków oraz katalizatorach.²⁵⁰

Jednym z najważniejszych, a zarazem najbardziej oczywistym obszarem wykorzystania osiągnięć z zakresu nanotechnologii jest elektronika oraz technologie informacyjne. W żadnym innym sektorze tendencja do miniaturyzacji nie jest tak widoczna, a ostatnie 30 lat przyniosło wiele rewolucyjnych zmian. Przykładem może być wykorzystanie litografii optycznej, a w przyszłości także litografii holograficznej²⁵¹ w produkcji mikroprocesorów komputerowych. Dzięki technologii pozwalającej na odwzorowanie na płytce krzemowej drobniejszych wzorów obwodów scalonych, procesory mogą być coraz bardziej wydajne bez konieczności zwiększania ich rozmiarów.²⁵² Wspomniane wcześniej nanorurki węglowe doprowadzić mogą z kolei do opracowania nowej generacji urządzeń elektrycznych. Naukowcom, dzięki połączeniu nanorurek węglowych z gumowym polimerem oraz tranzystorami, udało się otrzymać rozciągliwy materiał, który zachowuje swoje elektryczne właściwości. Odkrycie to może zapoczątkować erę elastycznej i inteligentnej elektroniki.²⁵³ W dłuższej perspektywie, opracowanie i wdrożenie biomolekularnej nanoelektroniki, a także komputerów kwantowych otworzyć może nowe horyzonty, wykraczające daleko poza obecną technologię komputerową.

Wielu bardzo istotnych korzyści oczekuje się po nanotechnologii w szeroko rozumianej ochronie zdrowia. Każda choroba rozpoczyna się na poziomie cząsteczkowym. Z tego też względu działania mające zapobiegać, leczyć i cofać choroby czy obrażenia powinny rozpoczynać się na tym samym poziomie. Pierwsza fala produktów w nanomedycynie zaczyna się już pojawiać, podczas gdy następna generacja zastosowań, jeszcze bardziej zaawansowanych, doprowadzić ma do rewolucji w indywidualnej opiece zdrowotnej. Według niektórych prognoz, postęp w medycynie oraz nanotechnologii doprowadzić ma na przykład do powstania wewnętrznych sieci nanosensorów, które monitorować będą organizm

250 Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties, op. cit., s. 7-9.

251 W technologii tej wiązka skanująca wykorzystuje fale dźwiękowe o częstotliwości 100 MHz do rozszczepienia i modulacji częstotliwości światła lasera. Dzięki temu, linie układu jak i odstępy pomiędzy nimi mogą wynosić 25 nm. Najnowsze procesory komputerowe wytwarzane są w technologii 45 nm. Według przewidywań producentów, osiągnięcie 25 nm możliwe będzie w latach 2013-2015.

252 Serwis Nauka w Polsce, Polska Agencja Prasowa, 18.07.2008, http://www.naukawpolsce.pap.pl/ 253 Informacyjna Agencja Radiowa, 08.08.2008, http://www.polskieradio.pl/iar/

człowieka i dostarczać kompleksowej informacji lekarzom.²⁵⁴ Ważną obietnicą nanotechnologii jest opracowanie systemu precyzyjnego dostarczania leków do organizmu²⁵⁵, dostosowanego do pacjenta, oraz powodującego mniej skutków ubocznych. Dzisiejsza medycyna oferuje rozwiązania uniwersalne. Zindywidualizowana medycyna oznacza natomiast właściwe leki, dla właściwej osoby, we właściwym czasie. Wśród innych potencjalnych zalet nanoskali wymienia się między innymi więcej możliwości leczenia, większą szczegółowość obserwacji i analiz, wcześniejsze wykrywanie chorób, a tym samym zwiększanie szansy skutecznego leczenia, czy szybszą i prostszą diagnostykę oraz mniejszą inwazyjność zabiegów.²⁵⁶

Z uwagi na skalę problemu, osobnym zagadnieniem jest poruszany często w publikacjach naukowych temat zastosowania nanotechnologii w diagnostyce i leczeniu chorób nowotworowych²⁵⁷. Tradycyjne leki wykorzystywane w terapii nowotworowej nie są skuteczne dla 20-40 proc. pacjentów, a dodatkowo wiele osób, u których leki są skuteczne, z czasem uodparnia się na nie. Ponadto częstym efektem ubocznym terapii są uszkodzenia wątroby i innych organów. Wczesna diagnostyka, zanim guz osiągnie wielkość tysiąca komórek, polepszyłaby perspektywy dla skutecznego leczenia osób chorych. Tymczasem dotychczasowe techniki, takie jak mammografia, dla prawidłowej diagnozy potrzebują ponad miliona komórek. Są już jednak dostępne leki i narzędzia diagnostyczne oparte na nanotechnologii, takie jak biomarkery ukazujące nieprawidłowości wewnątrz komórek, czy nanocząsteczki, które poprawiają obraz promieni rentgena lub ultradźwięków.²⁵⁸ Prowadzone są także intensywne prace badawcze nad opracowaniem złożonych nanocząsteczek posiadających zdolność precyzyjnego wykrywania zmienionych nowotworowo komórek, przenikania do ich wnętrza, a następnie uśmiercania ich za pomocą zamkniętego wewnątrz leku antynowotworowego. Mechanizm taki pozwoliłby na wyeliminowanie większości skutków ubocznych, zwiększając jednocześnie skuteczność terapii.²⁵⁹

Kolejnym ważnym dla nanotechnologii sektorem jest rolnictwo oraz przemysł spożywczy. Znaczna część populacji żyjącej w krajach rozwijających się styka się każdego       

254 On the horizons of medicine and healthcare, Nanofrontiers, Project on Emerging Nanotechnologies, Issue 1, May 2007, s. 2., http://www.nanotechproject.org/

255 Nośnikiem może być nanocząsteczka zdolna namierzać chore komórki, zawierająca w sobie zarówno środek leczniczy jak i czujnik regulujący uwalnianie leku. Obecnie trwają prace nad połączeniem zdolności namierzania i kontrolowania uwalniania.

256 On the horizons of medicine and healthcare, op. cit., s. 3.

257 W 2005 roku z powodu nowotworów zmarło na świecie 7,6 mln osób, co stanowiło 1/7 wszystkich zgonów. 258 On the horizons of medicine and healthcare, op. cit., s. 4.

dnia z niedoborem żywności, będącym rezultatem niesprzyjających warunków klimatycznych, coraz częściej występujących anomalii pogodowych, a często również niestabilności politycznej. Zasadniczym celem jest w tym wypadku opracowanie roślin uprawnych odpornych na suszę oraz szkodniki, które pozwolą jednocześnie na maksymalizowanie plonów. W krajach wysoko rozwiniętych występują z kolei nadwyżki żywności, a dla branży spożywczej najważniejsze są oczekiwania konsumentów, którzy w ostatnim czasie domagają się przede wszystkim świeższej i zdrowszej żywności. Nanotechnologia posiada potencjał do zrewolucjonizowania rolnictwa i przemysłu spożywczego dzięki nowym narzędziom pozwalającym na molekularne leczenie chorób, ich szybkie wykrywanie, a także polepszanie zdolności roślin do wchłaniania substancji odżywczych. Inteligentne sensory oraz systemy dostarczania pomogą branży rolniczej zwalczać wirusy i inne czynniki chorobotwórcze, a dostępne w niedalekiej przyszłości nanostrukturalne katalizatory zwiększą skuteczność pestycydów i środków chwastobójczych, pozwalając na zmniejszenie ich dawek260. Jedną z interesujących obietnic nanotechnologii w rolnictwie są precyzyjne metody uprawy, wykorzystujące komputery, system nawigacji satelitarnej, a także zdalne sensory do pomiaru złożonych warunków środowiskowych. Dzięki temu możliwe będzie określenie, czy rośliny rosną z najwyższą wydajnością lub precyzyjne zidentyfikowanie charakteru i umiejscowienia problemów. Metody te pozwolą na zoptymalizowanie zużycia wody oraz środków chemicznych, obniżając koszty produkcji, a jednocześnie zwiększając jej efektywność.²⁶¹

W przemyśle spożywczym przykładem możliwego zastosowania nanotechnologii jest interaktywna żywność. Idea ta bazuje na umożliwieniu konsumentom modyfikowania żywności w zależności od ich upodobań smakowych oraz potrzeb żywieniowych. Tysiące nanokapsułek zawierających substancje smakowe, związki poprawiające barwę lub dodane substancje odżywcze, pozostawałyby w żywności w stanie nieaktywnym do czasu aktywowania ich przez konsumenta²⁶². Kolejnym istotnym obszarem jest zapewnienie       

260 Bardziej wydajne i bezpieczne administrowanie pestycydami, herbicydami oraz nawozami sztucznymi polegać może na precyzyjnej kontroli czasu i miejsca ich uwolnienia. Przykładem mogą być przyjazne dla środowiska pestycydy, które dzięki zastosowaniu nanomateriałów działają dopiero wewnątrz konkretnych owadów. (J. Kuzma, P. VerHage, Nanotechnology in agriculture and food production: anticipated applications, September 2006, s. 10, http://www.nanotechproject.org/)

261 T. Joseph, M. Morrison, Nanotechnology in agriculture and food, Nanoforum reports, May 2006, s. 2-4, http://www.nanoforum.org/

262 Przykładem przyłączania nanokapsułek do żywności celem dostarczenia substancji odżywczych może być włączenie nanokapsułek zawierających olej z tuńczyka - źródło cennych kwasów tłuszczowych Omega-3 - w skład pieczywa. Nanokapsułki zaprojektowane są w taki sposób, aby pękać dopiero w żołądku, dzięki czemu unika się nieprzyjemnego smaku samego oleju.

bezpieczeństwa żywności. Opakowania wykorzystujące nanotechnologię byłyby zdolne między innymi do samoczynnego naprawiania małych dziur i przedarć, reagowania na warunki środowiskowe, takie jak temperatura czy wilgoć, a także ostrzegania klientów w przypadku skażenia produktu spożywczego. Sygnalizowanie zmian mikrobiologicznych oraz chemicznych byłoby możliwe dzięki zestawowi nanoczujników, niezwykle czułych na gazy uwalniane przez psującą się żywność. Czujniki takie, po wykryciu obecności gazów zmieniałyby kolor, dając wyraźny sygnał informujący o tym, iż żywność nie jest świeża.²⁶³

Na uwagę zasługuje także możliwość wykorzystania osiągnięć nanotechnologii w produkcji i magazynowaniu energii oraz ochronie środowiska. Obecnie najpowszechniej wykorzystywanymi źródłami energii na świecie są paliwa kopalne, przede wszystkim węgiel, ropa naftowa oraz gaz²⁶⁴. Znaczna część ropy naftowej pochodzi jednak z niestabilnych politycznie rejonów świata, a zagrożenia dla zdrowia i środowiska związane z emisją gazów cieplarnianych stają się coraz bardziej widoczne. Ponadto dotychczasowe technologie mogą wkrótce nie sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na energię. W tej sytuacji jednym z największych wyzwań jest zapewnienie czystej, pewnej i przystępnej energii dla zwiększającej się populacji. Nanotechnologia może pomóc wyjść z ery paliw kopalnych między innymi dzięki zwiększeniu efektywności wykorzystania energii słonecznej²⁶⁵. Obecnie stosowane ogniwa słoneczne skonstruowane są z krystalicznego krzemu, co czyni je drogimi i mało efektywnymi.²⁶⁶ W efekcie energia słoneczna jest kilkukrotnie droższa od energii powstającej w wyniku spalania paliw kopalnych. Dzięki nanotechnologii możliwe będzie produkowanie tańszych ogniw o wyższej sprawności działania. Użyte w nich półprzewodzące nanokryształy absorbować będą szerszy zakres promieniowania oraz skuteczniej przemieniać będą pozyskaną energię słoneczną w energię elektryczną²⁶⁷. Wśród innych potencjalnych korzyści wynikających z zastosowania nanotechnologii w tym obszarze, warto wymienić chociażby bardziej efektywne i pojemne ogniwa paliwowe, czy skuteczne i energooszczędne sposoby usuwania zanieczyszczeń z wody pitnej.²⁶⁸

263 T. Joseph, M. Morrison, op. cit., s. 7-8.

264 Węgiel jest największym konwencjonalnym źródłem energii elektrycznej, ropa natomiast podstawowym paliwem dla transportu.

265 Rocznie całkowita energia słońca dostępna na ziemi to 3850 zetadżuli. Światowe zużycie energii wyniosło w 2004 roku 0,471 zetadżula.

266 Nanotechnology: energizing the future, Nanofrontiers, Project on Emerging Nanotechnologies, Issue 3, Fall 2008, s. 2-3, http://www.nanotechproject.org/

267 Maksymalna sprawność dostępnych obecnie na rynku ogniw krzemowych wykonanych w mikrotechnologii wynosi około 14 proc. Dzięki wykorzystaniu kombinacji półprzewodników naniesionych na siebie w postaci nanopowłok, sprawność ogniw wzrosnąć może do 35 proc.