Hva er nanoteknologi - eksempler, fremtidige applikasjoner og risikoer

Alt av fysisk art - mennesker, planter, mineraler, luft - er sammensatt av kombinasjoner av atomer og molekyler bundet sammen enten ved form eller elektronisk ladning. Å manipulere atomer i nanoskala ville teoretisk sett tillate mennesker å reprodusere alt fra diamanter til mat.

Selv om fordelene med slik teknologi praktisk talt er utallige, har det skapt betydelig bekymring blant noen at molekylær manipulasjon uvitende kan føre til flere problemer enn løsninger - opp til og inkludert menneskelig utryddelse. Organisasjoner som Friends of the Earth of Australia, Individuals Tending Mot Savagery in Mexico, and the Organic Consumers Association in America motsetter seg aktivt all videreutvikling av nanoskala-prosjekter.

Hva er "skala" og hvorfor er det viktig?

Nanoteknologi er vitenskapen som omhandler manipulering av materie i en atomær, molekylær og supramolekylær skala - med andre ord, mye mindre enn hva det blotte øye kan se. Hvert nanometer er en milliarddel meter - omtrent den lengden en negle vokser på ett sekund. For å sette det i perspektiv er et menneskehår omtrent 80 000 til 100 000 nanometer bredt, en rød blodcelle er 2500 nanometer, og en streng med humant DNA er 2,5 nanometer i diameter.

Det er bare gjennom utviklingen av ekstraordinære presisjonsinstrumenter, som skanningstunnelmikroskopet og atomkraftmikroskopet, at nanoteknologi har blitt mulig. Løftet og risikoen skyldes vår økende forståelse av kvantefysikk, som omhandler ultralitt objekter. Overraskende nok er oppførselen til stoffer på nanoskala ofte i strid med dens egenskaper i større skala.

For eksempel kan stoffer i bulkform som ikke har elektrisk ladning - isolatorer - bli halvledere på nano-nivå, akkurat som smeltepunkter og andre fysiske egenskaper kan endre seg. En aluminiumkoks kan slipes ned i et pulver på 20 til 30 nanometer kan spontant antennes i luft - en egenskap som gjør det til en rakettbrenselskatalysator. Tilsvarende er både en diamant og grafitten i en blyant laget av karbon, men de har enormt forskjellige egenskaper på grunn av måten karbonatomene binder sammen.

Nano-terminologi

Når vitenskapen har utvidet seg innen "nano" -feltet, så har terminologien også. Her er noen grunnleggende definisjoner:

nanoteknologi: All teknologi, inkludert tradisjonelle industrielle og kjemiske prosesser, som involverer strukturer mellom ett og hundre nanometer, med nye egenskaper. Nanoteknologiske belegg er allerede i bruk for å lage klær med flekkresistente fibre og solkremkremer med høy ytelse, for eksempel.
nanofactories: På en nanoskala er hver produksjonsmetode ganske enkelt en metode for å arrangere atomer. Også kalt “molekylære montere”, er nanofabrikker små produksjonsenheter med lukket system som manøvrerer, kombinerer og manipulerer reaktive molekyler for å bygge komplekse fysiske og biologiske strukturer - fra mineraler, til menneskelige organer og bein. En enkelt menneskelig celle er det perfekte eksemplet på en biologisk molekylær produksjonsenhet, eller nanofactory, som leser digitalt genetisk materiale (DNA) for å lede prosessen med kombinasjonen. John Burch fra Foresight Institute spår at anvendelser av biologisk molekylær prosjektering og produksjon bør utvide og utvikle seg raskt ved midten av det 21. århundre.
nanobots: Dette er produkter av nanofabrikker, men forventes ikke å bli selvreplikerende eller regissert. Nanobots faller i skjæringspunktet mellom nanoteknologi og robotikk og er mer science-fiction enn science, på dette tidspunktet. Imidlertid er det absolutt spennende muligheter for deres bruk, spesielt i menneskekropper. Noen futurister projiserer at nanobots en dag kan være i stand til å reise gjennom blodomløpet og lete etter og behandle spesifikke syke celler. Et eksempel kan være en nanobot som bare angriper og ødelegger kreftformer av en bestemt type.

Nåværende og fremtidig bruk av nanoteknologi

I følge Society of Toxicology produserer fremskritt innen nanoteknologi allerede en rekke nye materialer. De tilpasser også gamle materialer, for eksempel karbon, og gir dem "et stort potensial for å forbedre forbruker- og industriprodukter, adressere kritiske energibehov, forbedre sikkerhetssystemer og forbedre det medisinske feltet."

Karbon nanorør - forestill deg et ark karbonatomer rullet opp - vises nå i forbrukerprodukter som tennisrakketer og golfklubber. De har 200 ganger styrken og fem ganger elastisiteten til stål, fem ganger den elektriske ledningsevnen til kobber og halvparten av tettheten av aluminium. I tillegg ruster de ikke, brytes ned fra stråling eller utvider seg eller trekker seg sammen med temperaturendring. I denne forbindelse blir appellen til deres anvendelse i slike produkter som biler og fly ganske åpenbar.

Project on Emerging Nanotechnologies at Virginia Tech lister opp mer enn 1790 eksisterende forbrukerprodukter som er nanoaktiverte, inkludert bomullsplater, avfettingsmidler, golfaksler, maling og kosmetikk. Noen forskere har til og med spådd at solceller etter hvert kan utvikles med en slik holdbarhet og til en så lav pris at de tillater bruk i taktekking, fortau og veier - noe som gir plass til en forurensende, rikelig og billig energiforsyning.

Spesifikke eksempler på eksisterende produkter som bruker nanoteknologi inkluderer følgende:

Seldon Technologies 'MineralWater-system er en karbon nanorør-filtreringsenhet som fjerner patogener og forurensninger som virus, bakterier, cyster og sporer for å levere drikkevann som overstiger USEPA drikkevannsstandard.
Linde Electronics 'karbon nanorør-blekk er for skjermer, sensorer og elektroniske enheter som en smarttelefon med en rullende skjerm eller en gjennomsiktig GPS-enhet innebygd i frontruten til en bil.
Solkremprodukter som inkluderer titandioksid eller sinkoksid-nanopartikler reflekterer eller absorberer kreftfremkallende ultrafiolett lys. Disse produktene er usynlige og langvarige og har lavere irritasjons- og allergenmaterialer enn tradisjonelle solkremer.
Mange bandasje uten disk inneholder nå nanopartikler av sølv som forhindrer infeksjon rundt kutt og skrubbsår, og effektivt blander antibiotisk salve med bandasjen.
Antibakterielle væsker i svømmebassenget. Disse er mer effektive mot å bekjempe skadelige bakterier, mens de reduserer svømmernes eksponering for de harde kjemikaliene fra tidligere produkter.

Som anslått av Foresight Institute, vil de daglige fordelene ved økt tilgjengelighet av nanofabrikker omfatte følgende:

Medisinske nanoroboter som kurerer sykdom og omvendt aldring. Robert Freitas, seniorforsker ved Institute for Molecular Manufacturing, prosjekterer i sin Nanomedicine Book Series en fremtid hvor medisinske nanorobots blir introdusert i menneskekroppen for å utføre cellulære og mikroskopiske kirurgiske inngrep, reparere spesifikke skader og patruljere kroppen for å identifisere og motstå sykdom . På nettstedet til Institute for Ethics & Emerging Technologies beskrev Burch et scenario der en inntatt pille ville gi molekylære materialer instruksjoner for nanoboter for å danne nye nevroner for å erstatte skadede eller døende hjerneceller. Disse nye hjernecellene vil behandle informasjon mye raskere enn en biologisk hjerne, akkurat som en kunstig lem kan være sterkere enn en menneskelig arm eller et ben.
Reduserte kostnader for produserte produkter. Grunnkostnader vil falle til verdien av råvarer som karbon, nitrogen og oksygen og energien som kreves for å drive nanofabrikk. Se for deg en bil bygget av karbonfibre og skapt i nanofabrikker - i stedet for med materialer som krever gruvedrift, prosessering og konfigurasjon. Teoretisk sett kan praktisk talt ethvert materiale eller gjenstand settes sammen nedenfra og opp ved en kombinasjon av nanofabrikker. Storskala resultater oppstår når samtidige og synergistiske nanoskala-prosesser kombineres. Eric Drexler, en amerikansk ingeniør kjent for å popularisere nanoteknologi, spår en fremtid for fabrikker på skrivebord som lager store, nyttige produkter, lik "replikatoren" av "Star Trek" -berømmelsen. Faktisk, i juni 2014 kunngjorde Nestles Institute of Health Sciences et nytt prosjekt som til slutt kan føre til en "kjøkkenmaskin som kan lage skreddersydde kosttilskudd - eller til og med mat."
Utvikling av kunstig generell intelligens (AGI). I følge Foresight Institute vil nanofabrikker inkludere maskinsystemer for ingeniørarbeid og teknisk arbeid som igjen vil produsere datamaskiner som er tusenvis av ganger kraftigere og billigere enn dagens datamaskiner. Når maskiner lærer og overfører kunnskap fra en applikasjon eller miljø til en annen, blir raske fremskritt sannsynlige. Det er imidlertid et spørsmål om hvor raskt AGI kan oppnås. Siden 1990 har en pris på $ 100 000 blitt tilgjengelig for alle som har maskinen som kan lure uavhengige dommere til å tro at den er menneskelig mens hun er engasjert i en frie form-samtale. Prisen er ennå ikke tildelt.
Eliminering av industriell kjemisk forurensning. Siden hvert atom i organisk matbestand brukes i sluttproduktet, eller ledes til riktig pakket avfall, frigjøres ingen forurensende atomer i miljøet. For eksempel produserer naturlig kull forurensninger som svoveldioksid, nitrogenoksider, luftbårne fysiske partikler og kvikksølv når det brennes. Å bygge et kunstig drivstoff som eliminerer biprodukter, eller konverterer dem til ikke-skadelig form, ville være sunnere og rimeligere.

Nanoteknologiens farer og risiko

Selv tilhengere av nanoteknologi, som Burch og Drexler, anerkjenner potensialet for å skade og muligens utslette menneskeslekten hvis teknologien er ukontrollert eller feildirigert. Disse potensielt skadelige effektene inkluderer følgende:

Overbefolkning. Dødeligheten for mennesker over 80 år har sunket omtrent 1,5% per år siden 1960-tallet. Robert Freitas, Jr. foreslår at fremskritt innen nanoteknologi vil eliminere alle genetiske sykdommer og sakte aldring, "forsterker menneskers helsespan minst ti ganger." Hvis økning i lang levetid ikke reduserer fødsler, ville den menneskelige rase utvides eksponentielt, forverret samfunnsspenninger og potensielt utmattende ressurser.
Økning i kriminalitet og terrorisme. Kjemiske og biologiske våpen kan bli mer dødelige og lettere å skjule eller spore, spesielt hvis de blir tilgjengelige på det svarte markedet eller kan bygges i en hjemmefabrikk. Nanofabrikker kunne teoretisk produsere et intelligent antipersonellvåpen på størrelse med et insekt som er i stand til å bære en dødelig dose botulisme. Antallet slike våpen som er i stand til å drepe alle mennesker på planeten, kan pakkes i en enkelt koffert.
Ulikhet mellom haver og ha-antall. Utviklingen av nanoteknologi vil antagelig være dyrt og følgelig beskyttet av lag med patenter, lover og konkurransebegrensende barrierer. Følgelig vil fordelene med lavere kostnader sannsynligvis være begrenset til eierne av teknologien. Fattigdom og inntektsforskjell kan bli mer overdrevet og dermed skape sosial uro.
Konflikter om religiøse tro og livsstil. Over hele verden forbys eller begrenses produkter basert på religiøse eller moralske prinsipper som ikke nødvendigvis deles av flertallet. Eksempler inkluderer våpen i Storbritannia, alkohol i muslimske samfunn og fritidsmedisiner i forskjellige land. Evnen til å produsere forbudte produkter i personlige nanofabrikker kan forårsake forstyrrelser i disse samfunnene.
Utseende av “Grey Goo.“ Noen forskere er bekymret for at selvreplikerende nanofabrikker kan kjøre amok og spise biosfæren i en vanvittig innsats for å lage ubegrensede kopier av seg selv. Akkurat som anti-sosial atferd er uimotståelig for en viss prosent av befolkningen - noe som fremgår av antallet datavirus som eksisterer - vil sannsynligvis uansvarlige mennesker og grupper lage selvreplikerende nanofabrikker, og dermed øke muligheten for katastrofe.

Endelig ord

Steve Jurvetson, administrerende direktør for venturekapitalfirmaet Draper Fisher Jurvetson, hevder at fremtiden til nanoteknologi ikke er et spørsmål om "hvis", men "når". Josh Wolfe, medgründer av Lux Capital og redaktør av Forbes / Wolfe Nanotech-rapporten er enig i å si at alt - klær, mat, biler, bolig, medisin, kommunikasjonsapparater, luften vi puster inn og vannet vi drikker - vil gjennomgå ” dyp og grunnleggende endring. Og som et resultat, vil også den sosio- og økonomiske strukturen i verden. ”

Vil nanoteknologi være "filosofens stein" som er i stand til å gjøre ethvert ønske til virkelighet, eller åpningen av Pandoras kasse, slippe løs ufattelig motgang og redsel for menneskelivet slik vi kjenner det?