Coraz więcej technologii widzianych do tej pory jedynie w filmach, zaczyna towarzyszyć nam w codziennym życiu. Niegdyś, na produkcjach z gatunku science-fiction podziwialiśmy loty w kosmos, możliwość bezprzewodowego łączenia się czy hologramy. Dziś praktycznie każdy posiada smartfon, który daje więcej możliwości niż komputery sprzed lat, a rozmawiać na odległość i płacić za zakupy możemy nawet przy użyciu zegarków. Organizowane są także koncerty z postaciami artystów w formie hologramów, a wycieczkowe loty w kosmos są już tylko kwestią możliwości finansowych (choć całkiem sporych)[1].
Jedną z technologii, które nadal są przez nas uważane za wytwór wyobraźni filmowców, jest nanotechnologia. Przez większość ludzi jest ona kojarzona z chmarą mikroskopijnych robocików – nanobotów[2]. Należy jednak wiedzieć, że choć niewątpliwie działają one na wyobraźnię, to nanomaszyny są jedynie jednym z aspektów dziedziny zwanej nanotechnologią, która wbrew pozorom, nie należy już do fikcji. Co więcej, jest coraz popularniejsza i prężnie się rozwija, aby jednak było tak dalej, niezbędny jest dalszy postęp technologiczny.
Terminologia i historia
Na początek – terminologia. Drugi człon słowa „nanotechnologia” jest oczywisty dla wszystkich, z kolei przedrostek „nano” to pochodząca z greki jednostka miary, odnosząca się do miliardowej części metra (1 nm = 10−9 m), więc mówimy tu o rozmiarach na poziomie atomów.[3]
Prekursorem nanotechnologii był amerykański fizyk teoretyk – Richard P. Feynman, obecnie uważany za jednego z największych fizyków wszechczasów. 26 grudnia 1959 r. na zjeździe Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego w Caltech jako pierwszy zasugerował on możliwość manipulowania materią na poziomie atomów i cząsteczek, a jako jedyne ograniczenie wskazał ówczesny brak wystarczająco precyzyjnych narzędzi.[4] Przez następne lata, liczni naukowcy podejmowali próby tworzenia obiektów w miniaturowej skali i kilkukrotnie starania te odniosły sukces. Jednak dopiero osiągnięcia ostatnich lat pozwoliły na gwałtowny rozwój tej technologii.
Czym się zajmuje nanotechnologia?
Nanotechnologia zajmuje się projektowaniem, otrzymywaniem i nadawaniem pożądanych właściwości nanocząsteczkom i nanomateriałom, których co najmniej jeden wymiar wynosi od 1 do 100 nm[5]. Obecnie jest to jeden z najprężniej rozwijających się kierunków interdyscyplinarnych, łączący w sobie m.in. fizykę, chemię, biologię, biotechnologię, medycynę, farmację, informatykę i inżynierię.[6] Podczas wieloletnich badań okazało się również, że jest to zagadnienie, które można rozpatrywać z wielu perspektyw. W ten sposób, wyłoniły się poszczególne dziedziny naukowe określane obecnie jako nanonauki, m.in. nanomedycyna, spintronika, nanoelektronika, nanobiologia[7] czy nanobiotechnologia.
Na czym jednak polega trudność, a jednocześnie innowacyjność operowania w skali nano? Przecież wydawać by się mogło, że przy dzisiejszej technologii tworzenie tak małych obiektów nie powinno nastręczać specjalnych trudności. Sedno jednak nie leży w wielkości „samej w sobie”. Otóż, obiekty nano są rozmiarem na poziomie molekularnym (cząsteczkowym)[8], więc duży wpływ na nie mają efekty kwantowe, a to oznacza, że zachowują się one inaczej, niż materiały normalnych rozmiarów[9], nawet gdy dotyczy to dwóch identycznych obiektów, różniących się wyłącznie wielkością.
To właśnie odkrycie, iż materiały po zmniejszeniu do nanocząsteczek wykazują nowe właściwości spowodowało, że prace nad zagadnieniem i funkcjonowaniem obiektów w skali nano są tak żmudne i czasochłonne. Jednocześnie, stworzyło to wiele nowych, niezbadanych dotąd możliwości rozwoju. Możliwe nawet, że pozwoli to w przyszłości na większą lub pełną kontrolę nad strukturą materii, co mogłoby zrewolucjonizować świat i pokonać dotychczasowe trudności stojące przed nauką.[10] Należy jednak wiedzieć, że już teraz osiągnięcia nanotechnologii zagościły w naszym życiu i są obecne m.in. w lekach, kosmetykach, budynkach, samochodach, a nawet w żywności.
Nanomedycyna
Jak już wspomniałam, nanotechnologia niejedno ma imię, a jej liczne działy skupiają się na różnorodnych zagadnieniach. Do czego jednak mogą się one przydać i z jakich powodów prace w tym zakresie są tak istotne? Cóż, wszystko zależy od kontekstu. Na przykład – medycyna. Jak jest ona ważna nie trzeba chyba nikomu tłumaczyć, jak również tego, że zawsze warto inwestować w technologie ratujące ludzkie zdrowie i życie. Jedną z nich jest właśnie nanomedycyna, czyli w uproszczeniu – nanotechnologia o zastosowaniu medycznym i farmakologicznym. Sektor ten cieszy się coraz większym zainteresowaniem przedsiębiorstw prywatnych oraz ośrodków publicznych, jak Unia Europejska, która poza współfinansowaniem licznych projektów, uruchomiła również platformę technologiczną skierowaną do firm i instytucji z branży nanomedycyny.[11]
Ogromnym zainteresowanie wśród naukowców cieszy się m.in. możliwość wykorzystania nanotechnologii do tworzenia nowych, skuteczniejszych form transportu medykamentów w organizmie. „Jednym z problemów współczesnej medycyny jest zbyt powszechne stosowanie antybiotyków, co powoduje pojawianie się i rozpowszechnienie szczepów bakteryjnych opornych na antybiotyki. Rozwój nanotechnologii przyczynił się do powstania alternatywnych środków przeciwbakteryjnych, takich jak nanocząsteczki srebra, złota oraz miedzi, które wydają się wolne od wad tradycyjnych antybiotyków.” Co więcej, dzięki nanocząsteczkom podawanie leku jest mniej inwazyjne i mniej obciążające dla organizmu, a dawka może być dobrana precyzyjnie pod kątem danego pacjenta.[12] Takie techniki tworzenia i podawania leków nie tylko pomogą stworzyć nowe preparaty, ale również ulepszyć te już istniejące. Już teraz, „opracowanie technik precyzyjnego dostarczania leków do komórek nowotworowych poprawiło skuteczność działania wielu obecnych na rynku środków farmakologicznych.”
Poza ulepszeniem medykamentów, nanotechnologia jest wykorzystywana także w bezpośredniej walce z nowotworami. Dzięki nanometrycznym tlenkom metali powstały m.in. nowe i stosowane obecnie strategie leczenia, takie jak terapia fotodynamiczna, wykorzystująca nietoksyczne związki światłoczułe oraz różne rodzaje światła. Jest ona stosowana w leczeniu nowotworów złośliwych, zwyrodnień plamki żółtej, a nawet w zwalczaniu trądziku.[13] Na podobnej zasadzie działa również terapia sonodynamiczna, z tym, że do aktywacji związków zamiast światła stosuje ultradźwięki.[14] Okazało się także, że możliwe jest niszczenie komórek rakowych za pomocą nanocząsteczek dwutlenku tytanu, pobudzonych promieniowaniem UV. Dzięki temu zabiegowi, podczas jednego z eksperymentów w ciągu 90 minut zniszczono wszystkie objęte eksperymentem ludzkie komórki gruczolaka okrężnicy. Choć technika ta wymaga jeszcze licznych badań, to trzeba przyznać, że dotychczasowe wyniki są nader obiecujące.[15] Do materiałów stosowanych coraz częściej w terapii antynowotworowej należą też nanokompozyty polimerowe, które poza technicznym wykorzystaniem, mogą być stosowane również do leczenia tkanek miękkich, tworzenia środków opatrunkowych oraz dystrybucji leków w organizmie.[16]
Wart odnotowania jest także udział nanostruktur w badaniu i wykrywaniu jednostek szkodliwych. Różnorodne nanocząsteczki, w połączeniu z określonymi substancjami, po wprowadzeniu do organizmu pacjenta kierują się bezpośrednio do komórek chorobotwórczych. Dzięki ich obserwacji możliwe jest szybkie i dokładne namierzenie, a także rozpoznanie nowotworu oraz przeprowadzenie koniecznych testów. Metody badania i zwalczania nowotworów za pomocą nanomedycyny mają wyraźną przewagę nad dotychczasowymi. Są one często skuteczniejsze, mniej inwazyjne i nie wymagają „otwierania” pacjenta, ale przede wszystkim są ukierunkowane, co oznacza, że atakowane są bezpośrednio komórki nowotworowe, a nienaruszane są komórki zdrowe.[17]
Należy pamiętać, że powyższe przykłady nie są jedynymi aspektami medycyny w skali nano. Można by długo pisać nawet na temat zastosowania pojedynczych nanocząsteczek, jak np. coraz popularniejszy wytwór nanotechnologii – grafen (alotropowa forma węgla o grubości jednego atomu), który w samej tylko medycynie jest wykorzystywany do „do rekonstrukcji tkanek, obrazowania molekularnego, kontrolowanego uwalniania leków czy terapii genowych”. Również popularny jubilerski kruszec, jakim jest złoto, może ratować życie i mieć szerokie zastosowanie w obrazowaniu oraz wykrywaniu zmian chorobowych, a także w terapiach skoncentrowanych na konkretnych tkankach.[18] Z kolei niektóre rodzaje nanorurek (nanocząsteczek o kształcie rurek), jak nanorurki węglowe, mogą być wykorzystywane do produkcji sztucznych tkanek i narządów wewnętrznych, a także do „łatania” tych uszkodzonych.[19] Jak więc widać, potencjał tkwiący w rozwoju i wykorzystaniu nanomedycyny jest niemal nieograniczony.
Kosmetologia, higiena i dezynfekcja
Proces wytwarzania kosmetyków i środków higienicznych jest pod wieloma względami podobny do wytwarzania leków, nic więc dziwnego, że substancje w skali nano znalazły tu odpowiedni obszar dla siebie. Użycie nanotechnologii w kosmetykach zwiększa ich przyswajalność oraz skuteczność działania. Jednymi z najczęściej wykorzystywanych w tym zakresie cząsteczek są nanocząsteczki srebra, które pomagają konserwować preparaty kosmetyczne. Ich bakteriobójcze i grzybobójcze właściwości są znane już od lat, dlatego są również częstym składnikiem zarówno produktów medycznych, jak i środków dezynfekujących. Z kolei nanocząsteczki tlenku tytanu i tlenku cynku mają zdolność do odbijania i rozpraszania promieni UV, dzięki czemu stanowią składnik licznych kosmetyków przeciwsłonecznych. Ich dodatkowym atutem jest to, że w przeciwieństwie do organicznych filtrów, mają mniejszą tendencję do wywoływania podrażnień. Ponadto, tlenek tytanu posiada właściwości samoczyszczące i jest skuteczny w usuwaniu zanieczyszczeń nieorganicznych i organicznych (po ich usunięciu tą metodą pozostają jedynie dwutlenek węgla i woda) oraz ułatwia spływanie kropel wody po powierzchniach.
Duże pole do popisu w produkcji kosmetyków znalazły także nanonośniki, nazywane nanokapsułkami. „Istotą ich działania jest możliwość zamknięcia w otoczkach o rozmiarach nanometrycznych określonych substancji biologicznie czynnych, takich jak witaminy, olejki eteryczne, ekstrakty roślinne, co może wpłynąć na poprawę stopnia wchłaniania tych substancji przez organizm.”[20]
Może nie nanoroboty, ale…
Tworzenie, wspomnianych wcześniej, nanomaszyn nadal nastręcza wielu trudności i poza kilkoma wyjątkami, dziedzina ta ma jeszcze daleką drogę do przebycia (szczególnie do formy prezentowanej w futurystycznych filmach). Nie znaczy to jednak, że nanotechnologia nie odgrywa istotnej roli w mechanice czy architekturze. Wręcz przeciwnie, dzięki temu, że nanomateriały zachowują się inaczej niż ich większe odpowiedniki, używanie ich do tworzenia materiałów konstrukcyjnych nadaje im nowe, pożądane właściwości. Są więc dodawane do betonu, stali, tworzyw sztucznych, szkła, itd., dzięki czemu mogą one zyskać m.in. na „wytrzymałości mechanicznej lub termicznej, ogniotrwałości, odporności na ścieranie, przewodnictwie elektrycznym lub cieplnym”. W ten sposób powstają tzw. nanokompozyty. Poza możliwością modyfikacji materiałów, nanotechnologia w wielu przypadkach obniża również koszty produkcyjne i ułatwia sam proces konstrukcyjny, np. dzięki zmniejszeniu wagi kompozytów lub zmiany ich fizyczności (mogą być miększe, nabrać giętkości lub odporności na uszkodzenia).[21]
Warto wymienić niektóre z wykorzystywanych w tej dziedzinie nanocząsteczek i kilka przykładów ich zastosowań. Weźmy choćby, wspomniany już, grafen. Posiada on dużą wytrzymałość mechaniczną i dobrze przewodzi ciepło oraz elektryczność więc jest wykorzystywany do konstrukcji m.in. tranzystorów, ogniw paliwowych, akumulatorów litowo-jonowych oraz baterii słonecznych. Podobne do grafenu właściwości wykazują nanorurki węglowe stosowane w wyświetlaczach elektronicznych, ekranach dotykowych, ogniwach słonecznych, sprzęcie sportowym, kadłubach łodzi, tworzywach sztucznych oraz w przemyśle samochodowym. Z kolei fluoreny są stosowane w organicznych ogniwach fotowoltaicznych, a w przyszłości mogą być użyteczne w tworzeniu zbiorników do przechowywania cząsteczek wodoru,[22] co będzie skutkować większymi możliwościami gromadzenia energii i obniżeniem jej kosztów.
Mnogość to dobre słowo
Szeroko pojęta technika, medycyna i kosmetologia, dzięki prężnemu rozwojowi nanotechnologii, to zaledwie wierzchołek przysłowiowej góry lodowej. Mnogość wykorzystania technologii nano jest imponująca, a kolejne odkrycia ciągle się pojawiają. W przypadku produktów żywnościowych nanocząsteczki wykorzystywane są do ich produkcji, konserwacji, przechowywania oraz tworzenia opakowań. Stworzono nawet nanoemulsje obniżające kaloryczność i poziom tłuszczu niektórych produktów.[23] Dzięki właściwościom optycznym, nanocząsteczki złota oraz srebra już od stuleci są wykorzystywane do barwienia szkła i to pomimo ówczesnego braku naukowej wiedzy na ich temat.[24] Co więcej, nanotechnologia ratuje środowisko naturalne, a stosuje się ją m.in. „do oczyszczania wód gruntowych, odsalania wody oraz oczyszczania niebezpiecznych odpadów”. Dodajmy do tego jeszcze nowoczesne i wszędobylskie mikroprocesory[25], a i tak nie otrzymamy pełnego obrazu tego, w jak dużym stopniu otacza nas to wyjątkowe zjawisko. Aby mogło się ono rozwijać dalej, niezbędne jest obecnie wprowadzenie piątej generacji sieci bezprzewodowej. W przeciwieństwie do funkcjonującej sieci – 4G, 5G jest w stanie zapewnić znacznie większą moc obliczeniową oraz możliwość tworzenia ogromnych baz danych, które są kluczowe dla dalszych prac nad nanotechnologią. Jak widać, warto w nią inwestować, gdyż nanotechnologia to już nie jedynie futurystyczny wymysł.
Źródła:
[1]https://spaceadventures.com/
[2]https://pl.wikipedia.org/wiki/Nanoroboty
[3]https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/32353/nanotechnologia.pdf?sequence=1&isAllowed=y
[4]http://www.medycynawet.edu.pl/images/stories/pdf/pdf2015/012015/201501018023.pdf
[5]http://www.medycynawet.edu.pl/images/stories/pdf/pdf2015/012015/201501018023.pdf
[6]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[7]https://www.ssw-sopot.pl
[8]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[9]https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/32353/nanotechnologia.pdf?sequence=1&isAllowed=y
[10]http://www.medycynawet.edu.pl/images/stories/pdf/pdf2015/012015/201501018023.pdf
[11]https://cordis.europa.eu/article/id/400909-nanomedicine-innovative-ways-of-treating-challenging-conditions/pl
[12]https://www.researchgate.net/profile/Magdalena_Matysiak_Kucharek/publication/281114028_Zastosowanie_nanoczastek_i_nanomaterialow_w_medycynie/links/55d6b9ff08aeb38e8a840e0f/Zastosowanie-nanoczastek-i-nanomaterialow-w-medycynie.pdf
[13]https://pl.wikipedia.org/wiki/Terapia_fotodynamiczna
[14]http://www.phmd.pl/api/files/view/2161.pdf
[15]http://www.medycynawet.edu.pl/images/stories/pdf/pdf2015/012015/201501018023.pdf
[16]https://pl.wikipedia.org/wiki/Nanokompozyty_polimerowe
[17]https://phmd.pl/api/files/view/257421.pdf
[18]https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/32353/nanotechnologia.pdf?sequence=1&isAllowed=y
[19]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[20]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[21]https://www.ssw-sopot.pl
[22]https://ruj.uj.edu.pl/xmlui/bitstream/handle/item/32353/nanotechnologia.pdf?sequence=1&isAllowed=y
[23]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf
[24]https://www.ssw-sopot.pl
[25]http://jem.pb.edu.pl/data/magazine/article/132/en/1.2_sokol.pdf