Izlet v nanosvet

Nanotehnologija je veda, ki je v zadnjih letih dobila silovit znanstveni pospešek na številnih področjih od elektronike do medicine. Po najkrajši možni, a povsem ustrezni definiciji je nanotehnologija veda, ki se ukvarja s preučevanjem, nadzorovanjem in manipuliranjem snovi na ravni posameznih atomov in molekul, torej na velikostni skali od 0,01 do 100 nanometrov. Nanometer je milijardinka metra. Drugače povedano, primerjati meter in nanometer je tako kot primerjati Zemljo s frnikolo.

Kaj se je v znanosti spremenilo s prihodom nanotehnologije?

> Pred tem enostavno nismo imeli dostopa do informacij o obnašanju snovi na nanoravni. Znanost je včasih atome in molekule obravnavala kot posamezne enote, ki so združene v neko celoto, recimo neki kristal. Nismo pa si predstavljali, kako se bodo te enote obnašale, ko ne bodo več lepo zložene, temveč bodo samostojne, ločene od drugih enot. Opraviti imamo z izjemno majhno »stvarco«, ki ima neko površino, ta pa interagira z okolico. In interakcija z okolico je tista, ki zelo spremeni njeno obnašanje. Je pa seveda to obnašanje odvisno od okolice. Do nedavnega enostavno nismo imeli nobenih informacij o tem obnašanju in napredek nanotehnologije je ravno v tem, da smo danes sposobni to obnašanje videti, obravnavati in ga tudi manipulirati. V preteklosti so kemiki, ko so želeli izdelati kako snov, upali, da so pri sintetiziranju te snovi pravilno nastavili vse pogoje, da bo nastal nekakšen kristal ali kaj podobnega. Neka urejena zadeva. Vse, kar ni bilo urejeno, so vrgli stran. »Zasmolilo se je,« so rekli. Ni bilo mogoče analizirati, kaj je nastalo. Vendar je čar ravno v tem, da se ogromno zanimivih reči dogaja na ravni, ko snov ni urejena.

Kakšno tehnologijo sploh uporabljamo pri izdelavi nanomaterialov?

> Postopki za sintezo nanomaterialov so zelo različni, pogosto izhajajo iz standardnih postopkov v kemiji, le da so primerno optimizirani tako, da nastane snov v obliki nanodelcev raje kot na primer v kristalni obliki. Pri drugih postopkih gre za popolnoma nove in načrtne postopke, kjer nanašamo plast za plastjo atomov na neko površino. Še bolj specifični za nanotehnologijo so procesi, kjer v raztopini, na primer v vodi, tvorimo nekakšne umetne celice, znotraj katerih nastanejo želeni nanodelci. Zelo veliko nanomaterialov odkrijemo povsem naključno. Dandanes morda ne več toliko, ker je raziskovanje veliko bolj usmerjeno. Še vedno pa se pogosto zgodi, da tisto, kar nastane, ni ravno tisto, kar smo si zamislili.

Opišite mi praktičen primer sinteze nekega nanomateriala.

> Morda najpogostejši primer je sinteza ogljikovih nanocevk in fulerenov. To sta »prototipna« nanomateriala. Odkrita sta bila že leta 1985. Vse skupaj pa se je začelo z iskanjem posebnih oblik ogljika v vesolju. Z laserji so uparjali grafit. Pri tem so stran frčali vsi mogoči delci in se zložili v neke pravilne oblike, med njimi tudi v nanocevke in nanosfere - t. i. fulerene. Podoben rezultat dobimo, če dve grafitovi palčki priključimo na varilni aparat. Če to storimo v prisotnosti kisika, bo zadeva izgorevala, nastajal bo ogljikov dioksid in to bo vse. Če pa to počnemo v inertni atmosferi, recimo v prisotnosti helija, nastajajo ogljikovi nanodelci. Ob odkritju ogljikovih nanocevk in fulerenov so bili vsi zelo navdušeni, ker je šlo za novo obliko ogljika, poleg diamanta, grafita itd. Ogljikove nanocevke so zelo trdne. Težava pa je, ker jih še ne znamo učinkovito sestavljati v trdne celote, materiale. Dandanes se največ uporabljajo v litijevih baterijah, kot dodatek, ki izboljša njihovo delovanje. Zakaj imajo tak učinek, še niti ne vemo. Nekdo jih je zmešal v elektrodo in baterija je začela bolje delovati. Zato jih seveda danes v najnaprednejše baterije dodajajo vsi vodilni proizvajalci.

Kaj pa sestavljanje kompleksnejših struktur iz nanomaterialov?

> Razvoj nanomaterialov je še zelo na začetku, za sintezo se za zdaj uporabljajo dokaj klasične metode in tudi uporabljamo jih v bistvu predvsem kot primesi raznim že znanim snovem z namenom izboljšanja njihovih lastnosti. Posebej zanimiva postane nanotehnologija takrat, ko začnemo posamezne atome manipulirati z namenom, da bi ustvarili kaj funkcionalnega, na primer nanomotorček, sestavljen iz posameznih molekul ali celo atomov. Veliko zanimivih aplikacij lahko pričakujemo v elektroniki, kjer bomo lahko ustvarili posamezne molekule, ki bodo delovale kot stikala. Delovanje takega stikala so že pokazali, za zdaj se stvar ustavi pri povezovanju več stikal v funkcionalno celoto, v nekakšen računalnik.

Kaj pa so na primer nanožice, s katerimi se tudi sami ukvarjate?

> Pri nanožicah obstaja majhna težava s poimenovanjem, saj jih marsikje pojmujejo kot enodimenzionalne, nitkaste kristale. Pogosto se nanožice ne razlikujejo od navadnih kristalov iste snovi. Torej silicijeve nanožice po lastnostih niso nič drugačne od silicijevih kristalov, dokler v vsaj eni od dimenzij ne pridemo do ravni nanometrov. Tam pa nastopijo kvantni efekti. Obstajajo tudi molekularne žice, s katerimi se ukvarjamo mi in ki so pravzaprav dolge posamezne molekule, ki navadno nastajajo zlepljene skupaj v svežnje. Pri teh so kvantni efekti vselej prisotni.

Nekatere snovi na nanoravni dobijo drugačne lastnosti. Zakaj aluminij na primer, če ga razbijemo na nanodelce, postane vnetljiv?

> Aluminijevi atomi so na površini zelo reaktivni. Tak nanodelec ima veliko vezi, na katere ni vezano nič. In te vezi so zelo reaktivne. Vžig, torej oksidacija, hitreje poteče, če so delci manjši, saj so bolj reaktivni. Aluminijasta plošča je na površini že reaktivna, vendar je število oksidacijskih procesov glede na težo veliko manjše. Če aluminij zbrusimo, takoj oksidira, nastane oksidna plast, a se pri tem tudi ustavi. Pri nanodelcih pa je površina delca glede na njegovo maso toliko večja, da ta reaktivnost postane veliko očitnejša. Gre samo za to, da se poveča površina neke snovi glede na njeno maso.

Zakaj uporabljamo izraz nanotehnologija, ne pa na primer nanologija? Ali ne gre za samostojno vedo?

> Verjetno po nerodnosti. V bistvu je zgodovinski razlog najbrž v tem, da je eden od utemeljiteljev nanotehnologije, dr. Eric Drexler z MIT-a, izhajal iz inženirskih vrst in je pač začel uporabljati izraz nanotehnologija. Priznam, da smo se glede tega precej lovili - ali uporabljati izraz nanotehnologija ali nanoznanost. Nanologija ni slab predlog. Hvala. (smeh)

Torej je nanotehnologijo mogoče obravnavati kot samostojno znanost ali bolj kot podpodročje številnih drugih ved?

> Po mojem jo je vredno obravnavati kot posebno znanost. Je pa res, da potrebujemo na tem področju znanje iz kemije, fizike ali biologije, pogosto celo iz vseh treh. Pa še kaj elektrotehnike zraven. Prav zato je nanotehnologijo mogoče obravnavati kot samostojno vedo. Z vseh naštetih področij namreč potrebujemo znanja, ki so specifična za obravnavanje nanosveta.

Glede številnih napovedovanih in oglaševanih potencialnih komercialnih uporab nanotehnologije naj bi obstajali resni pomisleki, kar zadeva izvedljivost. Ali je hvaljenje nanotehnologije v posameznih primerih pretirano?

> Ne gre za hvaljenje, ampak za izraz navdušenja. Popularizacija nanotehnologije je pomembna za mobilizacijo javnega mnenja v smeri obravnavanja tega področja. Če tega ne bi počeli, če ne bi sanjali o novih pojmih in proizvodih, bi bil razvoj veliko počasnejši, kot je. Prepričan sem, da veliko stvari, ki jih danes napovedujejo(-mo), ne bo izvedljivih, bo pa zato nastala množica uporabnih stvari, ki jih nihče še ni napovedal. Za napredek v nanotehnologiji je potrebna zelo draga oprema, ki se izredno hitro razvija. Praktično naprava zastari v času, ko zanjo napišeš naročilnico.

Katere pa so ključne naprave za razvoj nanotehnologije?

> Glavni so mikroskopi in manipulatorji, ki so povezani z mikroskopi. Verjetno najzanimivejši za nanotehnologijo so tipalni mikroskopi, torej taki, pri katerih s konico tipamo po objektu. V bistvu delujejo na principu gramofonske igle, omogočajo pa določanje položaja atomov na manj kot nanometer natančno, pa tudi obliko posameznih elektronskih orbital atomov. Z nekaterimi tipali lahko posamezne molekule tudi premikamo po površini, določamo njihovo strukturo, lahko zgradimo večje objekte. Posebej zanimiva različica takega mikroskopa, za katerega na inštitutu upamo, da nam ga bo uspelo kupiti, je tista, ki ima več konic hkrati, ki omogoča hkratno manipuliranje in merjenje električnih lastnosti nanoobjektov. Druga pomembna naprava, ki se nenehno izpopolnjuje, pa je elektronski mikroskop. Omogoča nam opazovanje posameznih atomov v urejenih kristalih, ni pa najprimernejši za določanje strukture posameznih molekul.

Raba nanotehnologije je za zdaj najbolj razširjena predvsem pri izdelavi avtomobilskih lakov. Barvi dodani nanodelci naj bi ščitili pred obrabo in podobno. Katera lastnost je tista, ki barvo z nanodelci naredi boljšo od drugih, »navadnih« barv?

> Zelo preprosto. Ti delci so veliko trdnejši kot sama barva, mešanica pa je zato odpornejša proti mehanskim vplivom. Lahko bi sicer na površino avta nanesli tanko, povezano plast snovi, iz katere so nanodelci, vendar bi bila taka plast zelo krhka. Ker pa ta material v obliki nanodelcev primešamo barvi, ki v bistvu deluje kot nekakšno lepilo, je vsa stvar precej prožnejša, ne poči.

Gre lahko pri nanotehnologiji tudi za spreminjanje posameznih atomov ali zgolj njihovih interakcij z drugimi atomi?

> Sami atomi so pač stabilni taki, kot so, in jih je opisal Mendelejev. Gre samo za urejanje teh atomov v nove oblike snovi. Z nanotehnologijo ne sežemo dlje. Sestavin atoma še ne znamo nadzorovati. V trkalnikih lahko proizvajamo cel kup nekih novih delcev, vendar ti odfrčijo stran in to je to. Lahko jih preučujemo, so zelo pomembni za razumevanje osnov fizike, ne moremo pa z njimi izdelovati novih oblik snovi. Težava je tudi v tem, da imajo vsi ti subatomski delci zelo kratko življenjsko dobo, torej nimamo ravno veliko časa, da bi iz njih kaj ustvarili.

Pa lahko morebitna odkritja, ki jih omogočajo trkalniki, na primer v CERN-u, to spremenijo?

> Med nanotehnologijo in fiziko elementarnih delcev je še vedno zelo velika razlika. Všeč mi je opis, da trkalniki delujejo tako, kakor da bi poskušal določiti sestavo koncertnega klavirja s tem, da bi vanj vrgel opeko. Malo zazvoni, nekaj odleti stran in to si potem ogledujemo in skušamo določiti, kakšen je bil videti klavir. Seveda pa je klavir sestavljen iz številnih delov, ki jih na ta način ne vidimo.

Kako pa je z varnostjo nanotehnologije? Veliko ljudi je precej zaskrbljenih. Nanodelci naj bi imeli drugačne toksikološke lastnosti, o katerih vemo veliko premalo.

> Večina poročil o varnosti nanotehnologije se konča z ugotovitvijo, da mehanizmi, ki jih že imamo in ki jih uporabljamo za nadzor kemije, biologije, genetike, zadostujejo tudi za ocenjevanje varnosti nanotehnologije. Tako tudi menim, da ta tehnologija ni nič varnejša ali nevarnejša kot katerakoli druga od naštetih. Vedno pa seveda obstaja strah pred neznanim, ki je deloma koristen, predvsem pri prehodu izdelkov iz laboratorija v splošno rabo.

EFSA, Evropska agencija za varno hrano, je v znanstvenem mnenju o nanotehnologiji v prehrani zapisala, da zaradi premalo podatkov ne more dokončno sklepati o njeni varnosti. Ni še jasno, kam vse lahko nanodelci zaradi svoje majhnosti prodrejo.

> Nanodelcev je v zraku neskončno. Od izpustov, ki smo jih ustvarili sami, do tistih, ki jih je ustvarila narava. Te stvari neprestano vdihavamo. Imamo naravne mehanizme, ki ne dovolijo, da bi nam ti delci škodovali. Posebej pljuča so zelo dobro zaščitena pred naravnimi nanodelci. Tudi prebavila so nas navadno sposobna varovati pred morebitnimi negativnimi vplivi. Kaj se zgodi, če neželeni nanodelci pridejo v kri, kar sicer ni najlaže, pa je druga zgodba, ki še ni prav dobro raziskana. Tu se moramo še ogromno naučiti. Preučujemo jih predvsem zato, ker imajo nanodelci potencialno zelo pozitivne učinke. Lahko jih uporabljamo za ugotavljanje nekaterih bolezni ali celo za zdravljenje. Težko je seveda napovedovati, kakšne bodo lastnosti nanomaterialov, ki še ne obstajajo, pri teh, ki jih že poznamo, pa se vendarle zdi, da kakšne posebne, večje nevarnosti ni. Seveda je toksikološke raziskave treba izvajati enako kot pri drugih stvareh.

Pa ste seznanjeni s kakšnimi raziskavami, ki so odkrile potencialno nevarnost?

> Skrb zbujajoča je bila ugotovitev, da so ogljikove nanocevke lahko potencialno rakotvorne. Če jih uporabljamo v baterijah, to ni posebej nevarno, ker naj baterije načeloma ne bi končale v človeškem telesu. Če pa bi jih uporabljali kje, kjer bi lahko uhajale v zrak, potem smo v podobnem položaju kot pri azbestu. Sicer pa menim, da je bila tudi ta potencialna nevarnost morda nekoliko prenapihnjena.

Na katerem področju uporabe nanotehnologije bi vi svetovali največ konservativnosti, previdnosti?

> Najnevarnejša so verjetno tista področja, kjer imamo opraviti z velikimi količinami nanomateriala. Učinki so pri majhnih količinah lahko majhni, z akumulacijo pa sčasoma lahko postanejo vprašljivi. Vsekakor je »zoprno« tudi področje rabe v hrani. Za zdaj sicer niti ne vem, da bi bila taka raba zelo razširjena, je pa res, da to ni moje področje in s tem nisem podrobno seznanjen.

Kako pa je z etičnim vidikom nanotehnologije? Bi se lahko kdo obregnil ob to, da spreminjate osnovne gradnike življenja, da posegate v »naravne zakone«, kot se to dogaja pri genski tehnologiji?

> Pogosto se ugriznem v jezik in rečem, da ustvarjamo tako kot narava, namesto da bi zraven rekel še, da ustvarjamo tako kot bog. Narava ima neke svoje procese, ki jih nekateri pojmujejo kot božje delo. Namenoma te besede ne uporabljam, da se ne bi kdo obregnil ob to. Ne zdi se mi smiselno ukvarjati se s terminološkimi vprašanji, teologija pa o tem nima povedati prav nič. Bolje je to pustiti ob strani in temu reči narava, ne pa bog. Pameten odnos religije do tega bi bil pač ta, da prestavi boga na tisto, kar se je zgodilo pred velikim pokom.