Nanotechnologia

TAKIE MINI, ŻE AŻ NANO

Pomysły do niedawna zgoła fantastyczne, dzięki nanotechnologii stają się rzeczywistością. Nie zauważamy tego jednak, bo wszystko dzieje się na poziomie organizacji materii niedostrzegalnym dla ludzkiego oka.

Sztuka często wyprzedza życie. W 1966 r. Hollywood zaprezentował swoją wizję nowego wspaniałego świata nanomedycyny w filmie „Fantastyczna podróż”. Fabuła jest prosta: dzięki tajemniczym, niezbyt precyzyjnie wyjaśnionym eksperymentom zespołowi lekarzy udaje się tak skurczyć, że odpowiednio niedużą i stosownie wyposażoną łodzią podwodną mogą dostać się do krwiobiegu pacjenta ze skrzepem w mózgu, usunąć powstały zator i powrócić w kropli łzy do rzeczywistego świata.

Choć ten naiwny pomysł usprawiedliwiony był jedynie dydaktycznym charakterem filmu, który miał pokazać, jak funkcjonuje ludzki organizm, był on pod pewnymi względami proroczy.

Pod koniec 2005 r. chemikom z Rice University udało się skonstruować miniaturowy „samochodzik”, a dokładnie biliony takich samochodzików, będących pojedynczymi molekułami i poruszających się na czterech kołach z kulistych węglowych fulerenów. W następnym roku poszli dalej – wyposażyli ten pojazd w silnik, którym jest miniaturowy wiatraczek napędzany światłem. Nie udało się jednak zminiaturyzować inteligentnego kierowcy, by mógł zasiąść za jego kierownicą.

W doniesieniach o sukcesie uczonych z Rice odzywa się echo słynnego wykładu noblisty i genialnego amerykańskiego fizyka Richarda Feynmana, zatytułowanego „There’s Plenty of Room at the Bottom” (Na dole jest wiele miejsca), wygłoszonego w 1959 r. Zapowiadał w nim narodziny nanotechnologii. Miejsca jest istotnie sporo – na parkingu o rozmiarach grubości włosa zmieściłoby się rządkiem 25 tys. tych molekularnych samochodzików.

Miniaturyzacja ma jednak swe granice, nakreślone podstawowymi prawami natury, wynikającymi z mechaniki kwantowej. Jest to tak zwany problem skalowania: zmniejszając budowlę, nie możemy bez końca zmniejszać cegiełek. Jeśli stają się mniejsze od pojedynczego atomu, mamy do czynienia z chemią, a nie nanotechnologią. Ograniczenie to, właściwie wykorzystane, może się jednak stać atutem. Rozdrabniane na coraz mniejsze cząstki – nanobryłki czy nanopręciki – konwencjonalne materiały nabierają nowych, przedziwnych własności, które można z pożytkiem wykorzystać.

Przykładem może być, cieszące się wśród nanotechnologów wielką estymą, złoto. Zawsze je lubiliśmy, bo nie rdzewieje, jest łatwe w obróbce, ma ładny kolor i się błyszczy. Pojedyncze atomy złota nie błyszczą jednak i nie są żółte – wspomniane cechy pojawiają się dopiero w ich kolektywie, w krysztale odpowiednio wielkich wymiarów. Kiedy rozmiary grudek złota maleją i osiągają 60 nanometrów (nm, miliardowych części metra), ich wodna zawiesina staje się błękitna, a wreszcie, po ich dalszym zmniejszeniu do 30 nm, czerwona. Fenomen ten wyjaśnia mechanika kwantowa, lecz nas bardziej tu interesują jego praktyczne konsekwencje.

Wyobraźmy sobie otóż garstkę grudek 30-nm, do których powierzchni przyklejamy cząsteczkę białka rozpoznającą pewien hormon i mającą skłonność do wiązania się z nim. Kiedy kropelkę zawiesiny tak spreparowanych złotych grudek zmieszamy z jakimś płynem, na przykład moczem, który może zawierać rzeczone hormony, pojawia się jedna z dwu możliwości: jeśli hormonów w roztworze nie ma, cząstki złota zbijają się samorzutnie w większe aglomeraty i zmieniają kolor z czerwonego na niebieski; jeśli hormon jest, cząstki wiążą się z nim i, pozostając od siebie nawzajem odseparowane, zachowują czerwoną barwę. Tak właśnie działa prosty w użyciu domowy test ciążowy, wprowadzony na rynek w 1985 r. przez firmę Tambrands.

W nanomedycynie lata 80. to właściwie prehistoria. Dziś w diagnostyce medycznej prowadzone są eksperymenty wykorzystujące podobne własności tzw. kropek kwantowych. Kropka taka, w odróżnieniu od nanoskopijnej grudki złota, wykonana jest z materiału półprzewodnikowego i wzbudzona wysyła światło o precyzyjnie odkreślonej (zależnej od swych rozmiarów) długości fali, czyli barwie. Podobnie jak w teście ciążowym, zawiesina takich kropek z przytwierdzonymi „adresami” (cząsteczkami rozpoznającymi komórki rakowe) wprowadzona do krwiobiegu pozwoli w przyszłości wykrywać zmiany nowotworowe w najwcześniejszym, przedobjawowym stadium rozwoju. Kropki kwantowe, jak wykazały eksperymenty na myszach, koncentrują się w obszarze zaatakowanym przez raka i po wzbudzeniu wysyłają świetlny sygnał alarmujący o wykryciu choroby.

Jeśli można wykryć komórki rakowe, czemu od razu ich nie zniszczyć? Istotnie, można to uczynić na kilka sposobów, stosując nowe techniki nanomedyczne. Najprostszy z nich polega na tym, że gromadzące się na powierzchni komórki rakowej złote nanopręciki są w odpowiednim momencie rozgrzewane promieniem laserowym i wypalają dziurę w błonie komórki. Do nanoczątek można też przytwierdzić maleńkie plastykowe bąbelki, wypełnione zabójczą dla komórek rakowych substancją, i wprowadzać je do ich wnętrza, wykorzystując fakt zwiększonej porowatości naczyń krwionośnych w zaatakowanym nowotworem regionie. Listę tę wydłużać można w nieskończoność.

Dziś na świecie pracuje ponad 200 firm badawczo-rozwojowych specjalizujących się w nanobiologi i nanomedycynie. Sprzedaż już wytwarzanych przez nie 38 produktów osiągnęła w 2004 r. wartość 6,8 mld dol. Według przewidywań firmy Fredonia Group, zajmującej się prognozami przemysłowymi, rynek produktów nanomedycznych rosnąć będzie w takim tempie, że w 2016 r. jego obroty przekroczą 110 mld dol. Inne prognozy przewidują jeszcze szybszy rozwój i jego ekspansję ok. 2012 r. A i tak będzie to tylko mały fragment całego przemysłu nanotechnologicznego, którego produkty za kilka lat przekroczą wartość biliona dolarów.

Skoro nanotechnologia rozwija się w rewolucyjnym tempie, można zapytać, dlaczego w gruncie rzeczy tak mało o niej wiemy. Żartobliwa odpowiedź jest prosta: to, co się dzieje w skali nano, jest z natury rzeczy niewidoczne dla ludzkiego oka. Jest w tym trochę prawdy.

Przemysł szklarski na przykład stworzył nanotechnologiczne szyby, które całkowicie blokują promieniowanie ultrafioletowe i same się myją. Ich powierzchnię pokrywa warstwa substancji chemicznej, rozkładającej pod wpływem światła brud na proste, rozpuszczalne w wodzie składniki. Kiedy pada deszcz, są one spłukiwane i nie pozostawiają na szybie zacieków, gdyż inna powłoka powoduje obniżenie napięcia powierzchniowego, dzięki czemu spływająca woda nie zbiera się w krople. Szyby takie służyć mogą także za baterie słoneczne i produkować prąd elektryczny. Na oko niczym nie różnią się od konwencjonalnego kawałka szkła.

Nanotechnologiczna rewolucja odbywa się w przemyśle farbiarskim. Opracowuje się zapobiegające rdzewieniu farby o niezwykłej twardości lub własnościach termoizolacyjnych. Ich cienka warstwa zastąpić może 10 cm waty szklanej.

Francuski potentat kosmetyczny L’Oreal opracował już technologię produkcji szminek do ust i farb do włosów, które swą barwę zawdzięczają nie tradycyjnym pigmentom, lecz nanocząstkom i płynnym kryształom. Nowy lakier do paznokci jest bezbarwny, dopóki pozostaje w buteleczce, żywego koloru nabiera dopiero pod wpływem światła. Zabarwione nanotechnologicznymi barwnikami tkaniny nigdy nie płowieją. Mogą one także być niebrudzące, wytrzymałe nie do zdarcia i mieć własności bakteriobójcze. Nie mówimy już o tym, co dzieje się w elektronice, w której nieprzerwana miniaturyzacja jest synonimem postępu.

Fakt, że nowe nanotechnologiczne produkty nie rzucają się w oczy swą odmienną funkcją czy wyglądem, jest tylko częściowo odpowiedzialny za to, że typowy konsument, który nigdy nie słyszał o powierzchniowym rezonansie plazmonowym, akceptuje dary nanotechnologii bez głębszej refleksji. Istnieje także poważniejsza, koncepcyjna, trudność stojąca na drodze po popularyzacji jej osiągnięć. Przez stulecia nauka rozwijała się przez podział i specjalizację. Każdy uczony znał się na swojej coraz węższej dyscyplinie badawczej i popularyzatorzy nauki mogli jej postęp referować szerokiej publiczności w wyraźnie zdefiniowanych i ograniczonych kawałkach. Mogła to być teoria wielkich płyt tektonicznych, teoria superstrun lub chaosu, lecz zawsze teren, po którym poruszał się odważny czytelnik, był wyraźnie ogrodzony.

Nanotechnologia te klarowne granice całkowicie zamazała. Operuje na pograniczach dyscyplin tak różnych jak chemia, fizyka, biologia i medycyna, nie mówiąc już o ekonomii i marketingu. Może być kwantową medycyną, elektroniczną neurologią czy półprzewodnikową inżynierią genetyczną. Także zamazaniu uległ tradycyjny podział między nauką a technologią i ta ostatnia różni się od pierwszej chyba tylko tym, że daje się natychmiast sprzedać.

Nanotechnologia jest jakby uniwersalnym klejem, pozwalającym rozmaitym dyscyplinom zrastać się ze sobą. Pozwala ona zresztą także błyskawicznie zrastać się dwóm kawałkom mięsa, czyli spawać biologiczną tkankę. Uczeni z Rice University zademonstrowali niedawno opracowaną przez siebie technikę – polewając dwa kawałki kurzego mięsa zielonkawym płynem, zawierającym powleczone złotem nanoskorupki, stykając je ze sobą i oświetlając linię styku światłem laserowym, zamienili dwa kawałki w jeden większy.

Czy nanotechnologia jest po prostu nową, bardziej wyrafinowaną technologią? Chyba czymś więcej. Jej głębokie filozoficzne implikacje staną się może bardziej oczywiste, kiedy kreacjoniści dojdą do wniosku, że – kto wie – może w ten właśnie sposób Stwórca skonstruował otaczający nas świat? Molekuła po molekule.

Krzysztof Szymborski

Tekst opublikowany w tygodniku „Polityka” (1/2008)
  

CZYTAJ TAKŻE:

Niewidzialna rewolucja. Rozmowa z prof. Jerzym Rużyłło, nanoelektronikiem z Pennsylvania State University.

Pochłonie nas szara breja? Inwestycje w badania i rozwój nanotechnologii stały się strategicznym priorytetem dla rządów wielu państw. Trwa globalny wyścig, który można porównać tylko do amerykańsko-radzieckiego współzawodnictwa w eksploracji kosmosu. Kto w nim zwycięża? I przede wszystkim – po co?