See artikkel on kavandatud värskendus kõigele, mida teadsite inimkonna võimsaimate tööriistade kohta: nanotehnoloogia. Tunnustatud ettevõtja ja insener, X-auhinna fondi, Planeediressursside ja muude algatuste juht ja asutaja Peter Diamandis tutvustas oma nägemust kogu maailma laborites toimuvast ja sellest, millised nanotehnoloogia potentsiaalsed rakendused ootavad tervishoidu, energiat, keskkonda keskkond, materjaliteadus, andmete säilitamine ja töötlemine.
Kuna tehisintellekt on viimasel ajal palju tähelepanu pälvinud, peaksime üsna varsti kuulma uskumatutest läbimurretest nanotehnoloogia valdkonnas.
Nanotehnoloogia päritolu
Enamik ajaloolasi usub, et termini algataja on füüsik Richard Feynman ja tema 1959. aasta kõne: "Altpoolt on palju ruumi." Feynman kujutas oma kõnes päeva, mil masinaid võiks nii palju vähendada ja väikestesse ruumidesse kodeerida nii palju teavet, et sellest päevast algaksid uskumatud tehnoloogilised läbimurded.
Kuid Eric Drexleri raamat "Loomise mootorid: nanotehnoloogia tulenevad ajajärgud" paljastas selle idee tõesti. Drexler esitas idee nanomaterjalide ise reprodutseerimiseks: masinad, mida teised masinad ehitavad.
Kuna need masinad on programmeeritavad, saab neid kasutada mitte ainult nende masinate ehitamiseks, vaid mis iganes soovite. Ja kuna see ehitus toimub aatomi tasemel, saavad need nanorobotid aatomite kaupa eraldada mis tahes materjalist (pinnas, vesi, õhk, mis iganes) ja koguda sellest midagi.
Drexler joonistas pildi maailmast, kus terve Kongressi raamatukogu mahub suhkrukuubi suurusele kiibile ja kus keskkonnakoorijad puhastavad saasteaineid otse õhust.
Reklaamvideo:
Kuid enne kui uurime nanotehnoloogia võimalusi, läheme üle põhitõed.
Mis on "nanotehnoloogia"?
Nanotehnoloogia on teadus, tehnika ja tehnoloogia, mida juhitakse nanomõõtmetes vahemikus 1 kuni 100 nanomeetrit. Põhimõtteliselt on nad manipuleerimine ja manipuleerimine materjalidega aatomi ja molekulaarsel tasandil.
Et mõistaksite, kujutame ette, mis on nanomeeter:
- Maa ja laste kuubi suhe on umbes meetri ja nanomeetri suhe.
- See on miljon korda vähem kui sipelga pikkus.
- Paberilehe paksus on umbes 100 000 nanomeetrit.
- punaste vereliblede läbimõõt on 7000–8000 nanomeetrit.
- DNA ahela läbimõõt on 2,5 nanomeetrit.
Nanobot on masin, mis suudab asju täpselt ja aatomitasemel ehitada ja nendega manipuleerida. Kujutage ette robotit, mis suudab aatomitega manipuleerida, nagu laps saab manipuleerida LEGO tellistega, ehitades põhilistest aatomi ehitusplokkidest kõike (C, N, H, O, P, Fe, Ni jne). Kuigi mõned inimesed eitavad nanobotide tulevikku ulmena, peate mõistma, et igaüks meist on täna elus tänu nanobotide lugematutele toimingutele meie triljonites rakkudes. Me anname neile bioloogilisi nimesid nagu "ribosoomid", kuid nende tuumas on programmeeritud funktsionaalsed masinad.
Samuti tasub teha vahet "märjal" või "bioloogilisel" nanotehnoloogial, mis kasutab DNA-d ja elutehnikaid, et luua valkudest või DNA-st (ehitusmaterjalina) ainulaadseid struktuure, ja veel Drexleri nanotehnoloogiast, mis hõlmab "koostaja" ehk masina ehitamist. tegeleb 3D-printimisega nanomõõtmeliste aatomitega, et luua tõhusalt mis tahes termodünaamiliselt stabiilne struktuur.
Vaatame mõnda nanotehnoloogia tüüpi, millega teadlased hädas on.
Erinevat tüüpi nanobotid ja rakendused
Üldiselt on nanoroboteid palju. Siin on vaid mõned neist.
- võimalikult väikesed mootorid. Saksamaa Mainzi ülikooli füüsikute rühm ehitas hiljuti ajaloo väikseima üheaatomilise mootori. Nagu iga teine, muudab see mootor soojusenergia liikumiseks - kuid see toimub väikseimal skaalal. Aatom on lõksus elektromagnetilise energia koonuses ning laserite abil see soojendatakse ja jahutatakse, mille tõttu aatom liigub koonuses edasi-tagasi nagu mootori kolb.
- 3D-liikuvad DNA nanomašinad. Ohio osariigi ülikooli mehaanikainsenerid kavandasid ja ehitasid DNA origami abil keerulisi nanomõõtmelisi mehaanilisi osi - see tõestab, et DNA-le saab rakendada samu põhilisi projekteerimispõhimõtteid, mis kehtivad täissuuruses masinatele, ning suudavad toota keerukaid. tulevaste nanorobotite juhitavad komponendid.
- Nanofiinid. ETH Zürichi ja Technioni teadlased on välja töötanud elastse "nanofiini", mis koosneb 15 mikromeetri (meetrikilomeetrist) pikkuse ja 200 nanomeetri paksusest polüpürroolist (Ppy) nanojuhtmest, mis suudab liikuda läbi bioloogilise vedeliku kiirusega 15 mikromeetrit sekundis. Nanofiine saab kohandada ravimite tarnimiseks ja magnetite kasutamiseks, et suunata need näiteks vereringe kaudu vähirakkudele sihtrühma.
- Sipelga nanomootor. Cambridge'i ülikooli teadlased on välja töötanud pisikese mootori, mis on võimeline avaldama suvalisele lihasele 100-kordset raskust. Uued nanomootorid võivad viia nanorobotiteni, mis on elusrakkudesse tungimiseks ja haigustega võitlemiseks piisavalt väikesed, väidavad teadlased. Uuringut juhtiv Cavendish Laboratoriesi professor Jeremy Baumberg nimetas seadet "sipelgaks". Nagu päris sipelgas, võib see avaldada mitu korda jõudu oma kaalust.
- Mikrorobotid sperma tüübi järgi. Rühm teadlasi Twente ülikooli (Holland) ja Saksa ülikooli Kairos (Egiptus) on välja töötanud sperma taolised mikrorobotid, mida saaks kontrollida nõrkade magnetväljade võnkumisega. Neid saaks kasutada keerukateks mikromanipulatsioonideks ja suunatud terapeutilisteks ülesanneteks.
- Bakteritel põhinevad robotid. Drexeli ülikooli insenerid on välja töötanud elektriväljade kasutamise viisi, mis aitavad bakteritel töötavaid mikroskoopilisi roboteid takistusi tuvastada ja neis navigeerida. Rakendused hõlmavad ravimite manustamist, tüvirakkudega manipuleerimist nende kasvu suunamiseks või mikrostruktuuri ehitamist.
- nanoraketid. Mitmed uurimisrühmad on hiljuti ehitanud kaugjuhtimisega nanomõõtmeliste rakettide kiire versiooni, ühendades nanoosakesed bioloogiliste molekulidega. Teadlased loodavad välja töötada raketi, mis oleks võimeline töötama igas keskkonnas; näiteks ravimi toimetamiseks keha sihtpiirkonda.
Nano- ja mikromakiinide peamised kasutusvaldkonnad
Selliste nano- ja mikromakiinide kasutusvõimalused on praktiliselt lõputud. Näiteks:
- vähiravi. Tuvastage ja hävitage vähirakud täpsemalt ja tõhusamalt.
- ravimite manustamise mehhanism. Luua sihipärased ravimite kohaletoimetamise mehhanismid haiguste tõrjeks ja ennetamiseks.
- meditsiiniline pildistamine. Nanoosakeste loomine, mis kogunevad konkreetsetesse kudedesse ja seejärel skaneerivad keha magnetresonantstomograafia ajal, võivad paljastada selliseid probleeme nagu diabeet.
- uued anduriseadmed. Nanorobotite sondeerimise ja skaneerimise omaduste häälestamiseks praktiliselt piiramatute võimalustega saaksime oma keha avastada ja ümbritsevat maailma tõhusamalt mõõta.
- teabesalvestusseadmed. Harvard Wyssi bioenergeetik ja geneetik on edukalt salvestanud ühe grammi DNA kohta 5,5 andmebaasi - umbes 700 terabaiti -, ületades varasemat DNA-andmete tiheduse rekordit tuhande korra võrra.
- uued energiasüsteemid. Nanorobotid võivad mängida oma rolli taastuvate energiaallikate kasutamise tõhusama süsteemi väljatöötamisel. Või saaksid nad muuta meie tänapäevased masinad energiatõhusamaks viisil, et sama tõhususe saavutamiseks vajaksid nad vähem energiat.
- Eriti tugevad metamaterjalid. Metamaterjalide valdkonnas on palju uuringuid. California tehnoloogiainstituudi grupp on välja töötanud uut tüüpi materjali, mis koosneb Eiffeli torni sarnastest nanosuurustest tugipostidest, millest on saanud üks ajaloo tugevamaid ja kergeimaid.
- Nutikad aknad ja seinad. Elektrokroomseid seadmeid, mis muudavad potentsiaali kasutamisel dünaamiliselt värvi, uuritakse laialdaselt energiasäästlikes nutikates akendes kasutamiseks - need säilitaksid ruumi sisetemperatuuri, oleksid isepuhased ja palju muud.
- Mikros käsnad ookeanide puhastamiseks. Süsiniknanotoruga käsn, mis võib imada vett saasteaineid nagu väetised, pestitsiidid ja ravimid, on kolm korda tõhusam kui eelmised võimalused.
- kopeerijad. Tuntud ka kui molekulaarsed koostajad, suudavad need kavandatud seadmed läbi viia keemilisi reaktsioone, korraldades reageerivaid molekule aatomi täpsusega.
- Terviseandurid. Need sensorid võiksid jälgida meie verekeemiat, teavitada meid kõigest, mis juhtub, tuvastada kehas kahjulikku toitu või põletikku jne.
- Meie aju ühendamine Internetti. Ray Kurzweil usub, et nanorobotid võimaldavad 2030. aastal ühendada meie bioloogilise närvisüsteemi pilvega.
Nagu näete, on see alles algus. Võimalused on peaaegu lõputud.
Nanotehnoloogial on potentsiaal lahendada mõned suurimad väljakutsed, millega tänapäeva maailm silmitsi seisab. Need võivad parandada inimeste tootlikkust, varustada meid kõigi vajalike materjalide, vee, energia ja toiduga, kaitsta meid tundmatute bakterite ja viiruste eest ning isegi vähendada maailma häirimise põhjuste arvu.
Kui sellest ei piisa, on nanotehnoloogia turg tohutu. 2020. aastaks kasvab ülemaailmne nanotehnoloogia tööstus 75,8 miljardi dollari suuruseks turuks.
ILYA KHEL
