Nanotechnologie wczoraj i dziś. Czy wreszcie czeka nas przełom?

Gdybym za każdy znaleziony artykuł traktujący o "przełomie" w technologiach nano dostał złotówkę, to... miałbym kilkaset złotych. Wieszczenie o erze nanotechnologii uprawiane jest od lat, a kolejne doniesienia o postępach traktowane są już z obojętnością. Tymczasem na uniwersytecie w Manchester ma miejsce mały nanocud. Czym jest nanotechnologia i co takiego dzieje się za kanałem La Manche, w dalszej części wpisu.

Nanotechnologia w szerokim tego słowa znaczeniu oznacza manipulację materią na poziomie molekularnym (modyfikacja gotowych struktur i tworzenie zupełnie nowych). Umowna skala, przy której możemy mówić o technologiach nano, to od 1 do 100 nanometrów.

Krótki zarys nanohistoryczny

Znaczenie terminu "nanotechnologia" uległo poważnemu rozmyciu ze względu na brak przełomowych postępów w tej dziedzinie. Zniecierpliwienie producentów spowodowało wykorzystanie słowa "nano" do określania technologii i produktów, które nie mają wiele lub nic wspólnego z manipulacją molekularną. Mowa o zwyczajnej technologii materiałowej, podstawowej chemii użytkowej i wielu innych dziedzinach, które istniały na długo przed pierwszymi realnymi próbami modyfikacji na poziomie atomowym.

Furtką do pierwszych eksperymentów nanotechnologicznych był skaningowy mikroskop tunelowy widoczny na zdjęciu powyżej. To za jego pomocą udało się Donaldowi M. Eiglerowi i Erhardowi Schweizerowi z IBM wygrawerować nazwę firmy za pomocą 35 atomów. Stało się to w roku 1989. Od tamtej pory nanotechnologia rozgałęziła swoje dążenia zgodnie z możliwościami technicznymi współczesnych laboratoriów.

Pierwsza z tych gałęzi dotyczy nanomateriałów. Nie chodzi tu jednak o tworzywa dużej skali, ale o zmieniające się właściwości znanych nam pierwiastków. Zejście poniżej skali mikroskopowej aż do nanoskali powoduje modyfikację właściwości fizykochemicznych opracowywanego materiału. Przykładowo, nierozpuszczalne złoto staje się rozpuszczalne po redukcji do nanoskali. Aluminium, czyli metal stabilny, staje się łatwopalny w skali nano. Z kolei miedź staje się przezroczysta.

Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź na to pytanie padnie dopiero za jakiś czas. Zejście poniżej 100 nanometrów oznacza wkroczenie w rzeczywistość kwantową. Jak wiadomo, jest to przestrzeń, do której klasyczna fizyka nie zagląda. Nauka, która zajmuje się często zupełnie nowymi właściwościami powszechnych pierwiastków w nanoskali, nazywa się nanojoniką.

Potencjalne zastosowania odkryć z tej dziedziny już teraz są dość oczywiste. Wspomniane przeze mnie złoto, chemicznie nieaktywne w normalnej skali, może stać się doskonałym i bardzo wydajnym katalizatorem w przestrzeni nano.

Inną ważną gałęzią jest badanie materiałów pod kątem molekularnego samoskładania. Już dziś potrafimy układać molekuły według określonego porządku i tworzyć maleńkie struktury (np. nowe polimery czy substancje chemiczne o unikalnych właściwościach medycznych). Problem polega na tym, że wyprodukowanie większej ilości tak opracowanej materii jest niemożliwe przy zastosowaniu metod laboratoryjnych. Naukowcy starają się wiec zaprojektować molekuły tak, by były dla siebie fizykochemicznie atrakcyjne i automatycznie łączyły się ze sobą, tworząc złożoną substancję, którą można następnie do czegoś wykorzystać.

Metoda ta nie gwarantuje wydajności przemysłowej, ale jest znacznie tańsza i efektywniejsza niż dłubanie nad każdą molekułą z osobna. Częściowe "zautomatyzowanie" procesu może przyspieszyć opracowywanie nowych materiałów czy leków.

Ostatnia gałąź (najważniejsza w kontekście odkrycia, o którym za chwilę wspomnę) to nanotechnologia molekularna, czyli budowanie nanomaszyn. Koncepcja konstrukcji tego typu tworów narodziła się z obserwacji już istniejących struktur tego typu. Przykładem może być nasza własna "maszyna do zabijania", czyli neutrofile będące częścią układu odpornościowego. Na wspomnianym University of Manchester skonstruowano maszynę do produkcji molekuł.

Maszyna do produkcji molekuł...

...posługująca się molekułami jak narzędziami. Brzmi jak fantastyka naukowa? Czyżby problem skali został pokonany? Bo kluczem do sukcesu jest stworzenie takiej metody wytwarzania nanoproduktów, by mogły one powielać się same. Profesor David Leigh i jego zespół skonstruowali nanomaszynę, która jest w stanie produkować "zaprogramowane" molekuły.

Maszyna (widoczna na wizualizacji powyżej) została opracowana na bazie naturalnych "fabryk" molekularnych pobierających informację o dalszej produkcji z DNA. Jedną z takich fabryk jest rybosom i to właśnie on stał się wzorcem dla maszyny z Manchesteru. Tak przy okazji, w laboratorium znajduje się już 10[sup]18[/sup] egzemplarzy tej maszyny i produkują one miligramowe ilości substancji.

Najciekawszą właściwością fabryki molekuł jest zastosowanie rotaksanu, czyli związku opartego nie na wiązaniu chemicznym, ale mechanicznym (!). Są to dwie cząsteczki sprzężone ze sobą za pomocą odpowiedniego profilowania (oś i pierścień). Rotaksany są najczęściej wykorzystywane jako przełączniki molekularne. Schemat takiego wiązania widoczny jest na grafice poniżej.

W maszynie profesora Leigh pierścień wędruje po molekularnej trasie i zbiera po drodze aminokwasy, by dokonać syntezy peptydu w zadanej kolejności. Cały proces został doskonale zobrazowany w materiale wideo poniżej. Jaka przyszłość czeka nanowynalazek z Anglii? Jak sami widzicie, problem skali przestał istnieć.

Osobiście jestem skłonny zaryzykować: drobny przełom mamy! (ale 50 groszy nikomu nie dam).