Wielkie nadzieje nanotechnologii

Niewiarygodnie małe urządzenia zbudowane z pojedynczych atomów to wielka nadzieja ludzkości. Pierwsze efekty prac naukowców w tej dziedzinie poznamy jednak dopiero za kilka lat.

- Zasady fizyki na tyle, na ile zdolny jestem je zrozumieć, nie każą odrzucić możliwości budowania obiektów poprzez manipulowanie pojedynczymi atomami... - stwierdził amerykański noblista Richard Feynman w 1959 r. Oświadczył także, że przyzna nagrodę temu, który skonstruuje silnik mieszczący się na główce od szpilki i temu, który zapisze stronę tekstu na powierzchni 25 tys. razy mniejszej od kartki papieru. Nie przyjęto tych słów poważnie. Tymczasem, już rok później zgłosił się do niego inżynier William McLellan z firmy Electro-Optical Systems w Pasadenie. Przedstawił on Feynmanowi składający się z 13 oddzielnych części silnik elektryczny, ważący zaledwie 250 mikrogramów.

Na superminiaturową stronę tekstu trzeba było natomiast poczekać 25 lat dłużej. Dokładnie w połowie lat osiemdziesiątych do Feynmana zgłosił się Tom Newman z Uniwersytetu Stanforda. Udało mu się zapisać pierwszą stronę powieści Charlesa Dickensa pod tytułem "Opowieść o dwóch miastach" na niewiarygodnie małej powierzchni. Każda z liter miała wielkość zaledwie 50 atomów!

Czy jednak te dwie udane próby miniaturyzacji dowodziły, że jesteśmy w stanie atom po atomie tworzyć funkcjonujące maszyny? Nikt w to nie uwierzył, poza jedną osobą. Był nią młody doktorant Eric Drexler ze słynnej uczelni Massachusetts Institute of Technology. Właśnie spod jego pióra wyszła najpierw popularnonaukowa książka pod tytułem "Twórcze maszyny: nadchodząca era nanotechnologii", która zrobiła zawrotną karierę ("nano" oznacza jedną miliardową część jakieś wartości, np. nanometr to jedna miliardowa część metra). W 1992 roku ukazała się wersja tej książki przeznaczona dla specjalistów, a Dexlera okrzyknięto "prorokiem nanotechnologii. Właśnie z tego powodu był on przesłuchiwany przez komisję do spraw badań naukowych Kongresu USA oraz wygłosił wykład dla najwyższych dowódców Pentagonu.

Amerykański naukowiec twierdził, że w ciągu kilkudziesięciu pierwszych lat XXI wieku nastąpi w technice radykalny przełom, przypominający co najmniej narodziny maszyny parowej. Otaczający świat zmieni się za sprawą urządzeń technicznych, budowanych tak jak klasyczne, np. z zębatych kółek czy przekładni. Tyle tylko, że będzie się je tworzyć z pojedynczych atomów. Drexler opracował na przykład komputerowy model łożyska zbudowany z 2808 atomów. Takich molekularnych urządzeń mechanicznych, a przede wszystkim minirobotów, będą mogły powstawać wręcz nieograniczone ilości - tworzywa do ich budowy jest przecież nieskończenie wiele (cały otaczający świat atomów). Poza tym, molekularne roboty prawdopodobnie posiądą zdolność samoreplikacji - koszt ich wytwarzania będzie więc niemalże zerowy. Argumenty Drexlera wywarły wrażenie na politykach - tylko w tym roku budżet rządowego programu "Nanotechnology Initiative" wyniesie pół miliarda dolarów.

Zarażeni entuzjazmem Drexlera zwolennicy nanotechnologii wierzą, że mikroskopijne urządzenia staną się panaceum na szereg nierozwiązywalnych obecnie problemów. Nanomaszyny mają, po pierwsze, dokonać przełomu w medycynie. Ich zadaniem będzie bowiem walka z dorównującymi im wielkością wirusami i bakteriami. Nanoroboty byłyby też niezwykle sprawnym narzędziem chirurgicznym - za ich pomocą można będzie na przykład precyzyjnie niszczyć wszystkie komórki rakowe. Kolejne zadanie, które przed nimi stanie, to kontrola naczyń krwionośnych - wędrujące w nich mikroroboty oczyszczałyby arterie albo przenosiły w zagrożone miejsca leki zapobiegające miażdżycy. Właśnie dostarczanie leków dokładnie w chore miejsca wydaje się jedną z najbardziej obiecujących możliwości nanotechnologii. Dzięki temu lekarze będą mogli stosować niezwykle skuteczne, ale jednocześnie bardzo toksyczne środki, gdyż wystarczy użycie bardzo małej dawki, precyzyjnie przetransportowanej wyłącznie do chorego miejsca. Kolejne pole do zastosowania nanotechnologii to budowa mikroskopijnych superkomputerów, miniaturowych robotów usuwających ze środowiska na poziomie molekularnym np. zanieczyszczenia chemiczne albo wytwarzających w tani sposób pożywienie.

Problem polega jednak na tym, co podkreślają nanosceptycy, że na razie nikt nie ma pomysłu, jak wyposażyć miniroboty w inteligencję. Skąd mają one wiedzieć, gdzie znaleźć konkretne atomy do budowy kolejnych maszyn, jak zaprogramować nanoroboty, by rozpoznawały i niszczyły komórki rakowe albo wędrowały w konkretne miejsca ludzkiego ciała. I wreszcie podstawowy dylemat - mikroskopijne nanourządzenia pięknie wyglądają w teorii, ale nikomu nie udało się zbudować choćby prototypowego egzemplarza.

Obrońcy nanotechnologii zgadzają się co do tego, że sterowanie robotami to dopiero pieśń dalekiej przyszłości. Natomiast kwestia możliwości zbudowania pierwszych nanourządzeń powinna rozstrzygnąć się w ciągu najbliższych lat, a może nawet miesięcy. Jeszcze pod koniec lat osiemdziesiątych naukowcy nie wiedzieli bowiem, czy i jak możliwe jest sterowanie pojedynczymi atomami. Jednak w 1989 roku dwaj badacze z koncernu IBM za pomocą tzw. skaningowego mikroskopu tunelowego ułożyli z 35 atomów ksenonu trzy litery, składające się na nazwę ich firmy. To był kamień, który uruchomił lawinę. 7 lat później naukowcy z laboratorium badawczego IBM w Zurychu skonstruowali już nie atomowy napis, ale liczydło, w którym kulki zostały zastąpione cząsteczkami węgla C60, przypominającymi piłki futbolowe (są tzw. fullereny). Zostały one umieszczone w rowkach o szerokości jednego atomu miedzi, a można je było przesuwać "igłą" skaningowego mikroskopu.

W ciągu ostatnich lat powstały kolejne konstrukcje, które lada moment powinny doprowadzić do narodzin pierwszego nanourządzenia. W ubiegłym roku tygodnik "Nature" doniósł o zbudowaniu molekularnych szczypiec z cząsteczki DNA, które napędzane są paliwem również z DNA. Ich odkrywcy z Lucent Technologies z New Jersey twierdzą, że w przyszłości molekularna pęsetka posłuży do naprawiania ludzkich komórek. Z kolei uczeni z Institute of Technology w Georgii stwierdzili na łamach tygodnika "Science", że udało im się opracować nanowtryskiwarki z dyszami o średnicy kilku nanometrów, które będzie można wykorzystać do wytwarzania miniobwodów elektrycznych, wstrzykiwania genów do komórek czy wtryskiwania paliwa do minisilniczków. Inne ośrodki naukowe doniosły z kolei o powstaniu pierwszej nanowagi oraz nanoskalpela, zdolnego rozpoznawać rakowe komórki.

Czy z tych poszczególnych wynalazków uda się wreszcie złożyć pierwszą nanomaszynę? Specjaliści z USA i Europy zapowiedzieli na łamach "Science" i "New Scientist", że stworzenie miniaturowach łodzi podwodnych, które będą mogły zostać wykorzystane w medycynie, zabierze im najwyżej rok. Naukowcy z Cornell University zbudowali już nawet silnik wielkości wirusa napędzany cząsteczkami ATP (związkiem chemicznym pełniącym w żywych komórkach funkcję nośnika energii). Natomiast amerykańska firma Renaissance Technologies planuje nawet już nie bawem rozpocząć produkcję pierwszych medycznych minirobotów - na razie o wielkości około 1 milimetra.

Jeszcze jedno dokonanie, ogłoszone pod koniec 2000 roku dodało skrzydeł nanotechnologom. Otóż badaczom z uniwersytetu w Bordeaux powiodło się opracowanie technologii produkcji dowolnej długości nanorurek. Są to puste w środku cylinderki zbudowane z atomów węgla i obdarzone niezwykłymi cechami (prawie sto razy twardsze od stali i kilkadziesiąt razy od niej lżejsze). Jednym z zastosowań cudownych nanorurek jest użycie ich do budowy molekularnych tranzystorów, co doprowadziłoby do powstania miniaturowych układów scalonych, a więc miniaturyzacji wszelkich urządzeń elektronicznych, a przede wszystkim komputerów. Co najważniejsze jednak, nanorurki mogą posłużyć jako element konstrukcyjny minirobotów.Postępy w dziedzinie nanotechnologii już zainteresowały amerykańskie władze wojskowe. Admirał US Army, David Jeremiah, stwierdził, że nanoroboty mogą okazać się skuteczniejszą bronią niż bomby jądrowe. Wroga armia mogłaby przecież zostać w ciągu kilku godzin zniszczona przez niewidzialną i nieprzeliczalną armię samopowielających się minirobotów. Na szczęście jednak do powstania samopowielających się robotów prowadzi jeszcze bardzo daleka droga. Na to, czy nanotechnologia sprawi kolejną rewolucję przemysłową i stanie się nadzieją ludzkości czy może raczej jej przekleństwem albo okaże się jedynie wielkim rozczarowaniem, trzeba będzie poczekać co najmniej kilkadziesiąt lat.