Vytautė Kazanavičiūtė. 2018 m. sausio 26 d.

Mažos, bet galingos – nano - dalelės

Diskusijos apie nanotechnologijų svarbą inžinerijos, statybų ir architektūros industrijose tampa intensyvesnės kaskart pažvelgus į inovatyvios technologijos šakos potencialą. Į cementą maišomos nanodalelės neleidžia sienoms patamsėti dėl oro užterštumo, plastikas dėl nanostruktūrų yra tvirtesnis, lengvesnis, mažiau degus. Pastaruoju metu vis dažniau analizuojamas ne tik nanotechnologijų pranašumas didinant medžiagų funkcionalumą, bet ir energijos taupymo ir efektyvumo gerinimo aspektais. Energinis efektyvumas itin aktuali tema, kurios problemines spragas siekiama pataisyti įvairiais moderniais metodais. Tačiau tokie keliami tikslai suprantami. Juk, pavyzdžiui, vien Jungtinėse Amerikos Valstijose 41 % energijos suvartoja komercinės paskirties pastatų ir gyvenam jų namų šildymas, vėdinimas, apšvietimas ir t. t.

Taigi, koks iš tiesų yra nanotechnologijų vaidmuo ir ar jų svarba neišvengiamai „kritinė“, kuriant inovatyvią rytdieną? Kokios revoliucinės idėjos ir galimybės mūsų dar laukia?

Pirmąsias civilizacijas siekianti priešistorė

Ne veltui iš graikų kalbos išvertus žodį „nano“ reiškia „mažas“, „nykštukas“. Nanotechnologijų mokslas tyrinėja būdus, kaip bet kokią medžiagą susmulkinti į ypač mažas daleles ar struktūras – vadinamąsias nanodaleles, kurių skersmuo vidutiniškai gali siekti vos keliolika ar kelis nanometrus (vieną milimetrą sudaro milijonas nanometrų). Puikus pavyzdys, norint suvokti nanodalelės dydį, yra jos palyginimas su žmogaus plauku. Plaukas yra keliasdešimt kartų storesnis už nanodalelę.

Pirmą kartą apie tokias mažas struktūras 1959 m. prabilo amerikiečių fizikas prof. Richardas Phillipsas Feynmanas. Jis numatė, jog įmanoma kurti mažas daleles, prilygstančias molekulės ar atomo dydžiui, ir tai, kad ateityje bus kuriami maži robotai, galintys gaminti patys save (šias galimybes ypač intensyviai tiria nanomedicinos mokslas). Vis dėlto nanotechnologijų ištakos siekia kur kas senesnius laikus – ankstyvąją egiptiečių civilizaciją. Senovės egiptiečiai išmoko gamindami stiklą į jį primaišyti labai susmulkintų aukso dalelių ir taip suteikti jam norimą atspalvį. Šį principą taiko ir šiandienos statybų industrija – į dažus dažnai dedama įvairių cheminių medžiagų nanodalelių, leidžiančių išgauti tikslesnį dažų atspalvį.

Nanotechnologijos statybose

Anot „Observatory Nano“ ataskaitos, nanotechnologijos turi didelį poveikį statybos sektoriui. Vienas pavyzdžių, kad nanotechnologijos yra neatsiejama architektūros evoliucijos dalis, – konstrukcijų komponentų tobulinimas, gerinantis pastatų energinį naudingumą ir saugumą, taip pat palengvinantis jų techninę priežiūrą. Nanotechnologijos gali leisti kurti geresnes izoliacines savybes turinčias medžiagas, pažangias struktūras, galinčias optimizuoti energijos naudojimą.

Tokios nanodalelės kaip: TiO2, Al2O3 ar ZnO, neretai naudojamos kaip „užbaigiamoji“ medžiaga – apsaugai nuo ultravioletinių spindulių, siekiui užkirsti kelią įvairiems įbrėžimams ar netgi pagalbai kovojant su įvairiais nešvarumais, pelėsio susidarymu ir pan.

Pagrindinėms statybinėms medžiagoms (cementui, betonui, plienui) patobulinti nanotechnologija irgi pasitelkiama. Nanodalelės naudojamos siekiant, kad medžiagos eksploatacijos laikotarpis būtų ilgesnis, ji pati būtų atsparesnė ir funkcionalesnė. Pavyzdžiui, silicio dioksido nanodalelių teikiama nauda yra ši: mechaninio stiprumo (betono) sutvirtinimas, aušinimo skysčio, šviesos perdavimo ir atsparumo ugniai (keramikoje), liepsnos atsparumo ir atspindžio nebuvimo (languose) užtikrinimas. Čia verta prisiminti dažnai šiuolaikiniams pastatams naudojamą iš išorės nepermatomą stiklą, kuris, žiūrint iš vidinės pusės, yra visiškai skaidrus. Taip pat silicio dioksido nanodalelės žinomos dėl šviesos energijos kaupimo savybių. Pavyzdžiui, dar 2008 metais Stanfordo universitete atlikti tyrimai parodė, kad saulės elementai, susidedantys iš silicio „nanovamzdelių“ ir „nanokonų“, gali absorbuoti maždaug 90 proc. gaunamos saulės spinduliuotės, t.y. beveik dvigubai daugiau už tradicinius saulės elementus.

Svarbu paminėti ir anglies nanovamzdelius, kurių numatoma nauda yra mechaninio patvarumo ir trūkimo prevencija (cemento) bei efektyvus elektronų tarpininkavimas (saulės elementuose). Vario nanodalelės turi didelį potencialą gerinti atsparumą korozijai ir didinti elementų dinamiškumą, geležies oksido nanodalelės teikia didesnę gniuždymo jėgą ir gerina betono atsparumą, sidabro nanodalelių pranašumas – biocidinis aktyvumas dangose ir dažuose, o titano dioksido nanodalelės gali būti itin naudingos siekiant maksimaliai išnaudoti „savaiminio valymosi“ efektą medžiagose, taip pat siekiant užtikrinti priešgaisrinę saugą, atsparumą prisilietimams ir t. t.

Nanorobotai pakeis ateitį?

Nanotechnologijų inovacijos visuomenei gali duoti labai daug. Tai puikiai įrodo biomedicina, tapusi viena sričių, kur „nano“ mokslas taikomas bene intensyviausiai ir efektyviausiai. Žinoma, aukšti reikalavimai ir tolimi siekiai suprantami, nes iš biomedicininių nanorobotų tikimasi labai daug.

Nanorobotai yra tam tikros nanostruktūros, kurioms būdingas daugiafunkcionalumas. Pavyzdžiui, jos sugeba atpažinti vėžines ląsteles ir jas sunaikinti. Vieni pirmųjų tokius bandymus atliko Monrealio ir McGillio universitetų mokslininkai, kurie sukūrė iš bakterijų sudarytus nanorobotus, valdomus kompiuteriu. Kaip tai veikia? Nanorobotai, nešantys toksiškus vaistus, mokslininkų gali būti nukreipti kraujotakos sistema nukeliauti tiksliai į pačius aktyviausius vėžio židinius. Ši inovatyvi vaistų transportavimo sistema teikia vilties sunaikinti tik vėžines ląsteles, nepažeidžiant aplink esančių sveikų audinių. Tokius nanorobotus prieš keletą metų taip pat pradėjo kurti Lietuvos fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) mokslininkai.

Profesoriai inžinieriai Ericas Dilleris ir Metinas Sitti, dirbantys pasauliniame mokslinių tyrimų universitete Carnegie Mellon, esančiame Pitsberge, taip pat pasitelkė nanotechnologijų mokslo principus ir sukūrė kraujotakos sistema plaukti galinčius mechanizmus. Sukurti robotai iš pradžių sugebėjo transportuoti smulkius objektus ir pastatyti „Y“ formos polius. Tačiau kūrėjai tikisi, kad ateityje robotus pavyks patobulinti ir juos bus įmanoma lengvai integruoti į žmogaus kūną su mikromašinomis. Kartu toks junginys plauktų kraujotakos sistema ir esant pažeidimui paspartintų kraujo krešėjimą bei žaizdos gijimą.

„Dabar mes statome pastatus iš plytų ir skiedinio ir tai darome jau daugiau nei 5 tūkst. metų. Bet ar jūs galite įsivaizduoti, kad nanomašinos pakeistų nusistovėjusius procesus ir statytų pastatus, kurių statybos procesas primintų medžių augimo principą – iš apačios į viršų“, – apie nanorobotus statybų industrijoje sako Rice’o universiteto profesorius ir nanotechnologijų inovacijų pionierius Jamesas Touras, teigiantis, kad nanorobotai galėtų pakeisti visus statybų industrijos principus, netgi nebereikėtų žmogaus sukurtų statybinių medžiagų – tik natūralių ir organinių, randamų gamtoje. Anot J. Touro, dėl to pasikeistų ir suvartojamos energijos kiekiai bei procesai.

Nanotechnologijos apima itin didelį spektrą galimybių ir turi neįtikėtiną potencialą, galintį paveikti įvairias visuomenės gyvenimo dalis, taip pat ir statybų, inžinerijos bei kitas industrijas. Nanorobotai keičia robotų kūrimo standartus, įvairių elementų panaudojimo aspektus, taip pat nanodariniais modifikuotos medžiagos pasižymi unikaliomis savybėmis – didesniu patvarumu, geresniu atsparumu aplinkos poveikiui, didesne šilumine varža ir t. t. Nanotechnologijos pamažu kelia revoliuciją – dėl inovatyvaus mokslo rinkoje atsiveria naujos perspektyvos, nurodomos naujos kryptys ateities kartoms... Ir tai tik pradžia. Kas bus toliau? Maža, bet galinga jėga keis tradicijas ir stereotipus.