egyetemi docens, PhD., bekesi.bertold@uni-nke.hu Fedélzeti Rendszerek Tanszék, Nemzeti Közszolgálati Egyetem
Kivonat: A nanotechnológiák – a korszerű fejlesztések mikroszintje. A világon ezen a területen voltak a legcsodálatosabb találmányok. A szerző ezek közül bemutatja a leginkább figyelemre méltóakat.
Kulcsszavak:nanotechnológia, nanoelektronika, nanoszenzor, nanobot
Abstract: Nanotechnologies - at the microsphere of modern developments. The world has the most amazing inventions in this area. The author presents the most remarkable of these.
Keywords:nanotechnology, nanoelectronics, nanosensor, nanobot
1. BEVEZETÉS
Korunk technikai fejlődése a nanotechnológia kialakulásával új fejlődési szakaszba jutott.
Ahhoz, hogy tudjuk, milyen problémákkal kell szembenéznünk, először arra a kérdésre kell keresnünk a választ, hogy mi a nanotechnológia? [1]
A nanotechnológiával kapcsolatos gondolatok Richard Feynman fizikus 1959. december 29-én a Kaliforniai Műszaki Egyetemen megtartott There is Plenty of Room at the Bottom „Az alján még sok hely van” című beszédében leírta azt a folyamatot, amelyben a kutatók képesek volnának manipulálni és uralni az egyes atomokat és molekulákat. „Én úgy látom, nem mond ellent a fizika alapvető törvényeinek, hogy bármit is összeszereljünk, atomról atomra.” (Feynman, 1959)[5]. A nanotechnológia1 fogalma azonban csak tíz évvel később jelent meg, az ultra precíz megmunkálás kutatása során. A modern nanotechnológia korszaka 1981-ben kezdődött, mégpedig az alagútmikroszkóp érkezésével, amely képes volt látni az egyes atomokat. [2][3]
2. NANOTECHNOLÓGIAI FEJLESZTÉSEK
Nanojármű. A hollandiai Groningen Egyetem és a svájci Anyagtudományi és Technológiai Kutatólaboratórium kutatói egy nagy molekulájú nanoszerkezetű „autó” prototípust hoztak létre, amelynek négy szimmetrikus eleme van, amelyek a kerekek szerepét töltik be.
Üzemanyagaként az elektromos töltés szolgál, amely az elektronmikroszkóp szondájából érkezik. A nanojármű mérete 4, amely 2 nanométeren helyezkedik el réz alapanyagon (szubsztrátumon) és árammal töltődik a felette elhelyezett elektronmikroszkóp-szonda a
„kerekek” minden félfordulata alatt. A szondából áramló elektronok a molekula motorelemeiben strukturális változásokat okoznak, és forgásra kényszerítik. Csak egy irányba forognak, így hátrafelé mozgást nem tud végezni. [6][7][8]
A láthatatlan köpeny grafénből van. A texasi Dallas-i Egyetem kutatói feltaláltak egy láthatatlanná tévő köpenyt, egy ismert természetes jelenséggel – a délibáb felhasználásával. Az
1 „A nanotechnológia az anyag olyan tulajdonságait hasznosítja, amelyek eltérnek mind a makroszkopikus, mind pedig a molekuláris méretekben ismert, a kémia és az atomfizika által feltárt viselkedéstől. A mikrométer alatti, 1-100 nanométeres tartományban olyan új jelenségek kerülnek előtérbe, amelyek korábban nem gondolt módon kibővítik az új típusú eszközök készítésének, kívánatos funkciók kialakításának és anyagi paraméterek tervezésének lehetőségeit.” [4]
22
új anyag, amelyet a grafén bázisán hoztak létre, olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a forró homok a sivatagban, ami lehetővé teszi, hogy „levegye a szemet” a tárgyról, így láthatatlanná válik. Ebben az esetben a láthatatlanság be- és kikapcsolható, ha a nanoanyagon keresztül áramot vezetünk. [6][9] A londoni Queen Mary Egyetem fizikusai képesek voltak láthatatlanná tenni az elektromágneses hullámok tárgyát. A tudósok által létrehozott láthatatlan köpeny egy hétrétegű nanokompozit2 anyagot használ. Mindegyik 4,5 mm vastag réteg dielektromos fóliából és töltőanyagból áll, és különböző elektromos tulajdonságokkal rendelkezik a helyzetétől függően. A tudósok egy 8-10 GHz (centiméteres rádióhullámok) frekvenciájú felületi hullámokra konvex felületet képeznek, lehetővé téve számukra, hogy áthaladjanak az akadályon, és ne szóródjanak szét. Az anyagot, amelyből az eszköz készült, hasonló a más tudósok által használt módosított Luneberg objektív antennához (ott titanát töltőanyagot használtak) [10].
Nanoelektronika. Japán és Svájc kutatói bizonyították az egyes molekuláknak az aktuális vezető molekuláris nanoáramokkal történő kötődésének lehetőségét. Ez a felfedezés fontos lépés a monomolekuláris elektronika létrehozása felé, amely lehetővé teszi a szokásos elektronikus eszközök méretének sokszoros csökkentését. A monomolekuláris elektronika kulcsa a funkcionális molekulák egyetlen áramkörbe történő integrálása áramvezető nanorendszerek segítségével. A kifejlesztése után a nanoelektronika új lendületet kap. Két nehézség adódik ebben a feladatban: hogyan lehet a nanovezetékeket a megfelelő helyeken elhelyezni, és hogyan kapcsoljuk össze a funkcionális molekulákhoz kémiai kötéssel. Kezdeti szubsztrátként a japánok egy diacetilén monomolekuláris fóliát használtak fel, amelyet egy grafit szubsztráton helyeztek el. Ezután kis mennyiségű ftalocianint vittek fel, amelyből nanokluszt képződött a szubsztrátum felületén. Az utolsó szakaszban a kutatók áthelyezték egy pásztázó alagút mikroszkóp szondáját egy ftalocianin-molekulához, és a szondára pulzáló feszültséget juttattak, amely diacetilén lánc-polimerizációját indította el, mely eredményeképpen polimer nanoszál képződött, amelyet egy másik ftalocianin-molekulához juttathatunk. Az alkotók szerint ez az áramkör úgy fog működni, mint egy dióda. [6]
Nanoagy. Az ember agya sok szempontból meghaladja a modern számítógépes rendszereket. Strukturális elemeiként, mint tudjuk neuronok szolgálnak. A szinapszisokat összekötő neuronok egyedülálló tulajdonsága, hogy képesek megváltoztatni a kommunikációs hatékonyságot. Ebben az összefüggésben a tudósok évek óta keresik, hogy hogyan lehet mesterségesen szimulálni az agy neurális hálózatát. Nemrégiben a Stanford Egyetem (USA) tagjai bejelentették egy olyan szinapszis funkcionális modelljének létrehozását, amely olyan anyagon alapul, amely enyhe változást mutat a fázis állapotában. [6]
Az agy komplex működési folyamatainak megértését számos tudóscsoport kutatja. Az emberi agy rendkívül összetett, többszintű rendszer 100 milliárd neuronjával és ezek 100 billió szinapszisával nem beszélve arról, hogy minden idegsejt és szinapszis önmagában is komplex molekuláris gépezet. A kihívások ellenére a közelmúltban több program is elindult, az egyik a Human Brain Project (Emberi Agy Program), amelynek célja a teljes emberi agy szimulációja egy szuperszámítógépben. A Blue Brain Project nevű kísérlet célja az emlősök agyának valós laboratóriumi adatokból történő „visszafejtése” és egy molekuláris szintről építkező számítógépes modell megalkotása. [11]
Nanogenerátor. Hamarosan elég lesz csak a készüléket a zsebben viselni és újra és újra feltöltödik a mozgás által - ilyen kijelentést tettek a lapos „nanogenerátor” alkotói, amelyek összenyomás, hajlítás vagy rezgés hatására ugyanazt a feszültséget hozzák létre, mint a hagyományos AA vagy AAA elemek. A Grúziai Műszaki Egyetem kutatói jelentős előrelépést tettek a piezoelektromos oszcillátorok méretének csökkentése terén, miközben fenntartják nagy energiaintenzitásukat. A tudósok kétféle nanogenerátort fejlesztettek ki egy polimerben.
2 A nanokompozit olyan kompozit anyag, amelynek legalább egy fázisa legalább egy dimenzióban 100 nm-nél kisebb, az izolált elemek (részecskék, kristályok, szálak, lemezek) átlagos mérete. [10]
23
Mindegyik egy köteg vékony lemezt (lapot) tartalmaz, melyet piezoelektromos cink-oxid nanovezetékek kötnek össze, néhány száz nanométeres vastagsággal. Az egyik prototípusban a nanoszálak közötti tér műanyaggal van megtöltve, és az egész szerkezet a két lemez elektromos vezető anyaga között helyezkedik el. Egy kis összenyomás hatására mintegy 0,24 V feszültséget hoz létre. A másik generátor több nanoszálat tartalmaz így 1,26 V-ot generál, azaz közelít a normál elemek vagy akkumulátorok feszültségéhez. [6]
Nanomedicina és megelőzés. Az Iowai Egyetem tudósainak sikerült a nanorészecskék segítségével felderíteni az élő sejt elemeiben előforduló összetett folyamatokat. Valójában a sejt összes eleme természetes nanomechanizmusnak nevezhető, ugyanakkor napjainkban (jelenleg) a tudósoknak nagyon homályos elképzelésük van arról, hogy pontosan hogyan hajtják végre. Az amerikaiak elkülönítették (azonosították) és megvizsgálták az alapvető intracelluláris mozgások számos típusát, amelyek az intracelluláris nanogépekben fordulnak elő. A nanomedicina lehetővé teszi új diagnosztikai módszerek kifejlesztését. A progresszív mozgást könnyű követni modern mikroszkópokkal. A tudósok arany nanorudakat juttattak be a sejtekbe (25 nm átmérőjű és 75 nm hosszúságú), amelyek diszpergálódtak (szétszóródtak vagy szétoszlottak) a sejtben. Ezután mikroszkóp segítségével az interferencia-kontraszt módszerével képesek voltak mérni pozíciójukat és mozgásukat, és egy számítógépen egy teljes háromdimenziós képet szimuláltak a sejtben előforduló mozgásokról. [6]
Nanoszenzor. A Stanford Egyetem tudósai kifejlesztettek egy innovatív bioszenzoros chipet, amely lehetővé teszi a rák korai szakaszában történő diagnosztizálását. Shan Wong professzor és munkatársai által kifejlesztett érzékelő mágneses detektálási technológián alapul, és képes kimutatni egy adott rák fehérje biomarkerét egy a száz milliárd koncentrációja esetén (azaz 30 molekulát egy köbmilliméter vérre). Az ilyen szenzor közel ezerszer érzékenyebb, mint a jelenleg alkalmazott technológiák a tumorfejlődés kezdeti szakaszainak diagnosztizálására.[6]
Nanobot. A koreai tudósok bejelentették, hogy új technológiát fejlesztenek ki az orvosi mikroorganizmusok kezelésére az emberi szervezetben. A véráramba lépve a mikromágnesek elvégezhetik a legösszetettebb munkát, gyógyszereket szállíthatnak, megölhetik a rákos sejteket és baktériumokat, elpusztíthatják a vérrögöket és más olyan struktúrákat, amelyeket más módon nem lehet elérni. A dél-koreai kutatók egy külső mágneses mező használatát javasolják, hogy két különböző típusú nanobot mozgást hozzanak létre: „csavar” vagy spin alakú (dugóhúzó) és haladó mozgás. Az első esetben a robot képes lesz előre/hátra mozogni és „fúrni”, vagy egyéb módon elpusztítani a vérrögöket. A második esetben - a szükséges véredényt az artéria elágazás helyére kell fordítani és más mozgásokat kell végrehajtani a vérrendszer mozgásával kapcsolatban. [6]
Növekvő szervek. Az elképzelés, miszerint az átültetésre szánt szervek szaporíthatóak, nem új, de számos akadályt jelentenek annak végrehajtásához. A szerveket nem lehet termeszteni, mint egy bőrdarabot Petri-csészében, szükségük van egy háromdimenziós mátrixra, amely a növekedés egyfajta kerete. Azonban a Rice Egyetem tudósai teljesen más módszert ajánlották: a szerveket függesztett helyzetben a mágneses mező felhasználásával szaporítani (termeszteni). Ezen módszer megvalósításával az n3D Biosciences laboratórium foglalkozik. A bakteriofág vírusok segítségével a Nanoshuttle nevű nanorészecskék szabadalmaztatott keveréke kerül a cellába. Ezek a sejtek belsejében lévő részecskék reagálnak egy mágneses mezőre, amely lehetővé teszi a szöveti növekedés szabályozását három dimenzióban. Ilyen felfüggesztett helyzetben a sejtek élhetnek és szaporodhatnak, háromdimenziós struktúrákat képezve a DNS-ben lévő program szerint. [6]
A gerincvelő szövetének helyreállítása. Az Olaszországból és az USA-ból származó tudósok közös csoportja jelentős eredményeket ért el a gerincvelő szövetek sérülés utáni helyreállításában.
Általában csonttörések után a sérülés helyén heg alakul ki, amely nem közvetíti a bioáramokat, aminek következtében egy személy részben vagy teljesen megbénult. A tudósok előterjesztették a növekedés eszméjét, melynek segítségével számos apró párhuzamos cső nanostruktúráit támogatják, amelyekben az új idegszövet növekedni fog. A 2-3 mm hosszú és 0,5 mm átmérőjű csövek ilyen szerkezete biológiailag lebomló polimerekből áll, míg a tubulusok belső felületét
24
olyan molekulák fedik le, amelyek a kémiai horgok a peptidek önbeépítésében játszanak szerepet.
A terápia hatékonyságát már bizonyították patkányokon végzett kísérletekkel, amelyek a hátsó lábak mobilitásának visszaállítását eredményezték hat hónap után, ami reményt ad a paraplegia betegek számára. [6]
A retina helyreállítása. A Milánói Műszaki Intézet tudósai megtalálták, hogyan lehet helyreállítani a szem sérült retináját fényérzékeny műanyag felhasználásával. A neuroprotézisek létrehozása nem könnyű feladat, hiszen a biológiai szövetek általában gyengén kapcsolódnak az elektronikához, és negatív hatással lehetnek az idegsejtek működésére. A rugalmas félvezetők a mesterséges retina problémájává tették a megoldást: a tudósok elvetették egy fényérzékeny félvezető polimer felületét idegsejtekkel, amelyek összetett elágazó neurális hálózatokkal nőttek és alakultak ki. A kísérletek során világossá vált, hogy a neuronokkal bevont polimer elektródként használható fényszabályozott elektrolitikus cellában, így térbeli szelektivitással rendelkezik. Ráadásul a kutatók szerint úgy állíthatjuk be, hogy csak bizonyos hosszúságú fényhullámokra reagálnak, így lehetővé válik a sérült retinák kezelésére szolgáló rendszerek kifejlesztése úgy, hogy a színképet helyreállítsák. [6]
3. ÖSSZEGZÉS
Könnyen belátható, hogy a legérdekesebb újítások a nanomedicinával kapcsolatosak. Talán létezik egy bizonyos szimbolizmus, hiszen az emberi sejtek legösszetettebb elemei valójában természetes nanogépek, és a tudósok leggyakrabban nem találnak ki új dolgokat, hanem lemásolják a természetből láthatóakat. Lehetséges, hogy az egészségügyi fejlesztésekre való ilyen figyelem reményt ad arra, hogy a nanotechnológia jövője nem katonai nanobotok, hanem orvosi robotok, és hogy az új technológiák erősebbé, agilisabbá és egészségesebbé teszik az embert, és nem fogják működési mechanizmussá tenni.
4. FELHASZNÁLT IRODALOM
[1] MOLNÁR L.: A nanotechnológia etikai problémáiról - Mi a nanotechnológia?
http://www.inco.hu/inco13/kozpont/cikk4h.htm
[2] Mi a nanotechnológia? https://www.nanoprom.hu/hu/content/22-mi-a-nanotechnologia [3] What is Nanotechnology? https://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition
[4] MIHÁLY Gy.: Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány https://kutatas.bme.hu/portal/research_university/struct2/NNA/
[5] A jövő forradalma: nanotechnológia. https://www.origo.hu/tudomany/20000316ajovo.html [6] Лучшие разработки нанотехнологий.
https://zen.yandex.ru/media/nauka/luchshie-razrabotki-nanotehnologii-5b7d8009dfb56c00aa5badec?from=feed
[7] Самый крошечный электромобиль в мире состоит всего из одной молекулы.
https://www.dailytechinfo.org/nanotech/3059-samyy-kroshechnyy-elektromobil-v-mire-sostoit-vsego-iz-odnoy-molekuly.html
[8] РУСЛАН ЗОРАБ: Погружение в наномир: нанообъекты и их возможности https://naked-science.ru/article/nakedscience/pogruzhenie-v-nanomir
[9] Американцы создали „плащ-невидимку” из графена https://zen.yandex.ru/media/
nauka/amerikancy-sozdali-plascnevidimku-iz-grafena-5b7d602d3ec28000a956caa4 [10] КРИСТИНА УЛАСОВИЧ: Физики приблизились к созданию „плаща-невидимки”
https://texnomaniya.ru/fiziki-priblizilis-k-sozdaniyu-laquoplasha-nevidimkiraquo Опубликовано: 2016-07-19
[11] STVORECZ A.: Hologramként léphetünk a halhatatlanság ösvényére. https://www.origo.hu/
tudomany/20160510-halhatatlansag-mesterseges-agy-test-kutatas-jovo.html
25