Bilion dolarów wart będzie za dziesięć lat rynek nanoproduktów, cieńszych od ludzkiego włosa
Mikroskopijne bioczujniki wykrywające zmiany nowotworowe w ludzkich tkankach stworzyła grupa chemików z Wrocławia. Strzelbą genową (gen-gun), czyli niewidocznymi gołym okiem, wstrzykiwanymi pod skórę tzw. nanocząstkami, które regenerują uszkodzone wypustki komórek nerwowych, zajął się zespół prof. Leona Gradonia z Politechniki Warszawskiej we współpracy z Uniwersytetem w Minnesocie. Bakteriobójcze tkaniny zawierające nanocząstki otrzymane z metalicznego srebra opracowali specjaliści pod kierunkiem prof. Wiesława Stręka z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu i Instytutu Inżynierii Materiałów Włókienniczych w Łodzi.
Jeszcze niedawno pomysł tworzenia materiałów i urządzeń o rozmiarach mniejszych od grubości ludzkiego włosa uważano za absurdalny, a jego autora Erica Drexlera - za wariata. Dziesięć lat temu amerykański badacz i wynalazca uzyskał pierwszy doktorat w dziedzinie nanotechnologii, a wkrótce potem świat pospiesznie wskoczył do wagonu z napisem "nano". Nanotechnologia, czyli technika manipulowania atomami i molekułami (nanometr to milionowa część milimetra), staje się czymś w rodzaju świętego Graala współczesnej cywilizacji. Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF) przewiduje, że międzynarodowy rynek nanoproduktów za 10 lat osiągnie olbrzymią wartość biliona USD.
Pociąg molekularny
Nikogo już nie dziwią projekty skonstruowania sterowanych z zewnątrz minirobotów wielkości zaledwie komórki krwi, mających naprawiać zniszczone tkanki w organizmie człowieka. Nie zaskakują też pomysły windy wznoszącej się na wysokość 100 tys. km po taśmie z tzw. nanorurek - niezwykle wytrzymałych nowych materiałów. Brytyjski chemik Fraser Stoddart skonstruował zbudowany zaledwie z kilku tuzinów atomów pociąg molekularny. Był niewidzialny gołym okiem, ale podróżował po molekularnych torach, zatrzymując się regularnie na czterech stacjach! W podobny sposób w ośrodku badawczym Seagate zbudowano komputerową głowicę zapisująco-odtwarzającą grubości kilku atomów. W ostatnich kilku latach na świecie powstało ponad 500 firm zajmujących się zastosowaniem nanotechniki w medycynie, elektronice, informatyce, lotnictwie i budowie samochodów. W ubiegłym roku w Stanach Zjednoczonych, Japonii, Europie i Chinach z funduszów rządowych i prywatnych przeznaczono na ten cel około 4 mld USD.
W wyścigu do nanolandii mimo braku pieniędzy na badania uczestniczą również polscy naukowcy. - Nie jesteśmy w tej dziedzinie kopciuszkiem, choć na świecie nanotechnologią zajmuje się ponad milion osób, a w Polsce jedynie około tysiąca - twierdzi prof. Jan Kurzydłowski z Politechniki Warszawskiej. Kilkuosobowa grupa inżynierów chemików z tej uczelni współpracuje z Japończykami w konstruowaniu robotów usuwających złogi cholesterolu z naczyń krwionośnych oraz z Amerykanami w regeneracji zniszczonych nerwów za pomocą nanocząstek. W Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych we Wrocławiu grupa prof. Wiesława Stręka wytwarza cząsteczki krystaliczne o rozmiarach kilkudziesięciu atomów. Są to tzw. układy optycznie aktywne, znacznie tańsze niż lasery i mające wiele zastosowań w optoelektronice. Takie układy pobudzane jonami pierwiastków ziem rzadkich świecą na zielono i niebiesko.
- Otrzymałem propozycję z Instytutu Laserów, Fotoniki i Biofotoniki Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku, żeby wspólnie wytwarzać materiały dla świecących ekranów - mówi prof. Stręk.
Ułożyć atomy
Rewolucję w technice zapoczątkowało odkrycie, że własności wielu materiałów zależą nie tylko od rodzaju tworzących je atomów, ale także od ich ułożenia w przestrzeni. Jeśli zmienimy umiejscowienie atomów węgla, możemy otrzymać diament. Jeśli to samo zrobimy z piaskiem - uzyskamy chip do komputera. Gdybyśmy umieli odpowiednio wykorzystać molekuły gleby, wody i powietrza, moglibyśmy zsyntetyzować ziemniaki. Uczeni wykryli nowe formy węgla - powstające spontanicznie tzw. fulereny (budową przypominające piłkę nożną) oraz zdumiewająco wytrzymałe nanorurki węglowe. Połączenia atomów węgla w tych nanorurkach są silniejsze niż w diamencie! W laboratoriach japońskich, amerykańskich, europejskich tworzone są nowe konfiguracje atomów, by zbadać, jak zmienią się ich właściwości. Wielkie ponadnarodowe koncerny, takie jak IBM, Hewlett-Packard, NEC, Mitsubishi, Fuji, Dow Chemical, rozpoczęły wyścig. Ich celem jest zbudowanie komputerów o mocy obliczeniowej wielokrotnie (1012 razy) większej od obecnych. Powstają pamięć molekularna, płaskie ekrany kolorowe o wysokiej rozdzielczości i wyświetlacze trójwymiarowe. Produkowane są lakiery samochodowe, których nie można zarysować, szkła ciemniejące pod wpływem światła oraz niepalne drewno.
Atomów nie da się wziąć w palce i umieścić tam, gdzie trzeba. Przez długi czas obawiano się, że w ogóle nie będzie można ich zobaczyć. Zwykłe światło przelatuje obok atomu, jakby go w ogóle nie było. - Zmiana nie uporządkowanej formy materii w funkcjonalny obiekt o niewielkich rozmiarach jest bardzo trudna. W naszych pracach budulcem są nanocząstki, z których można wytwarzać obiekty o unikalnych właściwościach - tłumaczy prof. Leon Gradoń z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. Uczony demonstruje zdjęcia porowatych kulek o średnicy 250 nanometrów, czyli 400 razy mniejszej od średnicy ludzkiego włosa. Kulki mają idealne kształty, a jednakowej wielkości otwory są w nich rozmieszczone symetrycznie. Jak można otrzymać takie regularne nanocząstki na skalę przemysłową? Powstają one w reaktorze chemicznym podczas chłodzenia gazu, a techniczne parametry procesu są wynikiem wyrafinowanego modelowania matematycznego. Nanocząstki mają przenosić do płuc leki ratujące życie astmatykom i chorym na cukrzycę. Pęcherzyki płucne, których łączna powierzchnia u dorosłego wynosi około 90 m2, są znakomitymi wrotami krwiobiegu. Umieszczona w porach substancja czynna leku uwalnia się we krwi stopniowo, w dokładnie zaplanowanym czasie, a insulina wydzielana jest właśnie w takim tempie, w jakim trzustka wytwarza ją u osób zdrowych. Ośmioosobowy zespół prof. Gradonia wspólnie z grupą chemików i inżynierów z uniwersytetu w Hiroszimie opracowuje nanokapsułki z preparatami promieniotwórczymi, które mają trafiać wprost do komórek nowotworu.
Teraz nano-Polska
Nanotechnologię uznano już za kolejny skok technologiczny w rozwoju cywilizacji. Uczeni z Tajwanu wspólnie z polskimi naukowcami będą prowadzić badania nad materiałami dla elektroniki, takimi jak nanorurki węglowe ustawiane jedna obok drugiej niczym gęste miniaturowe szczotki. Takie rurki po podłączeniu do nich prądu wysyłają promieniowanie. Można z nich tworzyć ekrany telewizyjne grubości milimetra, a Tajwan jest jednym z największych producentów monitorów komputerowych. Z kolei lotnictwo Stanów Zjednoczonych jest zainteresowane polskimi badaniami nad włóknami polimerowymi zawierającymi nanoproszki magnetyczne. Można z nich produkować czujniki pola magnetycznego, ekrany pochłaniające promieniowanie, maty chroniące przed polem magnetycznym wytwarzanym przez komputery i telefony komórkowe.
Zespół prof. Stręka z Wrocławia na zamówienie Europejskiego Banku Centralnego prowadzi badania nad zawierającymi nanocząstki włóknami wykorzystywanymi do produkcji papierów wartościowych. Takie włókna mają ukryte cechy pozwalające zidentyfikować banknoty, czeki podróżne i bilety. Prof. Marcin Leonowicz z Politechniki Warszawskiej współpracuje z instytutami badawczymi American Air Force, projektując nanoczujniki do wykrywania niebezpiecznych pól magnetycznych. - Amerykanów, którzy wnikliwie obserwują, co się u nas dzieje, bardzo interesuje współpraca z nami, bo mamy dobrych specjalistów - mówi prof. Leonowicz. Potęga intelektu jest w tej skomplikowanej dziedzinie równie ważna jak brzęcząca moneta.
Jeszcze niedawno pomysł tworzenia materiałów i urządzeń o rozmiarach mniejszych od grubości ludzkiego włosa uważano za absurdalny, a jego autora Erica Drexlera - za wariata. Dziesięć lat temu amerykański badacz i wynalazca uzyskał pierwszy doktorat w dziedzinie nanotechnologii, a wkrótce potem świat pospiesznie wskoczył do wagonu z napisem "nano". Nanotechnologia, czyli technika manipulowania atomami i molekułami (nanometr to milionowa część milimetra), staje się czymś w rodzaju świętego Graala współczesnej cywilizacji. Amerykańska Narodowa Fundacja Nauki (NSF) przewiduje, że międzynarodowy rynek nanoproduktów za 10 lat osiągnie olbrzymią wartość biliona USD.
Pociąg molekularny
Nikogo już nie dziwią projekty skonstruowania sterowanych z zewnątrz minirobotów wielkości zaledwie komórki krwi, mających naprawiać zniszczone tkanki w organizmie człowieka. Nie zaskakują też pomysły windy wznoszącej się na wysokość 100 tys. km po taśmie z tzw. nanorurek - niezwykle wytrzymałych nowych materiałów. Brytyjski chemik Fraser Stoddart skonstruował zbudowany zaledwie z kilku tuzinów atomów pociąg molekularny. Był niewidzialny gołym okiem, ale podróżował po molekularnych torach, zatrzymując się regularnie na czterech stacjach! W podobny sposób w ośrodku badawczym Seagate zbudowano komputerową głowicę zapisująco-odtwarzającą grubości kilku atomów. W ostatnich kilku latach na świecie powstało ponad 500 firm zajmujących się zastosowaniem nanotechniki w medycynie, elektronice, informatyce, lotnictwie i budowie samochodów. W ubiegłym roku w Stanach Zjednoczonych, Japonii, Europie i Chinach z funduszów rządowych i prywatnych przeznaczono na ten cel około 4 mld USD.
W wyścigu do nanolandii mimo braku pieniędzy na badania uczestniczą również polscy naukowcy. - Nie jesteśmy w tej dziedzinie kopciuszkiem, choć na świecie nanotechnologią zajmuje się ponad milion osób, a w Polsce jedynie około tysiąca - twierdzi prof. Jan Kurzydłowski z Politechniki Warszawskiej. Kilkuosobowa grupa inżynierów chemików z tej uczelni współpracuje z Japończykami w konstruowaniu robotów usuwających złogi cholesterolu z naczyń krwionośnych oraz z Amerykanami w regeneracji zniszczonych nerwów za pomocą nanocząstek. W Instytucie Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych we Wrocławiu grupa prof. Wiesława Stręka wytwarza cząsteczki krystaliczne o rozmiarach kilkudziesięciu atomów. Są to tzw. układy optycznie aktywne, znacznie tańsze niż lasery i mające wiele zastosowań w optoelektronice. Takie układy pobudzane jonami pierwiastków ziem rzadkich świecą na zielono i niebiesko.
- Otrzymałem propozycję z Instytutu Laserów, Fotoniki i Biofotoniki Uniwersytetu Stanowego w Nowym Jorku, żeby wspólnie wytwarzać materiały dla świecących ekranów - mówi prof. Stręk.
Ułożyć atomy
Rewolucję w technice zapoczątkowało odkrycie, że własności wielu materiałów zależą nie tylko od rodzaju tworzących je atomów, ale także od ich ułożenia w przestrzeni. Jeśli zmienimy umiejscowienie atomów węgla, możemy otrzymać diament. Jeśli to samo zrobimy z piaskiem - uzyskamy chip do komputera. Gdybyśmy umieli odpowiednio wykorzystać molekuły gleby, wody i powietrza, moglibyśmy zsyntetyzować ziemniaki. Uczeni wykryli nowe formy węgla - powstające spontanicznie tzw. fulereny (budową przypominające piłkę nożną) oraz zdumiewająco wytrzymałe nanorurki węglowe. Połączenia atomów węgla w tych nanorurkach są silniejsze niż w diamencie! W laboratoriach japońskich, amerykańskich, europejskich tworzone są nowe konfiguracje atomów, by zbadać, jak zmienią się ich właściwości. Wielkie ponadnarodowe koncerny, takie jak IBM, Hewlett-Packard, NEC, Mitsubishi, Fuji, Dow Chemical, rozpoczęły wyścig. Ich celem jest zbudowanie komputerów o mocy obliczeniowej wielokrotnie (1012 razy) większej od obecnych. Powstają pamięć molekularna, płaskie ekrany kolorowe o wysokiej rozdzielczości i wyświetlacze trójwymiarowe. Produkowane są lakiery samochodowe, których nie można zarysować, szkła ciemniejące pod wpływem światła oraz niepalne drewno.
Atomów nie da się wziąć w palce i umieścić tam, gdzie trzeba. Przez długi czas obawiano się, że w ogóle nie będzie można ich zobaczyć. Zwykłe światło przelatuje obok atomu, jakby go w ogóle nie było. - Zmiana nie uporządkowanej formy materii w funkcjonalny obiekt o niewielkich rozmiarach jest bardzo trudna. W naszych pracach budulcem są nanocząstki, z których można wytwarzać obiekty o unikalnych właściwościach - tłumaczy prof. Leon Gradoń z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Procesowej Politechniki Warszawskiej. Uczony demonstruje zdjęcia porowatych kulek o średnicy 250 nanometrów, czyli 400 razy mniejszej od średnicy ludzkiego włosa. Kulki mają idealne kształty, a jednakowej wielkości otwory są w nich rozmieszczone symetrycznie. Jak można otrzymać takie regularne nanocząstki na skalę przemysłową? Powstają one w reaktorze chemicznym podczas chłodzenia gazu, a techniczne parametry procesu są wynikiem wyrafinowanego modelowania matematycznego. Nanocząstki mają przenosić do płuc leki ratujące życie astmatykom i chorym na cukrzycę. Pęcherzyki płucne, których łączna powierzchnia u dorosłego wynosi około 90 m2, są znakomitymi wrotami krwiobiegu. Umieszczona w porach substancja czynna leku uwalnia się we krwi stopniowo, w dokładnie zaplanowanym czasie, a insulina wydzielana jest właśnie w takim tempie, w jakim trzustka wytwarza ją u osób zdrowych. Ośmioosobowy zespół prof. Gradonia wspólnie z grupą chemików i inżynierów z uniwersytetu w Hiroszimie opracowuje nanokapsułki z preparatami promieniotwórczymi, które mają trafiać wprost do komórek nowotworu.
Teraz nano-Polska
Nanotechnologię uznano już za kolejny skok technologiczny w rozwoju cywilizacji. Uczeni z Tajwanu wspólnie z polskimi naukowcami będą prowadzić badania nad materiałami dla elektroniki, takimi jak nanorurki węglowe ustawiane jedna obok drugiej niczym gęste miniaturowe szczotki. Takie rurki po podłączeniu do nich prądu wysyłają promieniowanie. Można z nich tworzyć ekrany telewizyjne grubości milimetra, a Tajwan jest jednym z największych producentów monitorów komputerowych. Z kolei lotnictwo Stanów Zjednoczonych jest zainteresowane polskimi badaniami nad włóknami polimerowymi zawierającymi nanoproszki magnetyczne. Można z nich produkować czujniki pola magnetycznego, ekrany pochłaniające promieniowanie, maty chroniące przed polem magnetycznym wytwarzanym przez komputery i telefony komórkowe.
Zespół prof. Stręka z Wrocławia na zamówienie Europejskiego Banku Centralnego prowadzi badania nad zawierającymi nanocząstki włóknami wykorzystywanymi do produkcji papierów wartościowych. Takie włókna mają ukryte cechy pozwalające zidentyfikować banknoty, czeki podróżne i bilety. Prof. Marcin Leonowicz z Politechniki Warszawskiej współpracuje z instytutami badawczymi American Air Force, projektując nanoczujniki do wykrywania niebezpiecznych pól magnetycznych. - Amerykanów, którzy wnikliwie obserwują, co się u nas dzieje, bardzo interesuje współpraca z nami, bo mamy dobrych specjalistów - mówi prof. Leonowicz. Potęga intelektu jest w tej skomplikowanej dziedzinie równie ważna jak brzęcząca moneta.
Więcej możesz przeczytać w 44/2003 wydaniu tygodnika Wprost .
Archiwalne wydania tygodnika Wprost dostępne są w specjalnej ofercie WPROST PREMIUM oraz we wszystkich e-kioskach i w aplikacjach mobilnych App Store i Google Play.