Dit artikel is een geplande update van alles wat je wist over de krachtigste tools die de mensheid ooit zou kunnen maken: nanotechnologie. Peter Diamandis, een gerenommeerd ondernemer en ingenieur, hoofd en oprichter van de X-Prize Foundation, Planetary Resources en andere initiatieven, schetste zijn visie op wat er gebeurt in laboratoria over de hele wereld en welke mogelijke toepassingen van nanotechnologie te wachten staan in de gezondheidszorg, energie en milieubescherming. milieu, materiaalkunde, gegevensopslag en -verwerking.
Aangezien kunstmatige intelligentie de laatste tijd veel aandacht heeft gekregen, zouden we binnenkort moeten horen over ongelooflijke doorbraken op het gebied van nanotechnologie.
De oorsprong van nanotechnologie
De meeste historici geloven dat de grondlegger van de term de natuurkundige Richard Feynman is en zijn toespraak uit 1959: "Er is beneden genoeg ruimte." In zijn toespraak stelde Feynman zich een dag voor waarop machines zo konden worden verkleind en er zoveel informatie in kleine ruimtes zou worden gecodeerd, dat vanaf die dag ongelooflijke technologische doorbraken zouden beginnen.
Maar het boek van Eric Drexler, "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology", onthulde dit idee echt. Drexler kwam met het idee van zelfreplicerende nanomachines: machines die andere machines bouwen.
Omdat deze machines programmeerbaar zijn, kunnen ze niet alleen worden gebruikt om meer van deze machines te bouwen, maar wat u maar wilt. En aangezien deze constructie plaatsvindt op atomair niveau, kunnen deze nanorobots elk soort materiaal (aarde, water, lucht, wat dan ook) atoom voor atoom uit elkaar halen en er alles van samenstellen.
Drexler schetste een beeld van een wereld waar een hele bibliotheek van het Congres op een chip ter grootte van een suikerklontje zou passen en waar milieuschrobbers verontreinigingen rechtstreeks uit de lucht schrobben.
Promotie video:
Maar laten we, voordat we de mogelijkheden van nanotechnologie onderzoeken, eerst de basis bespreken.
Wat is "nanotechnologie"?
Nanotechnologie is wetenschap, techniek en technologie die wordt uitgevoerd op nanoschaal, die varieert van 1 tot 100 nanometer. In wezen manipuleren en manipuleren ze materialen op atomair en moleculair niveau.
Laten we ons voorstellen wat een nanometer is, zodat u het begrijpt:
- De verhouding van de aarde tot de kinderkubus is ongeveer de verhouding van een meter tot een nanometer.
- Dit is een miljoen keer minder dan de lengte van de mier.
- De dikte van een vel papier is ongeveer 100.000 nanometer.
- De diameter van de rode bloedcel is 7000-8000 nanometer.
- De diameter van de DNA-ketting is 2,5 nanometer.
Een nanobot is een machine die dingen nauwkeurig en op atomair niveau kan bouwen en manipuleren. Stel je een robot voor die atomen kan manipuleren, zoals een kind LEGO-stenen kan manipuleren en alles kan bouwen (C, N, H, O, P, Fe, Ni, etc.) van elementaire atomaire bouwstenen. Hoewel sommige mensen de toekomst van nanorobots als sciencefiction ontkennen, moet je begrijpen dat we allemaal vandaag de dag leven dankzij de talloze operaties van nanobots in onze triljoenen cellen. We geven ze biologische namen zoals "ribosomen", maar in de kern zijn het geprogrammeerde machines met een functie.
Het is ook de moeite waard om onderscheid te maken tussen 'natte' of 'biologische' nanotechnologie, die DNA en de machines van het leven gebruikt om unieke structuren te maken van eiwitten of DNA (als bouwstenen), en meer Drexler-nanotechnologie, waarbij een 'assembler' of machine wordt gebouwd. houdt zich bezig met 3D-printen met atomen op nanoschaal om efficiënt een thermodynamisch stabiele structuur te creëren.
Laten we eens kijken naar een paar soorten nanotechnologie waar onderzoekers mee worstelen.
Verschillende soorten nanobots en toepassingen
Over het algemeen zijn er veel nanorobots. Hier zijn er maar een paar.
- Kleinst mogelijke motoren. Een groep natuurkundigen van de Universiteit van Mainz in Duitsland heeft onlangs de kleinste motor met één atoom in de geschiedenis gebouwd. Net als alle andere zet deze motor thermische energie om in beweging - maar dat doet hij op de kleinste schaal. Het atoom zit gevangen in een kegel van elektromagnetische energie en wordt met behulp van lasers verwarmd en gekoeld, waardoor het atoom heen en weer beweegt in de kegel als een zuiger van een motor.
- 3D bewegende DNA-nanomachines. Mechanische ingenieurs van de Ohio State University ontwierpen en bouwden complexe mechanische onderdelen op nanoschaal met behulp van DNA-origami - wat bewijst dat dezelfde basisontwerpprincipes die van toepassing zijn op machines op ware grootte kunnen worden toegepast op DNA - en complexe kunnen produceren. gecontroleerde componenten voor toekomstige nanorobots.
- Nanovinnen. Wetenschappers van ETH Zürich en Technion hebben een elastische ‘nanovin’ ontwikkeld in de vorm van een polypyrrol (Ppy) nanodraad van 15 micrometer (miljoenste van een meter) lang en 200 nanometer dik die door een biologische vloeistof kan bewegen met een snelheid van 15 micrometer per seconde. Nanovinnen kunnen worden aangepast om medicijnen af te geven en kunnen magneten gebruiken om ze door de bloedbaan te leiden naar bijvoorbeeld kankercellen.
- Mier nanomotor. Wetenschappers van de Universiteit van Cambridge hebben een kleine motor ontwikkeld die in staat is om 100 keer zijn eigen gewicht op elke spier uit te oefenen. De nieuwe nanomotoren zouden kunnen leiden tot nanorobots die klein genoeg zijn om levende cellen binnen te dringen en ziektes te bestrijden, zeggen wetenschappers. Professor Jeremy Baumberg van Cavendish Laboratories, die de studie leidt, noemde het apparaat een 'mier'. Net als een echte mier kan hij een kracht uitoefenen die vele malen zijn eigen gewicht is.
- Micro-robots naar het soort sperma. Een team van wetenschappers van de Universiteit Twente (Nederland) en de Duitse Universiteit in Caïro (Egypte) hebben sperma-achtige micro-robots ontwikkeld die kunnen worden bestuurd door oscillerende zwakke magnetische velden. Ze zouden kunnen worden gebruikt voor geavanceerde micromanipulatie en gerichte therapeutische taken.
- Robots op basis van bacteriën. Ingenieurs van de Drexel University hebben een manier ontwikkeld om elektrische velden te gebruiken om microscopisch kleine robots, aangedreven door bacteriën, te helpen bij het detecteren en navigeren van obstakels. Toepassingen zijn onder meer medicijnafgifte, manipulatie van stamcellen om hun groei te sturen of microstructuurconstructie.
- Nano-raketten. Verschillende onderzoeksgroepen hebben onlangs een hogesnelheidsversie van op afstand bestuurbare raketten op nanoschaal gebouwd door nanodeeltjes te combineren met biologische moleculen. Wetenschappers hopen een raket te ontwikkelen die in elke omgeving kan werken; bijvoorbeeld om een medicijn af te leveren aan een doelgebied van het lichaam.
De belangrijkste toepassingsgebieden van nano- en micromachines
De toepassingsmogelijkheden van dergelijke nano- en micromachines zijn praktisch eindeloos. Bijvoorbeeld:
- Kankerbehandeling. Identificeer en vernietig kankercellen nauwkeuriger en efficiënter.
- Medicijnafgiftemechanisme. Bouw gerichte mechanismen voor medicijnafgifte voor ziektebestrijding en -preventie.
- Medische beeldvorming. De creatie van nanodeeltjes die zich in specifieke weefsels verzamelen en vervolgens het lichaam scannen tijdens magnetische resonantiebeeldvorming, kan problemen zoals diabetes aan het licht brengen.
- Nieuwe sensoren. Met vrijwel onbeperkte mogelijkheden om de sonderings- en scankarakteristieken van nanorobots af te stemmen, zouden we ons lichaam efficiënter kunnen ontdekken en de wereld om ons heen kunnen meten.
- Informatie-opslagapparaten. Een bio-ingenieur en geneticus aan de Harvard Wyss heeft met succes 5,5 petabits aan gegevens - ongeveer 700 terabyte - opgeslagen in één gram DNA, waarmee hij het vorige record voor DNA-gegevensdichtheid duizend keer heeft overtroffen.
- Nieuwe energiesystemen. Nanorobots kunnen een rol spelen bij het ontwikkelen van een efficiënter systeem voor het gebruik van hernieuwbare energiebronnen. Of ze zouden onze moderne machines energiezuiniger kunnen maken, zodat ze minder energie nodig hebben om met hetzelfde rendement te werken.
- Extra sterke metamaterialen. Er is veel onderzoek op het gebied van metamaterialen. Een groep van het California Institute of Technology heeft een nieuw type materiaal ontwikkeld dat bestaat uit nano-stutten die lijken op die van de Eiffeltoren, die een van de sterkste en lichtste in de geschiedenis is geworden.
- Slimme ramen en muren. Elektrochrome apparaten die dynamisch van kleur veranderen wanneer een potentiaal wordt toegepast, worden uitgebreid bestudeerd voor gebruik in energiezuinige slimme ramen - die de interne temperatuur van een kamer kunnen behouden, zelfreinigend zijn en meer.
- Microsponzen om de oceanen te reinigen. De koolstof nanobuis-spons, die waterverontreinigende stoffen zoals kunstmest, pesticiden en geneesmiddelen kan opzuigen, is drie keer effectiever dan eerdere opties.
- Replicators. Deze voorgestelde apparaten, ook wel moleculaire assembleurs genoemd, kunnen chemische reacties uitvoeren door reactieve moleculen met atomaire precisie te rangschikken.
- Gezondheidssensoren. Deze sensoren kunnen onze bloedchemie volgen, ons op de hoogte stellen van alles wat er gebeurt, schadelijk voedsel of ontstekingen in het lichaam detecteren, enzovoort.
- Onze hersenen verbinden met internet. Ray Kurzweil gelooft dat nanorobots ons in staat zullen stellen om ons biologische zenuwstelsel in 2030 met de cloud te verbinden.
Zoals u kunt zien, is dit nog maar het begin. De mogelijkheden zijn bijna eindeloos.
Nanotechnologie heeft het potentieel om enkele van de grootste uitdagingen waarmee de wereld momenteel wordt geconfronteerd, op te lossen. Ze kunnen de menselijke productiviteit verbeteren, ons voorzien van alle materialen, water, energie en voedsel die we nodig hebben, ons beschermen tegen onbekende bacteriën en virussen, en zelfs het aantal redenen verminderen om de wereld te ontwrichten.
Alsof dat nog niet genoeg is, is de markt voor nanotechnologie enorm. Tegen 2020 zal de wereldwijde nanotechnologie-industrie uitgroeien tot een markt van $ 75,8 miljard.
ILYA KHEL
