Невероятните възможности на нанотехнологиите

Трудно е да си представим близкото и по-далечното бъдеще без присъствието на нанотехнологиите. Създаването на материали и технологии, манипулирани на молекулно и дори на атомно ниво, гарантира на науката сериозни открития занапред и обещава невероятни възможности. Такива, които днес само гледаме на големия екран и наричаме научна фантастика.

Надяваме се, че сте запознати с термина „нанотехнология“ и сте чели многократно за постиженията днес и за евентуалните им приложения утре. Вероятно ще признаете, че много от тези „невидими“ технологии са изключително интересни – затова ви предлагаме още няколко доста нестандартни постижения, които вече са демонстрирани, но следвайки пътя си на развитие, ще доведат до коренна промяна в начина ни на живот, може би в съвсем различни области от тези, в които са демонстрирани. По-важен е принципът, нали?

Нанокино?

Спокойно. Няма да се налага да слагате очила - електронен микроскоп, за да гледате видео. Тук става дума за едно много куриозно постижение отпреди 2 години, демонстриращо докъде са се развили възможностите на учените за броени десетилетия.

В центъра на събитието е електронният микроскоп и по-точно – сканиращият електронен микроскоп, изобретен в началото на 80-те години на миналия век. Без него днешните нанотехнологии може би изобщо нямаше да са това, което виждаме. С наистина атомна прецизност STM (Scanning Tunneling Microscope) позволява на учените да изучават структурата на материята по начин, далеч извън възможностите на традиционните микроскопи.

Удивителният потенциал на STM е демонстриран (както казахме - преди две години) от изследователи от лабораториите на IBM, които тогава показаха забавно „анимационно“ филмче, наречено „Момче и неговият атом“ (A Boy and His Atom), който счупи всички рекорди за миниатюрност по отношение на анимацията. Както се досещате, „анимацията“ е направена чрез разместване и последователно заснемане на истински отделни атоми, разположени върху медна подложка.

90-секундният филм изобразява момче, съставено от молекули на въглероден окис, играещо си с топка, танцуващо и скачащо на батут. Анимацията е с дължина 202 кадъра, а действието се развива на площ 1000 пъти по-малка от дебелината на човешки косъм! За да направят филма, изследователите използват уникална възможност на STM – електрически зареден и екстремално остър връх на манипулатор с дебелина… един атом! Прецизният манипулатор може да „усеща“ точните позиции на въглеродните молекули върху повърхността (меден лист). Тази способност е използвана, за да се създават директни изображения чрез преподреждане на молекулите (и съставящите ги атоми) в различни конфигурации.

Добиване на нефт

Добивът на черно злато нараства с експоненциална скорост в последните десетилетия. Няма да се впускаме в икономически и политически обяснения по темата, но за учените и специалистите отдавна е ясно, че ефективността в традиционния процес по добив на нефт е доста ниска. Когато петролните компании затварят рафинерия, повече от половината нефт в находището обикновено си остава неизваден. Нефтът остава в капана на скалите, откъдето е прекалено скъпо да бъде изваден. Китайски учени обаче са на път да направят пробив в тази област.

Решението в случая е да се усъвършенстват технологиите за отделяне на нефта от недрата на земята. Оригиналната техника за такова отделяне е печално познатият „фракинг“ или добивът на шистов газ. При него в земята се инжектира под високо налягане вода, която извлича нефта нагоре. Този метод обаче има много ограничения, които се проявяват в момента, в който нефтът в леснодостъпните зони вече е извлечен и отново започва да излиза само вода (нефтът в по-дребните „жилки“ остава недостъпен).

За да се преборят с това, китайските учени инжектират в земята вода, съдържаща наночастици, които могат да запушват подземните проходи така, че да накарат нефта да поеме нагоре по най-краткия път и да не се „разсейва“ и просмуква излишно. Успешните изследвания на новата технология, подпомогната от наночастиците, са доказали допълнителна ефективност, при която 50% от недостъпния нефт може да бъде извлечен.

Нанопикселни дисплеи

Изображенията на компютърния екран са съставени от малки точки – пиксели. Независимо от техния размер и форма броят на пикселите на всеки екран е строго ограничен и си остава определящ фактор за качеството на образа.

Докато повечето компании се надпреварват да създават все по-огромни екрани за клиентите си, учени от Оксфорд са открили начин да създават пиксели с размери от порядъка на нанометри. Това е постигнато чрез използване на възможностите на материали, способни на преходи във фазовото състояние (GST - материал, използван в продукти за термична обработка). По време на експеримента учените използват слоеве от GST с дебелина 7 нанометра, разположени като сандвич, между чиито „филии“ има прозрачни електроди. Всеки слой е с големина 300 х 300 нанометра и може да играе ролята на пиксел – да се пуска и гаси с пропускане на електричество. Подреждането на голям брой такива пиксели и контролирането им води до създаването на изображения, но с уникално дребен размер.

Нанопикселите могат да служат на хората в най-различни случаи, където стандартните пиксели не са подходящи (и са твърде големи). Дребният им размер ще ги направи отличен избор за употреба в новия тип електроника, като „умни очила“, гъвкави екрани и дори изкуствена човешка ретина. Друго предимство на нанопикселните дисплеи е техният минимален разход на енергия. За разлика от днешните дисплеи, които опресняват целия екран кадър по кадър, за да сменят изображенията, нанодисплеите могат да опресняват само онези пиксели от кадъра, които се променят с течение на времето (видеото) и по този начин пестят много енергия.

Сензори с променящ се цвят

Докато експериментират с нишки от златни наночастици, учени от Университета в Калифорния наблюдават удивителен ефект. Те забелязват, че цветът на златото се променя, когато редицата от наночастици се разтяга или свива. Получава се красив ефект, който те описват като „красиво яркосиньо, което прелива към пурпурно, после към червено". Това откритие вдъхновява екипа да започне проучване за създаване на сензори, натъпкани със златни наночастици, които променят цвета си при натиск върху тях.

За да създадат сензорите, златните наночастици трябва да са поставени върху гъвкав полимерен филм. Когато той бъде натиснат, се разтяга и принуждава наночастиците да се разтягат и да променят цвета си. Лекото натискане оцветява сензора във виолетово, докато по-силният натиск го превръща в червен. Оказало се, че среброто също предлага подобен красив ефект, като неговите наночастици се оцветяват в жълто при разтягане.

Такива сензори могат да получат най-различни приложения. Например могат да бъдат вградени в домашни мебели като дивани и легла, да се вграждат в контролни уреди и др. Въпреки че са изградени от злато или сребро, сензорите са толкова тънки, че едва ли цената им ще бъде висока.

Зареждане на батерии

Независимо дали имате iPhone, Android или друг смартфон, то общото между всички тях е една слабост – батерията. Всеки смартфон лапа ток като змей и честото зареждане е неминуемо. С този проблем се опитват да се преборят хиляди учени през годините, но екипът от град Рамат Ган в Израел подхожда към проблема по различен начин. Вместо да се стараят да създават много издръжлива батерия с голям капацитет, те работят над метод за светкавично зареждане на стандартни батерии.

Пробивът, който учените демонстрират, води началото си от нещо съвсем различно – проект, свързан с болестта на Алцхаймер, над който работят техни колеги от Университета в Тел Авив. Последните откриват, че пептидните молекули, които свързват невроните в мозъка и причиняват тази болест, имат много високо капацитивно съпротивление (способност да запазват електрическите заряди). Откритието е споделено с фондацията StoreDot, работеща в областта на нанотехнологиите и създаваща продукти за крайните потребители. С помощта на учените тази компания разработва NanoDots – технология, обуздаваща възможностите на тези пептиди (белтъци) с цел подобряване живота на батериите на устройствата. Компанията демонстрира прототип на такава батерия по време на събитието на Microsoft – ThinkNext. По време на презентацията е използван стандартен телефон Samsung Galaxy S3, чиято батерия е заредена от нула до 100 процента за по-малко от минута.

Усъвършенствана доставка на лекарства

Лечението на болести като рак често пъти е много скъпо, а за жалост се провежда и твърде късно. Затова множество фармацевтични компании по света провеждат изследвания за евтини и ефективни начини за лекуване на тежки болести. Измежду тях е и компанията Immusoft, която твърди, че скоро ще направи революция по отношение на начина, по който лекарствата се доставят в човешкото тяло.

Вместо да харчат милиарди долари за лекарства и програми за терапия, Immusoft вярва, че може да накара човешкото тяло само да произвежда лекарствата си. С помощта на имунната система клетките на пациента могат да бъда повлияни така, че да получат нова генетична информация, която от своя страна да позволи на самите клетки да произвеждат свое собствено лекарство. Генетичната информация може да бъде доставяна чрез капсули с наноразмери, инжектирани в тялото.

Няма да коментирам дали това решение е чудовищно или ангелско дело, но поне за момента методът не е тестван върху хора. Въпреки това компанията докладва за успешни опити, извършени над мишки. А ако се докаже, че подобен тип терапия е ефективен и при хора, то новата технология може значително да намали разходите за лечение и терапия, и то не само при онкологичните заболявания, но и при сърдечните и много други.

Комуникации с молекули

Има много случаи, при които електромагнитните вълни, които са душата на днешните комуникации, се оказват безполезни. Помислете само за електромагнитния импулс (EMP), на който понякога са подложени комуникационните спътници? Всички сме запознати с подобен сценарий от апокалиптичните филми на големия екран. Какво можем да направим?

Канадски и английски учени са наблюдавали в последните години как някои животински видове, по-специално насекоми, използват химични вещества – феромони, за да комуникират помежду си на разстояние. След множество проучвания екипите успели да създадат нов комуникационен метод, при който съобщенията са кодирани в молекулите на изпаряващ се алкохол. Чрез тази техника (химично кодиране на съобщения) е предадено и първото такова съобщение, гласящо „О Канада“.

В процеса са включени две устройства – енкодиращ трансмитер и получаващ декодер. Написвате съобщението на трансмитера с помощта на Arduino Uno (микроконтролер с отворен код, който има LCD екран и бутони), а той конвертира посланието в двоична последователност, прочитана лесно от „електронен нос“. Алкохолът във въздуха служи за преносна среда на енкодираната двоична информация, която след това е показвана директно на екрана.

Екипът е успял да предаде съобщението на разстояние от няколко метра по този начин. След което научната общественост приветства откритието, което може успешно да бъде прилагано там, където електромагнитните вълни са безполезни. Като например подземни лабиринти от тунели и тръби.

Компютърна памет

През последните десетилетия всички знаем с какви темпове се увеличи паметта на компютрите. Този феномен дори е прецизно предсказан от Джеймс Мур преди 50 години и носи неговото име – Закон на Мур, според който мощта на процесорите се удвоява на всеки 24 месеца. Въпреки че той все още е валиден, много учени смятат, че той вече се пропуква и вина за това носят не самите чипове, а по-скоро недостатъчният обем памет, с който са принудени да работят.

Екип изследователи от университета RMIT в Мелбърн, Австралия, работи над създаването на алтернативни типове памет. Учените са на път да създадат работещи устройства, които копират начина на запазване на информация, по който работи човешкият мозък. Първата стъпка, която е постигната, е да се създаде нанофилм, който е химически проектиран така, че да запазва електрическите заряди в позиции вкл./изкл. (или фундаменталното за паметите ON/OFF). Филмът, който е 10 000 пъти по-тънък от човешки косъм, може да се превърне в крайъгълен камък по пътя към създаването на памети, които имитират мрежите от неврони в мозъка. Само си представете милиони слоеве от такива запомнящи „клетки“ в сравнение с днешните „плоски“ чипове?

Наноизкуство

Обещаващите възможности на нанотехнологиите се простират дори по-далеч от нуждите и мечтите на учените. Днес те не са само достояние на медицината, биологията или инженерните науки. Наноизкуството е също на път да изникне като жива гъба, красива, нова и… микроскопична.

Както самото име подсказва, наноизкуството е комбинация от изкуство и наноинженерство, практикувано от ограничен брой учени и художници. Сред тях е Джон Харт – механоинженер от Университета в Мичиган, който е създал нанопортрет на… президента Барак Обама. Портретът, носещ славното име „Нанобама“, е създаден в чест на президента още когато е бил кандидат за поста през 2008 година. Размерите на портрета са с дължина от половин милиметър всяка, като за създаването са използвани масиви от по 150 нанотръбички. За създаването на портрета  Харт отначало създава линейна рисунка от известен постер на бъдещия американски президент. След това я отпечатва върху стъклена подложка, покрита с наночастици, които се използват, за да израснат от тях самите нанотръбички. Поставени в специална високотемпературна пещ, е било само въпрос на време от тях да изникне портретът на първия чернокож президент на САЩ.