Nanotehnologia: “ingerii” microscopici ai viitorului

Intrusii binevoitori

„Nanotehnologie” este un termen colectiv pentru dezvoltarile tehnologice la scara nanometrica. In sens larg, nanotehnologia reprezinta orice tehnologie al carei rezultat finit e de ordin nanometric: particule fine, sinteza chimica, microlitografie avansata etc. Intr-un sens restrans, nanotehnologia este orice tehnologie care se bazeaza pe abilitatea de a construi structuri complexe respectand specificatii la nivel atomic si folosindu-se de sinteza mecanica. Structurile nanometrice nu numai ca sunt foarte mici, ajungandu-se chiar pana la scara atomica in proiectarea lor, dar ele poseda unele proprietati total deosebite si neasteptate, in comparatie cu trasaturile aceleiasi substante luata la nivel macroscopic.

• Sunt alimentele fermentate bune pentru intestine sau doar delicioase?
• Boomurile sonice ale rachetei Starship sunt atât de puternice încât ar putea deteriora structurile de la…

Medicii se confrunta adesea cu problematica executarii unor operatii complexe de micro-chirurgie pentre repararea vaselor de sange, pentru transplantarile de tesut sau pentru reatasarea membrelor sectionate. Intrucat astfel de proceduri sunt foarte complicate, chirurgia se dovedeste rareori solutia optima, avand un caracter prea invaziv si destule limitari. In curand insa, sistemul medical si mai ales cel chirurgical si-ar putea modifica stilul de abordare, capotand spre tehnologia nano, cea care va permite prestarea celor mai sinuoase sarcini medicale prin controlarea telecomandata a unor mecanisme robotice minuscule, capabile sa calatoreasca prin corpul omenesc, sa diagnosticheze afectiuni si sa le trateze.

La Universitatea Tonhuku din Japonia, inginerul Kazushi Ishiyama si grupul sau de cercetare au proiectat mici spirale rotative electronice, capacitate sa inoate prin fluidul celor mai subtiri vene organice. La nevoie, aceste dispozitive pot chiar penetra anumite tumori pentru a le suprima si pot livra substante medicale catre anumite tesuturi si organe. Gratie dimensiunilor reduse, nanobotii pot fi injectati in organism cu ajutorului unei seringi standard cu ac hipodermic, odata intrati in sistem reactionand impulsurilor exercitate cu ajutorul unui camp magnetic si al unei telecomenzi. Ishiyama considera ca aceste dispozitive si altele asemenea lor se vor dovedi extrem de eficiente din punct de vedere medical, mai ales in privinta indepartarii tumorilor cerebrale, foarte greu de operat pe cale clasica.

In loc sa se bazeze pe utilizarea unui camp magnetic pentru coordonarea miscarilor nanorobotilor, alti cercetatori creeaza dispozitive similare de diagnosticare si tratare a anumitor afectiuni, propulsate insa prin corp cu ajutorul unor motoare minuscule.

Microrobotii viitorului

Doctorul James Friend si echipa sa de ingineri mecanici din cadrul Universitatii Monash din Australia au construit deja un motor de tip acvatic de dimensiunea unui cristal de sare si conduc cercetari minutioase pentru obtinerea unei dimensiuni inferioare a acestuia, echivalenta cu grosimea firului de par uman. Principiul de functionare al motorului este inspirat din stilul de locomotie al bacteriei digestive Eschierichia coli (E coli), care foloseste mici tentacule pentru a inota prin organism. Astfel, motorul rotativ invarte mici proeminente terminale aflate intr-un capat al sau (asemenea unor cozi circulare) care, atunci cand se afla intr-un mediu fluid, ii croiesc drum prin acesta. Viteza motorului este de 100.000 de rotatii pe secunda.

Alti microroboti creati in zilele noastre sunt insa mai mult decat niste simple masinarii. Cateva institute de cercetare s-au implicat in realizarea unei confluente intre tesutul organic, viu, si componente anorganice, pentru a crea dispozitive hibride care sunt parte masinarii, parte organisme. Primele asemenea inventii au fost roboti microscopici care se asamblau singuri, alimentati de muschiul cardiac si creati de inginerii Universitatii din California, Los Angeles (UCLA).

Fiecare robot micronic este compus dintr-o punte de aur conectata la un invelis al muschiului cardiac crescut din celule de soareci, care, eliberate in corp, extrag glucoza din sange pentru a obtine energia necesara deplasarii. Pentru a testa robotii microscopici, cercetatorii i-au scufundat intr-o solutie de zahar si proteine care mima conditiile interne ale corpului. Pe masura ce impulsuri electrice au actionat asupra lor asemenea contractarii si relaxarii unui miorcard, microrobotul a putut fi observat avansand. Aceste entitati hibride au potentialul de a fi folosite in microchirurgie, de exemplu pentru indepartarea placilor arteriale. Tehnologia permite, de asemenea, crearea unor noi membre sau degete pentru cei carora acestea le-au fost amputate, permitand unor celule musculare tinere sa creasca deasupra oaselor artificiale montate corpului.

Totusi, cercetarile si progresul sunt inca in faza de pionierat in aceasta directie si presupun depasirea multor probleme. Robotii creati de oamenii de stiinta ai UCLA se pot deplasa unidirectional si sunt dificil de controlat. Ca atare, expertii cerceteaza in prezent posibilitatea intrebuintarii musculaturii scheletice in locul celei miocardice pentru miscarea libera a nanobotilor: muschiul cardiac se misca in ritmul propriu iar acest lucru limiteaza posibilitatile motrice ale dispozitivelor microscopice.

Folosirea electricitatii pentru stimularea musculaturii scheletice le-ar putea permite cercetatorilor sa activeze sau sa dezactiveze robotii dupa bunul plac si sa le extinda utilizarea cu ajutorul unor surse de putere prin mici implanturi sau prin minigeneratoare electreice de tipul celor care alimenteaza cip-urile computerelor.

In cazul Universitatii Monash din Australia, dispozitivele construite sunt prea mari pentru a li se putea permite sa se miste liber prin trupul uman, fiind pur si simplu prea lungi pentru a naviga in siguranta prin unele dintre cele mai stramte cotituri ale vaselor sangvine, existand riscul sa le obtureze. Potrivit doctorului Friend, viitoarele realizari pe taramul nanotehnologiei ar putea fi conditionate de o colaborare sporita intre diferitele discipline, precum ingineria si medicina. „Consider ca pe masura ce timpul trece, cercetatorii vor ajunge sa inteleaga ca sfera cunoasterii unui singur camp de cercetare este insuficienta pentru intelegerea completa a imaginii complexului fenomen la scara nano, si cu siguranta pe cea a oricarui sistem mai cuprinzator care ar putea folosi nanotehnologia”, sustine el.

Microcosmosul cucereste macrocosmosul

Atunci cand se pune problema urmatorului „salt gigantic” in explorarea spatiului, NASA gandeste la scara mica, chiar foarte mica. In laboratoarele sale, NASA sustine intensiv stiinta infloritoare a nanotehnologiei. Ideea principala a acestei activitati este invatarea gestionarii materiei la scara atomica – capacitatea de a controla atomi individuali si molecule in vederea proiectarii unor masinarii de dimensiuni moleculare, a aparaturii electronice avansate si a materialelor „inteligente”. Daca vizionarii au dreptate, nanotehnologia ar putea conduce la roboti care sa incapa intre cutele amprentelor unui deget, la materiale autoregeneratoare, lifturi spatiale si alte dispozitive uimitoare. Unele dintre aceste lucruri ar putea presupune multi ani pentru a fi realizate, in timp ce altele prind contur in laboratoare chiar astazi.

Simpla realizare la scara redusa a lucrurilor are in sine avantajele sale. Cum ar fi fost, de exemplu, ca roverele martiene Spirit si Opportunity sa aiba dimensiunile unei insecte si sa poata scormoni printre pietre si nisip asemenea unui gandac, colectand mostre de minerale si cautand indicii ale prezentei apei pe Marte? Sute sau mii de asemenea roboti diminutivizati ar fi putut fi trimisi in aceleasi capsule care au transportat cele doua vehicule mari cat doua birouri, ce le-ar fi permis cercetatorilor sa exploreze mult mai mult din suprafata planetei si le-ar fi accentuat sansele intalnirii vreunei bacterii martiene fosilizate. Insa nanotehnologia inseamna mai mult decat micsorarea lucrurilor. Atunci cand oamenii de stiinta pot sa ordonoeze si sa structureze dupa voie materia la nivel molecular, proprietati uimitoare apar uneori. Un exemplu excelent este nanotubul de carbon. Carbonul exista in stare naturala sub forma de grafit – materialul delicat si negru folosit adesea ca mina pentru creioane si sub forma de diamant. Singura diferenta intre cele doua stari este dispunerea atomilor de carbon. Atunci cand cercetatorii aranjeaza aceiasi atomi de carbon in forma tiparului de fagure si il ruleaza in tuburi minuscule de numai zece atomi, nanotuburile rezultate capata trasaturi extraordinare:

• au de 100 de ori rezistenta la intindere a otelului, dar numai o sesime din greutate
• sunt de 40 de ori mai puternice decat fibrele de grafit
• au o conductivitate mai mare decat cea a cuprului
• pot fi atat conductori cat si semiconductori,in functie de dispunerea atomilor
• sunt excelenti conductori termici

O buna parte din cercetarile nanotehnologice din toata lumea se concentreaza pe aceste nanotuburi. Oamenii de stiinta au propus utilizarea lor intr-o gama foarte larga de aplicatii, de la utilizarea lor ca fire moleculare pentru aparatura electronica nano, pana la puterea mare si greutatea scazuta a cablurilor necesare unui lift spatial. Cercetatorii incearca sa obtina de la nanomateriale posibilitatea folosirii lor in sustinerea avansata a vietii, in realizarea unor super-computere si a unor senzori minisculi pentru substantele chimice. Senzorii miniaturali pot detecta pana la cateva parti dintr-un milion ale unor substante chimice, precum gazele toxice, facandu-i folositori atat in explorarea spatiului cat si in chestiuni de siguranta nationala.

Viitorul este nano!

Daca aceste utilizari pe termen scurt ale nanotehnologiei par impresionante, posibilitatile pe termen lung sunt de-a dreptul naucitoare. Institutul pentru Concepte Avansate (ICA) din cadrul NASA a fost special creat pentru a promova cercetarea vizionara in domeniul tehnologiilor spatiale care vor necesita intre 10 si 40 de ani ca sa fie fructificate. Spre exemplu, ICA a fondat un studiu de fezabilitate asupra manufacturii la nanoscara – altfel spus, folosirea unui numar mare de masinarii microscopice moleculare care sa produca orice obiect prin asamblarea acestuia atom cu atom. O asemenea”nanofabrica” ar putea produce, de exempleu, componente de aeronava cosmica cu precizie atomica, fiecare atom din cadrul fiecarui obiect fiind amplasat acolo unde ii este locul. Componenta rezultata ar fi extrem de dura, iar forma sa s-ar abate de la design-ul ideal cu numai o grosime de atom. Suprafetele ultra-fine n-ar necesita lustruire sau lubrifiere si n-ar suferi, virtual, nicio pata sau zgarietura in timp. Asemenea precizie si sustenabilitate ridicate ale componentelor aeronavelor sunt mai mult decat un moft atunci cand vietile astronautilor sunt in joc.

Totusi, inspirandu-se din biologie, Constantinos Mavroidis, director al Laboratorului de Bionanorobotica Computerizata din cadrul Universitatii Nord-Estice din Boston, exploreaza o alternativa a abordarii nanotehnologiei: in loc sa inceapa de la zero, conceptele lui Mavroidis angajeaza „masinarii” functionale molecular, pre-existente, care pot fi gasite in celulele vii: molecule de ADN, proteine, enzime, etc.

Formate de evolutie in milioane de ani, aceste molecule biologice sunt deja foarte adaptate la manipularea materiei la scara moleculara, motiv pentru care o planta poate combina aerul, apa si pamantul pentru a produce capsune rosii si suculente iar corpul uman poate converti cina de aseara in noile celule rosii de azi. Rearanjarea atomilor, care face aceste lucruri posibile, este performata de sute de proteine si enzime specializate, iar ADN-ului stocheaza codul producerii lor.

Folosirea acestor masinarii moleculare „pre-construite” sau folosirea lor ca puncte de pornire pentru noi design-uri reprezinta o abordare populara a nanotehnologiei, denumita „bio-nanotehnologie”. „De ce sa reinventam roata? Natura ne-a oferit toata acesta minunata si rafinata nanotehnologie in interiorul organismelor vii, deci de ce nu ne-am folosi de ea si nu am incerca sa invatam din ea?”, mai adauga Mavroidis.

Utilizarile specifice ale bio-nanotehnologiei, pe care Mavroidis le propune in studiul sau, sunt foarte futuriste. O idee face referire la obtinerea unui soi de „panza de paianjen”, din tuburi de grosimea firului de par, asamblate cu senzori bio-nanotehnologici pe parcursul a mii de kilometri de teren, intr-o metoda de cartografiere detaliata a mediului unor planete straine. Un alt concept propus este „o a doua piele” pe care astronautii sa o poarte pe sub costumele spatiale, care ar folosi bio-nanotehnologia pentru a simti si a raspunde radiatiei ce penetreaza costumul, sigiland rapid orice zgarieturi sau brese.

Futurist? Cu siguranta? Posibil? Poate. Mavroidis admite ca asemenea tehnologii se afla, cel mai probabil, la distante de zeci de ani, si ca tehnologia viitorului indepartat va diferi mult de cea pe care ne-o imaginam in prezent. Totusi, el considera ca este important sa incepem sa ne gandim de pe acum la ce ar putea face posibil nanotehnologia peste multi ani de acum inainte.

CITESTE SI:

• Nanotehnologia VS Dumnezeu
  
• Omul care va trai 1000 de ani se afla deja printre noi
  
• Oamenii vor deveni cyborgi in 20 de ani