Kanapka z kawiorem

Nanotechnologia jest – mówiąc najprościej – zestawem technik umożliwiających tworzenie rozmaitych struktur i manipulację nimi z precyzją sięgającą pojedynczych cząsteczek i atomów. Od lat 70-tych XX wieku nauka osiągnęła bardzo dużo: potrafimy między innymi tworzyć „nanorurki”, „druty kwantowe”, czy tworzywa sztuczne o niespotykanych właściwościach. Kiedy w 1990 roku naukowcom udało się ułożyć napis „IBM” z 35 pojedynczych atomów – wydawało się, że rzeczywistość rodem z filmu Star Trek, jest na wyciągnięcie ręki. Amerykański sukces pozwolił nam wierzyć, że już niedługo będziemy w stanie „robić coś z niczego”. Skoro bowiem udało się ułożyć napis, to czy nie da się tą samą metodą stworzyć na przykład kanaki z kawiorem?

Ten nieco przerysowany przykład pokazuje, jaką przyszłość przewidzieli dla nanotechnologii liczni futurolodzy. Syntetyzowanie przedmiotów „z powietrza” oraz masowa produkcja specjalizowanych robotów w rozmiarze nano miała stać się codziennością. Tymczasem – chociaż potrafimy już wiele – rzeczywistość poszła w nieco innym kierunku, a poza tym – postęp w tej dziedzinie dokonuje się nieco wolniej, niż przewidywano jeszcze 20 lat temu.

Rzeźbiarstwo w skali nano

Niedawno naukowcy z Katalońskiego Instytutu Nanotechnologii w Belaterrra w Hiszpanii dokonali czegoś, co inni próbowali osiągnąć, ale dotychczas nikomu się nie udało. Cały proces można obrazowo nazwać „drążeniem” lub „wytrawianiem” nanocząsteczek. W praktyce wreszcie udało się chemicznie „wyrzeźbić” w nich niemal dowolne kształty.

Sześcienne nanocząstki srebra zostały poddane procesowi galwanizacji. Kationy złota w temperaturze pokojowej zaatakowały srebro powodując „ucieczkę” elektronów – co w efekcie spowodowało jego „drążenie”. Jednocześnie złoto „otrzymujące” w ten sposób elektrony zostało przekształcone w metaliczną, złotą powłokę pokrywającą wierzch srebrnego sześcianu.

W miarę tworzenia się powłoki proces „drążenia” przybierał na sile w miejscach jeszcze nieosłoniętych. „Ostatecznie sześcian srebra zostaje całkowicie pokryty złotem, za wyjątkiem drobnej szczeliny. W tym miejscu reakcja zdecydowanie przyspiesza i kieruje się do wnętrza sześcianu” – mówi profesor Victor Puntes, szef badań, dziennikarzowi BBC.

Skierowanie reakcji do wnętrza cząsteczki automatycznie wyzwala tak zwany „efekt Kirkendalla”. Zjawisko to odkryte zostało 1947 roku i zostało wówczas dość chłodno przyjęte przez świat naukowy – głównie dlatego, że burzyło większość znanych i dobrze zakorzenionych teorii na temat dyfuzji. „Efekt Kirkendalla” – w uproszczeniu – udowadnia, że współczynnik dyfuzji stopów nie jest prostą wypadkową współczynników dyfuzji poszczególnych jego składników. Konkluzja? Zgodnie z teorią Ernesta Kirkendalla (który zresztą był metalurgiem) dyfuzją stopów metali powinno dać się sterować.

I właśnie ten mechanizm wykorzystali naukowcy z Katalońskiego Instytutu Nanotechnologii. Nauczyli się bowiem sterować na poziomie nanometrycznym przebiegiem zainicjowanego w nanocząstkach srebra „efektu Kirkendalla”. Dzięki temu możliwe stało się właśnie „wytrawienie” w nich praktycznie dowolnego kształtu.

Jak podkreśla profesor Puntes – podobne próby czynione były od lat, jednak dotąd efekt galwaniczny okazywał się zbyt „agresywny”. Teraz udało się znaleźć recepturę, dzięki której wreszcie możliwe stało się wprowadzenie tego procesu w kontrolowanym środowisku, na skalę przemysłową.

Medycyna precyzyjna

Osiągnięcie katalońskich badaczy otwiera zupełnie nowe drogi w medycynie. Świat naukowy jest podekscytowany opublikowanymi w magazynie Science wynikami eksperymentów.

Tworząc w nanocząsteczkach struktury o różnym rozmiarze i kształcie można będzie na przykład przystosować je do bardzo precyzyjnego wychwytywania fal energetycznych o różnej długości. W ten sposób możliwe stanie się między innymi stworzenie bardzo efektywnych i precyzyjnych skanerów ciała – znacznie skuteczniejszych, niż stosowane współcześnie urządzenia oparte na rezonansie magnetycznym.

„Rzeźbienie” w nanocząsteczkach daje również szanse na opracowanie nowoczesnych sposobów dostarczania leków bezpośrednio do poszczególnych komórek. To kierunek rozwoju nanotechnologii, na którym skupiają się między innymi naukowcy i lekarze poszukujący skutecznego sposobu na leczenie nowotworów.

Badacze z Katalonii nie wykluczają również, że dzięki efektom ich badań możliwa będzie na przykład produkcja części dla nanorobotów z futurologicznych wizji, można również będzie wprowadzić w życie całkiem nowe sposoby na walkę z zanieczyszczeniami środowiska.

Samo osiągnięcie jest na tyle uniwersalne, że profesor Victor Puntes nie kryje entuzjazmu – chociaż badania są jeszcze na bardzo wczesnym etapie i wspomniane powyżej zastosowania pozostają póki co w sferze (realnych wprawdzie, ale jednak) hipotez.

„Kiedy wynaleziono plastik, ludzie jeszcze nie wiedzieli, co z nim zrobić. Świadomość istnienia elektryczności mieliśmy już ponad tysiąc lat przed tym, zanim nauczyliśmy się w sensowny sposób ją wykorzystywać.” – mówi profesor – ”My możemy wytworzyć wiele różnych materiałów, a więc i zastosowań będzie prawdopodobnie bez liku”.

oprac. Adam Czajczyk

źródła: BBC News, ICN, Wikipedia, foto: ICN