- TΟ ΓΙΓΑΝΤΙΟ ΒΗΜΑ ΤΗΣ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

Η Νανοτεχνολογία (ΝΤ) είναι είναι σχετικά νέος κλάδος της επιστήμης των υλικών, που έχει σαν στόχο, παρεμβαίνοντας στη δομή της ύλης σε ατομικό επίπεδο, να δημιουργήσει υλικά με πρωτόγνωρες, «μαγικές» θα λέγαμε ιδιότητες.

Η ονομασία ΝΤ προέρχεται από τη διάσταση του νανόμετρου (δισεκατομμυριοστό του μέτρου), στην περιοχή του οποίου (ουσιαστικά από1 έως 100 nm) μετρώνται οι μοριακές δομές στις οποίες επεμβαίνει η ΝΤ, στην ίδια περιοχή που τα περίεργα κβαντικά φαινόμενα της ύλης γίνονται ήδη αισθητά.

Δεν είναι βέβαια σύμπτωση, ότι η δυνατότητα να δούμε τις διατάξεις των ατόμων στη νανοκλίμακα έχει επιτευχθεί πρίν από λίγες δεκαετίες, με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων.

Αντίθετα, με τα οπτικά μικροσκόπια είναι αδύνατον να δούμε δομές με διαστάσεις κάτω από το μήκος κύματος του φωτός, δηλαδή περίπου 500 nm.

Συγκριση μεγεθών από το άτομο, μέχρι τον κόκκο της άμμου.

Ένας άλλος στόχος της ΝΤ είναι η κατασκευή μηχανισμών σε μικροσκοπικό επίπεδο, έτσι ώστε ρομποτικοί μηχανισμοί συγκρίσιμοι σε μέγεθος με τα ανθρώπινα κύτταρα, να μπορούν να εισχωρήσουν σε όλα τα σημεία του ανθρώπινου σώματος, για επιλεκτικές «επισκευές».

Τελικά, η ΝΤ μοιάζει να έχει εφαρμογές σε όλα τα πεδία της επιστήμης, αλλά από την άλλη πλευρά δημιουργεί, όπως και κάθε νέα τεχνολογία, την υποχρέωση για τον αυτοπεριορισμό και τον έλεγχό της, ώστε να μην εξελιχθεί σε κίνδυνο για τους ανθρώπους και το περιβάλλον.

Ήδη έχουν κυκλοφορήσει κινηματογραφικές ταινίες με απαισιόδοξα σενάρια για τη χρήση της ΝΤ, αλλά βέβαια το ίδιο έχει γίνει για βιολογικά υλικά, εισβολείς από το διάστημα και ζόμπι!

Στη νανοκλίμακα, όπως προαναφέρθηκε ισχύουν τα κβαντικά φαινόμενα, που πολλές φορές αντιβαίνουν στις αισθήσεις, την εμπειρία και την κοινή λογική μας, όπως το να βαδίσεις μέσα από έναν τοίχο και να βρεθείς στην άλλη πλευρά, κάτι όμως που τηρουμένων των αναλογιών πράγματι συμβαίνει στη νανοκλίμακα.

Πάντως, η ΝΤ έχει χρησιμοποιηθεί για τη σμίκρυνση των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων μέσα από τη δημιουργία των ημιαγωγών (διόδων, τρανζίστορ κλπ) ήδη από τη δεκαετία του ’50, αν και τότε η ΝΤ σαν όρος, δεν υπήρχε ακόμα.

Από τον Μεσαίωνα οι τεχνίτες του γυαλιού χρησιμοποιούσαν τη νανοτεχνολογία, χωρίς φυσικά να το γνωρίζουν. Οι προσμίξεις που δίνουν τις διαφορετικές αποχρώσεις στο γυαλί των βιτρώ, δρούν στη νανοκλίμακα.

            Ένα παράδειγμα "βιομιμητικής τεχνολογίας" από τη φύση είναι τα πόδια της σαύρας geko. Η σαύρα αυτή, μπορεί να σκαρφαλώνει με άνεση σε κατακόρυφες τελείως λείες επιφάνειες χωρίς τη χρήση κάποιας κολλώδους ουσίας, χρησιμοποιώντας τα  εκατομμύρια λεπτότατα τριχίδια στα πέλματά της. Εξαιτίας της μικρότατης διαμέτρου τους (1000 φορές λεπτότερα από την ανθρώπινη τρίχα), κατορθώνουν να πλησιάζουν σε ατομικό επίπεδο τα μόρια της επιφάνειας πάνω στην οποία κινείται το geko, ώστε να αξιοποιήσουν τις ελκτικές δυνάμεις van der Waals που αναπτύσσονται σε μοριακό επίπεδο. Σήμερα η νανοτεχνολογία έχει αντιγράψει το σύστημα αυτό, κατορθώνοντας να κατασκευάσει ταινία (geckskin) με τριχίδια διαμέτρου μερικών ατόμων, ώστε να πετύχει πολλαπλάσια πρόσφυση από το ίδιο το geko, χωρίς να αφήνει κανένα ίχνος στην επιφάνεια που προσκολλήθηκε, μετά την απομάκρυνσή του.

Ένα παράδειγμα από τη φύση για το πώς η διάταξη των ατόμων επηρεάζει τις ιδιότητες των υλικών, είναι ο γραφίτης και το διαμάντι. Και τα δύο αποτελούνται από άνθρακα.

Αλλά ενώ ο γραφίτης είναι μαλακός, καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και αδιαφανής, το διαμάντι είναι εξαιρετικά σκληρό, κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και συνήθως διαφανές.

Και όμως αυτές οι τόσο μεγάλες διαφορές, οφείλονται στη διαφορετική διάταξη των ατόμων και μόνο, στα υλικά αυτά.

Μία κατηγορία νανοϋλικών που προκαλεί έκπληξη με τις ιδιότητές της, παρότι ακόμα βρίσκεται σε ανάπτυξη, είναι οι νανοσωλήνες (nanotubes). 

Πώς δημιουργούνται οι νανοσωλήνες. Ανάλογα με τη φορά που διπλώνεται ένα μονοατομικό «φύλλο» από άτομα άνθρακα σε εξαγωνική σύνδεση, παίρνουμε σωληνίσκους με πολύ διαφορετικές φυσικές ιδιότητες. Με νανοσωλήνες μπορούμε να κατασκευάσουμε σύρμα που είναι εκατοντάδες φορές ανθεκτικότερο από ατσάλι και παράλληλα πολλές φορές ελαφρύτερο απ’ αυτό.

H αρχή λειτουργίας του «διαστημικού ανελκυστήρα». Ένα αντίβαρο (ή δορυφόρος) τοποθετείται λίγο ψηλότερα από τη γεωσύγχρονη τροχιά, δηλαδή αυτή των δορυφόρων τηλεπικοινωνιών που μένουν ακίνητοι ως προς τη Γη, και συνδέεται με τη Γη με ένα πολύ ανθεκτικό «σύρμα», έτσι ώστε ένας θαλαμίσκος να μπορεί να το χρησιμοποιήσει για να ανεβάζει υλικά στο διάστημα, πολύ πιο οικονομικά από μία εκτόξευση πυραύλου. Δεδομένου ότι η γεωσύγχρονη τροχιά βρίσκεται 35.000 km πάνω από την επιφάνεια της Γης, μόνο με ένα «σύρμα» κατασκευασμένο από νανοσωλήνες θα μπορούσε να αντιμετωπιστεί το τεράστιο βάρος που συνεπάγεται το μήκος αυτό.

Μικρογραφία (μάλλον νανογραφία!) ενός μειωτήρα κατασκευασμένου από 15.000 συνολικά άτομα. Τέτοιες κατασκευές είναι σήμερα εφικτές, ώστε να χρησιμοποιηθούν (μελλοντικά) σε νανομηχανισμούς όπως ο παρακάτω, για την κατασκευή νανορομπότ για απόλυτα στοχευμένες επεμβάσεις σε κυτταρικό επίπεδο, στο ανθρώπινο σώμα.

Νανορομπότ χειρίζεται λευκό αιμοσφαίριο (καλλιτεχνική απεικόνιση, δεν έχει κατασκευαστεί ακόμα). Ίσως όμως κάποτε τα καρκινικά κύτταρα θα μπορούν να εντοπίζονται και να καταστρέφονται ένα- ένα, με αυτόν τον τρόπο.

Νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν επίσης σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, συρρικνώνοντας ακόμα περισσότερο το μέγεθός τους, και δίνοντάς ευκαμψία σε οθόνες, φωτοβολταϊκά στοιχεία κλπ.

Παρακάτω και ενδεικτικά, μερικές σημερινές χρήσεις της ΝΤ:

-Αντιηλιακά. Τα αντιηλιακά περιέχουν σωματίδια οξειδίων του τιτανίου ή ψευδαργύρου. Στα παλαιότερα αντιηλικά τα σωματίδια αυτά ήταν αρκετά μεγάλα και έδιναν μια γαλακτερη απόχρωση στο υγρό. Σήμερα τα σωματίδια αυτά είναι τόσο μικρά, που δεν χρωματίζουν το αντιηλιακό.

-Αυτοκαθαριζόμενο γυαλί. Το γυαλί επικαλύπεται με νανοσωματίδια, που με τη βοήθεια της υπεριώδους ακτινοβολίας χαλαρώνουν τη βρωμιά, ενώ άλλα σωματίδια το κάνουν υδρόφιλο, ιδιότητα που βοηθάει στη απομάκρυνση της βρωμιάς όταν ξεπλυθεί με  νερό (κάτω εικόνα). 

-Ρουχισμός που δεν λεκιάζει. Νανοσωματίδια στα ρούχα απωθούν τα υγρά, ώστε τα ρούχα ή άλλα υφάσματα να μη λεκιάζουν (εικόνες κάτω).

-Βαφές που δεν χαράζονται εύκολα και αυτοεπικευάζουν τις γρατζουνιές τους, είναι επίσης εφικτές χάρη στη ΝΤ (εικόνα κάτω).

Πώς λειτουργεί η αυτοεπισκευαζόμενη βαφή. Σε περίπτωση ρωγμής στην βαφή, ενεργοποιούνται μικροκάψουλες που διαχέουν το περιεχόμενό τους καλύπτοντας το κενό και επαναφέροντας το χρώμα.

-Αντιμικροβιακοί επίδεσμοι, εμπορτισμένοι με νανοσωματίδια από άργυρο, που σταματούν τη διαπνοή της κυτταρικής μεμβράνης των μικροβίων, σκοτώνοντά τα. 

-Στρατιωτικές εφαρμογές, που είναι πάρα πολλές για να αναφερθούν εδώ, αλλά ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι ρούχα που προσαρμόζονται στο περιβάλλον και κάνουν τον στρατιώτη πρακτικά αόρατο. 

-Περιβαλλοντικές εφαρμογές. Η κατασκευή μεμβρανών με ΝΤ για την αφαλάτωση με τη μέθοδο της αντίστροφης όσμωσης, μπορεί να διπλασιάσει την παροχή των συσκευών και ταυτόχρονα να μειώσει σημαντικά την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια.

Το καμουφλάζ «αορατότητας» είναι στα πρώτα του βήματα, αλλά ήδη τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά.

Ένα «μειονέκτημα» της ΝΤ, είναι ότι θα μας στερήσει στο μέλλον από κάποιες ενδιαφέρουσες καλλιτεχνικές δημιουργίες σε γκράφιτι, καθώς υπάρχουν επικαλύψεις (δεξιά στο δείγμα) που δεν επιτρέπουν πρακτικά σε οτιδήποτε να προσκολληθεί επάνω τους .

Τελευταία νέα (Από το in.gr, 18/12/2015) 
Η οικογένεια των δισδιάστατων νανοϋλικών - με πιο γνωστό το γραφένιο που ανακαλύφθηκε το 2004 - διευρύνεται συνεχώς.

Η νέα προσθήκη είναι το βοροφένιο, ένα πολύ λεπτό στρώμα με πάχος μόλις ενός ατόμου του χημικού στοιχείου βορίου, που δημιούργησαν ερευνητές στις ΗΠΑ.
Οι επιστήμονες που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό Science, δήλωσαν ότι το βοροφένιο είναι ένα ασυνήθιστο υλικό, που έχει πολλές μεταλλικές ιδιότητες στη νανοκλίμακα, παρόλο που το τρισδιάστατο στοιχείο βόριο είναι μη μεταλλικό.
Γενικότερα, τα δισδιάστατα υλικά θεωρούνται ενδιαφέροντα κυρίως για τις ηλεκτρονικές ιδιότητές τους, ενώ στην περίπτωση του βοροφένιου, υπάρχουν και μεταλλικές ιδιότητες. 
 

Γ. Μεταξάς