Nanotechnologie

• Co je to nanotechnologie?
• Samoreplikující se systémy
• Nanotechnologie v medicíně
• Molekulové stroje

Co je to nanotechnologie?

Nejprve si řekněme, co znamená pojem nano. Vědci a technici si představí jednotkovou předponu vyjadřující 10^-9 násobek základní fyzické jednotky. Hlavním významem tohoto slova pocházejícího z řečtiny je však malost, trpaslictví. Tento význam je také vlastní termínu nanotechnology[nanouteknolodži], česky nanotechnologie.

Jako nanotechnologie je označována oblast vědy, jejímž cílem je cílené a přesné ovládání jednotlivých atomů a molekul tak, aby vznikl nějaký objekt, například integrovaný obvod, čip, tisíckrát menší než obvody, vyráběné doposud běžnou technologií. Možná to vypadá příliš fantasticky, ale už v roce 1959 napsal nositel Nobelovy ceny Richard P. Feynman svůj slavný článek s názvem "Tam dole je spousta místa" ("There's plenty of room at the bottom"). V něm prohlásil, že "nevidí ve fyzikálních zákonech nějakou překážku při manipulaci s jednotlivými atomy" a hovoří také o možnostech umisťování atomů tam, kam si bude chemik přát. Od roku 1959 se nanotechnologie rozvíjela celkem svižně, ale stále nešlo o manipulování s jednotlivými atomy, proto vznikl další termín - molecular nanotechnology (molekulová nanotechnologie). Tento termín se používá pro označení skutečně atomové a molekulové manipulace.

K čemu a jak může být molekulová nanotechnologie (dále jen nanotechnologie) použita v počítačovém průmyslu? Nanotechnologie by nám tedy v budoucnu měla dovolit:

• Umístit v podstatě každý atom na 'správné' místo.
• Vytvořit jakoukoli chemickou strukturu, a to na atomární úrovni.
• Snížit výrobní náklady skoro až na cenu pouhého materiálu.

Samoreplikující se systémy

S nanotechnologií je spojena ještě myšlenka samo(sebe)replikace a samo(sebe)replikujících se výrobních systémů (self replicating systems), kterou se zabýval již von Neumann kolem roku 1940 a kterou v roce 1981 v jednom rozhlasovém pořadu rozvinuli vědci z NASA. Navrhli způsoby použití sebereplikujících se robotů při kosmických letech i na zemi. V pořadu byl uveden i odhad, že k tomu dojde v příštích 20-ti letech (a možná se moc nemýlili ...).
Tyto systémy by měly být schopny jak výroby užitečných produktů, tak replikace sama sebe. Největší výhodou takových mechanismů by byly velmi malé náklady na pořízení dalších kopií těchto systémů, protože kdybychom dokázali postavit jeden jediný takový stroj, pak již on sám by se podílel na výrobně identických kopií.
Spoustu sebereplikujících se systémů najdeme v přírodě, například brambor, složitý molekulový stroj zahrnující desítky tisíc genů, jehož výroba je však laciná, neboť jej stačí dát do trochu vlhké špíny, poskytnout vzduch a sluneční světlo, a my dostaneme více brambor. Zkrátka, brambory se samy replikují. Co to znamená? Znamená to, že musíme hledat inspiraci v přírodě. Ovšem inspirovaný neznamená zkopírovaný (Boeing 747 se také od kachny dost liší). Dalším příkladem by mohlo být srovnání koně s autem. Oba poskytují dopravu. Koně čerpají energii z brambor, obilí, cukru, sena, slámy, trávy a z mnoha dalších věcí. Automobil používá jen jeden zdroj energie: benzín.
Stroje vyráběné lidmi nedokáží reagovat na změny prostředí, kdežto žijící biologické systémy jsou v tomto ohledu velmi flexibilní. Koně si mohou vybrat cestu po úzké dráze, přeskočit keře apod. Automobily, na druhé straně, potřebují pro pohyb silnice, musí být vybaveny zvláštními a velmi nepřirozenými částmi, často je obtížné je opravit apod.
Podobně je to i s umělými samoreplikujícími se systémy. Navrhnout systém, který využívá jeden zdroj energie, je mnohem snadnější a produkuje i schopnější systém: kůň zaplatí za svoji schopnost jíst brambory, když není dostupná tráva, menší schopností v obojím prostředí. Toto platí i pro umělé systémy, kdy si přejeme snížit návrh složitosti a zvýšit výkonnost. Navrhneme proto systém s jedním zdrojem energie, se kterým bude velmi dobře zacházeno.
Studie NASA v roce 1980 jen potvrdila myšlenky Johna von Neumanna ze 40-tých let. V tomto trendu pokračuje i K. Eric Drexler. Napsal spoustu článků a jedním z mnoha závěrů je to, že samoreplikující se systém nemusí být vůbec složitý. Jeden z nejjednodušších systémů (při spuštění tiskne sám sebe na standardní výstup) je následující řádek v C programu:

main(){char q=34,n=10,*a="main(){char q=34,n=10,*a=%c%s%c;printf(a,q,a,q,n);}%c";printf(a,q,a,q,n);}

(Z článku Samoreprodukující se programy, Byte magazín, srpen 1980, strana 74)

Systém schopný zkopírovat sám sebe, ale neschopen udělat něco jiného, by však nebyl příliš užitečný pro naše cíle, tedy vytvořit programovatelný systém pro tvorbu různých molekulově přesných struktur.
Replikační systémy jsou klíčem k nízkým nákladům, ale jsou příliš složité a přitom v umělém a řízeném prostředí lze vyrábět jednodušší a robustnější systémy, které lze pak přemístit do cílového místa. Lékařská zařízení navržená pro práci v lidském těle nemusí dělat vlastní kopii: můžeme je vyrábět v řízeném prostředí a pak je aplikovat do těla. Vyplývající lékařské zařízení bude jednodušší, menší a schopnější, než zařízení dělající totéž, ale navíc i vlastní kopii. Tento závěr by měl platit obecně: optimalizovat návrh zařízení pro požadovanou funkci, výroba zařízení v prostředí optimalizovaném pro výrobu a pak doprava zařízení z výrobního prostředí do prostředí, pro které bylo navrženo. Jednotné zařízení schopné dělat vše by bylo náročné na návrh a méně efektivní.

Nanotechnologie v medicíně

Velkou roli by mohla nanotechnologie hrát i v medicíně, která se často odehrává na molekulární úrovni. Pomoc při diagnostice, bioimplantáty, možné léčebné schopnosti nanorobotů, to jsou nejběžnější uplatnění v moderní medicíně. Např. lékařští nanoroboti o velikosti do 1000 nm by se injektovali do lidského těla (několik miliard nanorobotů řádově odpovídá 1 cm³). Tam by mohli pomáhat imunitnímu systému, podílet se na procesech látkové výměny, provádět nějaké opravné úkony, případně se shlukovat do větších celků a vytvářet složitější a výkonnější systémy. Jednoho takového nanorobota navrhl Drexler. Jeho základní součásti lze vidět na obrázku 1. Důraz je kladen na malou velikost.

Počítač i stavitel dosahují molekulových velikostí.
Stavitel má dva hlavní podsystémy:
(1) schopnost měnit polohu je zajištěna několika robotickými rameny (velikost asi 0,1 mikrometrů)
(2) schopnost rozbít chemické vazby buňky pomocí mechanosyntézy
 

Co se týče velikosti, 10000 základních logických systémů (dost, aby vytvořilo malý procesor) by zabralo krychli o hraně maximálně 100 nanometrů a při práci na frekvenci 1 GHz by se spotřebovalo méně než 10 ^-9 wattů.
 

Takové zařízení by se dalo použít například pro ničení rakovinotvorných buněk. Vybavené počítačem a zásobou jedu schopného zabít buňku rakoviny by cirkulovalo lidským tělem a kontrolovalo předem pevně stanovená kontrolní místa. Po 'kontrole' místa by se předal profil počítači, který by jej porovnal s rakovinovým profilem místa, a pokud by se shodovaly, byl by vypuštěn jed. Zabiják buněk by svoji polohu určoval podle příjmu akustických signálů z několika makroskopických zdrojů těchto signálů. Zjistil by například, že se nachází v palci u nohy, pokud bylo jeho cílem zničit rakovinotvorné buňky v tlustém střevě, jed by nebyl vypuštěn. Zařízení by bylo přeprogramovatelné (samozřejmě uvnitř těla pomocí akustických signálů) a mohlo by tak napadat různé cíle, což by ve výsledku zabránilo rozšiřování nechtěných struktur (bakteriové infekce apod.).

Nanoroboti by se dali využít i v kryobiologii a kryonice, vědních oborech zabývajících se možnostmi uchování a konzervace tkání tak, aby v budoucnu bylo možno tyto tkáně nějakým způsobem opět použít. Právě nanoroboti by oživovali a opravovali zmraženou tkáň.

Biomembrány a biočipy

Připojit počítačový čip k živé buňce není vůbec jednoduché, samotné živé buňky jsou příliš kluzké, amorfní a nelze je nijak spojit s pevným povrchem čipu, proto se pro tato propojení používají biointerfacy a různé mikroskopické membrány.
Tři výzkumníci ze Stanford University v čele s profesorem Stevenem Boxerem vytvořili syntetickou buněčnou membránu, která slouží jako propojovací vrstva mezi buňkou a čipem. Pomocí krátkého elektrického pulsu se membrána přichytí na patřičné zakončení čipu, živé buňky se samy přichytí z druhé strany v domnění, že se připojují k jiné živé buňce. Již nyní se dá výsledků výzkumu využít např. při laboratorních testech, membrána s čipem je schopná detekovat rakovinné buňky nebo může dobře posloužit při testech HIV pozitivity.
Na základě objevu této membrány byl zkonstruován první čip se světelnými senzory, který umožňuje slepým pacientům rozpoznat zdroje světla a umožňuje jim, i když v omezené míře, vnímat obrysy předmětů. Čip, který je situován v blízkosti očního nervu, vysílá směrem k nervu elektrické pulsy úměrné dopadajícímu světlu. Až bude možné připojit tento čip přímo na oční nerv, komunikace s nervem se ještě zlepší.
Na to britští vědci ohlásili, že pracují na paměťovém čipu, který by byl schopen uchovávat lidské myšlenky a zkušenosti. Čip bude zaznamenávat smyslové pocity jako je vůně, obraz a zvuky a to ve formě neuronových pulsů, které bude možné později přehrát do počítače. Lidé tedy budou schopni znovu prožít vlastní zážitky nebo později přenést svou paměť do mozku jiného člověka.

DNA čipy a DNA počítače

Tým holandských výzkumníků ukázal, že DNA (náš dědičný materiál) má zvláštní elektrické vlastnosti a může pracovat jako malinký elektrický drát. Vědci umístili malý fragment DNA (dlouhý 10 nm) mezi dvě elektrody. Aplikací napětí na elektrodách mohli vědci změřit, zda elektrický proud prochází přes DNA molekulu.
DNA se skládá ze 4 různých stavebních bloků nazývaných báze. Ty se párují dvěma způsoby: adenin (A) a thymin (T), guanin (G) a cytosin (C). Tyto zpárované báze pak tvoří typickou spirálovitou strukturu DNA. Při testech bylo použito umělé DNA tvořené 30-ti páry G - C. Při malém napětí se nic neděje. Při zvýšení napětí za prahovou hodnotu však prochází DNA proud. DNA se tedy chová jako polovodič. Tato vlastnost se dá využít v počítačovém průmyslu, lze tak nahradit křemík a vyrábět čipy o velikosti molekuly.
 

Jiný způsob využití čipů postavených na bázi znalosti DNA je detekce mutací a informací obsažených v genech. Na něčem podobném pracuje firma Affymetrix, která vyvinula DNA čip, který je schopen "číst" genetickou informaci a rozpoznat různé mutace. Dr. Arnold J. Levine, odborník na léčbu rakoviny z Princeton University, k tomu poznamenal, že tyto čipy, monitorující tisíce genů najednou, mohou velmi dobře posloužit v boji proti rakovině a dalším geneticky podmíněným nemocím. Firma již také nabízí speciálně upravené zákaznické čipy, které dokáží vysledovat mutace ve virech způsobujících AIDS, další podobné čipy pak rozpoznají změny v genu p53, který způsobuje některé druhy rakoviny.
Šéf genetického vývoje firmy Dr. Lockhart potvrdil, že je již k dispozici čip, který rozpozná 6500 lidských genů, jejichž sekvence byly již plně popsány a v dohledné době se plánuje výroba čipu, který by byl schopen detekovat až 50000 lidských genů. Nesmírnou výhodou pro konstruktéry těchto čipů je centrální genetická banka, kde se ukládají výsledky výzkumu všech laboratoří, které se zaměřují na dekódování lidských genů. Pomocí počítače a internetu jsou tedy výrobci čipu schopni ihned vložit do čipů nejnovější dekódované sekvence lidského genomu.

Pokroky v lékařské technologii nutně závisí na našem porozumění žijícím systémům. Je proto nutné je prozkoumat a analyzovat do mnohem větších detailů, než bylo v minulosti možné. Molekulové stroje, operující v lidském těle, by měly kontrolovat různé objekty a zjištěné informace uchovávat ve vnitřní paměti. Tyto stroje by pak byly filtrovány z krve a uložené informace analyzovány. Dostali bychom informace o zdravé či poškozené tkáni, a tak získali nové přístupy, jak léčit nemocné a hojit zraněné.

Molekulové stroje

Ralph Merkle a Charles Bauschlicher vyvinuli model vysokokapacitního systému pro uchování informací s použitím atomů fluoru a vodíku.

Další nanotechnologický průzkum by mohl ukázat, že je možné ukládat data na povrch diamantu takovým způsobem, který je 10 milionkrát hustší než kapacita paměti DVD disků, tedy asi 10¹⁵ bytů/cm², přičemž DVD zapisuje zhruba 10⁸ bytů/cm².
Stan Williams, vědec v laboratořích Hewlett-Packard v Palo Alto, si myslí, že tímto způsobem by se dal vyřešit exponenciální růst výkonu počítačů, který trvá už přes padesát let (Mooreův zákon). "Nynější metoda výroby počítačových čipů leptáním jemnějších a jemnějších linek do křemíku pravděpodobně vyčerpá svůj potenciál asi do roku 2010. Výroba čipů molekulou po molekule by měla umožnit vyrobit počítač, který by zhruba v roce 2050 měl výpočetní sílu a paměť jako 1000 lidských mozků zmáčknutých do zařízení o velikosti hodinek. Celá Kongresová knihovna by se tak vešla na zápěstí," říká Williams.

V roce 1991 byly poprvé vyrobeny uhlíkové nanotrubice (carbon nanotubes, válce grafitu tlusté jeden atom, 10-krát pevnější než ocel a přitom vážící zlomek její hmotnosti), které jsou příkladem zdárného bádání na poli nanotechnologií. Nanotrubice se dají použít při konstrukci senzorů, jako části nanorobotů nebo jako potenciální miniaturní vodiče. Pomocí technologie výroby nanotrubic lze také vytvářet velmi přesné miniaturní otvory nebo též pokrývat materiál tenkou vrstvou částic (filmem), například za účelem snížení tření nebo zvýšení odolnosti styčných ploch materiálu.

Mezi mnohé aplikace molekulové technologie v NASA patří ukládání dat na molekulovou pásku. Je možné ukládat data na dlouhé řetězcové molekuly (např. DNA) a z nich pak číst pomocí skenovacích mikroskopů z nanotrubic. A pokud by mikroskop rozlišil mezi různými bázovými páry DNA, jednalo by se dokonce o nedestruktivní čtení (rozdíl mezi páry je však velmi malý).
NASA vidí v nanotechnologii obrovský potencionál, a to nejen pro počítačovou technologii, ale i pro dopravu v kosmickém prostoru, např. startovací zařízení do vesmíru by tvořil kabel natažený ze Země do vesmíru a podél něj by se posílala do vesmíru a zpět různá vozidla.

Doposud velká část výzkumu nanotechnologie byla soustředěna na univerzitách a ve vládních laboratořích, ale stále více se do tohoto procesu zaplétají i soukromé firmy. Kromě HP, patří mezi hlavní společnosti i IBM a Lucent. Výzkumníci IBM oznámili zásadní objev ve využití prstenců atomů kobaltu při přenosu energie. Uvedli, že tento proces by mohl malý nanoprocesor udělat miliardkrát výkonnější než současný počítačový procesor.

Zatím nanotechnologie zůstává jen relativně malým průmyslem s velkými překážkami.
Možnosti výroby jídla či budování dokonalých čipů nebo vesmírných lodí pomocí nanotrubic zastiňují i etická znepokojení. Slučování lidí se stroji a možnost nesmrtelnosti urazí pravděpodobně nějaké náboženské názory. Pokročilá lékařská ošetření možná díky nanotechnologii budou jen pro bohaté, nanoroboti v našem těle 'zdivočí', nanozbraně budou nebezpečnější než jaderné zbraně (na druhou stranu obranná jednotka složená z nanorobotů by měla odrazit jakýkoliv útok), všemožné zásahy do soukromí apod.

Obhájci i kritici jsou často postaveni před otázku "kdy?". Zde jsou tři možné odpovědi:

1. Nikdo neví. Je zde mnoho proměnných a neznámých.
2. Čas nanotechnologie bude měřen v dekádách, ne v rocích. Zatímco několik aplikací se stane skutečností během příštích pár let, vyrobit programovatelného nanorobota bude nesmírně obtížné.
3. Čas nanotechnologie bude velmi záviset na vynaloženém úsilí, které se pak bohatě odmění.

časopis Computerworld
http://www.rnw.nl/science/html/semiconductors20000221.html
http://www.zyvex.com/nanotech/nanotechAndMedicine.html
http://www.zyvex.com/nanotech/selfRep.html
http://www.zyvex.com/nano
http://cs.felk.cvut.cz/~xneuman/data/nanotech.html
http://www.techweek.com/articles/2-7-2000/nano.htm
http://www.nas.nasa.gov/Groups/Nanotechnology/publications/1997/applications/