Công nghệ nano là gì - Ví dụ, ứng dụng và rủi ro trong tương lai

Mọi thứ thuộc về bản chất vật lý - con người, thực vật, khoáng chất, không khí - bao gồm sự kết hợp của các nguyên tử và phân tử liên kết với nhau bằng hình dạng hoặc điện tích. Thao tác điều khiển các nguyên tử trên quy mô nano về mặt lý thuyết sẽ cho phép con người tái tạo mọi thứ từ kim cương đến thực phẩm.

Mặc dù lợi ích của công nghệ này là vô số, nhưng nó đã tạo ra mối lo ngại đáng kể trong số một số người rằng thao tác phân tử có thể vô tình mang lại nhiều vấn đề hơn các giải pháp - lên đến và bao gồm cả sự tuyệt chủng của con người. Các tổ chức như Những người bạn của Trái đất Úc, Các cá nhân có xu hướng hướng tới Savagery ở Mexico và Hiệp hội người tiêu dùng hữu cơ ở Mỹ tích cực phản đối bất kỳ sự phát triển nào nữa của các dự án quy mô nano.

Quy mô là gì và tại sao nó quan trọng?

Công nghệ nano là khoa học liên quan đến sự thao túng vật chất trên quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử - nói cách khác, nhỏ hơn nhiều so với những gì mắt thường có thể nhìn thấy. Mỗi nanomet là một phần tỷ mét - xấp xỉ chiều dài móng tay mọc trong một giây. Theo quan điểm đó, một sợi tóc của con người có chiều rộng khoảng 80.000 đến 100.000 nanomet, một tế bào hồng cầu là 2.500 nanomet và một chuỗi DNA của con người có đường kính 2,5 nanomet.

Chỉ nhờ sự phát triển của các thiết bị có độ chính xác phi thường, như kính hiển vi quét đường hầm và kính hiển vi lực nguyên tử, công nghệ nano đã trở nên khả thi. Lời hứa và rủi ro của nó phát sinh từ sự hiểu biết ngày càng tăng của chúng ta về vật lý lượng tử, liên quan đến các vật thể siêu nhỏ. Đáng ngạc nhiên, hành vi của các chất trên kích thước nano thường trái với tính chất của nó ở quy mô lớn hơn.

Ví dụ, các chất ở dạng khối không mang điện tích - chất cách điện - có thể trở thành chất bán dẫn ở cấp độ nano, giống như các điểm nóng chảy và các tính chất vật lý khác có thể thay đổi. Một cốc nhôm có thể nghiền thành bột từ 20 đến 30 nanomet có thể tự bốc cháy trong không khí - một tính chất làm cho nó trở thành chất xúc tác nhiên liệu tên lửa. Tương tự, cả kim cương và than chì trong bút chì đều được làm từ carbon, nhưng chúng có các tính chất rất khác nhau do cách liên kết của các nguyên tử carbon.

Thuật ngữ Nano

Vì khoa học đã mở rộng trong lĩnh vực nano nano, nên thuật ngữ này cũng vậy. Dưới đây là một số định nghĩa cơ bản:

Công nghệ nano: Bất kỳ công nghệ nào, bao gồm các quy trình công nghiệp và hóa học truyền thống, bao gồm các cấu trúc từ một đến một trăm nanomet, với các thuộc tính mới. Lớp phủ công nghệ nano đã được sử dụng để sản xuất quần áo bằng sợi chống vết bẩn và kem chống nắng hiệu suất cao, ví dụ.
Vật liệu nano: Trên quy mô nano, mọi phương pháp sản xuất chỉ đơn giản là một phương pháp để sắp xếp các nguyên tử. Còn được gọi là các nhà lắp ráp phân tử, các nhà máy nano nano là các đơn vị sản xuất hệ thống khép kín nhỏ bé, điều động, kết hợp và điều khiển các phân tử phản ứng để xây dựng các cấu trúc vật lý và sinh học phức tạp - từ khoáng chất, đến các bộ phận và xương của con người. Một tế bào người duy nhất là ví dụ hoàn hảo của một đơn vị sản xuất phân tử sinh học, hoặc sợi nano, đọc vật liệu di truyền kỹ thuật số (DNA) để hướng dẫn quá trình kết hợp. John Burch của Viện tầm nhìn xa dự đoán rằng các ứng dụng của kỹ thuật và sản xuất phân tử sinh học sẽ mở rộng và phát triển nhanh chóng vào giữa thế kỷ 21.
Nanobots: Đây là những sản phẩm của vật liệu nano, nhưng dự kiến sẽ không tự sao chép hoặc định hướng. Nanobots rơi vào giao điểm của công nghệ nano và robot và là khoa học viễn tưởng hơn khoa học, tại thời điểm này. Tuy nhiên, chắc chắn có những khả năng hấp dẫn cho việc sử dụng chúng, đặc biệt là trong cơ thể con người. Một số nhà tương lai dự đoán rằng nanobots một ngày nào đó có thể đi qua dòng máu để tìm kiếm và điều trị các tế bào bệnh cụ thể. Một ví dụ có thể là một nanobot chỉ tấn công và tiêu diệt ung thư thuộc một loại cụ thể.

Công dụng hiện tại và tương lai của công nghệ nano

Theo Hiệp hội Chất độc, những tiến bộ trong công nghệ nano đã tạo ra nhiều loại vật liệu mới. Họ cũng đang điều chỉnh các vật liệu cũ, chẳng hạn như carbon, do đó mang lại cho họ tiềm năng lớn để cải thiện các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng, giải quyết các nhu cầu năng lượng quan trọng, tăng cường hệ thống an ninh và cải thiện lĩnh vực y tế.

Các ống nano carbon - hãy tưởng tượng một tấm các nguyên tử carbon cuộn lại - xuất hiện trong các sản phẩm tiêu dùng như vợt tennis và câu lạc bộ golf. Chúng thể hiện sức mạnh gấp 200 lần và năm lần độ đàn hồi của thép, gấp năm lần độ dẫn điện của đồng và một nửa mật độ của nhôm. Ngoài ra, chúng không bị rỉ sét, xuống cấp do bức xạ, hoặc mở rộng hoặc co lại với sự thay đổi nhiệt độ. Về vấn đề này, sự hấp dẫn của ứng dụng của họ trong các sản phẩm như ô tô và máy bay trở nên khá rõ ràng.

Dự án Công nghệ nano mới nổi tại Virginia Tech liệt kê hơn 1.790 sản phẩm tiêu dùng hiện có hỗ trợ nano, bao gồm tấm bông, chất tẩy nhờn, trục golf, sơn và mỹ phẩm. Một số nhà khoa học thậm chí còn dự đoán rằng pin mặt trời cuối cùng có thể được phát triển với độ bền như vậy và với chi phí thấp đến mức cho phép sử dụng chúng trên mái nhà, vỉa hè và đường - mở đường cho việc cung cấp năng lượng không gây ô nhiễm, dồi dào và rẻ tiền.

Ví dụ cụ thể về các sản phẩm hiện có sử dụng công nghệ nano bao gồm:

Hệ thống MineralWater của Seldon Technologies là một thiết bị lọc ống nano carbon giúp loại bỏ mầm bệnh và các chất gây ô nhiễm như virus, vi khuẩn, u nang và bào tử để cung cấp nước uống vượt quá tiêu chuẩn nước uống USEPA.
Mực ống nano carbon của Linde Electronics dành cho màn hình, cảm biến và các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh có màn hình cuộn lên hoặc thiết bị GPS nhìn xuyên qua được gắn trong kính chắn gió của ô tô.
Các sản phẩm chống nắng bao gồm các hạt nano titan dioxide hoặc kẽm oxit phản chiếu hoặc hấp thụ tia cực tím gây ung thư. Những sản phẩm này là vô hình và lâu dài, và có chất gây dị ứng và dị ứng thấp hơn so với kem chống nắng truyền thống.
Nhiều loại băng không kê đơn hiện có chứa các hạt nano bạc ngăn ngừa nhiễm trùng xung quanh vết cắt và trầy xước, pha trộn hiệu quả thuốc mỡ kháng sinh với băng.
Chất lỏng hồ bơi kháng khuẩn. Những cách này hiệu quả hơn trong việc chống lại vi khuẩn có hại đồng thời giảm sự tiếp xúc của người bơi với các hóa chất khắc nghiệt của các sản phẩm trước đó.

Theo dự kiến của Viện tầm nhìn xa, những lợi ích hàng ngày của sự gia tăng sẵn có của các vật liệu nano sẽ bao gồm:

Nanorobots y tế chữa bệnh và lão hóa ngược. Robert Freitas, Nghiên cứu viên cao cấp tại Viện Sản xuất phân tử, dự án trong sê-ri sách Nanomeesine của mình trong tương lai, nơi các nanorobot y tế được đưa vào cơ thể người để thực hiện phẫu thuật tế bào và kính hiển vi, sửa chữa vết thương cụ thể và tuần tra cơ thể để xác định và chống lại bệnh tật . Trên trang web của Viện Đạo đức & Công nghệ mới nổi, Burch đã mô tả một kịch bản trong đó một viên thuốc ăn vào sẽ cung cấp vật liệu phân tử với các hướng dẫn cho nanobot hình thành tế bào thần kinh mới để thay thế các tế bào não bị hư hỏng hoặc chết. Những tế bào não mới này sẽ xử lý thông tin nhanh hơn nhiều so với não sinh học, giống như chân tay giả có thể mạnh hơn cánh tay hoặc chân người.
Giảm giá thành sản phẩm. Chi phí cơ bản sẽ giảm xuống giá trị của các nguyên liệu thô như carbon, nitơ và oxy và năng lượng cần thiết để vận hành vật liệu nano. Hãy tưởng tượng một chiếc ô tô được chế tạo từ các sợi carbon và được tạo ra trong các vật liệu nano - chứ không phải với các vật liệu đòi hỏi khai thác, xử lý và cấu hình. Về mặt lý thuyết, hầu như bất kỳ vật liệu hoặc vật thể nào cũng có thể được lắp ráp từ dưới lên bằng sự kết hợp của các vật liệu nano. Kết quả quy mô lớn xảy ra khi các quá trình nano đồng thời và hiệp đồng được kết hợp. Eric Drexler, một kỹ sư người Mỹ nổi tiếng với việc phổ biến công nghệ nano, dự đoán một tương lai của các nhà máy sản xuất bàn làm việc sẽ tạo ra những sản phẩm lớn, hữu ích, tương tự như bản sao chép của Drake của Star Star Trek nổi tiếng. Trên thực tế, vào tháng 6 năm 2014, Viện Khoa học Sức khỏe của Nestle đã công bố một dự án mới mà cuối cùng có thể dẫn đến một cỗ máy nhà bếp có thể tạo ra các chất bổ sung phù hợp - hoặc thậm chí là thực phẩm.
Phát triển trí tuệ tổng hợp nhân tạo (AGI). Theo Viện Foresight, các nhà máy nano sẽ bao gồm các hệ thống máy móc cho công việc kỹ thuật và kỹ thuật, lần lượt, sẽ sản xuất các máy tính mạnh hơn và rẻ hơn hàng nghìn lần so với các máy tính hiện tại. Khi máy móc học hỏi và chuyển kiến thức từ ứng dụng hoặc môi trường này sang ứng dụng khác, những tiến bộ nhanh chóng trở nên có thể xảy ra. Tuy nhiên, có một số câu hỏi là làm thế nào nhanh chóng đạt được AGI. Từ năm 1990, một giải thưởng trị giá 100.000 đô la đã có sẵn cho bất kỳ ai có cỗ máy có thể đánh lừa các thẩm phán độc lập nghĩ rằng đó là con người khi tham gia vào cuộc trò chuyện tự do. Giải thưởng vẫn chưa được trao.
Loại bỏ ô nhiễm hóa chất công nghiệp. Vì mỗi nguyên tử trong kho thực phẩm hữu cơ được sử dụng trong sản phẩm cuối cùng, hoặc được dẫn vào chất thải được đóng gói đúng cách, không có nguyên tử gây ô nhiễm nào được thải ra môi trường. Ví dụ, than đá tự nhiên tạo ra các chất ô nhiễm như sulfur dioxide, oxit nitơ, các hạt vật lý trong không khí và thủy ngân khi bị đốt cháy. Xây dựng nhiên liệu nhân tạo giúp loại bỏ các sản phẩm phụ hoặc chuyển đổi chúng thành dạng không gây hại sẽ tốt hơn và ít tốn kém hơn.

Những rủi ro và rủi ro của công nghệ nano

Ngay cả những người đề xuất công nghệ nano, như Burch và Drexler, nhận ra tiềm năng gây hại của nó và có thể tiêu diệt loài người nếu công nghệ này không được kiểm soát hoặc đánh giá sai. Những tác động có thể gây hại này bao gồm:

Dân số quá mức. Tỷ lệ tử vong ở người trên 80 tuổi đã giảm khoảng 1,5% mỗi năm kể từ những năm 1960. Robert Freitas, Jr. gợi ý rằng những tiến bộ trong công nghệ nano sẽ loại bỏ tất cả các bệnh di truyền và làm chậm lão hóa, tăng cường sức khỏe của con người ít nhất gấp 10 lần. Nếu tăng tuổi thọ không làm giảm sinh, loài người sẽ mở rộng theo cấp số nhân, làm trầm trọng thêm căng thẳng xã hội và có khả năng cạn kiệt tài nguyên.
Gia tăng tội phạm và khủng bố. Vũ khí hóa học và sinh học có thể trở nên nguy hiểm hơn và dễ dàng che giấu hoặc theo dõi hơn, đặc biệt nếu chúng có sẵn trên thị trường chợ đen hoặc có thể được chế tạo trong một nhà máy gia đình. Về mặt lý thuyết, Nanofactories có thể tạo ra một vũ khí chống người thông minh có kích thước bằng một con côn trùng có khả năng mang một liều thuốc gây chết người. Số lượng vũ khí như vậy có khả năng giết chết mỗi con người trên hành tinh có thể được đóng gói vào một chiếc vali.
Sự chênh lệch giữa Haves và Have-Nots. Sự phát triển công nghệ nano có thể ban đầu rất tốn kém và do đó được bảo vệ bởi các lớp bằng sáng chế, luật pháp và các rào cản chống cạnh tranh. Theo đó, lợi ích của chi phí thấp hơn có khả năng được giới hạn cho các chủ sở hữu công nghệ. Nghèo đói và chênh lệch thu nhập có thể trở nên cường điệu hơn, do đó tạo ra bất ổn xã hội.
Xung đột về niềm tin và lối sống tôn giáo. Trên khắp thế giới, các sản phẩm bị cấm hoặc hạn chế dựa trên các nguyên tắc tôn giáo hoặc đạo đức không nhất thiết phải được chia sẻ bởi đa số. Ví dụ như súng ở Anh, rượu trong xã hội Hồi giáo và ma túy giải trí ở nhiều quốc gia khác nhau. Khả năng sản xuất các sản phẩm bị cấm trong các nhà máy nano cá nhân có thể gây ra sự gián đoạn trong các xã hội đó.
Ngoại hình của Gray Grey Goo.Cúc Một số nhà khoa học lo ngại rằng các vật liệu nano tự sao chép có thể chạy điên cuồng, ăn sinh quyển trong một nỗ lực điên cuồng để tạo ra các bản sao không giới hạn của chính chúng. Giống như hành vi chống đối xã hội không thể cưỡng lại được với một tỷ lệ dân số nhất định - bằng chứng là số lượng virus máy tính tồn tại - những người và nhóm vô trách nhiệm có khả năng tự tạo ra các vật liệu nano, do đó làm tăng khả năng xảy ra thảm họa.

Từ cuối cùng

Steve Jurvetson, giám đốc điều hành của công ty đầu tư mạo hiểm Draper Fisher Jurvetson, tuyên bố rằng tương lai của công nghệ nano không phải là vấn đề của nếu if, mà là thay vì khi. Josh Wolfe, đồng sáng lập Lux Capital và biên tập viên của Báo cáo công nghệ nano của Forbes / Wolfe đồng ý, nói rằng tất cả mọi thứ - quần áo, thực phẩm, xe hơi, nhà ở, thuốc men, thiết bị liên lạc, không khí chúng ta uống và nước chúng ta uống - sẽ trải qua thay đổi sâu sắc và cơ bản. Và kết quả là, cấu trúc kinh tế xã hội của thế giới cũng vậy.

Công nghệ nano sẽ trở thành viên đá của nhà triết học người Hồi giáo có khả năng biến mọi điều ước thành hiện thực hay mở hộp Pandora, giải phóng những khó khăn và nỗi kinh hoàng không thể tưởng tượng được đối với cuộc sống của con người như chúng ta biết?