Pan Feynman nie żartował

Gdy 29 grudnia 1959 r. Richard Feynman wygłaszał swój słynny wykład zatytułowany „Tam na dole jest jeszcze mnóstwo miejsca”, członkowie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, zgromadzeni w Kalifornijskim Instytucie Technologicznym, zapewne nie zdawali sobie w pełni sprawy z symboliki wydarzenia, w którym przyszło im uczestniczyć. Feynman postawił sobie pytanie, czy można zapisać 24 tomy „Encyclopaedia Britannica” na główce szpilki. Drogą logicznego rozumowania uzyskał zaskakującą odpowiedź: tak, jest to możliwe. Wymaga jedynie istnienia technologii, która umożliwiłaby manipulowanie pojedynczymi atomami. Feynman przewidywał, że będzie to możliwe w stosunkowo krótkim czasie.

W 1985 r., a zatem jeszcze za życia Feynmana, na Uniwersytecie Stanforda Thomas Newman za pomocą wiązki elektronowej odwzorował na główce szpilki pierwszy akapit „Opowieści o dwóch miastach” Karola Dickensa, zmniejszony 25 tys. razy. Zaledwie 5 lat później Donald Eigler i Erhard Schweizer z ośrodka badawczego IBM w San Jose, w Kalifornii za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego ułożyli z pojedynczych atomów logo IBM. Od tamtej pory coraz śmielej poczynamy sobie w świecie nanotechnologii (czyli obiektów, których rozmiar nie przekracza umownej granicy 100 nanometrów, czyli 100×10-9 m; dla porównania ludzki włos ma średnicę 80 tys. nm). Nanotechnologia to oczywiście nie tylko układanie napisów na główce od szpilki. Rozwój tej dyscypliny doprowadził do dwóch odkryć o fundamentalnym znaczeniu: fulerenów oraz nanorurek węglowych. Fulereny to alotropowa odmiana węgla. Składają się one z pierścieni pięcio- i sześcioatomowych, tworzących zamkniętą strukturę kopuł geodezyjnych (tzw. kopuł Fullera). Łączna liczba atomów może przekraczać tysiąc. Szczególnie duże nadzieje wiąże się z wykorzystaniem fulerenów w medycynie, gdzie mogłyby stanowić „kontenery” bądź rusztowania, zdolne precyzyjnie przenosić leki do tkanek w organizmie.

Nanorurki, które będą nam towarzyszyć w dalszej części tego tekstu, to walcowate struktury o średnicy rzędu kilku nanometrów i długości dochodzącej nawet do kilku centymetrów. Mogą być jedno- lub wielościenne, ich kształt czy też przekrój może zmieniać się na skutek defektów, ale w swojej najprostszej formie przypominają płachtę grafitu, zwiniętą i sklejoną wzdłuż jednej krawędzi. Mając niewielką gęstość, rzędu 1,3–1,4 g/cm3, nanorurki węglowe okazują się najwytrzymalszym ze znanych nam materiałów. Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek wielowarstwowych sięga 63 tys. MPa, podczas gdy stal hartowana nie przekracza 1,2 tys. MPa. Z racji swojej budowy nie są już jednak odporne na zgniatanie.

Mimo nowatorstwa technologia toruje sobie drogę z laboratoriów do zastosowań przemysłowych. W budownictwie wykorzystanie nanorurek wciąż jest ograniczone ze względu na trudności w trwałym ich zespoleniu z podłożem. W energetyce są jednak doskonałym materiałem do budowy superkondensatorów, pojemnością wielokrotnie przekraczających kondensatory klasyczne. Naukowcy z Politechniki Poznańskiej skonstruowali na przykład kondensator o pojemności 1 F nie większy od monety. Z kolei naukowcy z Sungkyunkwan University w Korei Południowej testowali możliwość zwiększenia pojemności elektrod poprzez działanie fluorem na powierzchnię ścian nanorurek. Okazało się, że fluorowane nanorurki węglowe są lepszym materiałem do wytwarzania elektrod i zwiększają ogólne możliwości superkondensatorów.

Stal mocniejsza od… stali
Nanotechnologie to nie tylko nanorurki węglowe, lecz także różnego rodzaju domieszki. Pozwalają one ulepszyć dotychczas stosowane materiały. Stal, szeroko wykorzystywana w budownictwie, narażona jest na zmęczenie materiału, będące skutkiem ponawiających się cyklicznie obciążeń. Obecnie projektanci klasycznych konstrukcji stalowych, takich jak mosty czy wieże, koncentrują wysiłki na redukcji naprężeń oraz zapewnieniu należytej konserwacji, wydłużającej żywotność budowli. Wiąże się to oczywiście z kosztami. Okazuje się jednak, że wystarczy niewielka domieszka nanocząstek miedzi, by wygładzić powierzchnię stali, co zmniejsza liczbę spiętrzeń naprężeń, a tym samym podatność na zmęczenie materiału. Przekłada się to na większe bezpieczeństwo użytkowania i niższe długofalowe koszty konserwacji. Nanostal pozwala również produkować mocniejsze kable stalowe dla konstrukcji mostowych, szczególnie przęseł wiszących. Taki system konstrukcji wymaga zastosowania niezwykle mocnych połączeń, co z kolei implikuje potrzebę wprowadzenia mocniejszych nitów. Tymczasem wykazano, że choć wytrzymałość hartowanej stali martenzytowej na rozciąganie przekracza 1200 MPa, wystarczy odrobina wodoru, by wartość ta uległa obniżeniu nawet do 1000 MPa. Wprowadzenie zaś nanocząstek wanadu i molibdenu redukuje zakres występowania kruchości wodorowej, wpływając na podniesienie jakości mikrostruktury stali.

Stal produkowana z użyciem nanotechnologii jest nie tylko wytrzymalsza, lecz także lżejsza. Amerykańska firma NanoSteel wytwarza nowy stop stali i oferuje trzy rodzaje blachy stalowej, o wytrzymałości 950 MPa, 1200 MPa i 1600 MPa, a zatem większej niż obecnie stosowane stopy aluminium. Ziarno w nowych stopach jest znacznie mniejsze – w granicach nano-, a nie mikrometrów – co przekłada się na wzrost wytrzymałości i elastyczności. Z usług NanoSteel korzysta m.in. koncern General Motors, poszukujący sposobu na zmniejszenie wagi – a tym samym również zużycia paliwa – swoich samochodów, bez obniżania poziomu bezpieczeństwa kierowcy i pasażerów. Podobnie postępują inni producenci samochodów, zmuszeni do oszczędności paliwa na skutek rosnącej presji nabywców, a także coraz ostrzejszych norm emisji CO2.

Również w Polsce prowadzone są badania nad stalą o podwyższonej wytrzymałości. Wytwarzanie stali o strukturze nanokrystalicznej jest celem polskiego projektu badawczego o nazwie NanoStal, prowadzonego przez zespół Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Projekt jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

Nanocząstki = makrozagrożenie?
Na fali euforycznego entuzjazmu z początku umykał wątek wpływu nanomateriałów na środowisko, w szczególności na zdrowie człowieka. Pierwsze badania prowadzone w tej dziedzinie zdają się, niestety, studzić emocje. Okazuje się, że nanomateriały mogą także szkodzić, i to bynajmniej nie w nanoskali. Naukowcy odkryli, że pewne rodzaje nanorurek węglowych, jeśli są wdychane w dostatecznie dużych ilościach, powodują podobne zmiany w komórkach tkanki płucnej jak włókna sztuczne czy azbest. Naukowcy z Ośrodka Badań nad Stanami Zapalnymi przy Uniwersytecie w Edynburgu przeprowadzili eksperyment na myszach laboratoryjnych, wykazując, że proste rurki o długości większej niż 20 μm mogą wywoływać w płucach stany przedrakowe. Układ odpornościowy człowieka nie jest w stanie zwalczyć ciał obcych, dostających się do płuc wraz z wdychanym powietrzem. Fagocyty gromadzą się bezsilnie wokół nich, dochodzi do zapalenia i powstaje ziarniniak, którego skutkiem może być pojawienie się złośliwego nowotworu. Jak wskazują badania naukowców z amerykańskiego Uniwersytetu Browna, zmiany fizjologiczne, mogące w najgorszym razie zakończyć się wystąpieniem nowotworu, wywołuje również obecność w płucach nanocząstek niklu. Wnikając do komórek, aktywują one szlak metaboliczny HIF-1 alfa, który w normalnych warunkach uruchamiany jest przez komórki jedynie w sytuacji niedotlenienia.

Jeśli dalsze badania potwierdzą szkodliwość nanorurek węglowych także dla ludzi, może to zahamować rozwój technologii uważanej za wielką nadzieję techniki. Na razie naukowcy próbują skłonić organizacje, przedsiębiorstwa i instytucje do ograniczenia produkcji wyrobów z wykorzystaniem nanorurek dłuższych niż 20 μm.

Okazuje się jednak, że jest szansa na to, by ta sama technologia, która dla człowieka może okazać się śmiertelnym zagrożeniem, jednocześnie ratowała mu życie. Obecnie na świecie prowadzone są badania nad wykorzystaniem nanorurek węglowych w postaci „kapsułek” na maleńkie porcje leków, na przykład przeciwnowotworowych, które następnie mogłyby zostać dostarczone precyzyjnie do dotkniętych chorobą tkanek. Równocześnie profesor Balaji Panchapakesan z Instytutu Biotechnologii na Uniwersytecie Delaware jest w trakcie opracowywania „nanobomb” w postaci wiązek nanorurek, które w określonych warunkach, jeśli wypełnić je atomami pewnych pierwiastków, mogą eksplodować. Eksplozje zachodzą m.in. w roztworach soli, czyli w środowisku panującym we wnętrzu ludzkiego organizmu. Pacjent poczułby co najwyżej ból przypominający ukłucie szpilką.

Stoimy więc w obliczu rewolucji technologicznej, której skutków nie jesteśmy w stanie ocenić. Ostateczne losy nanotechnologii zależne są od wyniku bilansu szans i zagrożeń, jakie ze sobą niesie, z całą pewnością jednak sporządzenie tego bilansu zajmie nam jeszcze wiele czasu.