Νανοτεχνολογία: οι εξελίξεις σε δέκα τομείς και οι επιδράσεις στη ζωή μας

Των Δημήτρη Παυλόπουλου*

& Χρήστου Σκοπετέα**

Η νανοτεχνολογία και γενικά οι νανοεπιστήμες αποτελούν σήμερα τον πιο ραγδαία αναπτυσσόμενο επιστημονικό κλάδο παγκοσμίως. Οι επιδράσεις της νανοτεχνολογίας δεν θα περιοριστούν στον τομέα της  μικρολεκτρονικής, αλλά θα επεκταθούν σε πολλές πτυχές της ανθρώπινης ζωής.

Μερικοί από τους τομείς  που  θα  βρούνε  εφαρμογή   είναι της υγείας, οικονομίας, ανάπτυξης νέων δομικών υλικών και κατασκευαστικών τεχνικών, αυτοκίνησης, καθημερινής υγιεινής, ιατρικής και βιολογίας, τροφίμων, περιβάλλοντος και ενέργειας, αεροναυπηγικής και εξερεύνησης του διαστήματος, που παρουσιάζονται αναλυτικά ακολούθως ως εξής:

1.ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΥΓΕΙΑΣ

Η νανοτεχνολογία υπόσχεται να θεραπεύσει τις ανίατες ασθένειες και να  κάνει το ιατρικό έργο ευκολότερο. Αόρατα στο ανθρώπινο μάτι νανορομπότ θα  εισέρχονται στον ανθρώπινο οργανισμό (μέσω ενός χαπιού λ.χ.) και θα δίνουν αναλυτική διάγνωση για την κατάσταση του οργανισμού. Κατόπιν, άλλα νανορομπότ θα αναλαμβάνουν τη θεραπεία. Μία λεπτή ανάλυση στο ακροδάχτυλο θα αρκεί για να έχουμε αναλύσεις αίματος για πάντα (από το ίδιο άτομο). Η θεραπεία θα είναι στοχευμένη στα ασθενή κύτταρα και δεν θα προκαλεί παρενέργειες. Ασθένειες όπως  η τύφλωση θα μπορούν να θεραπευθούν, και ο κατάλογος δεν τελειώνει εδώ.

2.ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ

Η νανοτεχνολογία θα παράσχει τα μέσα για τη δημιουργία υλικών με τη χρήση ελάχιστων πόρων και την προοδευτική αντικατάσταση των συμβατικών τεχνολογιών, με καινούργιες, που θα εξοικονομούν πόρους. Για παράδειγμα, μία τηλεόραση καθοδικού σωλήνα καταναλώνει πολύ περισσότερη ενέργεια από μία τηλεόραση υγρών κρυστάλλων ή plasma. Κάτι αντίστοιχο θα συμβεί και με τις συσκευές που θα ενσωματώνουν τη νανοτεχνολογία, καθώς θα μπορούν να λειτουργήσουν με ελάχιστους ενεργειακούς πόρους. Στο ίδιο πλαίσιο, η ηλιακή ενέργεια από περιθωριακή/πειραματική μορφή ενέργειας που είναι σήμερα, θα γίνει βιώσιμη και επικερδής. Θα μπορεί να χρησιμοποιείται ακόμα για την κίνηση αεροσκαφών, πλοίων και άλλων οχημάτων εξοικονομώντας περισσότερη ενέργεια.

3.ΣΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΝΕΩΝ ΔΟΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ

Οι νανοσωλήνες του άνθρακα αποτελούν ένα πρώτης τάξεως υλικό για τη δημιουργία συμπαγών κατασκευών. Προοδευτικά, η πλειονότητα των δομικών υλικών θα βασίζεται στους νανοσωλήνες του άνθρακα και αυτό θα δώσει την ευκαιρία για τη δημιουργία πανύψηλων κτιρίων, γεφυρών κ.λπ. Την περίοδο αυτή, η NASA μελετά τον τρόπο για να ανεβάζει στο διάστημα δορυφόρους και πυραύλους, μέσω ειδικών σκοινιών που θα συγκροτούν ένα είδος ανελκυστήρα.

4.ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΣΗΣ

Μολονότι η σχεδίαση των οχημάτων θα διατηρήσει τις σημερινές της γραμμές, εντούτοις πολλά θα αλλάξουν. Τα αυτοκίνητα θα γίνουν πιο λεπτά, πιο φιλικά προς το περιβάλλον, πιο “έξυπνα” και, κατά συνέπεια, ασφαλέστερα. Χάρη στη νανοτεχνολογία, νέα καύσιμα θα αντικαταστήσουν το πετρέλαιο και τη βενζίνη, και τα αυτοκίνητα θα μπορούν να αποφεύγουν τους κινδύνους, χωρίς την παρέμβαση του οδηγού.

5.ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΕΝΔΥΣΗΣ

Τα καθημερινά ρούχα θα είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε ούτε να τσαλακώνονται ούτε να ξεθωριάζουν. Πέραν αυτών, ρούχα που προορίζονται για ειδικές χρήσεις (λ.χ. στολές) θα είναι -κατά μία έννοια- άφθαρτα και δεν θα σχίζονται ούτε θα καταστρέφονται. Η δυνατότητα που παρέχει η Νανοεπιστήμη στη δημιουργία νέων υλικών έχει εφαρμογές  και στην βιομηχανία ρουχισμού με  την κατασκευή «έξυπνων ρούχων» που είναι πιο ανθεκτικά, δεν λερώνονται, μπορούν να αλλάζουν χρώμα. Επιπλέον θα έχουν ενσωματωμένους αισθητήρες θερμοκρασίας, πίεσης και υγρασίας με ιδιότητες πέρα από κάθε φαντασία.

Η εταιρεία Franz Ziener GmbH&Co φτιάχνει ρούχα τα οποία είναι αδιάβροχα και αντιανεμικά που βασίζονται σε νάνο – ίνες και όχι σε κάποια ειδική κατεργασία ινών βάμβακος η πολυεστέρα. Η εταιρεία Nano -Tex και Gore -Tex παράγει ειδικά ρούχα που δεν τσαλακώνουν, μπορούν να καθαριστούν σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες και παράλληλα δεν λερώνονται εύκολα.

6. ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΚΑΘΗΜΕΡΙΝΗΣ ΥΓΙΕΙΝΗΣ

Απλά σπρέι θα διαποτίζουν το χώρο με καθαρό οξυγόνο ή με άρωμα λουλουδιών, εξαφανίζοντας ταυτόχρονα τα βακτήρια. Αυτό θα γίνεται αυτόματα, μέσω των συστημάτων κλιματισμού, για έναν κόσμο χωρίς δυσάρεστες μυρωδιές. Με παρόμοιο τρόπο θα λειτουργούν και οι τουαλέτες, που θα πάψουν να ταυτίζονται με εστίες μόλυνσης και ακαθαρσίας. Η οδοντόκρεμα θα περιέχει νανοσωματίδια που θα φροντίζουν την υγιεινή των δοντιών. Η κρέμα νυκτός, αντίστοιχα, θα επαναφέρει τα κύτταρα στην αρχική τους κατάσταση.

7.  ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΒΙΟΛΟΓΙΑΣ

Τα μοριακά δομικά στοιχεία της ζωής – πρωτεΐνες, νουκλεϊνικά οξέα, λιπίδια κ.λπ. – είναι αντιπροσωπευτικά παραδείγματα. Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες τους βασίζονται κυρίως στο μέγεθος, που είναι της κλίμακας νανομέτρου. Επειδή το μέγεθος των νανοσωματιδίων είναι παρόμοιο με τα βασικά μοριακά δομικά στοιχεία, οι επιστήμονες χρησιμοποιώντας σωματίδια ή συσκευές μεγέθους νανομέτρων έχουν καταφέρει να:

-Επιταχύνουν τη μελέτη γονιδιακού κώδικα.

-Να χρησιμοποιήσουν νανοσωματίδια για μεταφορά φαρμάκων.

-Να επιτύχουν με τοπική μαγνητική υπερθερμία την καταστροφή καρκινικών κυττάρων.

-Να κατασκευάσουν γρήγορα διαγνωστικά με δυνατότητες ταυτόχρονης ανίχνευσης δεκάδων διαφορετικών ιδιοτήτων – παραμέτρων.

-Να ενισχύσουν την διακριτική ικανότητα σημάτων από αξονική τομογραφία με αποτέλεσμα την πρώιμη διάγνωση ασθενειών.

8. ΣΤΗΝ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ  ΤΩΝ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

Εξαιρετικού ενδιαφέροντος σήμερα είναι η βιομηχανία που συνδέεται με την παραγωγή και αποθήκευση τροφών. Η Νανοτεχνολογία υπόσχεται προϊόντα που θα συντηρούν σε πολύ καλή κατάσταση τις τροφές και για περισσότερο χρονικό διάστημα, αλλά και παραγωγή νέας γενιάς πλαστικά που θα έχουν ιδιότητες παρόμοιες με τα υάλινα δοχεία.
 
9. ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Η Νανοτεχνολογία έχει τη δυνατότητα να βελτιώσει το περιβάλλον αλλά και να αλλάξει σε πολύ μεγάλο βαθμό το ενεργειακό ισοζύγιο. Υπάρχει η δυνατότητα ως αναφορά το περιβάλλον:

-Με τη χρήση νανοσωματιδίων– nanofiltration– να γίνει καλύτερος καθαρισμός υδάτινων και αερίων ρύπων.
-Ελάττωση ρύπων που εκπέμπονται από ανθρώπινες η άλλες φυσικές δραστηριότητες.
-Ανάπτυξη «πράσινων» διαδικασιών για την αύξηση της βιομηχανικής δραστηριότητας και για ελαχιστοποίηση των ρύπων.
-Ελαχιστοποίηση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα.
Όσον αφορά την ενέργειας, η ανάπτυξη της νανοτεχνολογία υπόσχεται:
-Καλύτερους ηλιακούς συλλέκτες.
-Βελτίωση της απόδοσης των μηχανών με την προσθήκη ουσιών που περιέχουν ενεργά νανοσωματίδια.
-Τη σύνθεση νέων ελαφρύτερων και ανθεκτικότερων υλικών για αυτοκίνητα και ως δομικά υλικά.

-Kατασκευή «νάνο-κεραιών» για την απευθείας παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την ηλιακή ακτινοβολία.

-Επίσης φωτοχρωμικές η ηλεκτροχρωμικές επικαλύψεις τζαμιών υπόσχονται τεράστια εξοικονόμηση ενέργειας σε κτήρια νέας τεχνολογίας, διότι με αυτό τον τρόπο ελέγχεται η εισερχόμενη και εξερχόμενη ηλιακή / θερμική ακτινοβολία.

10. ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΞΕΡΕΥΝΗΣΗΣ ΤΟΥ ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΟΣ

Οι αυστηροί περιορισμοί για τη μεταφορά φορτίων στο διάστημα αλλά και οι μακροχρόνιες αποστολές μπορούν να γίνουν πραγματικότητα, αν γίνουν δραστικές σμικρύνσεις στο μέγεθος, την ελάττωση του βάρους και την κατανάλωση ενέργειας. Τα νανοδομικά υλικά και η νανοτεχνολογία, με την ανάπτυξη νέων υλικών με καλύτερες μηχανικές, θερμικές ιδιότητες και πολύ μικρότερο βάρος μπορούν να δώσουν την απάντηση σε αυτές τις προκλήσεις. Ήδη μίκρο – νάνο δορυφόροι έχουν σχεδιαστεί για την αποστολή στο διάστημα. Επιπλέον η έλλειψη βαρύτητας και το απόλυτο κενό στο διάστημα αποτελούν το ιδανικό περιβάλλον για την ανάπτυξη νέων υλικών τα οποία δεν μπορούν να αναπτυχθούν στη γη. Αυτές είναι μερικές από τις εφαρμογές που είναι στο στάδιο σχεδιασμού ή παραγωγής.

Στο μέλλον προβλέπονται πολύ περισσότερες εφαρμογές, όπως μοριακές μηχανές που «κολυμπούν» στο ανθρώπινο σώμα και μετρούν διάφορες ουσίες ή και επισκευάζουν ανθρώπινα όργανα. Η κατασκευή νέων υλικών για ρούχα με μηχανικές και θερμικές ιδιότητες που δεν υπάρχουν σήμερα, καθώς και άλλες εφαρμογές που μόνο η φαντασία του ανθρώπου μπορεί να περιορίσει.

Οι Νανοεπιστήμες και η Νανοτεχνολογία είναι νέα πεδία επιστημονικών δραστηριοτήτων και ως εκ τούτου η αποδοχή τους από την επιστημονική κοινότητα αλλά κυρίως από το ευρύτερο κοινό, ενόψει και των εφαρμογών που ξεπερνούν κάθε φαντασία, δεν έχει γίνει εύκολα αποδεκτή. Υπάρχουν αρκετές επιφυλάξεις που βασίζονται κυρίως σε ελλιπή πληροφόρηση αλλά και στους πιθανούς κινδύνους «μόλυνσης».

Τα νανοσωματίδια μπορούν εύκολα να διασκορπιστούν στο περιβάλλον και να προκαλέσουν διάφορες μεταβολές λόγω της δραστικότητάς τους. Ακόμη και να εισχωρήσουν στον ανθρώπινο οργανισμό μέσω της αναπνευστικής οδού ή μέσω των πόρων του δέρματος. Τα παραπάνω θέματα μπορούν να αντιμετωπισθούν με καλύτερη πληροφόρηση και αυστηρότερη επιτήρηση των εργαστηρίων που ασχολούνται με την νανοτεχνολογία.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Η νανοτεχνολογία και γενικά οι νανοεπιστήμες αποτελούν σήμερα τον πιο ραγδαία αναπτυσσόμενο επιστημονικό κλάδο παγκοσμίως. Αρκετές χώρες έχουν θέσει τη νανοτεχνολογία ως σημαντική προτεραιότητα με σκοπό την ανάδειξη και βελτιστοποίηση των δυνατοτήτων που μπορεί να προσφέρει σε υλικά και προϊόντα που περιέχουν νανοδομές. Οι πρώτες εφαρμογές των νανοτεχνολογιών έχουν ήδη εμφανιστεί σε: ειδικές προστατευτικές επιστρώσεις για μέταλλα και γυαλιά, σε νανοδομημένους καταλύτες και πολλές άλλες εφαρμογές που βρίσκονται στο στάδιο της ανάπτυξης. Οι νανοεπιστήμες ήδη αποτελούν ένα σημαντικό μέσο επιστημονικής και τεχνολογικής ανάπτυξης. Οι κινητήριες δυνάμεις τους θα συνεχίσουν να είναι η κοινωνική ζήτηση, η βιομηχανική αυτοματοποίηση, η ενέργεια, η ασφάλεια, η υγεία και η οικονομική ανάπτυξη.

Παράλληλα όμως με το πλήθος των θαυμαστών και χρήσιμων εφαρμογών που θα επιφέρει η νανοτεχνολογία, οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι συνέπειες θα είναι καταστροφικές. Ένα από τα πλέον σημαντικά θέματα που θα απασχολήσει την επιστημονική κοινότητα τα επόμενα χρόνια είναι η διακρίβωση των κινδύνων που πιθανώς να εμπεριέχουν τα νανοϋλικά. Τα νανοσωματίδια προκαλούν ανησυχία στην παγκόσμια κοινή γνώμη, γιατί αποτελούν (λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους) νέα υλικά, τα οποία μπορούν, χάρη στο μικροσκοπικό τους μέγεθος, να εισχωρήσουν παντού, ακόμη και στο ανθρώπινο σώμα, με απρόβλεπτες και άγνωστες μέχρι στιγμής συνέπειες.

Επιπρόσθετα, αξίζει να αναφέρουμε ότι τα νανοσωματίδια έχουν διαφορετικές ιδιότητες από ότι τα ανάλογα υλικά σε κανονική κλίμακα, οι οποίες δεν έχουν μελετηθεί σε σχέση με τους κινδύνους που επιφυλάσσουν για την ανθρώπινη υγεία και για το περιβάλλον. Δεν είναι απίθανο κάποια νανοσωματίδια να είναι τοξικά, ακόμα και αν τα υλικά από τα οποία προέρχονται δεν έχουν τοξικές ιδιότητες ή λόγω μεγαλύτερης επιφάνειας στη νανοκλίμακα να παρουσιάζουν υψηλότερη τοξικότητα, από ότι τα αρχικά υλικά. Στην ουσία οι διαφορετικές τους ιδιότητες σε νανοκλίμακα τα καθιστούν εντελώς νέα υλικά, για τα οποία γνωρίζουμε ελάχιστα, πόσο μάλλον για τους κινδύνους που επιφυλάσσουν.

*Δημήτρης Παυλόπουλος, Μηχανολόγος Ηλεκτρολόγος, πρώην Πρόεδρος ΔΚΜ, πρώην Μέλος ΔΣ ΕΛΟΤ

**Χρήστος Σκοπετέας, Μηχανικός πληροφορικής και συστημάτων